Sumário - CIGRE · Sumário – Objetivo: Discussão conceitos de confiabilidade aplicados ao...
Transcript of Sumário - CIGRE · Sumário – Objetivo: Discussão conceitos de confiabilidade aplicados ao...
Aspectos relevantes sobre conceitos de confiabilidade aplicados ao projeto de linhas
de transmissão
Ruy Carlos Ramos de Menezes UFRGS/EngeLíneas
Seminario Internacional 2005 “Confiabilidad de los Sistemas Eléctricos” Santiago Chile
Sumário –
Objetivo: Discussão conceitos de confiabilidade aplicados ao projeto eletromecânico de Linhas de Transmissão
• Metodologia de Projeto Determinística vs Probabilística
Definição do Risco Enfoque da IEC 826
Ações adicionais (aferição) Dados e recursos para Projeto
Comentários Finais
Metodologias de Projeto:
• Perspectiva histórica: Houve uma mudança gradual dos métodos de projetos:
Determinísticos > Probabilísticos ou SemiProbabilísticos (baseados em Estados Limites)
Metodologias de Projeto:
• Determinística – cargas de trabalho (working loads);
– resistidas pela resistência nominal dividida por um fator de segurança global (overall global factor of safety);
• Probabilística – Cargas são associadas a
um Período de Retorno T – resistidas pela resistência
característica multiplicada por um fator (parcial, redutor) de resistência;
Metodologias de Projeto: • Determinística
– Distintos “fatores de segurança global” foram aplicados dependendo do evento considerado (p.ex.: carregamentos normais e carregamentos excepcionais);
– não houve um procedimento de projeto “universalmente aceito” : Apenas ANSI NESC C2 e o DIN VDE 0210, tiveram uma limitada aceitação fora de seus países de origem.
• Probabilística – ou “ Estados Limites” ou ainda “ Coeficientes Parciais de Segurança”
– Estado Limite: ocorre quando a LT ou um componente falha em satisfazer qualquer requisito de desempenho especificado;
– são 2 Estados Limites: • Último (Ultimate); • Dano (Damage) ou de Utilização (serviceability)
Metodologias de Projeto:
• Estados Limites são aqueles a partir dos quais a estrutura apresenta desempenho inadequado às finalidades;
• Estados Limites Últimos: associados a ruína e a eventos extremos: são aqueles que pela sua simples ocorrência determinam a paralisação, no todo ou em parte, do uso da construção;
• Estados Limites de Utilização associados a eventos relativamente freqüentes: são aqueles que por sua ocorrência, repetição ou duração causam efeitos estruturais que não respeitam as condições especificadas para o uso normal da construção, ou que são indícios de comprometimento da durabilidade da estrutura.
Comparação das Metodologias
l Tensões Admissíveis (ASD): – R adm ≥ S nom • R adm = R nom / coef. seg.
l Cargas Últimas (ULD): – R nom ≥ S ult
• S ult = S nom x coef. maj.
l Estados Limites (LRFD): – R d ≥ S d • R d = φ R nom • S d = γ S nom
Resistência nominal dos materiais
Valores Numéricos
Solicitações devidas a
carregamentos nominais
Valor de projeto
Projeto Elástico
÷ coef. seg. x coef. maj.
Projeto plástico
x φ
x γ
Projeto nos estados limites
Comparação das Metodologias
Projeto => ajustar a Resistência
Valores Numéricos da resistência e solicitações
Efeito das cargas
Resistência
risco de falha
Valores Numéricos da resistência e solicitações
Efeito das cargas
Resistência
risco de falha
Definição do Risco
Definição do Risco
Metodologias de Projeto: • Algumas Características das Metodologias Determinísticas – componentes são projetados individualmente; – fatores de segurança são arbitrários ou baseados na “experiência”; – fatores de segurança são importados de outras normas; – não consegue avaliar riscos; – dificuldades para projeto de diferentes materiais; – dificuldades de aplicação com novas tecnologias; – dificuldades para serem ajustados a condições locais.
