Zespół ds. Energetyki Elektrycznej firmy Sandman Structural Engineers regularnie pracuje na granicach normatywnego projektowania konstrukcji stalowych. Konstrukcje stacji elektroenergetycznych i linii przesyłowych charakteryzują się nieregularnymi ścieżkami sił, wieloosiowymi siłami oraz geometrią połączeń, która rzadko odpowiada podręcznikowym przykładom AISC. Wraz z rozwojem portfolio zespołu rosła również częstotliwość występowania nietypowych połączeń stalowych, wymagających bardziej rygorystycznego i przejrzystego podejścia do weryfikacji.
Wyzwania inżynierskie
Aby sprostać temu wyzwaniu, zespół przyjął IDEA StatiCa jako podstawowe narzędzie do analizy i weryfikacji złożonych połączeń w wielu projektach infrastruktury elektroenergetycznej, w tym stacji elektroenergetycznych, konstrukcji przesyłowych oraz powiązanych stalowych konstrukcji wsporczych. Konstrukcje elektroenergetyczne nie zawsze oferują czytelne, powtarzalne połączenia ścinane i momentowe. Każda konstrukcja ma własną ścieżkę sił i idealnie wymagałaby narzędzia, które faktycznie pokazuje, jak siły przepływają przez stal.
O konstrukcjach
Jak można zobaczyć w ich wyróżnionych projektach, prace firmy Sandman Structural Engineers obejmowały szereg konstrukcji infrastruktury elektroenergetycznej poddanych znacznym siłom osiowym, momentom gnącym i zmianom kierunku obciążeń wynikającym z naprężeń przewodów, obciążeń urządzeń, wiatru i lodu. Powszechne były stalowe ramy w kształcie litery A, ramy stężone i portale, przy czym połączenia często pełniły rolę kluczowych punktów przegubowych w globalnej ścieżce sił. Zamiast skupiać się na jednym projekcie, inżynierowie Zespołu ds. Energetyki Elektrycznej firmy Sandman zastosowali IDEA StatiCa w serii projektów, wykorzystując ją do opracowania spójnych i uzasadnionych rozwiązań połączeń zarówno dla bardzo złożonych, jak i stosunkowo prostych szczegółów w obrębie tych samych konstrukcji.
Ramy A i ramy H są jednym z najczęstszych typów konstrukcji martwego końca w stacjach elektroenergetycznych. Konstrukcje martwego końca to miejsca, gdzie linia elektryczna kończy się lub zmienia kierunek; zazwyczaj wykonuje się je z cięższej stali, ponieważ przenoszą przewody linii przesyłowej przy pełnym naprężeniu lub przy zwisie.
Zdjęcie z: https://www.sandmanse.com/projects/king-ranch-substation
Ramy A mają co najmniej cztery nogi i jeden dźwigar przewodowy. Połączenie „knuckle" łączy dwie nogi z dźwigarem przewodowym i masztem na szczycie. Złącze musiało przenosić duże siły osiowe, jednocześnie umożliwiając obrót i redystrybucję efektów zginania bez wprowadzania niezamierzonych naprężeń wtórnych. Tradycyjne podejścia projektowe według AISC oferowały ograniczone wytyczne dla tej konfiguracji, a uproszczone obliczenia ręczne groziły nadmiernym konserwatyzmem lub niepełnym odwzorowaniem sił. Metody oparte na arkuszach kalkulacyjnych byłyby również ograniczone w uchwyceniu rzeczywistej interakcji między blachami, śrubami i spoinami przy złożonym obciążeniu.
Rozwiązania połączeń
IDEA StatiCa Connection umożliwiło zespołowi modelowanie złącza knuckle w pełnym trójwymiarowym szczególe, uwzględniając kontakt blach, zachowanie śrub, siły w spoinach oraz nieliniowy rozkład naprężeń przy użyciu metody CBFEM. Pozwoliło to na bezpośrednią weryfikację połączenia pod miarodajnymi kombinacjami obciążeń bez konieczności opierania się na konserwatywnych założeniach dotyczących rozkładu sił. Inżynierowie mogli ocenić przepływ naprężeń przez blachy knuckle i łączone elementy, potwierdzić zdolność do obrotu oraz zoptymalizować geometrię w celu uzyskania zrównoważonego i efektywnego projektu.
