Progettazione di Connessioni in Acciaio in Strutture di Sottostazione e Trasmissione

Il team di Ingegneria dell'Energia Elettrica di Sandman Structural Engineering lavora abitualmente ai limiti della progettazione prescrittiva in acciaio. Le strutture di sottostazione e trasmissione sono caratterizzate da percorsi di carico irregolari, forze multi-assiali e geometrie di connessione che raramente si allineano con gli esempi AISC dei libri di testo. Con l'espansione del portafoglio del team, è aumentata anche la frequenza di connessioni in acciaio atipiche 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 connessioni complesse in molteplici progetti di infrastrutture per l'energia elettrica, tra cui strutture di sottostazione, strutture di trasmissione e telai di supporto in acciaio associati. Le strutture di alimentazione non forniscono sempre connessioni a taglio e momenti pulite e ripetibili. Ogni struttura ha il proprio percorso di carico e idealmente avrebbe bisogno di uno strumento in grado di mostrare effettivamente come le forze fluiscono attraverso l'acciaio.

Informazioni sulle Strutture

Come si può vedere nei loro progetti in evidenza, il lavoro di Sandman Structural Engineering ha compreso una gamma di strutture per infrastrutture elettriche soggette a significative forze assiali, momenti flettenti e inversioni di carico causate dalla tensione dei conduttori, dai carichi delle apparecchiature, dal vento e dal ghiaccio. I telai ad A in acciaio, i telai controventati e le configurazioni a portale erano comuni, con connessioni che spesso fungevano da punti di articolazione critici nel percorso di carico globale. Piuttosto che isolare un singolo progetto, gli ingegneri del team di Energia Elettrica di Sandman hanno applicato IDEA StatiCa in una serie di progettazioni, utilizzandolo per sviluppare soluzioni di connessione coerenti e difendibili sia per dettagli altamente complessi che relativamente semplici all'interno delle stesse strutture.

I telai ad A e ad H sono una delle strutture di terminazione più comuni in un impianto di sottostazione. Le strutture di terminazione sono quelle in cui la linea elettrica termina o si inclina e sono solitamente 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 conduttrice. La connessione "knuckle" unisce due gambe alla trave conduttrice e all'albero in cima. Il giunto doveva essere in grado di accogliere grandi forze assiali consentendo 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. I metodi basati su fogli di calcolo sarebbero stati inoltre limitati nel cogliere la vera interazione tra piastre, bulloni e saldature sotto carichi combinati.

Soluzioni di Connessione

IDEA StatiCa Connection ha permesso al team di modellare il giunto knuckle in pieno dettaglio tridimensionale, catturando il contatto tra le piastre, il comportamento dei bulloni, le forze di saldatura e la distribuzione non lineare delle tensioni utilizzando l'approccio CBFEM. Ciò ha consentito la verifica diretta della connessione sotto le combinazioni di carico determinanti senza fare affidamento su ipotesi conservative sulla distribuzione delle forze. Gli ingegneri sono stati in grado di valutare il flusso delle tensioni attraverso le piastre knuckle e i membri di collegamento, confermare la capacità di rotazione e ottimizzare la geometria per ottenere una progettazione equilibrata ed efficiente.

Oltre alla connessione knuckle, la stessa struttura includeva diverse connessioni più semplici, come giunti di colonna HSS e connessioni trave-colonna per isolatori. Anche queste sono state verificate in IDEA StatiCa, consentendo al team di applicare un flusso di lavoro coerente all'intero pacchetto di connessioni. 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 utilizzo, riducendo la probabilità di stati limite determinanti trascurati.

Soluzione e Risultati

Integrando IDEA StatiCa nel loro flusso di lavoro per l'energia elettrica, Sandman Structural Engineering ha ridotto significativamente l'incertezza progettuale e i tempi di revisione interna.Gli ingegneri potevano iterare rapidamente la geometria delle connessioni, vedere immediatamente l'impatto sulla distribuzione delle tensioni e convergere su soluzioni che fossero sia realizzabili che efficienti. La capacità di produrre pacchetti di calcolo chiari e basati su normativa, inclusi report, disegni di dettaglio e modelli 3D, ha inoltre migliorato la comunicazione con i revisori e le parti interessate del progetto, in particolare per le connessioni che esulano dalle convenzioni di dettaglio standard.

Piuttosto che evitare dettagli non convenzionali o ricorrere a progettazioni eccessivamente conservative, gli ingegneri sono stati in grado di affrontare il comportamento complesso delle connessioni in una fase precedente del processo di progettazione. Ciò ha portato a percorsi di carico più puliti, forze nei membri meglio allineate e una maggiore fiducia che le strutture finali avrebbero funzionato come previsto nelle reali condizioni operative.

Sommario

IDEA StatiCa è orgogliosa di aver fatto parte del toolkit di Ingegneria dell'Energia Elettrica di Sandman Structural Engineering. La sua applicazione in molteplici progetti di strutture di sottostazione e trasmissione ha dimostrato che anche in settori dominati da connessioni uniche e irripetibili, un'analisi non lineare rigorosa delle connessioni può essere sia pratica che ripetibile. Abbracciando strumenti capaci di corrispondere alla complessità delle infrastrutture di alimentazione, il team continua a fornire progettazioni affidabili e ben verificate, espandendo al contempo ciò che è fattibile nell'ingegneria delle connessioni in acciaio.