CapítuloV. Cono Invertido

BASE AÉREA DE MORÓN
5.
B.L.U.
ANTENA CONO INVERTIDO
5.1 Características de la instalación
En la Representación 24 puede observarse el perfil y la planta de la antena de
Cono Invertido.
La instalación descrita es para una antena de cono invertido. Es una antena de
banda ancha que emite entre los 2 y los 30 Mhz con un valor SWR inferior a 3:1 en la
toda la banda.
Su construcción está basada en seis postes de material aislante (madera) de 21
metros de altura que sirve de soporte al cono.
Dicho cono tiene una longitud equivalente a la hipotenusa de un triángulo
rectángulo, cuyos lados medirán 19 y 21 metros, es decir, unos 28,32 metros.
Para su confección se han utilizado 60 radiales de hilo de cobre de 5mm de
diámetro. Dichos radiales están soportados por un cierre circular en la parte superior y
cogidos a un disco metálico en la inferior. Por este disco inferior alimentaremos la
antena con el cable coaxial.
La antena va montada con un sistema de contra-antena formada por 60 radiales de
masa de 31 metros de longitud y 10mm de diámetro.
Dichos radiales están sujetos en su parte externa por picas de acero cobreado de
1,5 metros de largo por 12mm de diámetro y en su parte interna por un disco metálico
que va al pasivo de la antena (masa del coaxial).
Ambos discos están separados y sujetos por cuatro aisladores de A.T. y alta
resistencia.
Con objeto de poder realizar un mantenimiento de la misma, se le ha dotado a
cada poste de un torno cabestrante que baja una sección del cono.
La alimentación se hace con cable coaxial de 7/8” (50Ω), mientras que la
impedancia de entrada de la antena es de 75Ω. Por tanto, será necesaria la utilización de
un balun de relación 3/2:1.
Dicha antena tiene un diagrama prácticamente omnidireccional y de bajo ángulo
de radiación, por lo que es idónea para comunicaciones tierra-aire en vuelos de baja cota
y que estén situados en cualquier posición.
Se utilizará, preferentemente con los aviones en situación de vuelo.
Como ventaja destacamos un gran rendimiento en sus condiciones de trabajo
(comunicaciones tierra aire en vuelos de baja cota).
5-1
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B.L.U.
Como principal inconveniente citaremos el coste normalmente elevado de los
postes de madera y el área ocupada.
5.1.1
Soporte de la antena
Los hilos radiantes irán soportados por un círculo radial exterior y otro interior.
Para la sujeción del radial exterior se requieren 6 postes de madera de 21 metros de
altura, mientras que el interior irá soportado por 4 aisladores de A.T.
En la normativa actual (UNE EN 335) se han considerado cinco clases de riesgo
que contemplan las distintas situaciones a las que puede estar expuesta una madera.
Desde un punto de vista de la protección química cada clase de riesgo necesitará unos
niveles de protección adecuados.
En algunos casos la clase de riesgo puede rebajarse mediante un diseño adecuado
de los detalles constructivos. Un caso típico es el del apoyo inferior de los pilares sobre
el suelo: si se deja en contacto directo con el suelo se encuentra en una clase de riesgo 4,
mientras que con sólo elevar ligeramente la superficie del apoyo podemos reducirlo a
una clase de riesgo 3 o, incluso, 2 si se protege adecuadamente.
Por este motivo, una de las reglas clásicas de la construcción con madera
recomienda que exista una separación al suelo de toda pieza de madera de unos 15 a 30
cm. De esta manera se evita el riesgo de pudrición y se dificulta un posible acceso de las
termitas; también quedará más protegido de las salpicaduras del agua de lluvia.
Se han diseñado unas bases metálicas consistentes en cuatro raíles de hierro
colocados a 90º uno de otro. Soldados a cada mástil va un sistema doble de tuercas por
donde pasa un eje que a su vez aprieta sobre un sistema de trócolas instaladas en otro
raíl transversal que aprieta sobre el poste a modo de presilla.
De esta forma el poste va apretado con este doble sistema, colocando uno a un
metro del otro con objeto de que el par de fuerzas resultante mantenga el poste derecho,
a plomada, y todo ello, compensando los esfuerzos de tracción lateral de los radiales.
5.1.2
Balizas
Se respetarán las normas actuales aeronáuticas de balizamiento según la O.A.C.I.
(Organización Internacional de Aviación Civil) situando una baliza por mástil con
lámparas de baja tensión (24 VCA y 60W). Las balizas serán de bronce y el cristal de
las mismas tintado de fábrica, con objeto de evitar alteraciones en el color con el paso
del tiempo.