Połączenie przegubowe ramy typu A
Widok z przodu modelu 3D
Wyniki naprężeń i odkształceń
Szczegółowy widok przekroju
Poza połączeniem knuckle, ta sama konstrukcja zawierała kilka prostszych połączeń, takich jak styki słupów HSS oraz połączenia belek izolatorowych z nogami słupów. Zostały one również zweryfikowane w IDEA StatiCa, co pozwoliło zespołowi zastosować spójny tok postępowania dla całego pakietu połączeń. Nawet w przypadku szczegółów, które mogły być sprawdzone metodami tradycyjnymi, oprogramowanie zapewniło przejrzystość i pewność poprzez wizualizację naprężeń i stopni wykorzystania, zmniejszając prawdopodobieństwo przeoczenia miarodajnych stanów granicznych.
Połączenie z płytą czołową
Widok z przodu – płyta czołowa na moment
Ogólne sprawdzenie stanu
Wyniki naprężeń i odkształceń
Rozwiązanie i wyniki
Dzięki integracji IDEA StatiCa z procesem projektowania w obszarze energetyki elektrycznej, firma Sandman Structural Engineers znacznie ograniczyła niepewność projektową i czas wewnętrznych przeglądów. Inżynierowie mogli szybko iterować geometrię połączeń, natychmiast obserwować wpływ na rozkład naprężeń i dochodzić do rozwiązań jednocześnie wykonalnych i efektywnych. Możliwość tworzenia przejrzystych, opartych na normach pakietów obliczeniowych – obejmujących raporty, rysunki szczegółowe i modele 3D – poprawiła również komunikację z recenzentami i interesariuszami projektu, szczególnie w przypadku połączeń wykraczających poza standardowe konwencje detalizacji.
Zamiast unikać niekonwencjonalnych szczegółów lub domyślnie stosować nadmiernie konserwatywne projekty, inżynierowie mogli angażować się w analizę złożonego zachowania połączeń na wcześniejszym etapie procesu projektowania. Zaowocowało to czystszymi ścieżkami sił, lepiej wyrównanymi siłami w elementach oraz większą pewnością, że gotowe konstrukcje będą działać zgodnie z założeniami w rzeczywistych warunkach eksploatacji.
Podsumowanie
IDEA StatiCa jest dumna z tego, że mogła być częścią zestawu narzędzi Sandman Structural Engineering w obszarze energetyki elektrycznej. Zastosowanie w wielu projektach stacji elektroenergetycznych i konstrukcji przesyłowych dowiodło, że nawet w branżach zdominowanych przez unikalne, jednostkowe połączenia, rygorystyczna nieliniowa analiza połączeń może być zarówno praktyczna, jak i powtarzalna. Dzięki stosowaniu narzędzi zdolnych sprostać złożoności infrastruktury elektroenergetycznej, zespół nadal dostarcza niezawodne, dobrze zweryfikowane projekty, jednocześnie poszerzając granice możliwości w inżynierii połączeń stalowych.
Nasz zespół ds. energetyki elektrycznej zaczął wykorzystywać IDEA do wszelkiego rodzaju nietypowych połączeń, z jakimi spotykamy się w konstrukcjach stacji elektroenergetycznych i linii przesyłowych. Myślę, że byłby to doskonały sposób na pokazanie, jak dobrze IDEA sprawdza się w branży, gdzie połączenia są często unikalne i nie pasują łatwo do typowych metod obliczeniowych zalecanych przez AISC.
Coleman Wagner
Kierownik zespołu – Energetyka elektryczna – Sandman Structural Engineers
Stany Zjednoczone
Rozpocznij okres próbny już dziś i korzystaj przez 14 dni z pełnego dostępu oraz usług bezpłatnie.
Rozpocznij bezpłatny okres próbny