Structural Analysis of Transmission Line Steel Towers Subjected to Wind Induced Dynamic Effects

Na prática corrente do projeto de torres de aço treliçadas utilizadas para suportar linhas de transmissão de energia elétrica, a avaliação do comportamento dinâmico das estruturas, de maneira geral, não é considerada. Contudo, o principal carregamento a ser considerado na análise estrutural das torres de transmissão de energia elétrica é produzido pelo vento, que atua de forma dinâmica sobre o sistema estrutural formado pelos cabos e pelas torres. Além disso, muitas estruturas desse tipo apresentam características dinâmicas desfavoráveis, o que as tornam mais vulneráveis a ação do vento.Tendo em vista que muitos acidentes envolvendo torres desse tipo ocorrem ainda que a velocidade de vento utilizada no projeto não tenha sido atingida, é possível que em muitos casos o colapso tenha sido governado pelas ações dinâmicas. Assim sendo, esse estudo tem por objetivo a utilização de uma metodologia de analise estrutural que possibilite uma avaliação mais completa acerca do comportamento das torres de transmissão de energia, considerando, obviamente, as características dinâmicas do sistema. Este trabalho de pesquisa utiliza um modelo de elementos finitos capaz de reproduzir com fidelidade o comportamento acoplado entre os cabos da linha de transmissão e estrutura quando submetidos aos carregamentos dinâmicos e não determinísticos produzidos pelo vento. O modelo tridimensional estudado é constituído por elementos finitos de pórtico e treliça espacial e considera o efeito de não-linearidade geométrica decorrente, principalmente, dos grandes deslocamentos sofridos pelos cabos e isoladores. O carregamento do vento é modelado como um processo aleatório a partir das suas propriedades estatísticas. Os resultados obtidos ao longo desse estudo mostram que a parcela dinâmica da resposta das estruturas pode ser determinante no seu comportamento. Nesse caso, a utilização de uma análise estrutural estática pode resultar no mau dimensionamento das torres e, conseqüentemente, em possíveis acidentes.In the current design process of steel latticed towers used to support electrical transmission lines, the structures dynamic behaviour is not considered. However, the main loading to be taken into account in the electrical transmission line towers structural analysis is produced by the wind, which acts dynamically over the structural system composed by towers and cables. In addition, its not uncommon for slender towers to present disadvantageous dynamic properties, making them vulnerable to the wind action. Considering that many accidents associated to this kind of structure occur even for wind velocities below that specified in the design process, its possible that most of these accidents have been produced by dynamic actions. Therefore, this study aims to develop a structural analysis method that allows for a more accurate evaluation of the electrical transmission towers behaviour, considering its intrinsic dynamic effects. This study proposed the use of a finite element model that can accurately simulate the coupled behaviour between the transmission line cables and the suspension structures when subjected to the dynamic random loading produced by the wind. The proposed three-dimensional model is composed by beam and truss spatial finite elements and accounts for the geometric non-linearity effects produced by the large displacements associated to the line cables and insulators. The wind loading is modelled as a random process based on its statistical properties. Results obtained throughout this study have indicated that the dynamic response can be very meaningful for the system structural behaviour. In this case, the use of a static structural analysis can lead to a non-trustable design of the towers and, consequently, to potential structural failures