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PROYECTO AMPLIACIÓN 17
CRITERIOS DE DISEÑO – ESTRUCTURAS METÁLICAS
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CRITERIOS DE DISEÑO – ESTRUCTURAS METÁLICAS
TABLA DE CONTENIDO
1.
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
2.
2.1
2.2
2.3
GENERALES .............................................................................................................. 3
ALCANCES ................................................................................................................. 3
DOCUMENTOS DE REFERENCIA ............................................................................. 3
CARACTERÍSTICAS AMBIENTALES ......................................................................... 5
CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DEL SISTEMA 220 kV ....................................... 6
CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DEL SISTEMA 138 kV / 60 kV ........................... 6
BASES DEL DISEÑO ESTRUCTURAL ....................................................................... 8
DISEÑO DE LAS ESTRUCTURAS ............................................................................. 8
SOLICITACIONES SOBRE LAS ESTRUCTURAS .................................................... 14
COMBINACIONES DE CARGA Y FACTORES DE SOBRECARGA ......................... 15
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1.
GENERALES
1.1
ALCANCES
Este documento presenta los principales criterios con los cuales se determinarán el diseño
y las guías de cargas para estructuras metálicas de pórticos y soportes de equipos de las
ampliaciones de las subestaciones Puno 60 kV, Combapata 138 kV, Paramonga 220 Kv /
66 kV, Ica 220 kV / 60 kV y Friaspata 220 kV.
1.2
DOCUMENTOS DE REFERENCIA
a. Acero de perfiles y láminas.
Imperiales
 ASTM A36 / A36M Standard Specification for
Carbon Structural Steel.
 ASTM A572 / A572M Standard Specification for
High-Strength Low-Alloy ColumbiumVanadium
Structural Steel.
 ASTM A6 / A6M Standard Specification for
General Requirements for Rolled Structural
Steel Bars, Plates, Shapes, and Sheet Piling.
 AISC. Manual of steel construction – LRFD
Load and Resistance Factor Design.
Milimétricos
 EN 10025, European standard for hot-rolled
structural steel
 ASTM A6 / A6M Standard Specification for
General Requirements for Rolled Structural
Steel Bars, Plates, Shapes, and Sheet Piling
b. Tornillos, tuercas y arandelas
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Imperiales
 ASTM A394 Standard Specification for Steel
Transmission Tower Bolts, Zinc-Coated and
Bare.
 ASTM A563 Standard Specification for Carbons
and Alloy Steel Nuts
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

c. Pernos de anclaje
d. Soldadura
e. Diseño y solicitaciones
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ASTM F436 Standard Specification for
Hardened Steel Washers.
ANSI, American National Standards Institute
 B.1.1 Unified Screw Threads
 B.18.2.1 Heavy Hex Structural Bolts
 B.18.2.2 Square and Hex Nuts
 B.18.21.1 Helical Spring Lock Washers
Milimétricos
 ISO 898-1 Mechanical properties of fasteners
made of carbon steel and alloy steel. Part 1:
Bolts, screws, and studs.
 ISO 898-2 Mechanical properties of fasteners.
Part 2: Nuts with specified proof load valuescoarse thread.
 DIN Specifications
 DIN 126 Flat washer without chamfer
 DIN 127 Split lock washer with bend
ends
 DIN 434 Square bevel washer: 8%
 DIN 931 Hexagon cap screws partially
threaded
 AISI/SAE 1045 Standard Carbon Steel.
 AWS. D1.1 Structural Welding Code - Steel
enhance its usability.
 AWS. D1.3 Structural Welding Code - Sheet
Steel.
 AISC. Manual of steel construction allowable
stress design.
 ANSI/AISC 360. Specification for Structural
Steel Buildings.
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








