Evaluarea stării structurilor metalice existente, construite cu decenii în urmă, este o sarcină frecventă în practica de proiectare – mai ales atunci când documentația tehnică originală este incompletă sau starea structurii s-a modificat de-a lungul timpului. O astfel de evaluare a constat în verificarea structurală a mai multor tipuri de stâlpi de linii electrice aeriene de înaltă tensiune, folosind Consteel. Documentația tehnică originală a stâlpilor prezentați aici datează din jurul anului 1968, în timp ce evaluarea propriu-zisă a fost realizată în conformitate cu prevederile standardelor actuale.

Cele două tipuri de stâlpi prezentate au dat rezultate diferite: stâlpul PIC 400 a trecut toate verificările, în timp ce stâlpul PAS 400101 a necesitat consolidare – acest din urmă caz este prezentat detaliat mai jos.

CADRUL NORMATIV ȘI METODOLOGIA

Verificarea structurală a fost efectuată pe un model spațial (3D) cu elemente finite, sarcinile fiind determinate pe baza deschiderilor reale, în conformitate cu SR EN 50341-1:2013 [1] și SR EN 50341-2-24:2019 [2], standardele care reglementează liniile electrice aeriene cu tensiune alternativă mai mare de 1 kV. Nivelul de fiabilitate aplicabil stâlpilor este Nivelul 1 (perioadă de revenire de 50 de ani), cu un coeficient parțial de siguranță pentru sarcina maximă din vânt de γW = 1,0.

Evaluarea a acoperit următoarele ipoteze de calcul prevăzute de standardul aplicabil: N1, N2a, N2b, N3, N4a, N4b, precum și ipotezele de avarie A1 și A2. Cele mai defavorabile combinații sunt, în general, acțiunea combinată a vântului și a chiciurii perpendiculare pe conductor (N2a, N2b), respectiv acțiunea simultană a vântului nominal și a chiciurii extreme în condiții de avarie conductor (A1), în special pentru stâlpii de susținere și de întindere amplasați în punctele de unghi. Fiecare stâlp examinat a fost verificat atât la rezistență, cât și la stabilitate globală, utilizând combinațiile determinante pentru tipul de stâlp respectiv. Gradele de solicitare au fost determinate în conformitate cu standardul, verificarea stabilității fiind efectuată prin Metoda generală [3], care evaluează automat rezistența structurii la pierderea stabilității, fără a fi necesară introducerea manuală a lungimilor de flambaj – o simplificare semnificativă față de metodele analitice tradiționale. (Pentru un exemplu simplu care ilustrează diferența dintre cele două metode, vedeți acest link)

INTRODUCEREA GEOMETRIEI REALE ÎN MODEL

Un element esențial al evaluării este faptul că, în calcul, nu s-a folosit geometria din documentația tehnică originală, ci starea reală, actuală a structurii. Ridicarea topografică pe teren a fost realizată prin tehnologie de scanare laser, ceea ce a permis o analiză bazată pe nor de puncte; pe baza acesteia au fost identificate tipurile de stâlpi (distanțele dintre picioare și conductoare, dimensiunile elementelor structurale principale). Construirea modelului de calcul în Consteel este rapidă și simplă, iar dacă structura a fost modelată și în Tekla, modelul poate fi transferat cu ușurință în Consteel, evitând astfel construirea geometriei de două ori.

Determinarea abaterii verticale (înclinării) elementelor structurale a fost realizată ca etapă separată: modelul de calcul și norul de puncte au fost comparate în Tekla Structures, iar abaterile rezultate au fost introduse în modelul final din Consteel ca imperfecțiuni globale. Întrucât standardul nu stabilește limite pentru săgeată sau înclinare, verticalitatea fiecărui stâlp a fost evaluată individual, folosind aceeași Metodă generală, care evaluează automat pierderea stabilității fără a necesita introducerea lungimilor de flambaj.

Ridicarea topografică a inclus și verificarea grosimii de perete a elementelor structurale: deși stratul de protecție anticorozivă a prezentat o uzură semnificativă, nu a fost identificată o reducere efectivă a secțiunii transversale.

TIPURI DE STÂLPI EXAMINATE

Pe baza examinării vizuale, au fost selectate pentru evaluare detaliată trei dintre cele mai frecvente tipuri de stâlpi, cu cele mai mari deschideri/sarcini. Două dintre acestea sunt prezentate mai jos; a fost verificat și un al treilea tip, SAC 400107, ale cărui rezultate nu sunt detaliate în cadrul acestui articol.

