Otimização estrutural de uma torre de linha de transmissão de energia elétrica

Abstract

O projeto estrutural de torres de linhas de transmissão engloba vários aspectos, que exigem do projetista atenção especial. A segurança destas torres, geralmente estruturadas em aço, passa pelo seu correto dimensionamento, considerando cargas e combinações de ações adequadas. Como parte integrante e essencial de um sistema de distribuição de energia elétrica, a redução de custos na produção de cada torre, aliada à sua segurança e baixa necessidade de manutenção, pode levar a ganhos consideráveis de recursos, minimizando perdas. Portanto, o trabalho investiga a otimização estrutural de uma dessas torres, sob diversos aspectos e abordagens, visando economia e segurança. O objetivo é desenvolver uma metodologia para a incorporação das técnicas de otimização ao projeto estrutural de torres de linhas de transmissão. São apresentados estudos empregando os algoritmos: Differential Evolution (DE), Particle Swarm Optimization (PSO), Quantum Particle Swarm Optimization (QPSO) e Generalized Normal Distribution Optimization (GNDO). Neste trabalho, os esforços e deslocamentos são determinados por análise linear estática, utilizando elementos de pórtico espacial, e as condições de segurança são avaliadas com base nos requisitos normativos. Assim sendo, o algoritmo que teve melhor desempenho foi o GNDO, gerando uma solução ótima com 9,778 toneladas, que respeita todos os critérios de projeto e restrições adotados. Além disto, evidenciou-se que a escolha adequada da velocidade básica do vento é crítica para o peso final da torre, sendo que pequenas alterações nesta variável geram impactos significativos na solução ótima. Porém, considerar direções de vento além de 0°, 45° e 90° não traz grande melhoria na solução ótima do projeto estudado. Por fim, mostrou-se que, para a torre analisada, não é necessário adotar um número excessivo de variáveis de projeto, deste que estas sejam definidas adequadamente, e não de forma arbitrária.

The design of electric power transmission line towers includes several technical and practical aspects, which require special attention from the engineer. The safety of these towers, which are usually designed as metallic structures, depends on their correct design, as well as appropriate consideration of load cases and combinations. As an integral and essential part of a distribution system, cost savings combined with safety and low maintenance requirements in each tower unit can lead to considerable gains in precious resources, minimizing losses. Therefore, the work investigates the structural optimization of these towers, under different aspects and approaches, aiming at economy and safety of the structure. The objective is to develop a methodology for the incorporation of optimization techniques to the structural design of transmission line towers. Studies using the following algorithms are presented: Differential Evolution (DE), Particle Swarm Optimization (PSO), Quantum Particle Swarm Optimization (QPSO) and Generalized Normal Distribution Optimization (GNDO). In this work, internal forces and displacements are determined by linear static analysis, and safety conditions are evaluated based on regulatory requirements. Thus, the algorithm that had the best performance was GNDO, generating an optimal solution with 9,778 tons, which respects all the design criteria and restrictions adopted. In addition, it was evidenced that the adequate choice of basic wind speed is critical for the final weight of the tower, and small changes in this variable generate significant impacts on the optimal solution. However, considering wind directions beyond 0°, 45° and 90° does not generate a great improvement in the optimal solution of the studied project. Finally, it was shown that, for this project, it is not necessary to adopt a high number of design variables, as long as they are modeled properly, and not arbitrarily and without criteria.