Las balizas se soportan en el extremo superior del mástil por medio de un útil
fabricado a tal fin (Ver Representación 31).
Mediante el útil adecuado a 2m. de distancia del suelo del poste más cercano al
edificio de comunicaciones, se sujetará la caja estanca donde se ubicará el
transformador de alimentación de 220/24V 25A y se realizará la conexión en paralelo
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de las seis balizas. La instalación desde la caja a cada una de ellas, se realizara con cable
de manguera antihumedad, de 2 x 1.5mm.
La línea general de alimentación de 220VCA sale con cable de manguera
antihumedad de 2 x 2,5mm del cuadro a través del reloj temporizador de encendido
programable y de un interruptor magnetotérmico de 30A/220V(Ver Representación 26).
Las características de los elementos de baliza así coma el utillaje fabricado a tal
fin son:
Balizas:
(Según la O.A.C.I.)
De bronce, con los casquillos de igual metal. El cristal de las mismas, de color
rojo tintado de fábrica, y el portalámparas, también de bronce, del tipo de bayoneta.
Cajas de conexión:
De PVC de exteriores, de 100 x 10
Transformador:
De 220/24V 25A. Se ubica en una caja de cierre estanco, sujeta al mástil, con el
utillaje necesario.
Lámparas:
Del tipo bayoneta, de 24V y 60W.
Utillaje:
Todos los útiles soportes, están fabricados con pletina de hierro de 4 x 1 soldados con
electrodos de 2,5mm y protegidos contra la corrosión, con 2 manos de pintura especial,
HB tipo vinílico, más una del color que le corresponda según el tramo donde se ubica.
5.1.3
Sistema de subida-bajada del elemento radiante
Con objeto de evitar utilizar una escalerilla de subida para acceder a la parte
superior de la antena, se han instalado en cada mástil una carrucha en la parte superior.
Por dicha carrucha pasa un cable de acero de 4mm de diámetro.
Dicho cable soporta con los otros cinco (uno por cada poste) al sistema radiante, el
cual se puede bajar para su reparación o mantenimiento posterior mediante una carrucha
instalada en los sistema de agarre de los mástiles.
Ver Representación 31.
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5.1.4
B.L.U.
Ubicación de los postes
Una vez implantada toda la mecanización de los sistemas de agarre, se ubicará el
mástil en el interior del receptáculo, quedando a 20cm del suelo en su parte inferior y
será apretado por cuatro piezas de utillaje de apriete doble lateral que hace que el poste
de madera no se dañe ni se taladre.
Para su ubicación será necesaria una grúa de 30 metros de pluma con el embrague
de nylon (para evitar el dañado de la madera).
5.1.5
Círculo radial exterior
Se fabricará con cable de cobre rígido electrolítico de 10mm de diámetro. Sobre
él, aún en el suelo, se instalarán 60 piezas o abrazaderas (Ver Representación 32)
equidistantes para soportar los radiales activos de hilo de cobre de 5mm.
A continuación, se cortarán los radiales a medida y se implantarán en las piezas de
sujeción uno a uno.
Todo el círculo quedará así disponible para su subida e instalación definitiva a 21
metros de altura.
5.1.6
Piezas de cogida de los radiales
Una vez terminado el punto anterior, se procederá a taladrar la arqueta, sacando el
cable coaxial de la misma.
A continuación se instalará el disco de cobre inferior con todas las piezas de
cogida de los radiales de masa. A él se conectará la parte de masa del coaxial.
La instalación se ultimará situando los aisladores de A.T. y la parte superior del
doble disco de cobre con las correspondientes bridas de cogida de radiales activos.
Una vez situado el disco de cobre, se cogerán a él, uno a uno, los radiales activos,
dándole con un tensómetro la tensión necesaria para que no se rompan ni tengan
deformaciones mecánicas que afecten al diagrama de radiación.
Ver Representación 27.
5.1.7
Radiales de contra-antena
Se cortarán tantos radiales de contra-antena como radiales activos y con la misma
longitud con hilo rígido de cobre de 10mm (60 radiales).
Previo a la instalación se procede regar con herbicida el círculo que ocupan.
Se marcarán con picas de cobre de un metro de longitud (60 en total) el extremo
final de cada uno de ellos. Las picas se unirán entre sí son un doble hilo rígido de 10mm
de cobre electrolítico.
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Los radiales de masa se sujetan al disco de cobre por un extremo y a su pica
correspondiente por el otro.