Stâlpul PAS 400101 — necesită consolidare

Stâlpul PAS 400101 este unul dintre cele mai răspândite tipuri de stâlpi de susținere din rețea; cadrul său principal portant este alcătuit din picioare cu profil L70×7 și elementele de contravântuire transversală. Conductoarele sunt prinse de consolă, la punctele de racordare a izolatoarelor — de aceea această zonă a fost analizată cu atenție deosebită în cadrul evaluării.

Ipoteze de calcul și evaluarea lor

În ipoteza de calcul N1, toate elementele structurale au rămas în limita admisă, cel mai mare grad de solicitare (96,9%) fiind obținut la picioarele principale. La ipoteza N2a, s-a obținut deja un grad de solicitare de 108,8% în partea superioară a consolei, la punctul de racordare a izolatorului, în timp ce elementele structurale principale au rămas sub 80%, așadar consola a necesitat consolidare locală.

Situația cea mai critică a fost dată de ipoteza A1 (avarie conductor): a fost modelată ruperea conductorului superior din partea dreaptă, iar gradul de solicitare maxim a atins 168,4%, la talpa inferioară a consolei. Suprasolicitarea din acest punct a rezultat din faptul că, în acel loc, profilul a fost supus unui efort perpendicular pe axa sa principală de inerție, ceea ce a condus la pierderea stabilității. Acesta nu a fost singurul punct în care s-a depășit 100%: valori peste 100% au fost obținute și în alte cinci puncte din zona consolei, ceea ce indică faptul că problema nu provine dintr-o singură slăbiciune locală, ci dintr-o configurație necorespunzătoare a barelor consolei în ansamblu. În același timp, picioarele principale au funcționat pe tot parcursul cu un grad de solicitare sub 60%.

VERIFICAREA VERTICALITĂȚII

Compararea norului de puncte cu geometria ideală a arătat o abatere orizontală de aproximativ 50 mm, care a fost introdusă în model ca imperfecțiune; în urma reanalizei, gradul de solicitare maxim a atins 96,9%, confirmând faptul că structura a îndeplinit cerințele de stabilitate.

PROPUNERE DE CONSOLIDARE

Această soluție asigură capacitatea portantă corespunzătoare a zonei consolei și elimină suprasolicitările identificate.

Stâlpul PIC 400, corespunzător din punct de vedere structural

Configurația structurală a stâlpului PIC 400 prin picioarele principale și contravântuirile diagonale asigură o rigiditate sporită atât pentru sarcinile transversale, cât și pentru cele longitudinale. La ipoteza N2a, gradul de solicitare maxim a fost de 91,7%, în apropierea vârfului stâlpului; la ipoteza A1 (avarie conductor), acesta a fost de 85,2%, la talpa inferioară a elementului transversal. Compararea norului de puncte cu geometria ideală a arătat, la vârful stâlpului, o abatere orizontală de aproximativ 140 mm; după introducerea acesteia în model ca imperfecțiune, gradul de solicitare din zona afectată a crescut ușor, la 80,5–82,5%. Deformația este semnificativă ca amploare, însă, pe baza verificării de stabilitate, structura poate fi exploatată în siguranță, iar abaterea nu conduce la o stare critică.

CONCLUZII

Evaluarea ilustrează clar modul în care o structură metalică existentă, proiectată cu decenii în urmă, poate fi verificată în raport cu cerințele standardelor actuale, ținând cont de starea geometrică reală, ridicată prin scanare laser. Stâlpul PIC 400 a satisfăcut toate ipotezele de calcul examinate; în cazul stâlpului PAS 400101, în schimb, a fost identificată o problemă structurală clară o configurație necorespunzătoare a barelor din zona consolei, pentru care a fost elaborată și o propunere de consolidare țintită.

REFERINȚE

[1] SR EN 50341-1:2013 – Overhead electrical lines exceeding AC 1 kV – Part 1: General requirements – Common specifications

[2] SR EN 50341-2-24:2019 – Overhead electrical lines exceeding AC 1 kV – Part 2-24: National Normative Aspects (NNA) for Romania

[3] EN 1993-1-1:2006 – Eurocode 3: Design of steel structures – Part 1-1: General rules and rules for buildings 6.3.4

This time, we will take a look at the pioneering technologies used and developed by one of our customers, as well as the implementation in Consteel software for the structural design process, which has allowed them to evaluate and design to the significant loads that a solar panel support structure can be subjected to. The benefits of using Consteel in terms of workflow and productivity will also be demonstrated.

Array Technologies (STI Norland) is a company founded in Spain dedicated to the construction and implementation of photovoltaic utilization projects, including both tracking systems and fixed systems. In 2002, it built the world’s first solar tracking plant in Navarra.

PROJECT DESCRIPTION

Located in Alfajarín, in the province of Zaragoza, the project involves the construction of a field of horizontal-axis photovoltaic solar trackers. It consists of two torsion beams that support the modules. This beam allows rotation through a transverse mechanism that moves the modules in an east-west direction, following the sun’s trajectory.

