Orientador: Gilberto Pechoto de Melo / Resumo: Monitorar a integridade de estruturas, sejam elas, máquinas ou equipamentos mecânicos, consiste em um ramo de estudo que está se firmando. As técnicas que englobam esse monitoramento fazem uso da combinação de sensores e rotinas computacionais para pode extrair os dados necessários da maneira que o operador/analista desejar. Uma das áreas carentes desse tipo de análise/controle é a de distribuição de energia. Todos os anos são noticiados casos envolvendo acidentes envolvendo torres de transmissão que vêm ao chão por, não um, mas vários fatores. Em meio as técnicas de monitoramento, a dos observadores de estado é a que se destaca mais. Contudo, apesar do destaque, a técnica dos observadores de estado possui restrições que motivam novas abordagens. Outro método numérico utilizado amplamente na área de análises em engenharia é o Método dos Elementos Finitos. Este conhecido método, que já possui base mais sólida de desenvolvimento, atualmente faz uso de softwares para a realização dos cálculos de análise estática e/ou dinâmica. O presente trabalho, em conjunto com os observadores de estado e o método dos elementos finitos, mostra uma abordagem, ainda que simples, de uma área pouco explorada com o método – a de detecção e localização de falhas em torres de transmissão via observadores de estados aliado ao método dos elementos finitos. / Mestre

Orientador: Sérgio Kurokawa / Resumo: Este trabalho apresenta uma proposta de modelagem de torres de transmissão convencionais e gigantes diretamente no domínio do tempo cujas admitâncias dessas torres são representadas por elementos discretos de circuito. A partir dessa representação, pode-se cálcular as tensões provocadas por descargas atmosféricas incidentes no topo de cada torre de transmissão. Nessa proposta, as tensões produzidas nas estruturas de cada torre de transmissão são obtidas diretamente no domínio do tempo com a utilização de programas convencionais de análise eletromagnética, evitando-se assim transformações inversas Laplace ou Fourier. Essa modelagem consiste inicialmente em calcular a admitância de qualquer torre de transmissão, no domínio da frequência, empregando o Método dos Momentos (MoM), levando em consideração os aspectos geométricos das torres, as resistividades do solo e o sistema de aterramento. Uma vez obtidas as admitâncias das torres de transmissão convencionais e gigantes, essas curvas são representadas por funções racionais obtidas pela técnica do Vector Fitting e em seguida, um circuito elétrico discreto equivalente é sintetizado para gerar a respectiva admitância calculada numericamente. Uma vez sintetizado, esses circuitos serão analisados em softwares de simulação de transitórios eletromagnéticos e as tensões induzidas em cada torre são estimadas. Nessa proposta, são consideradas a inclusão das treliças das torres, do sistema de aterramentos em distintas resistividades do sol... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This work presents a proposal for modeling conventional and giant transmission towers directly in the time domain whose admittances of these structures are represented by lumped circuit elements. From this representation, one can calculate voltages caused by lightning striking at the top of each transmission tower. In this proposal, voltages produced in each transmission tower are obtained directly in the time domain using electromagnetic analysis programs, which does not require inverse Laplace or Fourier transformations. This modeling initially consists of calculating the admittance of any transmission tower in the frequency domain using the Moment Method (MoM), taking into account the tower geometry, soil resistivities and tower-footing grounding impedance. Once the admittances of the conventional and giant transmission towers are obtained, these curves are represented by rational functions obtained by the Vector Fitting technique and then an equivalent lumped electric circuit is proposed for each curve calculated numerically. These circuits will be analyzed in electromagnetic transient software and the voltages due lightning strikes in each tower are estimated. In this proposal, the inclusion of the tower trusses, homogenous soils and grounding electrodes are considered, and the responses are more precisely obtained. A comparison between the voltages obtained by the proposed modeling and the conventional models is also presented. In these comparisons, it can be seen that ... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Submitted by Lucas Ferreira Bertão null (lucas92341@aluno.feis.unesp.br) on 2017-04-04T14:30:35Z No. of bitstreams: 1 Dissertação Lucas completa 04-04.pdf: 2922617 bytes, checksum: 7fd640a6e475b0234de8e9e4414b0c04 (MD5) / Approved for entry into archive by Luiz Galeffi (luizgaleffi@gmail.com) on 2017-04-12T16:47:46Z (GMT) No. of bitstreams: 1 bertao_lf_me_ilha.pdf: 2922617 bytes, checksum: 7fd640a6e475b0234de8e9e4414b0c04 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-12T16:47:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 bertao_lf_me_ilha.pdf: 2922617 bytes, checksum: 7fd640a6e475b0234de8e9e4414b0c04 (MD5) Previous issue date: 2017-02-02 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Monitorar a integridade de estruturas, sejam elas, máquinas ou equipamentos mecânicos, consiste em um ramo de estudo que está se firmando. As técnicas que englobam esse monitoramento fazem uso da combinação de sensores e rotinas computacionais para pode extrair os dados necessários da maneira que o operador/analista desejar. Uma das áreas carentes desse tipo de análise/controle é a de distribuição de energia. Todos os anos são noticiados casos envolvendo acidentes envolvendo torres de transmissão que vêm ao chão por, não um, mas vários fatores. Em meio as técnicas de monitoramento, a dos observadores de estado é a que se destaca mais. Contudo, apesar do destaque, a técnica dos observadores de estado possui restrições que motivam novas abordagens. Outro método numérico utilizado amplamente na área de análises em engenharia é o Método dos Elementos Finitos. Este conhecido método, que já possui base mais sólida de desenvolvimento, atualmente faz uso de softwares para a realização dos cálculos de análise estática e/ou dinâmica. O presente trabalho, em conjunto com os observadores de estado e o método dos elementos finitos, mostra uma abordagem, ainda que simples, de uma área pouco explorada com o método – a de detecção e localização de falhas em torres de transmissão via observadores de estados aliado ao método dos elementos finitos. / Monitor the integrity of structures, whether machinery or mechanical equipment consists of a branch of study that is steadying. The techniques include such monitoring makes use of the combination of computational sensors and routines can extract the necessary data in the way that the operator / analyst desired. One of the poorest areas of this type of analysis / control is the power distribution. Every year cases are reported involving accidents involving transmission towers that come to the ground by not one, but several factors. Among the monitoring techniques, the State Observer is the one that stands out more. However, despite the emphasis, the technique of state observers has restrictions that motivate new approaches. Another numerical method widely used in the area of analysis in engineering is the Finite Element Method. This known method, which already has more solid foundation of development, currently makes use of software to perform the calculations. This work, together with the status of observers and the finite element method, shows an approach, although simple, a little explored area to the method - the detection and fault location in transmission towers via state observers combined with the finite element method.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Na prática corrente do projeto de torres de aço treliçadas utilizadas para suportar linhas de transmissão de energia elétrica, a avaliação do comportamento dinâmico das estruturas, de maneira geral, não é considerada. Contudo, o principal carregamento a ser considerado na análise estrutural das torres de transmissão de energia elétrica é produzido pelo vento, que atua de forma dinâmica sobre o sistema estrutural formado pelos cabos e pelas torres. Além disso, muitas estruturas desse tipo apresentam características dinâmicas desfavoráveis, o que as tornam mais vulneráveis a ação do vento.Tendo em vista que muitos acidentes envolvendo torres desse tipo ocorrem ainda que a velocidade de vento utilizada no projeto não tenha sido atingida, é possível que em muitos casos o colapso tenha sido governado pelas ações dinâmicas. Assim sendo, esse estudo tem por objetivo a utilização de uma metodologia de analise estrutural que possibilite uma avaliação mais completa acerca do comportamento das torres de transmissão de energia, considerando, obviamente, as características dinâmicas do sistema. Este trabalho de pesquisa utiliza um modelo de elementos finitos capaz de reproduzir com fidelidade o comportamento acoplado entre os cabos da linha de transmissão e estrutura quando submetidos aos carregamentos dinâmicos e não determinísticos produzidos pelo vento. O modelo tridimensional estudado é constituído por elementos finitos de pórtico e treliça espacial e considera o efeito de não-linearidade geométrica decorrente, principalmente, dos grandes deslocamentos sofridos pelos cabos e isoladores. O carregamento do vento é modelado como um processo aleatório a partir das suas propriedades estatísticas. Os resultados obtidos ao longo desse estudo mostram que a parcela dinâmica da resposta das estruturas pode ser determinante no seu comportamento. Nesse caso, a utilização de uma análise estrutural estática pode resultar no mau dimensionamento das torres e, conseqüentemente, em