Diseño Conceptual de torres de trasmisión de energía utilizando el método de optimización topológica considerando análisis tridimensional y cargas producidas por cables y viento

Abstract

En la actualidad se torna relevante resolver el problema de optimización estructural de torres de transmisión de energía, ya que este tipo de elementos representan entre el 30% y 40% de la inversión total en las líneas de transmisión eléctrica [1]. Además, la reducción en peso mediante el diseño óptimo de la estructura tiene influencia directa sobre la fabricación, instalación y puesta a punto de la misma. Por otra parte, la mayoría de los modelos utilizados para la optimización de estas estructuras son bidimensionales, y no consideran la totalidad de las características dinámicas. En este trabajo, el método de optimización topológica (MOT) se usa para el diseño conceptual de torres de transmisión de energía, el cual es un método de optimización estructural que combina métodos de solución numérica, en este caso el método de los elementos finitos (MEF), con algoritmos de optimización [2], donde como función objetivo se tiene el minimizar el peso de la estructura aumentando su rigidez y se especifican frecuencias de resonancias deseadas para la estructura. Adicionalmente, se presenta un análisis de las condiciones de carga a la cual se encuentra sometida la estructura, teniendo como referencia para el cálculo la norma ASCE 74-09 “Guidelines for electrical transmission line structural loading” [3]. Para realizar la validación de los resultados obtenidos con el MOT, se utiliza una torre de transmisión de energía existente, de la cual se obtiene un pre-dominio de diseño, para así realizar una comparación directa entre la torre inicial y la obtenida a partir del método de optimización topológica; además, se realiza una comparación entre la estructura obtenida a partir de una estructura base y la encontrada al donde solo se usan condiciones de apoyo y sitios de carga externas, pero con diferente dominio de diseño.

Abstract: Today, the problem of structural optimization of power transmission towers is relevant, since such elements represent between 30% and 40 % of total investment in power transmission lines [1]; also, the reduction in weight through structural optimal design has a direct influence on the manufacture, installation and tuning of it. Moreover, most models used for the optimization of power transmission towers are two-dimensional and they do not consider all of the dynamical characteristics. In this work, the topology optimization method (TOM) is used for conceptual design of a structure of power transmission towers, which is a method of structural optimization combining numerical solution methods; usually, the finite element method (FEM), with optimization algorithms [2], where an objective function is minimized the weight of the structure while stiffness is maximized, and specifying the frequencies of resonances desired for the structure. Additionally, a load condition analysis is presented, which is used as boundary conditions based on the standard ASCE 74 -09 “Guidelines for electrical transmission line structural loading” [3]. For validation of the results obtained by the TOM, an existing transmission tower is used, where a pre-domain design or ground structure is obtained; in this way, a direct comparison between the initial tower and the tower obtained from the topology optimization method is developed. Moreover, a comparison between the obtained structure from a ground structure and other that only used the support conditions and external loads is shown, but with different domain design.