Por último, se unirá el activo del cable coaxial al disco superior y la antena
quedará terminada para las pruebas y puesta a punto.
Ver Representación 28.
5.2 Cálculos de la antena
La antena irá soportada por 6 postes de madera de pino noruego. Las
características mecánicas de los postes describen a continuación:
-
Resistencia característica a flexión: FFC = 30 N / mm 2
-
Resistencia característica a compresión: FCC = 20 N / mm 2
-
Densidad característica: DC = 340kg / m 3
Cada poste irá soportado por un sistema de apriete a modo de presilla, levantando
el poste unos 20cm del suelo. El diseño de este sistema será encargado a una empresa
externa a determinar por el personal del Centro de Comunicaciones de la Base Aérea de
Morón. En este proyecto se especificarán los requisitos que ha de cumplir.
Es primordial que el sistema de cogida y apriete de los postes evite dañar la
madera en todo lo posible, con objeto de prolongar su vida (echo por lo que el poste no
debe ir taladrado).
El sistema de apriete debe ser capaz de soportar el peso de la antena más el mástil
con un factor de seguridad de 1,5 como mínimo.
Igualmente debe cimentarse de forma que el poste se mantenga en equilibrio,
contrarrestando el momento debido a acciones permanentes y variables aplicado en el
punto de unión entre el sistema de agarre y el poste (1,5 metros del suelo).
Los ejes de apriete han de tener un mínimo de 26mm de diámetro y han de ser de
acero 8-G que evite el cizallamiento por la presión.
Ver Representación 30.
5.2.1
Radiales activos
La antena estará compuesta por 60 radiales de cobre electrolítico de 5mm de
diámetro.
La longitud de cada uno de los radiales será de 28,32 metros.
Los radiales irán soportados entre el círculo exterior e interior mediante una
tensión de unos 350N (medidos con un tensómetro en el momento de la instalación).
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El peso del material de cobre utilizado será de 188kg/km según fabricante.
Los radiales activos irán soportados en el círculo exterior mediante una pieza de
fabricación en forma de T (por la parte superior de la T). En el otro extremo de la T, por
su parte interior, irá sujeto el radial activo. La parte interior de la T ha de ir avellanada.
5.2.2
Círculo radial exterior
El círculo radial exterior será de 19m de radio. El material empleado será cobre
electrolítico rígido de 10mm de diámetro para la sección.
El peso del material de cobre utilizado será de 755,8 kg/km según fabricante.
5.2.3
Círculo radial interior
El círculo radial interior estará formado por dos discos de cobre, uno para la
sujeción de los radiales activos y el otro para los de masa.
Su implantación requiere una antena arqueta que sea lo suficientemente
consistente (Un metro cúbico de hormigón), con el fin de soportar la tensión de los 60
radiales activos.
El disco interior irá sobre los ejes embutidos en el hormigón. Para ello ha de tener
cuatro taladros por los que pasarán los ejes y a los que se atornilla.
Sobre los ejes se atornillan 4 aisladores de A.T. que separará los discos.
Sobre el disco inferior irá sujeto por abrazaderas la masa del cable coaxial de ½”.
El disco de cobre inferior también llevará 60 taladros de 10mm de diámetro para
los radiales de contra-antena.
El disco de cobre superior irá cogido con tornillos sobre los aisladores de A.T.
Este disco llevará un taladro de 8mm de diámetro por donde pasará el activo del cable
coaxial y 60 taladros de 8mm donde se sujetarán los 60 radiales activos.
Es necesario sellar muy bien todo el conjunto con silicona, así como aquellos
lugares de la arqueta que pudieran quedar al descubierto.
5.2.4
Radiales de masa
Se instalarán 60 radiales de cobre electrolítico de 10mm de diámetro.
Su longitud será de 28,32 metros (igual a la de los radiales activos).
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BASE AÉREA DE MORÓN
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El extremo interior se hace pasar por los taladros realizados en el disco inferior y
se doblará y sujetarán con pernos y mordazas. El otro extremo irá sujeto a picas de
cobre de forma que todo el sistema de contra-antena pueda enterrase a 10 ó 20cm.
5.2.5
Subida/bajada de la antena
Cálculo del peso a soportar por el sistema:
⎛ 188 × 28.32 755.8 × 2π × 19 ⎞
+
60 × ⎜
⎟
1000
⎝ 1000
⎠
+ 42 × 0.255 ≈ 1 Tm
6
La polea será una polea sencilla con roldana en aluminio para cable de 7mm.