possíveis acidentes. / In the current design process of steel latticed towers used to support electrical transmission lines, the structures dynamic behaviour is not considered. However, the main loading to be taken into account in the electrical transmission line towers structural analysis is produced by the wind, which acts dynamically over the structural system composed by towers and cables. In addition, its not uncommon for slender towers to present disadvantageous dynamic properties, making them vulnerable to the wind action. Considering that many accidents associated to this kind of structure occur even for wind velocities below that specified in the design process, its possible that most of these accidents have been produced by dynamic actions. Therefore, this study aims to develop a structural analysis method that allows for a more accurate evaluation of the electrical transmission towers behaviour, considering its intrinsic dynamic effects. This study proposed the use of a finite element model that can accurately simulate the coupled behaviour between the transmission line cables and the suspension structures when subjected to the dynamic random loading produced by the wind. The proposed three-dimensional model is composed by beam and truss spatial finite elements and accounts for the geometric non-linearity effects produced by the large displacements associated to the line cables and insulators. The wind loading is modelled as a random process based on its statistical properties. Results obtained throughout this study have indicated that the dynamic response can be very meaningful for the system structural behaviour. In this case, the use of a static structural analysis can lead to a non-trustable design of the towers and, consequently, to potential structural failures.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Na prática corrente do projeto de torres de aço treliçadas utilizadas para suportar linhas de transmissão de energia elétrica, a avaliação do comportamento dinâmico das estruturas, de maneira geral, não é considerada. Contudo, o principal carregamento a ser considerado na análise estrutural das torres de transmissão de energia elétrica é produzido pelo vento, que atua de forma dinâmica sobre o sistema estrutural formado pelos cabos e pelas torres. Além disso, muitas estruturas desse tipo apresentam características dinâmicas desfavoráveis, o que as tornam mais vulneráveis a ação do vento.Tendo em vista que muitos acidentes envolvendo torres desse tipo ocorrem ainda que a velocidade de vento utilizada no projeto não tenha sido atingida, é possível que em muitos casos o colapso tenha sido governado pelas ações dinâmicas. Assim sendo, esse estudo tem por objetivo a utilização de uma metodologia de analise estrutural que possibilite uma avaliação mais completa acerca do comportamento das torres de transmissão de energia, considerando, obviamente, as características dinâmicas do sistema. Este trabalho de pesquisa utiliza um modelo de elementos finitos capaz de reproduzir com fidelidade o comportamento acoplado entre os cabos da linha de transmissão e estrutura quando submetidos aos carregamentos dinâmicos e não determinísticos produzidos pelo vento. O modelo tridimensional estudado é constituído por elementos finitos de pórtico e treliça espacial e considera o efeito de não-linearidade geométrica decorrente, principalmente, dos grandes deslocamentos sofridos pelos cabos e isoladores. O carregamento do vento é modelado como um processo aleatório a partir das suas propriedades estatísticas. Os resultados obtidos ao longo desse estudo mostram que a parcela dinâmica da resposta das estruturas pode ser determinante no seu comportamento. Nesse caso, a utilização de uma análise estrutural estática pode resultar no mau dimensionamento das torres e, conseqüentemente, em possíveis acidentes. / In the current design process of steel latticed towers used to support electrical transmission lines, the structures dynamic behaviour is not considered. However, the main loading to be taken into account in the electrical transmission line towers structural analysis is produced by the wind, which acts dynamically over the structural system composed by towers and cables. In addition, its not uncommon for slender towers to present disadvantageous dynamic properties, making them vulnerable to the wind action. Considering that many accidents associated to this kind of structure occur even for wind velocities below that specified in the design process, its possible that most of these accidents have been produced by dynamic actions. Therefore, this study aims to develop a structural analysis method that allows for a more accurate evaluation of the electrical transmission towers behaviour, considering its intrinsic dynamic effects. This study proposed the use of a finite element model that can accurately simulate the coupled behaviour between the transmission line cables and the suspension structures when subjected to the dynamic random loading produced by the wind. The proposed three-dimensional model is composed by beam and truss spatial finite elements and accounts for the geometric non-linearity effects produced by the large displacements associated to the line cables and insulators. The wind loading is modelled as a random process based on its statistical properties. Results obtained throughout this study have indicated that the dynamic response can be very meaningful for the system structural behaviour. In this case, the use of a static structural analysis can lead to a non-trustable design of the towers and, consequently, to potential structural failures.