Metodologias de Projeto: • Probabilística
– são dois os procedimentos de projeto mais usados em projetos de LTs: • IEC 60826/91 “ Loading and Strength of Overhead Transmission Lines” , mundialmente utilizado, e
• ASCE Manual “ Guidelines for Electrical Transmission Line Structural Loading” , utilizado principalmente na América do Norte
– adotam conceitos de projetos de sistemas: a LT é considerada um sistema completo, composto de uma série de componentes (condutores, isoladores, suportes, fundações, etc.) e a falha de qualquer um componente principal ocasiona a perda de capacidade de transmissão de energia
– uma vantagem é a capacidade de projetar para um nível uniforme de confiabilidade ou, alternativamente, para uma seqüência preferencial de falha
Metodologias de Projeto: • Principal restrição às Metodologias Probabilísticas
– falta de dados suficientes. • A restrição aplicase também à metodologia determinística; • é possível “calibrar” precisamente os coeficientes parciais de
segurança, através de técnicas semiprobabilísticas, onde os modelos probabilísticos são comparados com o projeto de estruturas existentes com desempenho satisfatório. Assim, os coeficientes parciais são ajustados para alcançar critério de desempenho similar;
Processo de Projeto => ajustar a Resistência
Numerical values for resistance and load effect
Qmean
QT
Rmed
Rc
QT = φ Rc
R10%
• Q T é o efeito de carga associado a T anos.
• R C são valores considerados para a resistência de elementos.
• R 10% significa a resistência descrita por conceitos probabilísticos com um limite de exclusão de 10%. (R 10% = Φ R R C )
IEC 60826/91 “ Loading and Strength of Overhead
Transmission Lines”
l γ U Q T < Φ R R C onde:
γ U : fator de uso; Q T : efeito da carga correspondente a um dado período de retorno T; Φ R : fator de resistência (Φ R = Φ S Φ N Φ Q Φ C ) R C : resistência característica ou nominal do componente.
l γ U Q T < Φ R R C
– relação entre a condição efetiva na LT e as condições de projeto; – igual a 1,0 para o projeto de novas LTs – esta simplificação aumenta a confiabilidade – componentes não são projetados para cada local de torres; – quando levado em conta, γ U varia entre 0,83 e 1,0
– a modelagem do fator de uso é um meio de se analisar: – número conveniente de torres de suspensão; – falta de consistência entre vãos de peso, vão médio e altura de torres
l γ U Q T < Φ R R C
– efeito da carga correspondente a um dado período de retorno T; – O desejado nível de confiabilidade é alcançado tomandose um dos
três períodos de retorno especificados: 50, 150 ou 500anos – Probabilidade anual de falha > entre 1/T e 1/2T
– IMPORTANTE: Como calcular o efeito das cargas a partir do dado (usualmente, uma velocidade de vento)!!!
Período de retorno T 50 150 500 Confiabilidade anual 0.98 a 0.99 0.993 a 0.997 0.998 a 0.999 Prob. falha anual 0.02 a 0.01 0.0067 a 0.0033 0.002 a 0.001 Confiabilidade em 50anos 0.36 a 0.61 0.71 a 0.86 0.90 a 0.95 Prob. em 50anos 0.64 a 0.39 0.29 a 0.14 0.10 a 0.05
l γ U Q T < Φ R R C Fator de resistência aplicável ao componente a ser projetado para levar em conta:
Ñ Φ N : fator relacionado ao número de componentes submetido ao máximo efeito da carga; problema de distribuição de extremos do mínimo.
Ñ Φ S : fator relacionado com coordenação de resistência entre diferentes componentes;
Ñ Φ Q : fator relacionado ao nível de qualidade; diferença entre o componente testado e o instalado
Ñ Φ C : fator relacionado a relação entre o limite de exclusão real e o valor igual a 10%
l γ U Q T < Φ R R C – Resistência Característica, também chamada de nominal ou garantida
– Obtida em testes ou especificada em normas
Comentários sobre a metodologia IEC
GERAIS
• procedimentos consistentes RBD (fundamentado em confiabilidade);
• moderna: permite projetar para uma confiabilidade alvo; trata a LT como um sistema, com resistências coordenadas;
• apresentação clara. Suportada com farta literatura; • deve ser usada com Banco de Dados, de cargas e resistências, de qualidade;
• estimula a aferição de modelos. • estimula a procura por informações atualizadas;
Comentários sobre a metodologia IEC
Sobre o cálculo de Q T (caso de vento)
• Cálculo da velocidade de projeto; – correção para a mesma referência de tempo do registro e para o mesma referência de terreno (10min, rugosidade B, a 10m);
– correção para o período de retorno T • Cálculo da pressão de vento sobre componente;
– correção: correlação espacial das pressões (efeito de dimensão, altura sobre o terreno, rugosidade);
– incorporação da “admitância” aerodinâmica Importante: • Bons resultados para tormentas EPS; • Confiabilidade depende também da qualidade dos dados
A transformação de ‘velocidade de vento’ em ‘carga de vento’ ainda é fonte de muita
incerteza!!!