IEEE 693-2005 - Recommended Practice for
Seismic Design of Substations.
f. Calificación sísmica
S.E
Combapata
S.E
Puno
S.E
Paramonga
S.E
Ica
S.E
Friaspata
3525
4150
169
430
3730
4,4
-5
13
8
3
 Promedio anual, ºC
17
0
16
22
9,2
 Promedio anual máximo, ºC
30
104
50
900
7
113
20
900
21
94
5
900
36
94
5
900
16
104
60
900
0,5
0,3
0,5
0,3
0,5
0,3
0,5
0,3
0,5
0,3
1.3
CARACTERÍSTICAS
AMBIENTALES
a. Altura sobre el nivel del mar
m.s.n.m
b. Temperatura
 Promedio anual mínimo, ºC
c.
d.
e.
f.
ASCE 10: Design of
Latticed Steel
Transmission Structures.
ASCE Manual No. 113: Substation Structure
Design Guide: ASCE Manuals and Reports on
Engineering Practice No. 113.
Publicación ASCE 7 “Minimum Design Loads
for Buildings and Other Structures”.
CIGRE WG02 - SC23, “The mechanical effects
of short - circuit currents in open air
substations”.
CIGRE WG 23-11, “The mechanical effects of
short - circuit currents in open air substations”.
IEC 60865-1, “Short-circuit Currents –
Calculation of effects”.
Building Code Requirements for Structural
Concrete (ACI 318) and Commentary ACI 318R.
Reglamento
Nacional
de
Edificaciones,
República del Perú, Ministerio de Vivienda.
Código Nacional de Electricidad del Perú
(Suministro 2011).
Velocidad de viento, km/h
Nivel ceráunico, día/año
Radiación solar, W/m2
Características sísmicas.
 Aceleración horizontal, g
 Aceleración vertical, g
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1.4
CARACTERÍSTICAS
ELÉCTRICAS DEL
SISTEMA 220 kV
VALOR
UNIDAD
S.E.
Paramonga
S.E.
Ica
S.E.
Friaspata
a. Tensión de operación del
sistema.
kV
220
220
220
b. Tensión máxima de operación.
kV
245
245
245
c. Frecuencia asignada.
Hz
60
60
60
Tipo
Sólido
Sólido
Sólido
kA
40
40
40
 Para diseño de la instalación.
kA
40
40
40
f. Máxima duración admisible del
cortocircuito.
 Para diseño de estructuras de
pórticos y soporte de equipos.
s
0,5
0,5
0,5
mm/kV
31
31
25
R, S, T
R, S, T
R, S, T
d. Puesta a tierra (sólido / a
través de alta impedancia /
aislado).
e. Corriente de corta duración
admisible asignada.
 Para especificación de
equipos.
g. Distancia de fuga mínima.
h. Identificación de fases.
1.5
CARACTERÍSTICAS
ELÉCTRICAS DEL
SISTEMA 138 kV / 60 kV
VALOR
UNIDAD
S.E.
Combapata
S.E.
Puno
S.E.
Paramonga
S.E.
Ica
a. Tensión de operación del
sistema.
kV
138
60
66
60
b. Tensión máxima de operación.
kV
145
72,5
72,5
72,5
c. Frecuencia asignada.
Hz
60
60
60
60
Tipo
Sólido
Sólido
Sólido
Sólido
kA
31,5
31,5
31,5
31,5
kA
31,5
31,5
31,5
31,5
d. Puesta a tierra (sólido / a
través de alta impedancia /
aislado).
e. Corriente de corta duración
admisible asignada.
 Para especificación de
equipos.
 Para diseño de la instalación.
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1.5
CARACTERÍSTICAS
ELÉCTRICAS DEL
SISTEMA 138 kV / 60 kV
f. Máxima duración admisible del
cortocircuito.
 Para diseño de estructuras de
pórticos y soporte de equipos.
g. Distancia de fuga mínima.
VALOR
UNIDAD
S.E.
Combapata
S.E.
Puno
S.E.
Paramonga
S.E.
Ica
s
0,5
0,5
0,5
0,5
mm/kV
20
25
31
31
R, S, T
R, S, T
R, S, T
R, S, T
h. Identificación de fases.
(1)
Estos valores se encuentran corregidos por altura.
(2)
Considerado del Procedimiento N°20: Ingreso, modificación y retiro de instalaciones en el SEIN - PR-20,
Numeral 1.4, Tabla 3.
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2.
BASES DEL DISEÑO ESTRUCTURAL
2.1
DISEÑO DE LAS ESTRUCTURAS

a. Sistema estructural.