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The main objective of this work is to analyze the behavior of guyed towers of different heights, subject to the following solicitations: wind loads, dead weight, and prestress of the stays. The study was done in order to better understand the influence of some static and dynamic parameters in these structures. Guyed towers are structures that are utilized in several applications, such as, for instance, transmission towers. Besides determining the best quantity, disposition, and inclination angle of the stays for these systems, it was verified the influence of different methods used to calculate wind loads in the following results: Von Mises stresses, forces on the stays, and the resulting displacement. The methods used were the ones mentioned in the Brazilian Standards NBR6123/1988, and in order to calculate the wind loads acting on the tower, algorithms in MATLAB® were implemented. The tower masts were designed using the admissible stress method. For the three-dimensional models in finite elements and their analysis, were elaborated APDLs (ANSYS Parametric Design Language) the structural systems, in such away to optimize the time spent on the modeling and to reduce possible source of uncertainty. The results analysis consists in evaluating the sensitivity of the design variables in terms of: Von Mises stresses, forces on the stays, and resulting displacements. Also, modal analyses were done to verify the influence of the support conditions on the base of the mast on the natural frequencies of the structure. The obtained results showed that the inclination angle of the stays with respect to the mast can be reduced, propitiating an area reduction occupied by the tower. It was also observed, that the resulting displacements of these structures are more sensitive to the studied parameters than the stresses and the forces on the stays. The studies done and the obtained results show a better understanding of the structural and the dynamic behaviors of this type of structure. / Este trabalho tem por objetivo analisar o comportamento de torres estaiadas de diferentes alturas. Estas estão sujeitas as solicitações de vento, peso próprio e pré-tensão nos estais. Foi feito um estudo com a finalidade de conhecer a influência de determinados parâmetros na resposta estática e dinâmica dessas estruturas. Torres estaiadas são estruturas utilizadas em diversas aplicações, como por exemplo, em torres de transmissão. Além, de determinar a quantidade, disposição e ângulo de inclinação ótimos dos estais para esses sistemas, verificouse ainda, a influência dos modelos de cálculo das solicitações de vento, sugeridos pela NBR 6123/1988, nas tensões de Von Mises, esforços nos estais e deslocamentos resultantes nas estruturas. Os mastros das torres foram dimensionados utilizando o método das tensões admissíveis. As solicitações advindas da atuação do vento nas torres foram obtidas através de algoritmos implementados em MATLAB®, utilizando os vários modelos de cálculo apresentados na norma brasileira. Para modelagem tridimensional em elementos finitos e realização das análises, foram elaboradas rotinas em linguagem APDLs (ANSYS Parametric Design Language) para os sistemas estruturais, de maneira a parametrizar os modelos e otimizar o tempo gasto na modelagem. Foi realizada uma análise para avaliar a sensibilidade de determinadas variáveis de projeto tais como, quantidade, posicionamento e ângulo de inclinação dos estais, em termos de tensões de Von Mises, esforços nos estais e deslocamentos resultantes. Ademais, foram realizadas análises modais para verificar a influência das condições de contorno da base do mastro sobre as freqüências naturais da estrutura. Os resultados obtidos mostraram que o ângulo de inclinação dos estais com relação ao mastro pode ser reduzido, propiciando uma redução da área ocupada pela torre. Observouse também, que os deslocamentos resultantes dessas estruturas são mais sensíveis aos parâmetros estudados do que as tensões e os esforços nos estais. Os estudos realizados e os resultados obtidos levam a uma melhor compreensão do comportamento estrutural e dinâmico desse tipo de estrutura. / Mestre em Engenharia Mecânica