Structural modelling and optimization of a module for electric energy production

Aim of this thesis is the analysis and structural optimization of a modular structure for electric energy production. During their life-time, these particular structures are subjected to different loading conditions and layouts due to their dynamic construction and transport processes. For this reason, wind and seismic loading conditions will be different for in-site and construction site. Moreover, both land and sea transport phases deeply affect the response of the module and thus represent the key roles in design. The thesis addresses a broad range of topics related to the structural analysis and design of modular steel frames supporting “heavy” equipments: (a) comprehensive approach to conceptual and preliminary design, including both in-service and pre-service loading and support conditions of the module’s main life-time phases, i.e. erection-site, sea transport and in-site conditions; (b) code-related issues: comments and suggestions for application of Eurocode and American standards to open structures; (c) structural optimization of selected elements, with the purpose to reduce the total weight of the structure. In this case study, the steel module is built and designed in Italy, carried to the port through a land transport system based on a set of Self Propelled Modular Transporter (SPMTs), shipped to its final location and finally installed in a pre-existing power plant. To perform a comprehensive optimization, each phase has been thoroughly analyzed. This led to the detection of the predominant loading condition: sea transport layout as regards the optimization of the transverse rows. The results highlight that if a modularized fabrication strategy is consistently applied throughout the project process along with best practice project management, several benefits in term of cost, time and quality can be realised. The implementation of a well-targeted optimization process led to a reduction up to more than the 50 per cent of the scheduled total steel volume for beams and columns constituting the primary transversal rows.

La presente tesi ha il duplice obiettivo di analizzare in dettaglio e di ottimizzare, da un punto di vista strutturale, una struttura modulare destinata alla produzione di energia elettrica. Tali strutture, essendo assemblate in una sede diversa da quella ultima, risultano soggette, durante l’intero corso della loro vita utile, a differenti condizioni di carico e vincolo. Per tale ragione, le condizioni di carico dovute a sisma e vento saranno differenti per il sito iniziale e finale. Inoltre, le fasi di trasporto, sia terrestre che marittimo, ricoprono un ruolo fondamentale andando ad influenzare fortemente la progettazione dell’intera struttura. Gli argomenti affrontati investigano le tematiche di rilievo nel campo della progettazione di costruzioni modulari in acciaio, equipaggiate con macchinari pesanti per la produzione di energia: (a) determinazione di un approccio globale per lo svolgimento di una progettazione preliminare in grado di includere casi di carico e condizioni di vincolo presenti durante l’intera vita del modulo, i.e. condizioni nel sito di costruzione, durante il trasporto marittimo e nel sito definitivo; (b) proposte che riguardano i metodi di applicazione dei criteri proposti da Eurocodice e Normativa Americana su strutture aperte; (c) ottimizzazione strutturale per determinati elementi primari, al fine di ridurre il peso totale della struttura. In questo caso di studio, il modulo in acciaio è progettato e costruito in Italia, per essere poi trasportato in porto attraverso un sistema di carrelli modulari semoventi (SPMTs), spedito verso il sito definitivo ed infine installato in una centrale elettrica preesistente. Al fine di eseguire un’ottimizzazione strutturale accurata e robusta, ogni fase del processo è stata studiata in dettaglio concentrandosi sulle possibili condizioni di carico. Questo ha permesso di individuare la condizione di carico predominante. In relazione all’ottimizzazione dei portali trasversali, il carico dimensionante è risultato essere quello derivante dal trasporto marittimo. I risultati ottenuti hanno evidenziato come l’applicazione di un’attenta strategia fin dalle prime fasi di progetto e il perseguimento di una migliore gestione del processo di esecuzione del lavoro possano portare numerosi benefici in termini di costi, tempo e qualità. Un’ottimizzazione adeguata ha permesso di ridurre di più del 50% il volume di acciaio necessario alla costruzione delle colonne e delle travi dei portali principali.