Cálculo da Força do Vento – IEC 60826:
− − − + − =
T 1 1 ln ln
6 σ σ 45 , 0 V V m
m
V V m m π
) m N ( V 2 1 q 2 2
R 0 a ρ =
Velocidade de Projeto:
Correção para o período de retorno desejado:
M R R .V K V =
Pressão dinâmica de referência:
A partir de uma série de dados de velocidades extremas anuais: médias sobre 10min
com média e desvio M V M σ ; V
→ Média sobre 10min é apenas uma forma de registro da informação !!!
Cálculo da Força do Vento – IEC 60826:
Força do Vento: (N) sen 2 L d. . .G .C q F 2
C a 0 θ =
l d V F C a
a 2 2 / 1 ρ = (Coeficiente de Arrasto)
Cálculo da Força do Vento – IEC 60826:
G C : Valores sugeridos pela IEC, variam com o vão, altura sobre o solo e rugosidade do terreno.
P.ex.: rugosidade A
Muito importante: valores de Gc estabelecidos para tormentas do tipo EPS
Cálculo da Força do Vento – IEC 60826:
G C depende de:
espectro do vento; como é correlação vertical (altura cabo); como é correlação horizontal (no vão); freqüências naturais da estrutura (cabo, torre)
e isso não é igual para qualquer tipo de tormenta !!!
SCB216 METEOROLOGY FOR OVERHEAD LINES SCB216 TF2.
Wind velocity spectrum
(b) Low Pressure Systems
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000
Horizontal Scale km
Potential Peak Winds m
/s
Hurricane Mesocyclone Tornado Suction Vortex
F0
F1
F2
F3
F4
F5
(a) High Pressure Systems
0
20
40
60
80
100
0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 Horizontal Scale km
Potential Peak WInds m
/s
Gust Fronts
F0
Macro Microbursts
F1
F2
F3
F4
Jet Streaks
After Fujita (1981)
Extratropical / Winter Storms
qGenerate from convergence of polar and subtropical air flows qCause of significant damage to overhead lines in France, UK, Netherlands and New Zealand
SCB216 METEOROLOGY FOR OVERHEAD LINES SCB216 TF2.
SCB216 METEOROLOGY FOR OVERHEAD LINES SCB216 TF2.
Subtropical Thunderstorms qGenerate from frontal systems qComplex wind structure qMajor cause of line failures in subtropical regions
SCB216 METEOROLOGY FOR OVERHEAD LINES SCB216 TF2.
SCB216 METEOROLOGY FOR OVERHEAD LINES SCB216 TF2.
SCB216 METEOROLOGY FOR OVERHEAD LINES SCB216 TF2.
Mature Supercell
SCB216 METEOROLOGY FOR OVERHEAD LINES SCB216 TF2.
Mature Supercell
SCB216 METEOROLOGY FOR OVERHEAD LINES SCB216 TF2.
Principais constatações com as TS:
diferente tipo de tormenta !!! diferente correlação vertical (altura cabo); diferente correlação horizontal (no vão); excita estruturas em diferentes freqüências
> comprimento da LT tornase mais importante
Alternativas :
→ Coletar dados que caracterizem o evento (calcular espectro, correlações espaciais, temporais, etc.) calcular um Gc;
→ Realizar simulações em túnel de vento;
→ Simular numericamente
• Alternativas para (indiretamente) considerar ventos de alta intensidade:
– Velocidade vento alta intensidade • na estrutura = 20% superior; • nos cabos = 50% da velocidade considerada para a estrutura; • não considerar correções: com a altura, com rugosidade e com a dimensão do vão.
