Otimização dimensional, geométrica e topológica de torres de linhas de transmissão do tipo delta

Abstract

As torres de linhas de transmissão são estruturas treliçadas de elevado custo de implantação, construídas em larga escala e fundamentais no presente cenário de expansão do sistema elétrico brasileiro. Em razão disso, o aperfeiçoamento de técnicas voltadas ao projeto dessas estruturas, incluindo o contexto da otimização, torna-se potencialmente vantajoso. Para tanto, são aprofundados nesse trabalho aspectos relevantes ao estudo da otimização meta-heurística e ao projeto de torres do tipo delta. Essas torres são muito empregadas para se obter uma configuração horizontal dos cabos condutores, porém ainda existem poucas referências que abordem esse padrão construtivo. Com uso do software MATLAB, implementa-se a otimização de modelos de torres tipo delta, sendo estruturada uma análise linear-elástica a partir do método dos elementos finitos com elementos de pórtico espacial. Por se tratar de um problema de maior complexidade, os algoritmos meta-heurísticos Backtracking Search Algorithm, Differential Search Algorithm e Enhanced Colliding Bodies Optimization foram selecionados para a determinação de variáveis de projeto dimensionais, geométricas e topológicas. A otimização completa de uma família de quatro torres, no primeiro exemplo, foi capaz de reduzir em 14,1% a massa total das estruturas em relação a massa obtida pelo resultado da otimização meramente dimensional. No segundo exemplo, com uma família de oito torres, esse percentual foi de 10,0%. Foram consideradas múltiplas restrições de projeto no problema, assim como também foi contemplado o dimensionamento das ligações parafusadas. A influência do tipo de análise no resultado obtido para os dois exemplos foi verificada pela comparação da resposta linear com a não linear geométrica. Nos elementos mais solicitados essa análise não linear gerou um aumento máximo de 5,1% nos esforços. Esse trabalho está inserido no projeto de pesquisa e desenvolvimento P&D 6491-0311/2013 ?Desenvolvimento de metodologia de projeto de torres de transmissão baseada em otimização? fomentado pela Copel Geração e Transmissão S.A. em parceria com a Universidade Federal de Santa Catarina.

Abstract: Transmission line towers are expensive latticed structures, built on large scale, that are essential in the present expansion scenario of the Brazilian eletrical system. So the development of design techniques for this structures including optimization strategies becomes potentially advantageous. Therefore metaheuristic optimization and design considerations of delta towers are studied in this work. These towers are widely used to obtain a horizontal configuration of the conductor cables, but there are still not many references of this construction pattern. By using MATLAB software, the optimization of delta tower models is implemented. A linear-elastic analysis based on finite element method is applied considering spatial frame elements. Due to the problem complexity, the metaheuristics Backtracking Search Algorithm, Differential Search Algorithm and Enhanced Colliding Bodies Optimization were used to determinate dimensional, geometrical and topological design variables. The complete optimization of a family of four towers, in the first example, was able to reduce in 14.1 % the total mass of the structures in relation to the mass simply obtained by the dimensional optimization. In the second example, with a family of eight towers, 10.0 % was reached. Multiple design constraints were considered as well as the dimensioning of the bolted connections. The analysis influence on the final result was verified for both examples by comparing the linear and geometric nonlinear responses. A maximum increase of 5.1% in efforts was generated with this nonlinear analysis. This work is inserted in the Research and development project R&D 6491-0311/2013 ?Development of an optimization based approach for transmission line towers structural design? funded by Copel Geração e Transmissão S.A. in partnership with the Federal University of Santa Catarina.