Bolt slippage in transmission line towers: design recommendations, topology optimization and reliability assessment

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Souza, Rafael Rodrigues de
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/216450
Resumo: Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Florianópolis, 2020.
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spelling Bolt slippage in transmission line towers: design recommendations, topology optimization and reliability assessmentEngenharia civilLinhas elétricasEnergia elétricaEnergia elétricaTese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Florianópolis, 2020.Em um país de dimensões continentais como o Brasil, linhas de transmissão (LTs) com mais de milhares de quilômetros não são raras. Criando uma vasta malha de transmissão. De acordo com a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) a capacidade instalada no Brasil aumentou de cerca de 123.098 MW em 2013 para 170.071 MW em 2019, tendo como principais fontes geradoras hidroelétrica, termoelétrica, eólica e solar. Naturalmente, nesta expansão mais LTs são necessárias. Consequentemente, espera-se que os 116.767 km de linha estabelecidos em 2014 cresçam para 155.736 km em 2022, representando um crescimento médio de 4.871 km/ano. Em termos de consumo de aço isso representa cerca de 112 mil toneladas por ano (assumindo 23 toneladas por quilômetro). Por outro lado, uma alternativa para esta demanda é aumentar a capacidade de transmissão de LTs existentes, também conhecido como uprate da linha. Em muitos casos, esta é a única opção, uma vez que restrições ambientais impostas por agentes regulatórios cada vez mais dificultam a construção de novas linhas. De qualquer forma, garantir um sistema de transmissão seguro e confiável é crucial para o desenvolvimento industrial do país. As torres de linha de transmissão (TLT) desempenham um papel importante na linha como um todo. Estas geralmente são estruturas treliçadas formadas por perfis metálicos do tipo cantoneira com o propósito de suspender os cabos condutores e para-raios. Apesar de uma configuração aparentemente simples, TLTs são amplamente conhecidas como uma das estruturas treliçadas mais difíceis de serem analisadas. Esta dificuldade advém do fato que estas são usualmente compostas de perfis assimétricos de parede fina conectados excentricamente. Por esta razão, ensaio de protótipo em verdadeira grandeza tem sido tradicionalmente uma parte integral do desenvolvimento do projeto de torres. A determinação de esforços na estrutura é geralmente feita através de uma análise elástica linear onde considera-se que os elementos são carregados axialmente e, para a maior parte dos casos, rotulados. Na prática, estas condições não existem e as barras são detalhadas para minimizar as tensões resultantes dos momentos fletores (AL-BERMANI; KITIPORNCHAI, 1993). Por esta razão vários estudos foram conduzidos a fim de melhor entender o comportamento estrutural de TLTs (KITIPORNCHAI; AL-BERMANI; PEYROT, 1994), (KAMINSKI-JR. et al., 2008), (MIGUEL et al., 2012a), (KAMINSKI-JR et al., 2008), entre outros. Alguns desses trabalhos indicam discrepâncias entre resultados obtidos com modelos mecânicos e o real comportamento da estrutura. Estas discrepâncias ocorrem uma vez que qualquer modelo é uma tentativa de representar um fenômeno real, considerando um certo nível de simplificação. Consequentemente, existem discrepâncias associadas às representações matemáticas. No contexto de engenharia estrutural, estas incertezas são chamadas de incertezas de modelo mecânico (KAMINSKI-JR et al., 2008) Reconhecendo a importância dessas simplificações na prática de projeto, (CIGRÉ, 2009) realizou uma investigação experimental a fim de melhor entender o impacto de cada fonte de incerteza no comportamento da torre. Seu trabalho indicou que variações nas propriedades dos materiais, excentricidade das conexões, deslizamento das ligações parafusadas, tolerâncias no processo de manufatura e práticas de montagem podem ser importantes fontes de discrepância. Entretanto, entre estas, (CIGRÉ, 2009) e (KAMINSKI-JR, 2007) mostraram que, com exceção do deslizamento das ligações, todas as discrepâncias ocorrem em nível similar independente da topologia da torre, quando as mesmas práticas industriais são seguidas. Assim, uma consideração apropriada do deslizamento das ligações na análise estrutural permitiria o dimensionamento de torres com esforços axiais mais precisos (quando comparados com modelos elástico lineares), qualquer que seja a topologia escolhida pelo projetista (i.e. as divergências seriam independentes da topologia da torre). Em resumo, três fatores básicos relacionados à atual prática de