b. Metodología de análisis y diseño.



c. Software de análisis y diseño.
d. Materiales para perfiles y láminas.
Se preferirá el diseño de estructuras
atornilladas tipo celosía.
Cuando se requiera por facilidad
constructiva y limitaciones de espacio se
diseñarán estructuras menores en alma
llena.
Analisis elástico lineal tridimensional para
los estados límites de servicio y de
resistencia última usando software de
cálculo estructural.
Modelos reticulares de elementos finitos
tipo línea para estructuras completas.
Modelos de elementos finitos tipo área
para conexiones de placa base de
pórticos.
Programas de diseño de elementos
finitos capaces de modelar estructuras en
celosía (p.e. PLS-Tower o SAP2000)
Imperiales
 Acero de resistencia normal: A36
 Acero de alta resistencia: A572 Gr. 50
Milimétricos
 Acero de resistencia normal: S235.
 Acero de alta resistencia: S335.
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Imperiales
 Tornillos de cabeza hexagonal según
norma ASTM A394 tipo 0.
 Tuercas hexagonales según norma
ASTM A563.
 Arandelas planas y de cuña según norma
ASTM F436.
 Arandelas de presión según norma ANSI
B.18.21.1
e. Materiales y dimensiones para tornillos,
arandelas y tuercas.
Milimétricos
 Tornillos de cabeza hexagonal según
norma ISO 898-1.
 Tuercas hexagonales según norma ISO
898-2.
 Arandela plana según norma DIN 931.
 Arandela de presión según norma DIN
933.
 Arandela de cuña según norma DIN 434.
 Las estructuras tipo celosía se diseñan
de acuerdo con lo indicado en la norma
ASCE 10-97.
 Las estructuras menores en alma llena se
diseñan de acuerdo con lo indicado en la
norma ANSI/AISC 360 Specification for
Structural Steel Buildings.
 Para elementos con inclinación menor a
f. Diseño de elementos.
45° se realizará la verificación a flexión
considerando una carga de montaje de
100 kg en el punto medio.
 Para el diseño de redundantes se
considerará una resistencia axial mínima
a compresión igual al 2,5% de la fuerza
axial del elemento arriostrado.
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


g. Límites de esbeltez.


Miembros principales sometidos a
compresión: KL/r ≤150
Otros miembros: KL/r ≤200
Elementos auxiliares o redundantes sin
esfuerzos calculados: KL/r ≤250
Elementos sometidos sólo a tensión: KL/r
≤ 350
Relación entre el ancho nominal libre del
ala y el espesor (b/t): ASCE 10 Design of
Latticed Steel Transmission Structures.
Verticales
 L/360 para vigas que soportan equipos
provistos de varillajes y mandos.
 L/200 para vigas que soportan solo
cargas de conexión.
 L/360 para voladizos de soportes de
equipos.
h. Control de deflexiones.
Horizontales
 L/200 para vigas con o sin equipos.
 H/100 para columnas de pórticos.
 H/200 para soportes de equipos.
Para casos especiales en pórticos y
soportes de equipos, las deflexiones podrán
revisarse de acuerdo con lo especificado en
el capítulo 4 de la publicación ASCE Manual
Nº
113,
verificando
no
solo
los
requerimientos de resistencia y estabilidad
sino también la funcionalidad de la
estructura.
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


i. Detalles de ensamble.






j. Condiciones generales para conexiones
atornilladas.