The oscillatory movement of the solar modules is calculated using an astronomical calculation algorithm, which also takes into account potential shading between adjacent rows of modules, thus avoiding it and increasing energy production by up to 5%.

The project is situated at an altitude of about 380 meters and consists of 29 photovoltaic modules per row. Each module weighs 32.3 kg, so each line must support a total of nearly 950 kg, distributed along it. This weight only accounts for the equipment load, not considering the significant wind pressures generated over a surface area of approximately 2.5 m² per photovoltaic module, which can amount to a little over 74 m² of surface area of photovoltaic panels per row.

CONSIDERATIONS

The analysis was primarily focused on the effect of wind loads due to their significance compared to other loads. Initially, since the structure is relatively light, it is not susceptible to the inertial effects caused by earthquakes. Snow loads were not analyzed because the tracker is designed to operate with a stable snow layer of approximately 10 cm thickness. Additionally, the oscillatory movement prevents the accumulation of a thicker snow layer. The tracker also has a snow sensor that constantly measures the snow thickness; when it reaches 8 cm, the tracker moves into a snow safety position, angling itself at 45 degrees to help shed the accumulated snow.

Since the constructed project consists of photovoltaic trackers, different positions of the trackers throughout the day must be considered. Additionally, different rows of modules will be affected depending on their arrangement in the plant.

As presented, three groups of trackers can be identified based on their level of wind exposure: internal trackers (Seguidor Interior), which will have a lower degree of exposure; trackers on the interior but at the edge (Seguidor Interior de Borde), which will have an intermediate degree of exposure; and external trackers (Seguidor Exterior), which have a higher degree of exposure.

Finally, by considering the permutations between the different types of trackers, their positions throughout the day, and the wind direction, we have the following possible cases to evaluate.

The case when the wind is from “behind” is not considered because the tracker is equipped with an anemometer. When wind speeds exceed 60 km/h, which is the design speed, the tracker enters in a position to face the wind. In this position, the structure experiences significantly less stress, whereas “behind” wind at these speeds can lead to various types of aerodynamic instabilities, which would compromise the integrity of the modules.

Given the sensitivity of the possible results, the cases can be reduced to only those highlighted in red, which represent the frontwise wind scenarios. Ultimately, the design is governed by the most exposed trackers, so the design case would be the frontwise wind, specifically for the external trackers.

MODELING IN CONSTEEL

At Array Technologies (STI Norland), there are technical sheets containing all the specific dimensions of these structures. Using Descript, the internal scriping language of Consteel these sheets were the inputs to read and generate an initial geometry in the software, which speeds up the workflow in the modeling phase.

The algorithm developed by Array Technologies (STI Norland) in Consteel allows for the introduction of the corresponding loads onto the model. These loads are applied to the panels and consider the following aspects:

• Wind pressure on the panels, calculated using coefficients obtained from wind tunnel tests.
• Self-weight of the panels as specified by the manufacturer, including an additional amount to cover the weight of the cabling for panel installation.
• Self-weight of the structural elements.

The model includes the support structure where the photovoltaic modules are anchored, the torsion beam that holds all the panels, and the columns that connect these to the ground. Additionally, the model also includes the transverse mechanism that rotates the torsion beams to allow the panels to follow the sun’s trajectory.

THE VIRTUES OF CONSTEEL

Among the most important virtues that Array Technologies (STI Norland) has highlighted in Consteel is its finite element modeling with 7 degrees of freedom. This capability allows for the consideration of stresses generated by warping in open profiles, which is crucial for structures susceptible to torsional and warping effects.

Another important aspect to mention is Consteel’s advanced handling of eccentricities between bars. This feature allows for accurate consideration of the influence and transmission of loads and deformations, not only recognizing the center of gravity of the profile but also the center of shear forces in open profiles. This capability enables Consteel to accurately reproduce the global behavior of the structure.

Additionally, Consteel allows for the determination of the global buckling modes of the structure (considering the 7 degrees of freedom) to accurately assess the buckling lengths for both flexure and torsion, even in elements with partial restraints, such as top-fixed purlins.

Perhaps one of the most powerful features of the program is its detailed analysis of cold-formed sections or Class 4 profiles. Consteel allows users to define any geometry using a special interface, and the software automatically calculates all the effective properties of the profile for each load combination and along the length of the bar, as these properties depend on the stress configuration in the section.

The software also stands out for its ease of use compared to other tools in the same field, and the high-quality graphical views provided during modeling. This feature allows users to get a clearer idea of the actual arrangement and the final result of the design. The importance of 3D modeling is emphasized, as it is the initial input for an analysis and modeling program, helping to ensure that the design is accurately represented and understood.