Comentários sobre a metodologia IEC
Sobre o cálculo de Φ R R C (caso torres) • Tema bastante consolidado. • Brasil tem importante trabalho sobre assunto;
– Bienal CIGRÉ 90: Riera, J.D., Ramos de Menezes, R.C., da Silva, V.R., Ferreira da Silva, J.B.G., “Evaluation of the probability distribution of the strength of transmission line steel towers based on tower test results”
– Com base em 111 resultados de ensaios de protótipos, concluiuse que a resistência da torre é modelada por uma distribuição lognormal, com média igual a 104,6 % e devio padrão de 8,51%;
– para se obter limite de exclusão de 10%, Φ R = 0,93 • É necessário, atualizar sempre essa informação; • Importante: compatibilizar interpretação sobre ensaios de protótipos: há propostas Brasileiras sobre assunto.
Comentários sobre a metodologia IEC
Sobre o cálculo de Φ R R C (caso fundações) • Lembrete: coordenação de resistência: no caso de falha, probabilidade da falha ocorrer na torre é 90%
• Importantes progressos última década (CIGRÉSC22/WG07). • Exemplos:
– Overview of the State of Practice for the Design of OHV Foundations, Draft de um “ELECTRA technical brochure”, elaborado por: Mr. A.Herman (Bélgica); Dr. M.Leva (Itália); Mr. N.D.Sabri (Suiça); Mr. N.R.Cuer (Inglaterra); Dr. A.M.DiGioia (EUA), documento CIGRE 2299(WG08/WG07)36;
– Probabilistic Design of Transmission Line Structure Foundations, Draft de um “ELECTRA report”, elaborado por: Dr. A.Haldar (Canada); Dr. A.M.DiGioia (EUA); Dr. M.B.Buckley (Irlanda), documento CIGRE 2299(WG08/TF4)35;
– A Comparison of various Methods for Predicting the response of Drilled Shafts Subjeted to High Overturning Moments, ELECTRA 149, August 1993, elaborado por: Prof.Dr. E.Dembicki (Polônia); Dr. JL.Lapeyere (França); Dr. A.M.DiGioia (EUA);
Sobre o cálculo de Φ R R C (caso fundações) Resultados para Capacidade de sapatas, ao arrancamento: • avaliação de m = capacidade definida pelo ensaio / capacidade prevista pelo método
Sobre o cálculo de Φ R R C (caso fundações) Resultados para Capacidade de tubulões, ao tombamento: • avaliação de m = capacidade definida pelo ensaio / capacidade prevista pelo método
Sobre o cálculo de Φ R R C (caso fundações)
.... Conclusões:
• Caso da capacidade de sapatas, ao arrancamento: – 0,90 Q T < 0,93 x 0,98 x 1,0 x 1,3138 U f30
Q T < 1,33044 U f30 (para a distribuição normal) ou Q T < 1,30593 U f30 (para a distribuição de Student)
U f30 = capacidade pelo método do cone clássico, assumindo ângulos de cone iguais a 30º
• Caso da capacidade de tubulões, ao tombamento: – Q T < 0,46 Capacidade avaliada pelo método MFAD (Moment Foundation Analysis and Design, EPRI 1991)
– Q T < 0,57 Capacidade avaliada pelo método Hansen
Ações adicionais necessárias
A confiabilidade também depende de ...
• hipóteses de carga convenientemente concebidas, que cubram condições reais e possíveis;
• avaliação precisa das cargas transmitidas pelos cabos, compatíveis com as condições (Ag e Am são modelos);
• cálculo mecânico de cabos que traduza o real comportamento dos cabos (não linearidades, condições iniciais, finais após creep e após carga severa, etc.);
• plotação das estruturas respeitando premissas; • detalhamento compatível com a concepção do projeto; • manutenção da filosofia em todas as fases da Obra: planejamento, projeto, construção, manutenção, etc.
IMPORTANTE: aferir continuamente a metodologia
Aferição da metodologia: – Comparação da capacidade de prever o desempenho com o desempenho observado
• Por exemplo:
Ações adicionais necessárias
Comentários sobre dados de Vento:
COMPARAÇÃO DE REFERÊNCIAS qo (daN/m2) razão
CEEE/UFRGS 150,1 1.00 CIRSOC 147,8 0.98 Schwarzkopf e Rosso 152,4 1.02
• CIRSOC Proyecto 1 de Norma IRAM 11 700 Parte I Acción del Viento sobre las Construcciones, Argentina, 1978;
• Schwarzkopf, M.L.A. y Rosso, L.C., Riesgo de tornados y corrientes descendentes en la Argentina CIRSOC Report Centro de Investigación de los Reglamentos Nacionales de Seguridad para las Obras Civiles, Argentina, 1993;
• Exemplo avaliação da consistência de dados: velocidade de vento, para T= 250anos, calculada num local da fronteira, com fontes distintas.
