Análisis técnico económico de domos para protección de telescopio Leighton.

Abstract

Leighton Chajnantor Telescope, es el nombre que recibe el proyecto asociado al traslado de un telescopio de ondas submilimétricas al norte de Chile, específicamente al valle de Chajnantor, región de Antofagasta. En este trabajo se encontrarán propuestas para la implementación de un domo que protegerá la antena telescópica que actualmente se encuentra en procedimiento de traslado desde Mauna Kea, Hawái, Estados Unidos. El objetivo de este proyecto radica en la comparación de distintas alternativas que puedan cumplir con los requerimientos mecánicos y lograr una selección justificada en base al modelo que mejor se adapte a los requerimientos de diseño, donde el principal desafío puede resumirse en la compatibilidad con efectos climatológicos presentes en el valle de Chajnantor como el viento, lluvia, nieve, bajas temperaturas o inclusive movimientos sísmicos. Una vez seleccionado el diseño a implementar, el objetivo radica en la resolución y optimización de la estructura para que no sufra grandes deformaciones o colapse, asumiendo la condición de trabajo más crítica del valle, con rangos elevados de la velocidad del viento, para finalmente realizar un análisis económico preliminar, no en detalle, de las componentes más relevantes del diseño. Para poder realizar un marco comparativo de las distintas propuestas, se identifica el problema a resolver y se plantean los requerimientos de diseño en base a ello, con esto en mente se procede a una lluvia de ideas que pasan a través de filtros y posterior selección. Por otro lado, para llegar a la solución ideal, se identifican las zonas con mayores esfuerzos o deformaciones que están estrictamente relacionadas con la incidencia del viento y el efecto del propio peso de la estructura, de esta manera se optimiza el modelo, en función de planchas y entramados a utilizar. Para alcanzar los objetivos propuestos se considera, en primer lugar, las dimensiones impuestas por la antena y los ángulos de trabajo de ella, de esta manera, se saben las dimensiones mínimas requeridas por la estructura envolvente, que varían levemente dependiendo del modelo propuesto y del sistema de apertura que se adopta. A su vez, se realiza un estudio del clima presente en el nuevo lugar de instalación que posteriormente definen las condiciones de borde del problema. Posteriormente y a través de una lluvia de ideas, se definen posibles modelos del domo, que luego de pasar por criterios de selección y determinar el mejor candidato, se realizan simulaciones a través del software ANSYS, realizando cambios iterativos en diversos parámetros como, por ejemplo, el espesor, entramados, tipos de material (Aleaciones de aluminio) e inclusive tipos de juntas entre los elementos del diseño impuesto. Adicionalmente, en este punto se incluyen las fuerzas externas actuando sobre la estructura, que corresponden a las presiones ejercidas por el viento, que son obtenidas a través de la herramienta CFD de ANSYS, por otro lado, también se considera el efecto del propio peso de la estructura. Como resultado de las iteraciones realizadas, se obtienen factores de seguridad aceptables sobre 1 para un espesor de planchas de aluminio 6061 T6 presentes en el mercado nacional, alcanzados por la implementación de perfiles tubulares de acero ASTM A36, que logran aminorar las deformaciones impuestas por la incidencia del viento. Como conclusión de la realización de este proyecto se puede decir que el modelo en estudio es factible de realizar visto desde un punto de las cargas de viento y peso de la estructura, sin embargo, aún se deben definir diversos parámetros relevantes que tienen directa influencia en la realización de un proyecto de esta envergadura.

Leighton Chajnantor Telescope is the name given to the project associated with the transfer of a submillimeter wave telescope to northern Chile, specifically to the Chajnantor Valley, Antofagasta region. In this work will be found proposals for the implementation of a dome that will protect the telescopic antenna that is currently in the process of being transferred from Mauna Kea, Hawaii, United States. The objective of this project lies in the comparison of different alternatives that can meet the mechanical requirements and achieve a justified selection based on the model that best suits the design requirements, where the main challenge can be summarized in the compatibility with climatological effects present in the Chajnantor valley such as wind, rain, snow, low temperatures, or even seismic movements. Once the design to be implemented has been selected, the objective lies in the resolution and optimization of the structure so that it does not suffer large deformations or collapse, assuming the most critical working condition of the valley, with high ranges of wind speed, to finally perform a preliminary economic analysis, not in detail, of the most relevant components of the design. To make a comparative framework of the different proposals, the problem to be solved is identified and the design requirements are raised based on it, with this in mind we proceed to a brainstorming that passes through filters and subsequent selection. On the other hand, to reach the ideal solution, the areas with greater stresses or deformations that are strictly related to the incidence of wind and the effect of the weight of the structure itself are identified, in this way the model is optimized, depending on plates and frameworks to be used. To achieve the proposed objectives, the dimensions imposed by the antenna and the working angles of it are considered, in this way, the minimum dimensions required by the envelope structure are known, which vary slightly depending on the proposed model and the opening system that is adopted. In turn, a study of the climate present in the new installation site is carried out, which subsequently defines the edge conditions of the problem. Subsequently, and through brainstorming, possible models of the dome are defined, which after going through selection criteria and determining the best candidate, simulations are carried out through the ANSYS software, making iterative changes in various parameters such as, for example, thickness, frameworks, types of material (aluminum alloys) and even types of joints between the elements of the imposed design. Additionally, this point includes the external forces acting on the structure, which correspond to the pressures exerted by the wind, which are obtained through the ANSYS CFD tool, on the other hand, the effect of the weight of the structure itself is also considered. As a result of the iterations carried out, acceptable safety factors are obtained over 1 for a thickness of 6061 T6 aluminum plates present in the national market, achieved by the implementation of ASTM A36 steel tubular profiles, which manage to reduce the deformations imposed by the incidence of wind. As a conclusion of the realization of this project it can be said that the model under study is feasible to perform seen from a point of the wind loads and weight of the structure, however, several relevant parameters that have direct influence on the realization of a project of this magnitude must still be defined.