projeto de torres TLT são reconhecidos aqui: (i) a atual prática industrial ao redor do mundo emprega modelos elástico lineares assumindo que os elementos são conectados axialmente e as excentricidades são compensadas na determinação da capacidade das barras, (ii) o efeito deslizamento das ligações ocorre abaixo de 100% da carga de projeto, modificando a distribuição de esforços internos e (iii) a magnitude deste efeito é altamente influenciada pela topologia da torre. Portanto, com base nessas três observações e no fato de que a configuração da estrutura é baseada na experiência do projetista, o deslizamento das ligações parafusadas é escolhido para ser investigado neste trabalho. É importante destacar que a incerteza introduzida pelo deslizamento das conexões pode impactar tanto o projeto de novas estruturas como a performance daquelas existentes. Esta última é mandatória no contexto de uprating de uma LT, i.e. o aumento da capacidade de transporte de energia de uma linha existente. Consequentemente, este estudo busca investigar e contribuir em ambos os cenários. Para novos projetos, duas abordagens parecem contornar o problema. A primeira seria seguir recomendações topológicas e adotar apenas configurações capazes de minimizar o impacto do deslizamento das ligações na distribuição dos esforços internos, dispensando assim a necessidade de incluir este efeito no modelo. De fato, mesmo intuitivamente, este é o caminho seguido por engenheiros sêniores com experiência adquirida em testes de protótipo. Uma segunda abordagem seria incluir o deslizamento das ligações no modelo mecânico. Isso seria especialmente vantajoso no contexto de um esquema geral para a otimização topológica de TLTs, pois permitiria uma busca entre alternativas mais amplas de configuração estrutural o que pode levar a torres mais leves ou com vantagens construtivas e/ou de montagem. Finalmente, diversas torres foram construídas no Brasil com topologias que podem aumentar a importância do efeito do deslizamento das ligações, apesar de provavelmente terem sido modeladas sem esta consideração. Assim, estas torres podem apresentar um comportamento estrutural diferente da intenção original ou, em outras palavras, estar operando com uma confiabilidade menor do que originalmente esperado. Portanto, três assuntos são investigados neste trabalho. Estes são selecionados devido a sua relevância na área e por serem assuntos em aberto na literatura. Além disso, todos eles partem da consideração de que o efeito do deslizamento das ligações é diretamente influenciado pela topologia da torre. Assim, os objetivos são: I - Fornecer recomendações topológicas de projeto que reduzam a influência do deslizamentodas ligações no comportamento estrutural da torre. Para isso, são feitos 72 modelos de MEF (Método dos Elementos Finitos) de uma mesma torre autoportante de 230 kV com pequenas diferenças no arranjo de seus elementos. Eles levam em consideração o efeito não linear do deslizamento das ligações parafusadas e as variações de topologia investigadas incluem as principais características comumente empregada pela indústria e projetistas. Com base nos resultados obtidos, é possível indicar recomendações topológicas de projeto simples e eficientes, que reduzem significativamente a influência do efeito do deslizamento das ligações no comportamento da estrutura (se aproximando consideravelmente do linear). Por outro lado, também são ilustradas as principais escolhas não apropriadas em relação a configuração dos elementos (mesmo para pequenas modificações), as quais aumentam as discrepâncias nas forças axiais. Portanto, seguindo tais recomendações, o projetista seria capaz de encontrar soluções mais seguras mesmo adotando a prática industrial corrente, que não leve em consideração o efeito do deslizamento das ligações no modelo mecânico. II - Propor um esquema geral para a otimização de TLT baseado na abordagem apresentadapor (SOUZA et al., 2016). Para isso, o efeito não linear do deslizamento das ligações é incluído no modelo mecânico. Consequentemente, é possível considerar como opções viáveis mesmo aquelas escolhas não apropriadas (indicadas no objetivo anterior). Nessa abordagem, o computador é capaz de procurar entre mais possibilidades de topologias que podem levar a estruturas mais leves ou com vantagens de construção/montagem. Assim, é também possível avaliar o trade-off entre empregar um modelo mais complexo e seus potenciais benefícios (vantagens de montagem, por exemplo). Por fim, ao incluir o deslizamento das ligações, obtém-se um processo de otimização mais geral, adequado para qualquer TLT, independe da topologia escolhida. III - Avaliar a confiabilidade de TLTs existentes considerando incertezas