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En las estructuras de pórticos, se
considerará la instalación de pernos de
escalera.
Los planos incluirán todos los elementos
necesarios
para
la
fijación
de
conductores, cables de guarda o equipos
eléctricos.
Cada tornillo estará acompañado por una
tuerca hexagonal, una arandela de
presión y una arandela plana.
Tornillos de cabeza hexagonal de
acuerdo con norma ASTM A394 o ISO
898.
Tuercas hexagonales de acuerdo con
ASTM A563 o ISO 898.
Arandelas circulares de acuerdo con
ASTM F436 o DIN126, DIN127.
Se evitarán excentricidades en las
conexiones que generen flexión en los
perfiles.
Cuando se requiera utilizar platinas para
desarrollar la conexión entre elementos
estructurales, las líneas de acción de la
fuerza en cada elemento deberán ser
concéntricas.
Las diagonales y cierres podrán estar
unidos por un solo tornillo, el cual debe
estar cargado a menos del ochenta por
ciento (80%) de su capacidad a cortante.
La superficie de presión deberá ser
siempre perpendicular al eje roscado. En
caso de necesitarse, se usarán arandelas
de cuña.
Los tornillos se diseñarán utilizando la
capacidad a tensión y a cortante de la
parte roscada. En casos especiales podrá
considerarse el plano de falla excluido de
la
parte
roscada,
garantizándolo
mediante ensamble.
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


k. Condiciones para conexiones soldadas.


l. Pernos de anclaje.
Archivo: PE-AM17-GP030-GEN-D003_Rev 0


Se revisarán todos los posibles estados
de falla en las conexiones según ASCE
10-97.
Holguras máximas en perforaciones:
Imperiales
o 1/16” para tornillos que conecten
elementos de la estructura.
o 1/8” para pernos de anclaje en placas
base.
Milimétricos
o 2 mm para tornillos que conecten
elementos de la estructura.
o 3 mm para pernos de anclaje en
placas base.
La soldaduras se diseñarán considerando
electrodos de la serie E70XX.
Filete mínimo de soldadura 4 mm.
En las estructuras de la subestación, se
usarán pernos de anclaje para transmitir
las fuerzas a las cimentaciones.
El diseño se realizará según ACI 318.
Se emplearán pernos Tipo T invertida con
dos arandelas, cinco tuercas y platina de
100x100x10 como se muestra en la
siguiente figura.
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


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Se considerará acero tipo SAE 1045
normalizado, con fy=310 MPa y fu=565
MPa.
Diámetro mínimo
Imperiales
o 3/4”
Milimétricos
o M20
En caso de ser necesario se emplearán
llaves de corte.
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2.2
SOLICITACIONES SOBRE LAS ESTRUCTURAS
 DL: Peso propio de la estructura, conductores,
cables de guarda, aisladores y demás accesorios.
 W x,y: Cargas de viento (para combinaciones de
viento de diseño).
 ST: Tensión estática de conductores y cables de
guarda.
 SC: Cargas sobre conductores por efecto de
cortocircuito.
 ML: Cargas de montaje y mantenimiento.
a. Tipo de solicitaciones.
 Ex,y : Cargas de sismo horizontal en direcciones X
e Y.
 Ez: Cargas de sismo vertical en dirección Z.
 ILe: Sobrecarga por hielo.
 STi: Tensión mecánica adicional por hielo.
 Wrx,ry: Cargas de viento reducido.
 Otras cargas según edición vigente de ASCE
Manual 113-09: Substation Structure Design
Guide.
b. Peso Propio (DL)
 A partir de las propiedades geométricas de los
 Peso propio de las estructuras.
elementos, incluyendo el peso de platinas,
elementos de conexión y galvanizado.
 Peso propio de conductores,
cables de guarda, aisladores,
 Según la información suministrada por el
trampas de onda y otros
fabricante de cada elemento.
accesorios que carguen las
estructuras y peso propio de
los equipos.
 La velocidad de diseño dependerá de las
condiciones ambientales del sitio de localización
c. Viento (W x,y).
del proyecto. Se tomará como referencia lo
estipulado en el Código Nacional de Electricidad.
d. Tensiones mecánicas de conductores, cables de guarda y en terminales de equipos
(ST):
 Calculadas de acuerdo con la disposición física,
condiciones ambientales, características físicas y
 Tensiones mecánicas sobre
mecánicas de los conductores, cadenas de
pórticos.
aisladores y accesorios de fijación.
 Tensiones mecánicas en
 Valores mínimos según lo especificado en la
terminales de equipos.
norma IEC 62271.
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
e. Montaje (ML)

