Dynamic post-elastic response of transmission towers

Collapse of transmission towers can occur due to accidental loads such as conductor breakages, failures of insulators or other components, either under every day conditions (components with marginal strengths) or under extreme conditions such as ice storms, thunderstorms, tornadoes, fires, explosions, heavy mass impacts, etc.Furthermore, the trigger of one tower collapse may cause a catastrophic cascading failure of the whole transmission line section as was observed in the 1998 ice storm in Quebec, Canada.Knowledge of the post-elastic capacity of towers is necessary to mitigate the risk of cascading failures in overhead lines.The thesis presents a detailed study of the post-elastic response of latticed towers combining advanced (highly nonlinear) finite element analysis and full-scale dynamic testing of four tower section prototypes.USFOS, commercial software developed for post-elastic analysis of offshore platform structures, was selected as the numerical analysis tool to perform the nonlinear static and transient dynamic analysis of transmission towers.USFOS good performance was demonstrated on several case studies.The lattice towers are modeled with special three-node beam elements that include nonlinear material constitutive models for post-elastic response and the geometric stiffness matrices for elements are progressively updated to account for the second order effects.The numerical models also include the effects of connection eccentricities between diagonal members and the main leg members.The numerical models have been used to plan the physical tests and for re-analysis of the models with the experimental loads as measured during the physical tests.Four full-scale transmission tower model sections were built and tested under different load scenarios to verify the results from the ii numerical analysis.The prototypes were loaded at the tip of the cross arm, in the tower transverse direction (along the cross arm length) for the bending test and in the perpendicular direction, for the flexure-torsion test.Each of these loading cases was applied first in the quasi-static regime, in a pushover test, and then in the dynamic regime, under a strong dynamic pulse.These dynamic pulses were realized by dropping a large mass weighing 12.6kN from different heights (2 m for flexure-torsion and 6 m for bending).The salient conclusions of the research as follows: The numerical models and the physical test results are in excellent agreement, both in terms of predicting the collapse loads and the sequence of element failures until collapse. The research demonstrates that it is possible to use post-elastic analysis to accurately predict the reserve strength of bolted lattice towers provided connection eccentricities are properly modeled at peaks or cross arms loading points and in diagonals connected only on one leg. Both the numerical model and experimental results indicate significant postelastic reserve strength of the tower section.In the tower prototypes tested in this research, the post-elastic reserve strength was 1.22 for flexure-torsion (i.e.tower under longitudinal loading) governed by diagonals, and 1.37 for bending (i.e.tower in transverse loading) governed by inelastic buckling of the main legs. Diagonal members affect the failure modes of transmission towers and their connection design may be a weak link in the development of their post-elastic capacity.Diagonal members connected on one leg only are subject to biaxial iii bending, they cannot develop the full strength of their cross section since the unconnected leg takes much less stress on its entire length. Consideration of the tower post-elastic capacity is necessary for realistic assessment of tower vulnerability to extreme loads. Accurate pushover post-elastic analysis is an essential design tool to ensure that the tower capacity is adequate and that failure modes are safe, i.e. not leading to progressive collapse.With appropriate training, such analysis is feasible in a design office. Observations from physical tests, confirmed by numerical simulations, suggest that failure modes under pushover static and dynamic pulse loading are similar. The ultimate loads sustained by the prototypes in the dynamic tests are higher than their static counterparts (162kN vs. 126kN in bending, and 57kN vs. 51.2kN in flexure-torsion); this can be explained by the strain rate effects, which were particularly large in the bending test due to a mass dropping height of 6 m. The numerical models could not accurately predict the displacements of the prototypes due to foundation movement and splice connection slippage, which were not modelled.However, such movements do not have a significant effect on the tower capacity and post-elastic response. SommaireLes effondrements de pylônes de lignes de transport à haute tension peuvent se produire sous charges accidentelles de causes varies: ruptures de conducteurs, rupture de chaînes d'isolateurs ou autres accessoires