Puede soportar un peso normal de operación de unos 1500kg y tiene un umbral de
ruptura de unos 3000kg.
El cabestrante de subida/bajada será manual de 1500kg.
5.2.6
Diagrama de fuerzas en el mástil
Al ser los mástiles de madera nos basaremos en la norma experimental UNE
ENV-1995-1-1 Eurocódigo 5.
Estados límites del poste:
-
Resistencia característica a flexión: FFC = 30 N / mm 2
-
Resistencia característica a compresión: FCC = 20 N / mm 2
Acciones:
-
Permanentes y fijas: Peso del poste, de la antena, círculo radial exterior, sistema
de balizas, utillajes.
Gd = γ G ⋅ G K
Donde γ G es el coeficiente de seguridad, cuyo valor es 1,35 para acciones
permanentes según tablas.
•
Peso de antena + soporte exterior:
Calcularemos el peso de la estructura total y lo dividiremos entre seis
(reparto proporcional para cada poste).
1 ⎛ 188 × 28,32
755,8 × 2π × 19 ⎞
Gdp = 1,35 × 9,8 × × ⎜
× 60 +
⎟ = 903,34 N
6 ⎝ 1000
1000
⎠
5-7
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-
B.L.U.
•
Para el sistema de balizas supondremos un peso de unos 5kg
( Gdb = 66,15N ).
•
Tensión de instalación de la antena: Gdi = 1836N
Transitorias y móviles: Acción del viento.
Qd = γ Q ⋅ Qk
Donde γ Q es el coeficiente de seguridad, cuyo valor es 1,5 para acciones
variables según tablas.
La acción del viento la calcularemos para una velocidad de 150km/h ya que
nuestra antena tiene una altura superior a 20 metros (norma NTE-ECV).
•
Presión dinámica del viento:
2
⎛ 150 ⋅ 1000 ⎞
1,2 ⋅ ⎜
⎟
2
y ⋅v
3600 ⎠
⎝
=
= 106,18kg / m 2
Pv =
2g
2 ⋅ 9,8
•
Superficie de la antena al viento:
S v = 60 ⋅ 0.005 ⋅ 28,32 + 38 ⋅ 0.01 = 8,876m 2
•
Carga al viento
La carga al viento soportado por un poste en el peor de los casos, será
aquella que se ejerza sobre la antena de cono más los cinco postes restantes.
Carga al viento sobre el cono:
Qkc = 8,876 × 106,18 × 0,7 = 659,715kg
(9236N )
Qdc = 1,5 × Qk = 989,57 N
Carga al viento sobre el poste:
Qkp = 0,4 × 19,5 × 106,18 × 0,7 = 579,74 N
Qdp = 1,5 × Qkp = 869,61N
Carga al viento total:
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BASE AÉREA DE MORÓN
B.L.U.
Qd = 5 × Qdp + Qdc = 4348,05 + 989,57 = 5337,62 N
•
Diagrama de fuerzas:
Qd
Gdix
Gdiy
α
Gdi
Gd
Gd = Gdp + Gdb
Gdix = Gdi ⋅ senα
Gdiy = Gdi ⋅ cosα
tgα =
19
; α = 42,14°
21
La suma de fuerzas horizontales total será:
FH = Gdix + Qd = 1231,85 + 5337,62 = 6569,47 N
La suma de fuerzas verticales será:
FV = Gdiy + Gd = 1361,4 + 903,34 + 66,15 = 2330,89 N
El momento máximo sobre el punto de anclaje (1,5 metros del suelo) será:
M máx = FH × h = 6569,47 × 19,5 = 128104,66 N
Este valor es muy inferior de flexión del poste que tendrá un valor:
FF = 30 ⋅ π ⋅ (200) 2 = 3,77 ⋅ 10 6 N
5-9
BASE AÉREA DE MORÓN
B.L.U.
De igual forma comprobamos la resistencia a compresión. Para ello
comparamos FV con la resistencia de compresión:
FV = Gdiy + Gd = 1361,4 + 903,34 + 66,15 = 2330,89 N
FC = 20 ⋅ π ⋅ (200) 2 = 2,5 ⋅ 10 6 N
Siendo FC >> Fv
Por lo que el poste de madera resistirá sin problemas las acciones a las que
estará sometido.
5.2.7
Riostras
Con objeto de contrapesar las fuerzas horizontales ejercidas sobre el sistema
completo, se dotará a cada uno de los mástiles con un sistema de riostras. Dos vientos
en concreto, uno en el extremo superior del poste y el otro situado a 10 metros de la
base (Ver Representación 29).
