Progettazione di Connessioni in Acciaio in Strutture di Sottostazione e Trasmissione
Il team Electrical Power di Sandman Structural Engineers lavora abitualmente ai limiti della progettazione prescrittiva in acciaio. Le strutture per sottostazioni e trasmissione sono caratterizzate da percorsi di carico irregolari, forze multiassiali e geometrie di collegamento che raramente corrispondono agli esempi AISC dei manuali. Con l'espansione del portafoglio del team, è aumentata anche la frequenza di collegamenti in acciaio atipici che richiedevano un approccio di verifica più rigoroso e trasparente.
Sfide ingegneristiche
Per affrontare questa sfida, il team ha adottato IDEA StatiCa come strumento principale per l'analisi e la verifica di collegamenti complessi su più progetti di infrastrutture per la distribuzione di energia, tra cui strutture per sottostazioni e trasmissione e relativi telai di supporto in acciaio. Le strutture per l'energia non offrono sempre piastre d'anima e collegamenti a momento puliti e ripetibili. Ogni struttura ha il proprio percorso di carico e idealmente richiederebbe uno strumento in grado di mostrare effettivamente come le forze fluiscono attraverso l'acciaio.
Descrizione delle strutture
Come si può vedere nei loro progetti in evidenza, il lavoro di Sandman Structural Engineers ha compreso una gamma di strutture per infrastrutture elettriche soggette a significative forze assiali, momenti flettenti e inversioni di carico causati dalla tensione dei conduttori, dai carichi delle apparecchiature, dal vento e dal ghiaccio. Telai ad A in acciaio, telai controventati e configurazioni a portale erano comuni, con i collegamenti che spesso fungevano da punti di articolazione critici nel percorso di carico globale. Anziché isolare un singolo progetto, gli ingegneri del team Electrical Power di Sandman hanno applicato IDEA StatiCa su una serie di progettazioni, utilizzandolo per sviluppare soluzioni di collegamento coerenti e difendibili sia per dettagli altamente complessi che per dettagli relativamente semplici all'interno delle stesse strutture.
I telai ad A e ad H sono una delle strutture di dead-end più comuni in un impianto di sottostazione. Le strutture di dead-end sono quelle in cui la linea elettrica termina o cambia direzione e sono generalmente realizzate con acciaio più pesante perché portano i conduttori della linea di trasmissione a piena tensione o a campata allentata.
Immagine da: https://www.sandmanse.com/projects/king-ranch-substation
I telai ad A hanno almeno quattro gambe e una trave conduttore. Il collegamento a "snodo" unisce due gambe alla trave conduttore e all'albero in cima. Il giunto doveva essere in grado di sopportare grandi forze assiali consentendo al contempo la rotazione e ridistribuendo gli effetti flessionali senza introdurre tensioni secondarie indesiderate. Gli approcci di progettazione AISC tradizionali offrivano una guida limitata per questa configurazione, e i calcoli manuali semplificati rischiavano un eccessivo conservatorismo o una rappresentazione incompleta delle forze. Anche i metodi basati su fogli di calcolo sarebbero stati limitati nel cogliere la vera interazione tra piastre, bulloni e saldature sotto carichi combinati.
Soluzioni di collegamento
IDEA StatiCa Connection ha permesso al team di modellare il giunto a snodo in pieno dettaglio tridimensionale, acquisendo il contatto tra le piastre, il comportamento dei bulloni, le forze nelle saldature e la distribuzione non lineare delle tensioni mediante l'approccio CBFEM. Ciò ha consentito la verifica diretta del collegamento nelle combinazioni di carico determinanti senza ricorrere ad assunzioni conservative sulla distribuzione delle forze. Gli ingegneri hanno potuto valutare il flusso delle tensioni attraverso le piastre dello snodo e gli elementi collegati, confermare la capacità di rotazione e ottimizzare la geometria per ottenere una progettazione equilibrata ed efficiente.
Oltre al collegamento a snodo, la stessa struttura comprendeva diversi collegamenti più semplici, come giunti di continuità di colonne HSS e collegamenti trave-colonna per travi isolatori. Anche questi sono stati verificati in IDEA StatiCa, consentendo al team di applicare un flusso di lavoro coerente all'intero pacchetto di collegamenti. Anche per i dettagli che avrebbero potuto essere verificati con metodi tradizionali, il software ha fornito chiarezza e sicurezza visualizzando le tensioni e i livelli di sfruttamento, riducendo la probabilità di trascurare stati limite determinanti.
Soluzione e risultati
Integrando IDEA StatiCa nel loro flusso di lavoro per l'energia elettrica, Sandman Structural Engineers ha ridotto significativamente l'incertezza progettuale e i tempi di revisione interna. Gli ingegneri hanno potuto iterare rapidamente la geometria dei collegamenti, vedere immediatamente l'impatto sulla distribuzione delle tensioni e convergere su soluzioni costruibili ed efficienti. La capacità di produrre pacchetti di calcolo chiari e basati sulla normativa, inclusi relazioni, disegni di dettaglio e modelli 3D, ha inoltre migliorato la comunicazione con i revisori e le parti interessate al progetto, in particolare per i collegamenti che esulano dalle convenzioni di dettaglio standard.
Anziché evitare dettagli non convenzionali o ricorrere a progettazioni eccessivamente conservative, gli ingegneri hanno potuto affrontare il comportamento complesso dei collegamenti in una fase precedente del processo progettuale. Ciò ha portato a percorsi di carico più chiari, forze negli elementi meglio allineate e una maggiore sicurezza che le strutture finali avrebbero funzionato come previsto nelle reali condizioni operative.
Sintesi
IDEA StatiCa è orgogliosa di aver fatto parte del toolkit Electrical Power di Sandman Structural Engineering. La sua applicazione su più progetti di strutture per sottostazioni e trasmissione ha dimostrato che anche in settori dominati da collegamenti unici e irripetibili, l'analisi non lineare rigorosa dei collegamenti può essere sia pratica che ripetibile. Adottando strumenti in grado di corrispondere alla complessità delle infrastrutture per la distribuzione di energia, il team continua a fornire progettazioni affidabili e ben verificate, ampliando al contempo le possibilità nell'ingegneria dei collegamenti in acciaio.
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