DOI: https://doi.org/10.1080/15732479.2025.2554724
تاريخ النشر: 2025-09-04
المؤلف: Yuan Feng وآخرون
الموضوع الرئيسي: تصميم هندسي احتمالي وقوي
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة إطارًا احتماليًا لتقييم أداء أنظمة أبراج النقل والخطوط الناتج عن الرياح، مع الأخذ في الاعتبار عوامل مثل سرعة الرياح، الاتجاه، وتوجه خط النقل. تحسب الدراسة احتمالات فشل النظام على مستوى النظام لكل من تكوينات الأبراج المائلة والمستقيمة بالكامل بناءً على حالة عملية في أستراليا. يعزز نموذج المحاكاة الافتراضية التكيفية، جنبًا إلى جنب مع نواة متعددة الحدود جديدة، الكفاءة الحسابية بنسبة 70% بينما يقترب بدقة من وظائف حالة حد النظام وسط عدم اليقين الهيكلي. تكشف تحليلات الحساسية أن أنظمة أبراج الخطوط المائلة تظهر ضعفًا أكبر بنسبة تصل إلى 140% أمام أحمال الرياح مقارنةً بالأنظمة المستقيمة بالكامل، مع زيادة التباين المكاني في خصائص مواد الأبراج التي تزيد من الضعف بنسبة 10-20%.
تشير النتائج إلى أن أنظمة أبراج الخطوط المترابطة عمومًا أكثر مرونة من الأبراج الفردية بسبب إعادة توزيع الأحمال، ومع ذلك فإن التكوينات المائلة عرضة بشكل خاص لزوايا هجوم الرياح غير المواتية. تتماشى تحليل هشاشة نموذج المحاكاة الافتراضية بشكل وثيق مع النتائج من محاكاة مونت كارلو على نطاق واسع، مما يؤكد دقتها وكفاءتها. يتضمن الإطار كل من اللاتخطية المادية والهندسية، مما يمثل تقدمًا كبيرًا في تقييم هشاشة أبراج النقل تحت ظروف غير مؤكدة. ستوسع الأعمال المستقبلية النموذج ليشمل أبراج إضافية وإجراء تقييمات مخاطر مفصلة، مما قد يساهم في إبلاغ الممارسات الهندسية واتخاذ القرارات لمشغلي الشبكة الكهربائية لتعزيز مرونة النظام ضد أحداث الرياح الشديدة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور الحاسم لشبكات نقل الطاقة العلوية في توصيل الطاقة الكهربائية، مع التأكيد على ضعفها أمام قوى الرياح بسبب خصائصها الهيكلية، مثل المسافات الطويلة والمرونة العالية. تؤكد الحوادث الأخيرة في أستراليا، بما في ذلك انهيار أبراج النقل خلال أحداث الرياح الشديدة، على المخاطر الاقتصادية والاجتماعية المرتبطة بالفشل في هذه الأنظمة. على الرغم من وجود معايير تصميم قائمة تأخذ في الاعتبار أحمال الرياح، لا تزال الأضرار والانقطاعات شائعة، مما يستلزم تقييمًا شاملاً لأداء هشاشة أنظمة أبراج الخطوط تحت ظروف الرياح الواقعية.
تحدد الدراسة الفجوات في الفهم الحالي لتقييم المخاطر الاحتمالية لتخطيطات أنظمة الخطوط، لا سيما فيما يتعلق بتأثير زوايا هجوم الرياح على السلامة الهيكلية. بينما ركزت الدراسات السابقة على سلامة الأبراج الفردية، يقترح هذا العمل إطارًا احتماليًا جديدًا يقيم أداء أنظمة أبراج الخطوط المائلة والمستقيمة الناتجة عن الرياح. تشمل المساهمات الرئيسية نهج نمذجة الحقول العشوائية الذي يتضمن الارتباطات المكانية في خصائص المواد وتقنية تعتمد على التعلم الآلي لمحاكاة وظائف الهشاشة، مما يعزز الكفاءة الحسابية. توضح دراسة حالة إمكانية الإطار في إبلاغ اتخاذ القرارات واستراتيجيات التخفيف من المخاطر لمشغلي الخطوط.
مناقشة
تقدم الدراسة إطار تقييم هشاشة الرياح الاحتمالية مصممًا لأبراج النقل الكبيرة، مع التأكيد على أهمية النمذجة الهيكلية الدقيقة التي تتضمن اللاتخطية المادية والهندسية. يتناول الإطار تعقيدات الانبعاثات المرنة-اللدنة والتشوهات الكبيرة، لا سيما في الهياكل النحيفة مثل أبراج الصلب الشبكية، من خلال استخدام تحليل الانبعاثات المرنة-اللدنة الهندسية. تؤسس الدراسة علاقة بين مخاطر الرياح والضعف الهيكلي، مما يسهل تقييمات الأداء وتحديد الاتجاهات المثلى لأنظمة أبراج الخطوط في بيئات الرياح المتغيرة.