f. Tensiones dinámicas de
cortocircuito (SC)


g. Sismo (Ex,y)

h. Sismo (Ez)
i. Hielo (ILe)
j. Tensión mecánica adicional
(STi)
k. Viento reducido (W rx,ry)



Fuerza vertical de 1,5 kN debida al peso de un
operario, con herramienta, durante el montaje o
mantenimiento de las estructuras.
Las fuerzas dinámicas de cortocircuito se
calcularán de acuerdo con la publicación del Cigré
“The mechanical effects of short circuit currents in
open air substations” 1997/2002.
Factor de sobre-resistencia: Ω=2,0. Para el diseño
de pernos de anclaje y placas base en pórticos.
Coeficiente de modificación de la respuesta
sísmica según Manual ASCE 113 “Substation
Structure Design Guide”:
R=3,0 para pórticos en direcciones horizontales.
R=2,0 para soportes de equipos.
Las componentes verticales de los movimientos
sísmicos de diseño se deben tomar como las dos
terceras partes de los valores correspondientes a
los efectos horizontales y se aplicarán tanto en la
dirección contraria a ésta.
Fuerza debida al peso del hielo sobre los
conductores.
Incremento de la tensión mecánica por efecto del
hielo.
Tensión por viento reducido en las direcciones
longitudinal y transversal.
2.3 COMBINACIONES DE CARGA Y FACTORES DE SOBRECARGA
a. Combinaciones de carga en servicio
 01: Cargas permanentes  1,0 DL + 1,0 ST + 1,0 ML
 02: Cortocircuito
 1,0 DL + 1,0 ST + 1,0 SC
 03: Viento de diseño en
 1,0 DL + 1,0 ST +0,6 SC ± 1,0 Wx
dirección X
 04: Viento de diseño en
 1,0 DL + 1,0 ST +0,6 SC ± 1,0 Wy
dirección Y
 05: Sismo
 1,0 DL + 1,0 ST ± 0,7 Ex ± 0,21 Ey ± 0,7 Ez
 06: Sismo
 1,0 DL + 1,0 ST ± 0,21 Ex ± 0,7 Ey ± 0,7 Ez
En caso de presentarse hielo en las estructuras metálicas se debe emplear:
 07:Hielo
 1,0 DL + 1,0 ST + 0,6 SC + 1,0 ILe ± 1,0 Wrx,ry + STi
b. Combinaciones de carga últimas
 A: Cargas permanentes
 1,2 DL + 1,3 ST + 1,2 ML
 B: Cortocircuito
 1,1 DL + 1,1 ST + 1,0 SC
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 C: Viento de diseño en
 1,1 DL + 1,1 ST + 0,75 SC ± 1,3 Wx
dirección X
 D: Viento de diseño en
 1,1 DL + 1,1 ST + 0,75 SC ± 1,3 Wy
dirección Y
 E: Sismo
 1,1 DL + 1,1 ST ± 1,0 Ex ± 0,3 Ey ± 1,0 Ez
 F: Sismo
 1,1 DL + 1,1 ST ± 0,3 Ex ± 1,0 Ey ± 1,0 Ez
En caso de presentarse hielo en las estructuras metálicas se debe emplear:
 G: Hielo
 1,1 DL + 1,1 ST + 0,75 SC + 1,2 ILe ± 1,3 Wrx,ry + 1,1 STi
Nota: Se deberá agregar las cargas verticales de cierre y apertura (Old y Olu) para el caso
del interruptor.
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