Failure analysis of transmission line towers considering uncertainties

Abstract

O projeto estrutural de torres de linha de transmissão (LT) autoportantes normalmente utiliza análise elástica de primeira ordem para facilitar os cálculos na engenharia prática. Devido à produção em massa dessas estruturas, testes de protótipos são comumente realizados para validar as suposições de projeto. No entanto, o desenvolvimento de modelos estruturais não lineares robustos e confiáveis para simular o colapso progressivo pode reduzir significativamente a necessidade de testes de protótipos caros e demorados. Uma representação mais precisa da falha pode ser alcançada tratando os parâmetros do modelo mecânico como variáveis aleatórias, permitindo que o fator de carga de colapso seja descrito usando funções de densidade de probabilidade em vez de um único valor determinístico. Este estudo introduz um método de análise não linear para estruturas tridimensionais, a fim de prever a carga de colapso das torres de LT sob cargas estáticas, considerando incertezas. Na abordagem proposta, cada torre é representada usando uma combinação de elementos finitos de viga-coluna e mola. A formulação do elemento finito de viga-coluna considera seções transversais assimétricas de parede fina, como perfis cantoneira, enquanto os elementos de mola são usados para modelar o comportamento das conexões parafusadas. O modelo não determinístico é representado por até 24 variáveis aleatórias. A técnica de solução integra um método híbrido: um método implícito que emprega uma estratégia incremental-iterativa baseada no método do comprimento do arco, e um método explícito utilizando a técnica da diferença finita central. A análise emprega matrizes de rigidez linear, geométrica e de redução plástica para modelar o comportamento estrutural dentro de um referencial Lagrangeano atualizado. A não linearidade do material é tratada através de uma abordagem de plasticidade concentrada, que incorpora superfícies de escoamento e rótulas plásticas. O modelo também considera fatores adicionais, como excentricidades de conexão, tensões residuais, imperfeições iniciais nos membros de torres de LT e deslizamento nas conexões parafusadas. A validação do modelo numérico foi realizada utilizando três testes de protótipos preexistentes de torres de LT. Até oito modelos estruturais distintos foram desenvolvidos, integrando gradualmente várias complexidades de modelagem para avaliar seu impacto na simulação do colapso da torre. Os resultados mostram que as previsões numéricas coincidem com os resultados experimentais apenas quando todos os recursos de modelagem são incluídos, com os fatores de carga experimentais caindo dentro da faixa definida pela análise de incerteza. A ferramenta de análise de falha proposta é adaptável a outras aplicações de engenharia do mundo real, incluindo a avaliação de colapsos em cascata de segmentos completos de linhas de transmissão sujeitos a cargas de vento ou sísmicas.

Abstract: The structural design of self-supporting transmission line (TL) towers typically employs first-order elastic analysis to facilitate calculations in practical engineering. Due to the mass production of these structures, prototype testing is commonly conducted to validate the design assumptions. However, developing robust and reliable nonlinear structural models to simulate progressive collapse could significantly reduce the need for expensive and time-intensive prototype testing. A more accurate representation of failure can be achieved by treating the mechanical model parameters as random variables, allowing the collapse load factor to be described using probability density functions instead of a single deterministic value. This study introduces a nonlinear analysis method for three-dimensional lattice structures to predict the collapse load of TL towers under static loads while accounting for uncertainties. In the proposed approach, each tower is represented using a combination of spring and beam-column finite elements. The beam-column finite element formulation considers thin-walled asymmetric cross sections, like angle profiles, while spring elements are used to model bolted connection behavior. The nondeterministic model is represented by up to 24 random variables. The solution technique integrates a hybrid method: an implicit method that employs an incremental-iterative strategy based on the arc-length method, and an explicit method utilizing the central finite difference technique. The analysis employs linear, geometric, and plastic reduction stiffness matrices to model structural behavior within an updated Lagrangian framework. Nonlinearity of the material is handled through a lumped plasticity approach, which incorporates yield surfaces and plastic hinges. The model also considers additional factors such as connection eccentricities, residual stresses, initial imperfections in TL tower members, and slippage in bolted connections. Validation of the numerical framework was conducted using three pre-existing prototype tests of TL towers. Up to eight distinct structural models were developed, gradually integrating various modeling complexities to evaluate their impact on tower collapse simulation. The findings show that the numerical predictions align with the experimental results only when all modeling features are included, with experimental load factors falling within the range defined by the uncertainty analysis. The proposed failure analysis tool is adaptable for other real-world engineering applications, including evaluating cascading collapses of complete transmission line segments subjected to wind or seismic loads.