Bemessung von Stahlverbindungen in Umspannwerken und Übertragungsstrukturen

Das Electrical Power Team von Sandman Structural Engineering arbeitet routinemäßig an den Grenzen der normativen Stahlbemessung. Umspannwerke und Übertragungsstrukturen sind durch unregelmäßige Lastpfade, mehrachsige Kräfte und Verbindungsgeometrien gekennzeichnet, die selten mit den Lehrbuchbeispielen des AISC übereinstimmen. Mit der Erweiterung des Portfolios des Teams nahm auch die Häufigkeit atypischer Stahlverbindungen zu, die einen rigoroseren und transparenteren Nachweisansatz erforderten. 

Technische Herausforderungen

Um dieser Herausforderung zu begegnen, hat das Team IDEA StatiCa als zentrales Werkzeug für die Analyse und Überprüfung komplexer Verbindungen in mehreren Projekten der Energieinfrastruktur eingeführt, darunter Umspannwerke, Übertragungsstrukturen und zugehörige Stahlstützkonstruktionen. Energiestrukturen bieten nicht immer saubere, wiederholbare Scherlaschen und Momentenverbindungen. Jede Struktur hat ihren eigenen Lastpfad und würde idealerweise ein Werkzeug benötigen, das tatsächlich zeigen kann, wie die Kräfte durch den Stahl fließen.

Über die Strukturen

Wie in den vorgestellten Projekten zu sehen ist, umfasst die Arbeit von Sandman Structural Engineering eine Reihe von elektrischen Infrastrukturstrukturen, die erheblichen Axialkräften, Biegemomenten und Lastumkehrungen ausgesetzt sind, die durch Leiterspannung, Ausrüstungslasten, Wind und Eis verursacht werden. Stahl-A-Rahmen, ausgesteifte Rahmen und Portalkonfigurationen waren üblich, wobei die Verbindungen häufig als kritische Gelenkpunkte im globalen Lastpfad fungierten. Anstatt sich auf ein einzelnes Projekt zu beschränken, setzten die Ingenieure des Electrical Power Teams von Sandman IDEA StatiCa in einer Reihe von Bemessungen ein und nutzten es, um konsistente, nachvollziehbare Verbindungslösungen sowohl für hochkomplexe als auch für relativ einfache Details innerhalb derselben Strukturen zu entwickeln.

A-Rahmen und H-Rahmen sind eine der häufigsten Totpunktstrukturen in einer Umspannwerksanlage. Totpunktstrukturen sind dort, wo die elektrische Leitung endet oder abgewinkelt wird, und werden in der Regel aus schwerem Stahl gefertigt, da sie die Übertragungsleitungsleiter unter voller Spannung oder als Schlagseil tragen. 

Bild von: https://www.sandmanse.com/projects/king-ranch-substation

Die A-Rahmen haben mindestens vier Beine und einen Leiterträger. Die „Knuckle"-Verbindung verbindet zwei Beine mit dem Leiterträger und dem Mast an der Spitze. Die Verbindung musste große Axialkräfte aufnehmen und gleichzeitig Rotation ermöglichen sowie Biegeeffekte umverteilen, ohne unbeabsichtigte Sekundärspannungen einzuführen. Traditionelle AISC-Bemessungsansätze boten für diese Konfiguration nur begrenzte Orientierung, und vereinfachte Handberechnungen bargen das Risiko übermäßiger Konservativität oder unvollständiger Kraftdarstellung. Tabellenkalkulationsbasierte Methoden wären ebenfalls begrenzt in der Erfassung der tatsächlichen Wechselwirkung zwischen Blechen, Schrauben und Schweißnähten unter kombinierter Belastung.

Verbindungslösungen

IDEA StatiCa Connection ermöglichte es dem Team, die Knuckle-Verbindung in vollem dreidimensionalem Detail zu modellieren, wobei Blechkontakt, Schraubenverhalten, Schweißnahtkräfte und nichtlineare Spannungsverteilung mithilfe des CBFEM-Ansatzes erfasst wurden. Dies ermöglichte eine direkte Überprüfung der Verbindung unter den maßgebenden Lastkombinationen, ohne auf konservative Annahmen zur Kraftverteilung angewiesen zu sein. Die Ingenieure konnten den Spannungsfluss durch die Knuckle-Bleche und anschließenden Bauteile bewerten, die Rotationskapazität bestätigen und die Geometrie optimieren, um ein ausgewogenes, effizientes Design zu erzielen.

Über die Knuckle-Verbindung hinaus umfasste dieselbe Struktur mehrere einfachere Verbindungen, wie z. B. HSS-Stützenstöße und Isolatorträger-zu-Stützenbein-Verbindungen. Diese wurden ebenfalls in IDEA StatiCa überprüft, sodass das Team einen konsistenten Arbeitsablauf für das gesamte Verbindungspaket anwenden konnte. Selbst bei Details, die mit traditionellen Methoden hätten überprüft werden können, bot die Software Klarheit und Sicherheit durch die Visualisierung von Spannungen und Ausnutzungsgraden, wodurch die Wahrscheinlichkeit übersehener maßgebender Grenzzustände verringert wurde.

Lösung und Ergebnisse

Durch die Integration von IDEA StatiCa in ihren Arbeitsablauf im Bereich elektrische Energie konnte Sandman Structural Engineering die Bemessungsunsicherheit und die interne Überprüfungszeit erheblich reduzieren.Ingenieure konnten die Verbindungsgeometrie schnell iterieren, die Auswirkungen auf die Spannungsverteilung sofort erkennen und Lösungen finden, die sowohl ausführbar als auch effizient waren. Die Möglichkeit, klare, normbasierte Berechnungspakete zu erstellen – einschließlich Berichte, Detailzeichnungen und 3D-Modelle – verbesserte auch die Kommunikation mit Prüfern und Projektbeteiligten, insbesondere bei Verbindungen, die außerhalb der standardmäßigen Detaillierungskonventionen lagen.

Anstatt unkonventionelle Details zu vermeiden oder auf übermäßig konservative Bemessungen zurückzugreifen, konnten die Ingenieure das komplexe Verbindungsverhalten in einem früheren Stadium des Bemessungsprozesses berücksichtigen. Dies führte zu klareren Lastpfaden, besser ausgerichteten Bauteilkräften und einer erhöhten Sicherheit, dass die fertigen Strukturen unter realen Betriebsbedingungen wie vorgesehen funktionieren würden.

Zusammenfassung

IDEA StatiCa ist stolz darauf, Teil des Electrical Power Toolkits von Sandman Structural Engineering gewesen zu sein. Der Einsatz in mehreren Umspannwerks- und Übertragungsstrukturprojekten hat gezeigt, dass selbst in Branchen, die von einzigartigen Einzelverbindungen geprägt sind, eine rigorose nichtlineare Verbindungsanalyse sowohl praktisch als auch wiederholbar sein kann. Durch den Einsatz von Werkzeugen, die der Komplexität der Energieinfrastruktur gerecht werden, liefert das Team weiterhin zuverlässige, gut überprüfte Bemessungen und erweitert gleichzeitig die Möglichkeiten im Bereich der Stahlverbindungstechnik.