يتضمن الإطار أيضًا محاكاة لأحمال الرياح الاحتمالية بناءً على المعايير، مما يسمح بتقييم هشاشة الرياح تحت زوايا واتجاهات هجوم مختلفة. تحدد التحليلات ثلاث حالات ضرر—ضرر طفيف، ضرر معتدل، وضرر كامل—استنادًا إلى عتبات الإزاحة القصوى، مما يكشف أن أنظمة أبراج الخطوط المائلة تظهر ضعفًا أكبر مقارنةً بأنظمة الخطوط المستقيمة بالكامل بسبب زيادة التوترات الجانبية تحت ظروف الرياح معينة. تؤكد النتائج على أهمية النظر في الاعتماد المكاني وعدم اليقين في خصائص المواد، والتي تؤثر بشكل كبير على الاستجابات الهيكلية. تعزز التقنية المقترحة للنمذجة الافتراضية الكفاءة الحسابية مع الحفاظ على الدقة، مما يوفر أداة قوية للتنبؤ بنتائج الهشاشة وإبلاغ استراتيجيات إدارة المخاطر لمشغلي الشبكة الكهربائية.
DOI: https://doi.org/10.1080/15732479.2025.2554724
Publication Date: 2025-09-04
Author(s): Yuan Feng et al.
Primary Topic: Probabilistic and Robust Engineering Design
Overview
This research presents a probabilistic framework for evaluating the wind-induced performance of transmission tower-line systems, considering factors such as wind speed, direction, and transmission line orientation. The study calculates the system-level failure probabilities for both angled and all-straight tower-line configurations based on a practical case in Australia. An adaptive virtual modeling surrogate model, along with a novel polynomial kernel, enhances computational efficiency by 70% while accurately approximating system limit state functions amidst structural uncertainties. Sensitivity analyses reveal that angled tower-line systems exhibit up to 140% greater vulnerability to wind loads compared to all-straight systems, with spatial variability in tower material properties increasing vulnerabilities by 10-20%.
The findings indicate that interconnected tower-line systems are generally more resilient than single towers due to load redistribution, yet the angled configurations are particularly susceptible to unfavorable wind attack angles. The surrogate model’s fragility analysis aligns closely with results from a large-scale Monte Carlo simulation, confirming its accuracy and efficiency. The framework incorporates both material and geometric nonlinearities, marking a significant advancement in assessing the fragility of transmission towers under uncertain conditions. Future work will expand the model to include additional towers and conduct detailed risk assessments, potentially informing engineering practices and decision-making for power grid operators to enhance system resilience against extreme wind events.
Introduction
The introduction highlights the critical role of overhead power transmission networks in delivering electrical energy, emphasizing their vulnerability to wind forces due to their structural characteristics, such as long spans and high flexibility. Recent incidents in Australia, including the collapse of transmission towers during severe wind events, underscore the economic and social risks associated with failures in these systems. Despite existing design standards that account for wind loads, damage and outages remain prevalent, necessitating a thorough assessment of the fragility performance of transmission tower-line systems under real-world wind conditions.
The research identifies gaps in the current understanding of the probabilistic risk assessment of tower-line system layouts, particularly concerning the impact of wind attack angles on structural integrity. While previous studies have focused on individual tower safety, this work proposes a novel probabilistic framework that evaluates the wind-induced performance of both angled and straight transmission tower-line systems. Key contributions include a random field modeling approach that incorporates spatial correlations in material properties and a machine learning-based technique for simulating fragility functions, which enhances computational efficiency. A case study demonstrates the framework’s potential to inform decision-making and risk mitigation strategies for tower-line operators.
Discussion
The research presents a probabilistic wind fragility assessment framework tailored for large-scale transmission towers, emphasizing the significance of accurate structural modeling that incorporates material and geometric nonlinearity. The framework addresses the complexities of elastic-plastic yielding and large deformations, particularly in slender structures like lattice steel towers, by employing a geometric elastoplastic buckling analysis. The study establishes a relationship between wind hazards and structural vulnerability, facilitating performance assessments and optimal orientation determinations for transmission tower-line systems in variable wind environments.
The framework also incorporates a probabilistic wind load simulation based on standards, allowing for the evaluation of wind fragility under different attack angles and orientations. The analysis identifies three damage states—slight, moderate, and complete damage—based on peak displacement thresholds, revealing that the angled tower-line systems exhibit higher vulnerability compared to all-straight-line systems due to increased lateral tensions under certain wind conditions. The findings underscore the importance of considering spatial dependencies and uncertainties in material properties, which significantly influence structural responses. The proposed virtual modeling technique enhances computational efficiency while maintaining accuracy, providing a robust tool for predicting fragility outcomes and informing risk management strategies for power grid operators.