Recursos para auxiliar o projeto
Importante: Há excelentes recursos computacionais CAD, que são ferramentas. Há SEMPRE a necessidade de muita experiência, interpretação, interação, etc., do Projetista.
EXEMPLOS • Terreno finamente detalhado através de pontos XYZ diretamente obtidos do levantamento topográfico;
• Obstáculos podem ser levantados/considerados de forma a terem distâncias de segurança calculadas de forma específica;
• Cálculos podem ser realizados para inúmeras condições de temperatura, vento;
• Realizar cálculo das condições de cabos para condições iniciais, após o creep e após cargas severas;
• plotar estruturas automaticamente; • executar algorítmos para otimizar a locação
Recursos para auxiliar o projeto
EXEMPLOS ......
• considerar diagramas de interação (ag x am) na capacidade da estrutura, para a otimização;
• calcular distâncias elétricas de segurança a quaisquer obstáculos, em 3D, para cada estrutura, em qualquer condição;
• montar árvores de carregamento e realizar análise estrutural completa;
• conferir e controlar o projeto a qualquer hora; • gerar relatórios e documentação de projeto
Recursos para auxiliar o projeto
EXEMPLOS ......
Uti l ização Mecânica Torres E1A, E1B, E2A e E2B Vão Gravante x Vão de Vento sob Vento Extremo Condutor Rook
500; 1000
548; 800
565; 700
580; 604
580; 0
446; 700 0; 700
480; 530
480; 0
385; 1000 0; 1000
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
0 100 200 300 400 500 600 700
Vão de Vento (m)
Vão
Gravante (m
)
Envoltória para 0º
Locação
E1A
E1B E2B
E2A
Recursos para auxiliar o projeto
EXEMPLOS ......
Utilização Mecânica Torres E1A, E1B, E2A e E2B Vão Gravante x Vão de Vento sob Temperatura Mínima Condutor Rook
0; 530 480; 530
480; 0
480; 647 0; 647
580; 0
580; 530
580; 647
0
1 00
200
300
400
500
600
700
0 100 200 300 400 500 600 700
Vão de Vento (m)
Vão
Gravante (m
)
Envoltória
Locação
Recursos para auxiliar o projeto
EXEMPLOS ......
Sobretensão de Manobra Ângulo de Balanço
2
7 7 7
12 16
71
28
9 6 5 5
8 5
1 1 2 2 1 1 1 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
13.00
13.40
13.80
14.20
14.60
15.00
15.40
15.80
16.20
16.60
17.00
17.40
17.80
18.20
18.60
19.00
19.40
19.80
20.20
20.60
21.00
21.40
21.80
22.20
22.60
23.00
23.40
Ângulo Balanço (β )
Freq
uênc
ia
Outros temas em pauta: Solicitações e Resistências função do tempo
Outros temas em pauta: Solicitações e Resistências função do tempo
Outros temas em pauta: Solicitações e Resistências para Estados Limites de Utilização
– há conhecimento/técnica para satisfatoriamente para elaborar projetos baseado em confibilidade; é necessário viabilizar prazos para os trabalhos da Engenharia;
– a IEC 826 se constitui numa metodologia consistente; – há uma deficiência nos carregamentos oriundos de “Tormentas TS”;
– há disponibilidade de excelentes recursos computacionais CAD que devem sempre servir como “ferramentas”;
– esforços adicionais para se estabelecer o nível de confiabilidade ótimo, de acordo com o contexto.
Comentários Finais Resumo
– Aspectos Ambientais.... – Exigências necessárias;; – é necessário “estabilizar” alguns critérios;; – Abordagem é, em geral, satisfatória: multidisciplinar;
Comentários Finais Resumo
Sucesso nos Projetos!
Muchas Gracias !!!
Ruy Carlos Ramos de Menezes, Dr. techn. www.engelineas.com.br
[email protected] tel.: +55 51 3337 6912