Conception de connexions en acier dans les structures de sous-stations et de transport d'énergie

L'équipe Énergie électrique de Sandman Structural Engineering travaille régulièrement aux limites de la conception prescriptive en acier. Les structures de sous-stations et de transport d'énergie sont définies par des chemins de charge irréguliers, des forces multiaxiales et des géométries de connexion qui s'alignent rarement avec les exemples AISC des manuels. À mesure que le portefeuille de l'équipe s'est développé, la fréquence des connexions en acier atypiques nécessitant une approche de vérification plus rigoureuse et transparente a également augmenté. 

Défis d'ingénierie

Pour relever ce défi, l'équipe a adopté IDEA StatiCa comme outil principal pour analyser et vérifier les connexions complexes dans plusieurs projets d'infrastructure électrique, notamment les sous-stations, les structures de transport d'énergie et les cadres de support en acier associés. Les structures électriques ne fournissent pas toujours des onglets de cisaillement et des connexions à moment propres et reproductibles. Chaque structure a son propre chemin de charge et idéalement nécessiterait un outil capable de montrer réellement comment les forces circulent dans l'acier.

À propos des structures

Comme vous pouvez le voir dans leurs projets en vedette, les travaux de Sandman Structural Engineering ont englobé une gamme de structures d'infrastructure électrique soumises à des forces axiales importantes, des moments de flexion et des inversions de charge dues à la tension des conducteurs, aux charges d'équipement, au vent et à la glace. Les cadres en A en acier, les cadres contreventés et les configurations portiques étaient courants, avec des connexions agissant souvent comme points d'articulation critiques dans le chemin de charge global. Plutôt que d'isoler un seul projet, les ingénieurs de l'équipe Énergie électrique de Sandman ont appliqué IDEA StatiCa à travers une série de conceptions, l'utilisant pour développer des solutions de connexion cohérentes et défendables pour des détails à la fois très complexes et relativement simples au sein des mêmes structures.

Les cadres en A et les cadres en H sont l'une des structures d'extrémité les plus courantes dans une installation de sous-station. Les structures d'extrémité sont là où la ligne électrique se termine ou s'incline et sont généralement fabriquées avec de l'acier plus lourd car elles portent les conducteurs de la ligne de transport à pleine tension ou en portée libre. 

Image de : https://www.sandmanse.com/projects/king-ranch-substation

Les cadres en A ont au moins quatre pieds et une poutre conductrice. La connexion « knuckle » relie deux pieds à la poutre conductrice et au mât au sommet. Le joint devait accommoder de grandes forces axiales tout en permettant la rotation et en redistribuant les effets de flexion sans introduire de contraintes secondaires non souhaitées. Les approches de conception AISC traditionnelles offraient des orientations limitées pour cette configuration, et les calculs manuels simplifiés risquaient un conservatisme excessif ou une représentation incomplète des forces. Les méthodes basées sur des tableurs seraient également limitées pour capturer la véritable interaction entre les plaques, les boulons et les soudures sous chargement combiné.

Solutions de connexion

IDEA StatiCa Connection a permis à l'équipe de modéliser le joint knuckle en détail tridimensionnel complet, capturant le contact des plaques, le comportement des boulons, les forces de soudure et la distribution non linéaire des contraintes en utilisant l'approche CBFEM. Cela a permis une vérification directe de la connexion sous les combinaisons de charges déterminantes sans s'appuyer sur des hypothèses conservatives concernant la distribution des forces. Les ingénieurs ont pu évaluer le flux de contraintes à travers les plaques knuckle et les éléments de connexion, confirmer la capacité de rotation et optimiser la géométrie pour obtenir une conception équilibrée et efficace.

Au-delà de la connexion knuckle, la même structure comprenait plusieurs connexions plus simples, telles que des éclisses de colonnes HSS et des connexions poutre-colonne pour isolateurs. Celles-ci ont également été vérifiées dans IDEA StatiCa, permettant à l'équipe d'appliquer un flux de travail cohérent sur l'ensemble du package de connexions. Même pour les détails qui auraient pu être vérifiés à l'aide de méthodes traditionnelles, le logiciel a apporté clarté et confiance en visualisant les contraintes et les niveaux d'utilisation, réduisant ainsi la probabilité d'états limites déterminants négligés.

Solution et résultats

En intégrant IDEA StatiCa dans leur flux de travail en énergie électrique, Sandman Structural Engineering a considérablement réduit l'incertitude de conception et le temps de révision interne.Les ingénieurs pouvaient rapidement itérer la géométrie des connexions, voir immédiatement l'impact sur la distribution des contraintes et converger vers des solutions à la fois constructibles et efficaces. La capacité à produire des packages de calcul clairs basés sur les codes, incluant des rapports, des dessins de détail et des modèles 3D, a également amélioré la communication avec les réviseurs et les parties prenantes du projet, en particulier pour les connexions qui ne correspondaient pas aux conventions de détaillage standard.

Plutôt que d'éviter les détails non conventionnels ou de se rabattre sur des conceptions excessivement conservatives, les ingénieurs ont pu s'engager avec le comportement complexe des connexions à un stade plus précoce du processus de conception. Cela a abouti à des chemins de charge plus clairs, des forces de membrures mieux alignées et une confiance accrue que les structures finales se comporteraient comme prévu dans les conditions d'exploitation réelles.

Résumé

IDEA StatiCa est fier d'avoir fait partie de la boîte à outils Énergie électrique de Sandman Structural Engineering. Son application dans plusieurs projets de structures de sous-stations et de transport d'énergie a démontré que même dans des secteurs dominés par des connexions uniques et sur mesure, une analyse non linéaire rigoureuse des connexions peut être à la fois pratique et reproductible. En adoptant des outils capables de correspondre à la complexité des infrastructures électriques, l'équipe continue de fournir des conceptions fiables et bien vérifiées tout en élargissant ce qui est réalisable dans le domaine de l'ingénierie des connexions en acier.