Método de Investigación

Para derivar un factor de combinación fiable, este estudio siguió un proceso de múltiples etapas. En primer lugar, se utilizó un modelo de deshielo de nieve en capas para simular la presión de nieve en el suelo en ciudades representativas de todo el país. A continuación, se emplearon cuatro métodos distintos para crear pares de datos de velocidades de viento y presiones de nieve correspondientes. Estos conjuntos de datos se ajustaron con varios modelos de probabilidad para identificar el mejor ajuste para establecer líneas de contorno de peligro combinado de viento-nieve para un período de retorno dado. Las combinaciones de carga resultantes se aplicaron entonces a un modelo de Elementos Finitos (FEA) de un rastreador de paneles solares para analizar los efectos de la carga estructural. Finalmente, estos efectos de carga se utilizaron para calcular el factor de combinación definitivo de cargas de viento y nieve.

Modelado y Adquisición de Datos

Modelo de Deshielo de Nieve en Capas

Las cargas de nieve estructurales en los códigos de diseño se derivan de la presión de nieve en el suelo. Dado que muchos estaciones meteorológicas solo registran la profundidad de la nieve, este estudio utilizó un modelo de deshielo de nieve en capas. Al ingresar datos meteorológicos como precipitación, temperatura y velocidad del viento, el modelo simula los procesos de acumulación y deshielo para calcular de manera precisa la presión de nieve en el suelo durante toda la estación invernal.

Métodos de Emparejamiento de Datos

Utilizando el modelo de fusión de nieve y datos históricos del clima de 40 ciudades representativas, se utilizaron cuatro métodos para generar pares de datos de velocidad del viento y presión de nieve para el análisis:

• Método I: Presión de nieve máxima y velocidad del viento máxima entre dos eventos de nevada consecutivos.
• Método II: Presión de nieve máxima entre nevadas y velocidad del viento máxima dentro de los 3 días posteriores a una nevada (cuando el deslizamiento inducido por el viento es mínimo).
• Método III: Presión de nieve máxima y velocidad del viento máxima durante un solo evento de acumulación de nieve completo.
• Método IV: Presión de nieve en el suelo máxima absoluta y velocidad del viento durante todo el invierno.

Análisis Estadístico y Contornos de Peligro

Se utilizaron tres distribuciones de probabilidad comunes—Gumbel (Tipo I de Valor Extremo), Lognormal, y Valor Extremo Generalizado (GEV)—para ajustar las muestras de velocidad del viento y presión de nieve de cada ciudad. Se seleccionó el modelo de probabilidad óptimo para cada una utilizando la prueba de Kolmogorov-Smirnov (K-S) y el Criterio de Información de Akaike (AIC). El análisis de regresión lineal confirmó que las muestras de viento y nieve eran estadísticamente independientes, permitiendo calcular su probabilidad conjunta con la siguiente fórmula:

Aplicando este principio, se trazaron líneas de contorno de peligro combinadas de viento-nieve para un período de retorno de 25 años, que coincide con la vida útil típica de un sistema de energía solar fotovoltaica. El ejemplo siguiente muestra las líneas de contorno para Urumqi, Xinjiang, basadas en cuatro métodos de emparejamiento de datos.

Modelado FEA y Escenarios de Cargas

El análisis se realizó en un modelo FEA de un rastreador de un solo eje, de 100 metros de largo y 1.5 metros de altura, colocado con un ángulo de inclinación de 30°. La estructura consta de un tubo de torsión central (viga principal) soportada por 13 columnas de acero separadas 8 metros entre sí.

Aplicación de Cargas

La carga del viento crea tanto presión uniforme como torsión en la viga principal. Se asumió que la carga de nieve es una presión distribuida uniformemente. Se analizaron dos escenarios críticos de combinación de cargas:

• Caso I: Presión del viento + Presión de nieve (actuando en la misma dirección).
• Caso II: Succión del viento + Presión de nieve (actuando en direcciones opuestas).

Análisis de Efecto de Carga

Las cargas estándar de viento y nieve se aplicaron al modelo de EEF (Elementos Finitos) para calcular tres efectos de carga clave: fuerza axial máxima de la columna (N_max), momento flector máximo del viga principal (M_max) y torsión máxima del viga principal (T_max). Los resultados para Urumqi bajo el Caso de Carga I se muestran a continuación.

Hallazgo Clave: En el Caso de Carga I (presión de viento y nieve), los efectos son aditivos, lo que requiere una combinación de carga. En el Caso de Carga II (succión de viento y presión de nieve), las cargas se contrarrestan mutuamente, lo que significa que no es necesario una combinación, ya que las cargas individuales representan el peor escenario.

Factor de Combinación de Carga de Viento y Nieve Propuesto

Suponiendo una relación lineal entre las cargas estáticas y sus efectos, se calculó el factor de combinación utilizando la siguiente fórmula:

Los factores se calcularon para todas las 40 ciudades. En el gráfico de caja siguiente se muestra la distribución de los resultados para el Caso de Carga I.

Para la fuerza axial de los pilares, el factor de combinación promedio fue 0.68 en todos los métodos. Para el momento de curvatura del arco principal, los valores medios oscilaron entre 0,65 y 0,69. Basado en estos resultados, se recomienda un factor de combinación conservador y práctico.

Conclusión y Recomendación

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