de modelomecânico. Para isso, a probabilidade de falha de duas torres reais construídas no Brasil é investigada empregando diferentes níveis de complexidade de modelo. As estruturas apresentam topologias com configurações levemente distintas. Além disso, elas foram projetadas em épocas diferentes. A primeira foi há 40 anos atrás, desde então diversas LTs operando no Brasil adotam tal solução. A segunda é mais recente, com um projeto de 15 anos atrás. O estudo considera desde um simples modelo elástico linear similar ao considerado originalmente para o projeto da torre. Passando por outras incertezas de modelo relevantes para o projeto de TLT, como a definição das barras redundantes e a orientação dos perfis, até um incluindo o deslizamento das ligações. Finalmente, a fim de melhor entender o impacto nos resultados por seguir procedimentos clássicos de projeto (i.e., demanda = capacidade), o colapso de ambas as TLTs são modeladas através de uma análise não linear física e geométrica abrangente, com e sem a consideração do deslizamento das ligações. Portanto, é possível avaliar outras fontes de incerteza, como a excentricidade das ligações e os momentos fletores, os quais são considerados indiretamente na verificação de capacidade quando seguem-se procedimentos de projeto especificados em normas. Em relação ao primeiro objetivo, os resultados obtidos permitem fornecer recomendações específicas a respeito de cada parte da torre. Assim, nota-se que combinando todas as recomendações, apenas uma escolha final deve ser definida pelo projetista. Basicamente, isso envolve o treliçamento do tronco inclinado, i.e. escolher entre um treliçamento contínuo ou defasado. Assim, o esquema proposto reduz fortemente o número de possibilidades, enquanto garante um comportamento estrutural próximo do linear e uma torre leve. Todas as demais configurações (treliçamento do tronco reto, transição tronco reto-inclinado, terminação inferior do tronco inclinado e posição do diafragma) são restritas pelas recomendações fornecidas. Em relação ao segundo objetivo, as variações topológicas permitidas na otimização compõem 1152 possíveis configurações. Entre estas, o melhor resultado encontrado automaticamente obedece às recomendações discutidas anteriormente. Adicionalmente, este melhor resultado alcança uma redução de 16% de massa, quando comparado com a otimização dimensional da torre original. Portanto, uma importante conclusão é que é possível encontrar torres leves que simultaneamente apresentam um comportamento próximo do linear. Além disso, uma vez que o domínio de busca pode ter sido afetado com a ocorrência de comportamentos não lineares acentuados (em função do processo de otimização em dois estágios), um cenário com o diafragma na posição inferior também foi investigado. É reconhecido na indústria que esta configuração é associada com falhas prematuras em ensaio de protótipo por ser mais suscetível ao efeito do deslizamento das ligações. Assim, apesar de suas vantagens construtivas ela foi gradualmente evitada ao longo do tempo. Note que esta topologia pôde ser adotada pois a abordagem proposta já considera o deslizamento das ligações durante a otimização. Adicionalmente, a melhor solução nesse caso é 14.6% mais leve que a otimização dimensional original, apesar de ser cerca de 1% mais pesada que a topologia ótima anterior. Portanto, fica claro que usando uma ferramenta de otimização com um modelo mecânico apropriado, uma solução topológica com massa consideravelmente baixa e ainda com vantagens construtivas pode ser obtida. Assim, para as torres investigadas, o esquema de otimização proposto permite um trade-off positivo entre vantagens construtivas e uma configuração ligeiramente mais pesada. De qualquer forma, o esquema proposto é geral e pode ser aplicado em qualquer TLT, independente da topologia escolhida. Em relação ao terceiro objetivo, dois exemplos são explorados. No primeiro, observase que as incertezas de modelo, especialmente a definição das barras redundantes e a consideração do deslizamento não linear das ligações impactaram as probabilidades de falha (Pf) calculadas. Nesse contexto, o modelo mais complexo de fato levou a uma Pf maior que o modelo mais simples testado (simulando as condições originais de projeto). Além disso, esses valores também ficar a cima dos alvos apresentados no (IEC:60826, 2017). Adicionalmente, a análise de colapso para a estrutura primeiro exemplo indica que ela é capaz de suportar a carga de projeto, mesmo no modelo que não considera o deslizamento das ligações (o que apresentou uma Pf alta). Isto se deve ao fato de que a subestimação das forças axiais nas diagonais das extensões no projeto original é compensada por considerações