Ambos vientos irán cimentados en el suelo a ocho metros del poste
perpendicularmente a la tangente al círculo exterior en el poste.
La tensión aplicada a cada riostra a de hacerse con precaución ya que el
arriostramiento se realiza en una única dirección del poste y si es excesiva podremos
provocar la deformación del los postes con el tiempo. Así deberemos colocar cada
riostra de forma tal que contrarreste la fuerza horizontal permanente a la que está
sometida ( Gdix ).
Es decir, la suma de las componentes horizontales de las tensiones a las que serán
instaladas las dos riostras han de ser igual a Gdix . Tensaremos las riostras de forma que
cada una soporte la mitad de la carga Gdix / 2 . Así las tensiones a aplicar a cada riostra
serán:
Ti1 =
Gdix
= 1729,71N
2 ⋅ sen(90 − α 1 )
Ti 2 =
Gdix
= 985,95 N
2 ⋅ sen(90 − α 2 )
Donde
⎛ 21 ⎞
⎟ = 69,14°
⎝8⎠
α 1 = tg −1 ⎜
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BASE AÉREA DE MORÓN
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⎛ 10 ⎞
⎟ = 51,34°
⎝8⎠
α 2 = tg −1 ⎜
α1
Ti 2 x Ti1x
α2
Ti 2
Ti1
T2
T1
T2 y
T1 y
El par de riostras a instalar en cada poste tendrá la siguiente configuración:
Grillete-Guardacabo-Dos perrillos-Dos perrillos-Aislador-Dos
perrillos-Guardacabo-Grillete-Tensor-Argolla de vientos.
perrillos-Dos
Grilletes: Serán “loadmaster” de ½” con tensión de ruptura de 2Tm.
Guardacabo: Para cable de 10mm.
Perrillos: Perrillos de 3/8”.
Aisladores: De cerámica tipo huevo.
Tensor: De 400kg.
Anilla de viento: Podríamos usar la 3058 de Televés o similar
Por otro lado, también se instalarán un par de riostras de cogida entre los postes
para evitar en la mayor medida posible la separación de éstos por deformaciones o
acciones transitorias. La tensión de instalación se estimará en la práctica según se vea
conveniente y no ha de ser muy elevada. Deberá ir prevista de aisladores para evitar las
inducciones.
El aro superior irá cogido al poste con un sistema similar al sistema de vientos,
mediante una abrazadera metálica y usará igualmente aisladores.
Las cogidas de los vientos de riostra al poste se llevarán a cabo a base de
abrazaderas metálicas que impidan que la madera quede dañada o perforada que tengan
una resistencia de unos 3600kg.
5-11
BASE AÉREA DE MORÓN
5.2.8
B.L.U.
Cimentaciones
Debemos regirnos por las normativas MV-101 que limitan las presiones
admisibles según la naturaleza del terreno y la profundidad de la cimentación.
Consideraremos los terrenos de la Base Aérea de Morón coherentes de consolidación
media. Así para profundidades de 0,5 a 1 metro tomaremos una presión admisible de
1,6 kg / cm 3 .
Cimentación de las riotras:
Las riostras han de ser capaz de soportar la suma total de fuerzas horizontales
( FH ).Haremos que cada riostra soporte la mita de esta fuerza. Así, las tensiones que
deben soportar las riostras 1 y 2 serán:
FH
= 9224,56 N
2 ⋅ cos α 1
FH
T2 =
= 5258,12 N
2 ⋅ cos α 2
T1 =
Por tanto, las tensiones que deberán soportar las cimentaciones serán iguales a la
suma de las componentes verticales de T1 y T2 :
T1 y = T1 ⋅ cos(90 − α 1 ) = 8619,92 N
T2 y = T2 ⋅ cos(90 − α 2 ) = 4105,89 N
La tensión T y que debe soportar la cimentación de la riostra será:
T y = T1 y + T2 y = 12725,81N
Si tomamos un hormigón cuyo peso específico es de 2700kg / m 3 y una sección de
0,3 × 0,3 m necesitamos una altura:
0,7 × 0,7 × h × 2700 =
12725,81
; h = 1 metro
9,8
Las zapatas deben sobresalir unos 10cm del terreno para que no acumule agua que
perjudique el metal.
Cimentación del sistema de sujeción del poste:
No es objeto de este proyecto. Como se comentó anteriormente una empresa
externa realizará este trabajo.
5-12
BASE AÉREA DE MORÓN
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