A procedure for the size, shape and topology optimization of transmission line towers

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Souza, Rafael Rodrigues de
Data de Publicação: 2016
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/xmlui/handle/123456789/173256
Resumo: Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Florianópolis, 2016.
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spelling A procedure for the size, shape and topology optimization of transmission line towersEngenharia civilOtimização estruturalEnergia elétricaTransmissãoDissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Florianópolis, 2016.Abstract : This study presents a methodology for topology optimization of transmission line towers. In this approach, the structure is divided in main modules, which can assume different pre-established topologies (templates). A general rule for the templates creation is also presented, which is based in terms of the design practice and feasibility of prototype testing. Thus, these allow that the optimal solution has an important characteristic of direct industrial application. Furthermore, during the optimization process the size and shape of the structure are optimized simultaneously to the topology choice. For numerical examples, two structures were assessed. The first one is a single circuit, self-supported 115 kV transmission line tower. The structure was subjected to a cable conductor rupture scenario and a wind load hypothesis. The second one is a heavier single circuit, self-supported 230kV transmission line tower. The structure was subjected to four different load cases. In both examples the constraints from the ASCE 10-97 code were applied. Due to the non-convex nature of the problem and to the presence of discrete variables in the procedure, the optimization was conducted through the Backtracking Search Algorithm (BSA), which is a modern heuristic algorithm. The results for the size, size and shape, and size, shape and topology optimization are presented and discussed. It is shown that the proposed scheme is able to reduce up to 12% of the structural weight, when compared to a classical size optimization procedure on original structures.<br>Torres de linha de transmissão (TLT) desempenham um papel significativo no sistema de transmissão. Seu propósito é suspender os cabos condutores e de para-raio, a fim de garantir distâncias elétricas mínimas. As TLT são em geral estruturas treliçadas construídas com perfis do tipo cantoneira. Uma vez que qualquer interrupção no sistema de transmissão gera perdas financeiras significativas, a TLT deve ser projetada respeitando níveis mínimos de confiabilidade, determinados por códigos normativos (IEC (2003), por exemplo). Devido ao seu potencial, o Brasil é um dos líderes em produção de energia hidroelétrica no mundo. De acordo com a ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica) mais de 60% da eletricidade consumida no país é de origem hidráulica. Entretanto, a maior parte do potencial hidroelétrico se localiza a milhares de quilômetros dos centros consumidores. Portanto, o Brasil possui uma capacidade instalada similar a Países Europeus, mas com uma rede de transmissão muito maior. Fica clara a importância das linhas de transmissão e consequentemente das torres. Cabe ainda destacar que em uma linha, grande parte das torres são repetidas. Logo, uma redução de custo em uma estrutura será multiplicada pelas suas repetições. Em um cenário realístico, é esperado que um processo de otimização leve a uma redução de cerca de 10% de massa. Considerando uma torre de 4 toneladas com ocorrência media de 2,5 TLT/km, isso representaria uma economia de 1 ton/km de LT. Utilizando o preço do aço laminado, estimado em 2015 em torno de R$ 5,00/kg, em uma LT curta de 300 km, a economia seria de R$ 1.500.000. Em uma LT longa, com 1.000 km, a economia chegaria a R$ 5.000.000. Alguns estudos, focando em exemplos acadêmicos, tem sido realizados no contexto de otimização de torres treliçadas. Rajan (1995), Natarajan & Santhakumar (1995), Gomes & Beck (2013),Taniwaki & Ohkubo (2004), Sivakumar et al. (2004), Mathakari et al. (2007), Kaveh, Gholipour & Rahami (2008), Noilublao & Bureerat (2011). Embora estes estudos tenham apresentado diversos avanços, alguns aspectos adicionais devem ser levados em consideração, quando se busca uma aplicação industrial direta da estrutura otimizada. Um dos principais aspectos não abordados nestes trabalhos, está relacionado a viabilidade construtiva da estrutura final e seu desempenho em ensaio de protótipo. Por outro lado, alguns estudos têm abordado uma aplicação industrial direta, considerando em algum nível tais aspectos. Por exemplo, Shea & Smith (2006), Paris et al. (2010), Guo & Li (2011), Paris et al. (2012), Chen, Yuan & Jiang (2014). Estes estudos adotam basicamente estratégias de modificação localizadas a fim de atualizar a topologia da estrutura. Note que o termo localizada é empregado para mostrar que as variações permitidas são a nível de nós e elementos, os quais podem ser criados ou removidos e movimentados dentro de certos intervalos (i.e., pequenas partes da estrutura são modificadas). Entretanto, conduzir modificações através dos nós e elementos diretamente pode levar a certas desvantagens. A solução final pode não ser melhorada significativamente se comparada com otimização dimensional e geométrica (Shea & Smith (2006)), pode ser inviável do ponto