De nouvelles données sur la façon dont les vents de force ouragan affectent les pylônes de transmission électrique

La plupart des gens aux États-Unis n’hésitent pas à appuyer sur un interrupteur pour allumer la lumière. Les États-Unis ont réalisé d’importants investissements au milieu du XXe siècle du côté transmission du réseau électrique national afin de fournir une électricité fiable à la société. Le problème est que de nombreuses tours de transmission ont dépassé leur durée de vie d’environ 50 ans, ce qui signifie que le réseau vieillissant est aujourd’hui confronté à de plus grands risques de défaillance.

L’une des menaces qui pèsent sur le réseau provient des vents destructeurs des tempêtes extrêmes telles que les ouragans. Exemple concret : plus de 25 milliards de dollars de dommages causés par le vent causé par l’ouragan Michael, qui en 2018 a renversé une centaine de tours de transmission en Floride.

Un nouvel ensemble de données expérimentales de laboratoire vise à aider les scientifiques et les ingénieurs à comprendre et à éviter la menace des vents violents sur les structures de transmission électrique. Le projet (PRJ-1379) a remporté un DesignSafe Dataset Award 2022, qui a reconnu les diverses contributions de l’ensemble de données à la recherche sur les risques naturels.

Les chercheurs ont utilisé l’un des simulateurs d’ouragans les plus puissants au monde, l’installation expérimentale Wall of Wind de l’infrastructure de recherche en ingénierie des risques naturels (NHERI) de la Florida International University (FIU). Des modèles réalistes à l’échelle 1:50 de tours de transmission et un système de câbles électriques de transmission à plusieurs travées ont été travaillés par le mur du vent, capable de générer des vents de force ouragan de catégorie 5 de 157 miles par heure.

Différentes vitesses et directions de vent ont été testées pour simuler le chaos et la complexité de vrais ouragans. Les essais, réalisés en juillet 2019, ont mesuré les forces élastiques induites par les mouvements de la structure, du vent et des différents composants de cette structure sous des effets d’interaction vent-structure.

L’équipe scientifique a publié une partie de ses résultats en juillet 2021 dans la revue Ouvrages d’art. Plusieurs autres articles basés sur les données générées par ce projet sont actuellement à l’étude.

“L’un des principaux résultats à ce jour, et la raison pour laquelle il est toujours en cours après la fin du projet, est l’identification et la caractérisation des paramètres les plus importants pour l’analyse et la conception de ces structures”, a déclaré Abdollah Shafieezadeh, professeur agrégé de Lichtenstein au département. de génie civil, environnemental et géodésique à l’Ohio State University (OSU).

Dans le cadre de cette recherche, Shafieezadeh et ses collègues ont étudié deux paramètres clés – le facteur d’effet de rafale et les coefficients de traînée – utilisés par les scientifiques et les ingénieurs pour analyser l’impact du vent sur les pylônes de transmission et les systèmes conducteurs, ainsi que sur l’utilisation du modèle qu’ils ont développé pour la phase de conception de nouveaux systèmes.

“Nous avons développé des méthodes de fusion de capteurs du côté de l’analyse qui ont pu combiner différents types d’informations provenant de différents types de capteurs qui ont été instrumentés et vérifiés à la CRF”, a déclaré Shafieezadeh.

Les tours modèles ont été instrumentées avec trois accéléromètres à 3 axes, une cellule de charge à 6 degrés de liberté et six jauges de contrainte, capturant essentiellement le mouvement des traverses, les cisaillements de base et les réactions de torsion. Un système d’acquisition de données a collecté les mesures des capteurs, qui ont finalement été analysées par des méthodes statistiques.

Ils ont fait trois séries de tests – l’un était sur des tours simples sans isolants; un autre était avec une ligne de transmission à travées multiples ; le dernier test a examiné la réponse du système de tour lorsqu’un conducteur ou un isolant tombe en panne sous des vents d’ouragan, quelque chose d’unique à cette expérience. Chacun de ces tests a fourni de nouvelles informations importantes pour comprendre le comportement complexe des structures de tour sous des effets de vent extrêmes.

“La principale chose que nous avons apprise de l’étude concerne les facteurs d’effet de rafale. Les charges de pointe étaient différentes de celles publiées dans les normes”, a déclaré Arindam Chowdhury, PI et directeur du NHERI Wall of Wind Experimental Facility ; et professeur et président du département de génie civil et environnemental de la CRF.

