R - Cigré

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 ³ S nom • R adm = R nom / coef. seg.
l
Cargas Últimas (ULD): – R nom ³ S ult • S ult = S nom x coef. maj.
l
Estados Limites (LRFD): – R d ³ S d • R d = f R nom • S d = g S nom
Comparação das Metodologias
Valores Numéricos Valor de projeto Resistência nominal dos materiais ¸ coef. seg. x
f
x
g x coef. maj. Solicitações devidas a carregamentos nominais Projeto plástico Projeto Elástico
Projeto nos estados limites Projeto => ajustar a Resistência Resistência Efeito das cargas Resistência Efeito das cargas Valores Numéricos da resistência e solicitações risco de falha
Valores Numéricos da resistência e solicitações 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 • QT = f Rc Rmed Q mean • Rc QT R10% Numerical values for resistance and load effect • 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% = FR R C )
IEC 60826/91 “ Loading and Strength of Overhead Transmission Lines”
l
gU Q T < FR R C onde: ­ gU : fator de uso; ­ Q T : efeito da carga correspondente a um dado período de retorno T; ­ FR : fator de resistência (FR = FS FN FQ FC ) ­ R C : resistência característica ou nominal do componente.
l gU Q T < FR 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, gU 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 gU Q T < FR 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 Período de retorno T Confiabilidade anual Prob. falha anual Confiabilidade em 50anos Prob. em 50anos – 50 150 500 0.98 a 0.99 0.02 a 0.01 0.36 a 0.61 0.64 a 0.39 0.993 a 0.997 0.0067 a 0.0033 0.71 a 0.86 0.29 a 0.14 0.998 a 0.999 0.002 a 0.001 0.90 a 0.95 0.10 a 0.05
IMPORTANTE: Como calcular o efeito das cargas a partir do dado (usualmente, uma velocidade de vento)!!! l gU Q T < FR R C Fator de resistência aplicável ao componente a ser projetado para levar em conta:
Ñ
FN : fator relacionado ao número de componentes submetido ao máximo efeito da carga; problema de distribuição de extremos do mínimo.
Ñ
FS : fator relacionado com coordenação de resistência entre diferentes componentes;
Ñ
FQ : fator relacionado ao nível de qualidade; diferença entre o componente testado e o instalado
Ñ
FC : fator relacionado a relação entre o limite de exclusão real e o valor igual a 10%
l gU Q T < FR 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:
A partir de uma série de dados de velocidades extremas anuais: ­ médias sobre 10min com média e desvio VM ; σ V M ®
Média sobre 10min é apenas uma forma de registro da informação !!!
Correção para o período de retorno desejado: V m = V m - 0 , 45 σ V m σ V m 6 é
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1 ö ö ù
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Velocidade de Projeto: VR = K R .V M Pressão dinâmica de referência: 1 2 q 0 = ρa V R 2 ( N m 2 ) Cálculo da Força do Vento – IEC 60826: Força do Vento: L 2 F = q 0 .C a .G C . d. sen q
2 (Coeficiente de Arrasto)
(N) F C a =
2 1 / 2 r a V d l 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 !!!
(a) High Pressure Systems 100 F4 Gust Fronts Macro ­ Microbursts Wind velocity spectrum Jet Streaks 80 Potential Peak WInds m/s F3 60 F2 40 F1 20 F0 0 1000 100 10 1 Horizontal Scale km 0.1 0.01 0.001 (b) Low Pressure Systems 160 Hurricane Mesocyclone Tornado Suction Vortex 140 F5 Potential Peak Winds m/s 120 100 F4 80 F3 60 F2 40 F1 20 0 1000 F0 100 After Fujita (1981)
10 1 0.1 0.01 0.001 Horizontal Scale km SCB2­16 METEOROLOGY FOR OVERHEAD LINES SCB2­16 TF2. 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.
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. 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 FR 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%, F 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 FR 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 FR 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 FR 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 FR 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
Ações adicionais necessárias
Aferição da metodologia: – Comparação da capacidade de prever o desempenho com o desempenho observado • Por exemplo: Comentários sobre dados de Vento: • Exemplo avaliação da consistência de dados: velocidade de vento, para T= 250anos, calculada num local da fronteira, com fontes distintas.
COMPARAÇÃO DE REFERÊNCIAS CEEE/UFRGS CIRSOC Schwarzkopf e Rosso qo (daN/m2) 150,1 147,8 152,4 razão 1.00 0.98 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; ­ 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 ......
Utilização Mecân ica ­ Torres E1A, E1B, E2A e E2B Vão Gravante x Vão de Vento sob Vento Extremo ­ Condutor Rook 1100 0; 1000 385; 1000 Envoltória para 0º 500; 1000 1000 Locação Vão Gravante (m) 900 E2B E1B 800 548; 800 446; 700 0; 700 700 565; 700 580; 604 600 480; 530 500 400 E1A 300 200 E2A
100 480; 0 0 0 100 200 300 400 Vão de Vento (m) 500 580; 0 600 700 ­ 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 700 0; 647 480; 647 580; 647 Envoltória Locação
600 0; 530 480; 530 Vão Gravante (m) 580; 530 500 400 300 200 1 00 480; 0 580; 0 500 600 0 0 100 200 300 400 Vão de Vento (m) 700 ­ Recursos para auxiliar o projeto EXEMPLOS ...... 90 Frequência
Sobretensão de Manobra Ângulo de Balanço 80 71 70 60 50 40 28 30 20 16 12 9 8 2 1 1 1 23.40 2 23.00 1 19.80 19.40 19.00 18.60 18.20 17.80 17.40 17.00 16.60 16.20 15.80 15.40 15.00 14.60 14.20 13.80 13.40 13.00 0 1 22.60 5 2 22.20 5 21.80 5 21.40 6 21.00 7 20.60 7 20.20 7 10 Ângulo Balanço (b ) 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
Comentários Finais ­ Resumo ­
– 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; Sucesso nos Projetos! Muchas Gracias !!! Ruy Carlos Ramos de Menezes, Dr. techn. www.engelineas.com.br [email protected] tel.: +55 51 3337 6912