de vista construtivo (Shea & Smith (2006)) e apenas algumas partes da estrutura podem ser otimizadas eficientemente (Guo & Li (2011), Chen, Yuan & Jiang (2014)). Além disso, se torna difícil avaliar corretamente os comprimentos de flambagem quando barras são removidas da estrutura Torii, Lopez & Biondini (2012). É possível ainda observar que em todos os trabalhos mencionados anteriormente, foi imposta simetria nas quatro faces da estrutura. Entretanto, esta característica não é sempre adotada nos projetos de TLT. O treliçamento defasado, o qual possui uma configuração simétrica apenas em duas faces, é de fato uma solução usual para torres convencionais de médio porte (com altura média em torno de 50 metros). Destaca-se ainda que estas torres representam a maior parte das estruturas em uma linha de transmissão usual. Logo, o principal objetivo deste trabalho é propor uma metodologia para otimização topológica de torres de linha transmissão, focando em uma aplicação industrial. Em contraste com estudos anteriores, os quais se baseiam em modificações localizadas da topologia, a metodologia proposta adota uma estratégia global de modificações. Nesta, a estrutura da torre é dividida em módulos principais compostos por um grande conjunto de elementos estruturais. Estes módulos principais são entidades globais as quais podem assumir diferentes topologias pré-estabelecidas (templates). Estes templates são concebidos a fim de garantir a viabilidade construtiva e de testes de protótipo. Consequentemente, a metodologia de otimização incorpora restrições de códigos normativos (como por exemplo aquelas relacionadas a esforços, deslocamentos, índices de esbeltez) bem como a viabilidade construtiva e de teste de protótipo. Permitindo que a metodologia possua um caráter de aplicação industrial direta. Como demonstrado experimentalmente por CIGRÉ (2009) a topologia desempenha um papel importante no comportamento estrutural de torres observado em testes de protótipo. Mesmo pequenas variações na configuração (como por exemplo no padrão de treliçamento ou na posição dos diafragmas) afeta diretamente o comportamento da estrutura e a compatibilidade com o modelo mecânico adotado. Estes e outros aspectos de grande significância prática podem ser considerados na construção dos templates disponibilizados para o processo de otimização. Dessa forma, a regra de criação de templates é apresentada e explicada no corpo do texto. Finalmente, outra vantagem importante desta metodologia é que o espaço de busca é limitado para que apenas as topologias mais comuns empregadas na industria possam ser disponibilizada como templates. De fato, a ideia de reduzir o espaço de busca tem sido empregada por outros pesquisadores, Como exemplo, Shea & Smith (2006) e Guo & Li (2011) reduziram o espaço de busca em suas propostas de otimização topológica. Logo, entre os objetivos deste estudo está manter as vantagens de limitar o espaço de busca (a fim de cumprir requisitos construtivos e reduzir os custos computacionais), além de introduzir o conceito de otimização baseada em templates. Devido à característica não-convexa da função objetivo, bem como à presença de variáveis discretas, o algoritmo heurístico BSA (Backtracking Search Algorithm) foi empregado. Este algoritmo foi desenvolvido por Civicioglu (2013), e tem mostrado resultados promissores para otimização topológica de estruturas treliçadas, conforme pode ser visto em Souza et al. (2016). A metodologia proposta é testada em dois exemplos de torres comumente encontradas na indústria Brasileira. No primeiro, uma torre autoportante de circuito simples de 115kV, submetida a dois casos de carregamento, é otimizada. A otimização dimensional atingiu como melhor resultado 1950,5 kg, mas ao incorporar a otimização geométrica o resultado encontrado foi de 1880,4 kg. Por fim, a metodologia proposta para otimização topológica foi implementada, levando a uma massa de 1809,8 kg, que representa uma redução de 7,22% em relação à otimização apenas dimensional. O segundo exemplo consiste em uma torre autoportante de circuito simples de 230kV, submetida a quatro casos de carregamento. Para este exemplo, a otimização dimensional atingiu uma massa de 2324,7 kg, enquanto a otimização dimensional e geométrica levou a um resultado de 2138,1 kg. Ao incorporar a metodologia proposta de otimização topológica, o resultado atingido foi de 2041,7 kg, que representa uma redução de 12.2% na massa da estrutura, quando comparada com à otimização apenas dimensional. Os resultados obtidos mostram que a metodologia proposta é bastante promissora e que esforços adicionais são ainda necessários. Outros exemplos devem ser estudados, de modo que a proposta de otimização baseada em templates possa abranger diferentes tipos torres de transmissão, inclusive torres estaiadas.Miguel, Leandro Fleck FadelLopez, Rafael HoldorfUniversidade Federal de Santa CatarinaSouza, Rafael Rodrigues de2017-02-14T03:03:39Z2017-02-14T03:03:39Z2016info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis131 p.| il., grafs., tabs.application/pdf343727https://repositorio.ufsc.br/xmlui/handle/123456789/173256engreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2017-02-14T03:03:39Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/173256Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732017-02-14T03:03:39Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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