Chowdhury et ses collègues de la FIU ont généré des estimations plus fidèles et plus fiables de ces paramètres avec leur laboratoire éolien à la pointe de la technologie. Shafieezadeh et ses collègues de l’OSU ont ensuite comparé ces données à ce qui est disponible dans les codes et normes d’ingénierie ASCE-7 et ASCE-74 et ont mis à jour les modèles existants.

“Nous avons vu que ces codes sous-estiment potentiellement ces facteurs”, a déclaré Shafieezadeh. “Cela pourrait avoir des implications pour la sécurité, la fiabilité et la résilience de ces structures.”

Ils ont souligné qu’il y a des nuances dans les résultats et pas seulement une conclusion générale, car cela dépend de nombreux facteurs tels que la vitesse du vent, la direction du vent et les caractéristiques de la tour.

“Mais nous avons vu une tendance générale est une sous-estimation des charges”, a déclaré Shafieezadeh.

Ils ont également constaté que l’effet dans toutes les directions était important; les codes couvrent principalement la direction du vent.

“Nous avons testé la direction du vent de travers et généré des facteurs d’effet de rafale et des coefficients de traînée pour ces directions”, a déclaré Chowdhury. “Ce sont nouveaux. Certaines de ces données pourraient être intégrées dans les normes des lignes de transmission, ce qui pourrait contribuer à améliorer la sécurité des nouvelles tours construites.”

L’ensemble de données a été mis à la disposition du public sur la cyberinfrastructure NHERI DesignSafe.

“En savoir plus sur DesignSafe et la structure qu’il offre a été très utile”, a déclaré Shafieezadeh. “Nous avons d’énormes quantités de données produites par ces expériences. DesignSafe les rend structurées et disponibles de manière significative pour la communauté, afin qu’elles puissent les utiliser sans passer par de nombreux obstacles.”

“DesignSafe nous a donné la structure, la formation des étudiants qui ont participé et la meilleure façon dont l’ensemble de données peut être utilisé par une communauté plus large sans difficulté à naviguer dans les données”, a ajouté Chowdhury.

L’ensemble de données primé était au cœur d’un projet plus vaste, “Cadre numérique stochastique validé expérimentalement pour générer des fragilités multidimensionnelles pour l’amélioration de la résilience des systèmes de transmission aux ouragans”.

“Un aspect clé était d’obtenir des données réelles sur les performances de ces structures et de comprendre leur comportement et de les traduire dans nos modèles informatiques”, a déclaré Shafieezadeh.

“Nous utilisons les modèles informatiques pour développer des” modèles de fragilité “qui nous permettent d’analyser la probabilité qu’un état de dommage particulier se produise dans le système en fonction des caractéristiques du danger, dans ce cas la vitesse et la direction du vent”, a-t-il ajouté. .

Un autre exemple de données utilisées est celui du projet « CAREER : Resiliency of Electric Power Networks under Wind Loads and Aging Effects through Risk-Informed Design and Assessment Strategies », dirigé par Alice Alipour de l’Iowa State University.

Son projet étudie les effets du vent sur ces types de systèmes, mais il prend également en compte l’effet de vieillissement de la corrosion et la façon dont les effets du vent changent dans les réseaux électriques.

Le projet d’Amal Elawady de la CRF, “Recherche collaborative : caractérisation de la fragilité descendante des systèmes de lignes de transmission à l’aide de simulations numériques stochastiques expérimentales et validées”, utilise également l’ensemble de données. Il étudie les effets sur les tours des rafales descendantes, les vents forts vers le bas et vers l’extérieur qui peuvent faire des ravages sur les bâtiments et les tours.

Said Shafieezadeh, “Afin de maintenir le système fiable et résilient à l’avenir, nous devons investir dans l’amélioration du réseau électrique. Une stratégie consiste à identifier les parties les plus vulnérables du réseau. Cela nécessite une compréhension plus approfondie du comportement de ces structures afin que nous pouvons identifier les vulnérabilités et concevoir de manière rentable de nouvelles structures ou les mettre à niveau. C’est là qu’un ensemble de données de cette étude peut aider considérablement à répondre à ces questions.

Les auteurs de l’ensemble de données gagnant sont Ziad Azzi, Dejiang Chen, Arindam Gan Chowdhury (Co-PI), Amal Elawady et James Erwin de la Florida International University (FIU); Ashkan Bagheri Jeddi et Abdollah Shafiezadeh (PI) de l’Ohio State University (OSU); Université technologique du Michigan.