ou pièces d'attache des conducteurs au pylône, sous des conditions d'utilisation journalière normale (bris de composants dont la résistance st marginale) ou sous des conditions extrêmes (tempête de verglas, tornade, incendie, explosion, impact d'objets lourds, etc. De plus, comme nous l'avons observé lors du Grand Verglas de janvier 1998 au Québec, un bris localisé peut déclencher une ruine en cascade de plusieurs supports.Il est nécessaire de connaître la réserve de résistance post-élastique des pylônes afin de pouvoir concevoir efficacement des systèmes capables de résister aux effondrements progressifs en cascade.Dans cette thèse, l'auteur présente une étude détaillée de la réponse post-élastique des pylônes à treillis en acier.L'étude combine les techniques avancées d'analyse non linéaire par éléments finis et la réalisation d'essais destructifs sur quatre prototypes de sections de pylônes à treillis en pleine grandeur.Le logiciel utilisé pour les analyses est USFOS, un produit développé en Norvège pour l'analyse post-élastique des platesformes de forage offshore en haute mer.La bonne performance du logiciel USFOS est démontrée à l'aide de plusieurs exemples.Les modèles sont basés sur l'utilisation d'un élément fini de cadre à trois nœuds qui inclut les non linéarités dues au comportement inélastique du matériau ainsi que les non linéarités géométriques.Les modèles incluent également les effets des excentricités de v connexions des membrures diagonales aux membrures principales.L'auteur a utilisé les modèles numériques détaillés des prototypes d'essais pour faire la planification détaillée des essais.Les modèles ont ensuite été ré-analysés en utilisant les charges mesurées lors des essais.Quatre prototypes d'essais ont été construits et testés sous différents cas de charges afin de vérifier les résultats des analyses par éléments finis.Les charges étaient appliquées aux prototypes à l'aide d'un câble de chargement attaché au bout de la console, en direction transversale de la ligne (i.e.le long de la console) pour l'essai de flexion, et en direction perpendiculaire, pour l'essai de flexion-torsion.Ces deux cas de charges ont été appliqués en régime quasi-statique (pushover monotonique) et en régime dynamique par forte impulsion.Les charges dynamiques ont été réalisées en laissant tomber une masse de l'ordre d'une tonne (poids de 12.6 kN) d'une hauteur de 2 m pour l'essai de flexiontorsion et de 6 m pour l'essai de flexion.Voici les principales conclusions de cette recherche :  La concordance entre les résultats d'essais et les modèles numériques est excellente, tant pour les charges à la rupture que pour la séquence de ruine des membrures jusqu'à l'effondrement. Il est possible d'utiliser des analyses post-élastiques pour prédire avec précision la réserve de résistance des pylônes à treillis à condition d'inclure les excentricités de connexion des membrures des cornières des membrures diagonales connectées sur une seule aile ainsi qu'aux points de chargement au pylône en bout de console.vi  Les modèles numériques et les résultats d'essais révèlent une réserve de résistance importante, de 1.22, pour les prototypes testés en flexion-torsion et gouvernés par les membrures diagonales, et de 1.37 dans le cas de flexion, gouverné par le flambage inélastique des montants. Les membrures diagonales des pylônes à treillis ont un rôle important dans leur mode de rupture et la résistance de leurs connexions peut s'avérer un maillon faible dans le développement de leur résistance post-élastique.Les diagonales connectées sur une seule aile sont incapables de développer la résistance maximale de leur section puisque l'aile non connectée n'est pratiquement pas sollicitée. Il est nécessaire de tenir compte de la réserve de résistance post-élastique des pylônes à treillis pour évaluer leur vulnérabilité sous charges extrêmes. L'analyse post-élastique de type pushover est un outil indispensable pour évaluer la résistance post-élastique des pylônes et vérifier que leur mode de rupture est sécuritaire, i.e. qu'il n'y a pas de risque d'effondrement progressif.Ce type d'analyse est accessible aux ingénieurs des bureaux d'étude et spécialistes en conception de lignes, avec une formation d'appoint. Les observations lors des essais, corroborées par les résultats des simulations par éléments finis, indiquent que les modes de rupture en pushover quasi-statique et en mode d'impulsion dynamique sont semblables. Les charges ultimes résistées par les prototypes lors des essais dynamiques sont supérieures aux charges ultimes quasi-statiques, (162kN vs. 126kN en flexion, et 57kN vs. 51.2kNen flexion-torsion).Ceci s'explique par les effets vii d'augmentation de résistance liée au taux de déformation, lequel était particulièrement élevé dans l'essai de flexion dynamique avec hauteur de chute de 6 m.  Toutefois, les modèles numériques n'ont pas permis de prédire le comportement en déplacement des prototypes, lesquels sont dominés

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