conservadores na determinação da capacidade. Novamente, uma vez que esta solução é mais suscetível ao efeito do deslizamento das ligações, a distribuição de esforços internos é mais difícil de prever (em um processo típico de projeto ou até mesmo numa análise de colapso). Assim, fica claro que topologias similares a esta devem ser evitadas. Por outro lado, no segundo exemplo a diferença entre os resultados dos modelos com e sem o deslizamento das ligações é marginal. Para este segundo exemplo, os valores de Pf em todos os casos estudados ficaram abaixo dos alvos apresentados por (IEC:60826, 2017). Além disso, o colapso de ambos os modelos é razoavelmente similar, estando ainda de acordo com as previsões de projeto. Portanto, considerando o escopo completo desta tese, foi possível contribuir para o desenvolvimento de novos projetos (a) fornecendo recomendações de projeto simples capazes de minimizar a importância do efeito do deslizamento das ligações em TLTs reais e (b) propondo um esquema geral de otimização já incluindo este efeito no modelo mecânico. Além disso, também foi possível contribuir no contexto de estruturas existentes ao avaliar a probabilidade de falha e colapso de duas TLTs.Abstract: Recent studies have shown the importance of the bolt slippage effect on the structural behavior of transmission line towers (TLTs) (CIGRÉ (2009), Jiang et al (2011), Ramalingam and Jayachandran (2016), just to name a few). In spite of these advances, this effect is still disregarded in the structural design, which is carried out through commercial computational packages that employ a linear or a geometrically nonlinear elastic analysis. Therefore, discrepancies between the model predictions and the actual tower behavior intrinsically occur. Additionally, the magnitude of these discrepancies is highly dependent on the tower topology, a definition given by the engineer based on his experience. Then, recognizing that such divergences can affect not only new designs, but also the existing TLTs, this study is divided in three parts. The first provides a set of topology design recommendations which are able to minimize the influence of the bolt slippage effect on the structural behavior of TLTs. To attain this objective, it is employed a FEM model that considers the nonlinear bolt slippage effect, to construct 72 models to the same self-supporting 230kV real structure with small differences in their elements? configurations. Because the effect of each one of them is isolated and assessed separately (qualitatively and quantitatively), topology design recommendations are provided, allowing the structural behavior becomes considerably closer to the linear one. On the second part, the main goal is to propose a general framework for topology optimization of TLTs. For this purpose, the optimization scheme proposed by (SOUZA et al., 2016) is employed herein. In contrast with this approach, in the present study the connections? slippage is included in the analysis. Due to the computational cost required to solve the nonlinear problem, a two-stage optimization procedure is employed. Firstly, a linear elastic model is used to locate an optimum region and to provide a starting point to the next search. Then, the nonlinear bolt slippage is included to refine and improve the optimization. Through this procedure it is possible to search for broader topologies possibilities that can lead to lighter structures or attain configurations that present erection advantages. Finally, the third goal is to assess the reliability of existing TLTs considering mechanical model uncertainties. To achieve this goal, the failure probability of two real TLTs built in Brazil are investigated employing different levels of modeling complexity. To better understand the impact on the results when the failure function is defined based on the classical design procedure, the collapse of both TLTs are modeled through a full material and geometrical non-linear analysis. The results show that the topology definition plays a major role on the tower reliability results.Miguel, Leandro Fleck FadelLopez, Rafael HoldorfUniversidade Federal de Santa CatarinaSouza, Rafael Rodrigues de2020-10-21T21:29:50Z2020-10-21T21:29:50Z2020info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis184 p.| il., tabs., gráfs.application/pdf370100https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/216450porreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2020-10-21T21:29:50Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/216450Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732020-10-21T21:29:50Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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