Electric Substation Structure  

Analysis, Design and Detailing 

 

Using – STAAD.Pro, STAAD.foundation, and 

ProSteel Integration 

 

By  

 

 

Bentley Structural Group 

 

 

 

August 31, 2009 

 

  2

Introduction 

Substation and switchyard structures are used  to support  the above grade components and electrical 

equipment such as cable bus, rigid bus, and strain bus conductors; switches; surge arresters; insulators; 

and other equipment.   Electric  substation  structures have  to be designed as per  the applicable  steel 

design  code  and using  the  analysis data obtained  from design  loadings.   The design  loads may most 

probably  include dead, weight of  conductors and electrical  components, wind,  snow/ice, and  seismic 

loads.   

 

Detailing of a standard A‐Frame structure shown on the right in the above picture includes preparation 

of part and engineering drawings, connection details, and bill of materials.  This detailing information is 

sent to structural steel fabricators to manufacture, assemble and deliver the parts to the project site.  

This document shows how engineers can design and detail electric substation structures using Bentley 

products.  The following Bentley products are discussed in this document: 

1. STAAD.Pro – Structural analysis and design 

2. STAAD.foundation – Foundation analysis and design 

3. ProSteel – Structural steel detailing and drawing production 

 

  3

On  the electrical engineering  side, Bentley products  such as Bentley Substation V8i  can be efficiently 

used to produce the following elements of an electric substation design: 

One‐Line diagrams  

3D Physical models  

Protection and control schematics  

Panel layouts  

Wiring diagrams  

Bill of materials and other reports 

Bentley Substation is not discussed in this document. 

 

 

  4

Structural Analysis 

STAAD.Pro is a general purpose structural analysis and design tool that can be used for the analysis and 

design of electric substation structures as per  the American  Institute of Steel Construction  (AISC) 13th 

Edition or American  Society of Civil Engineers  (ASCE)‐10  transmission  tower design  code.    Substation 

geometries can be created using the STAAD.Pro graphical user interface, OpenSTAAD, or ProSteel. 

Figure 1 illustrates an A‐frame substation structure that was designed and analyzed using STAAD.Pro. 

 

 

Figure 1: Substation analysis and design results in STAAD.Pro 

 

  5

         

                       

Figure 2: STAAD.Pro Structural Analysis Models of Substation Structures 

 

  6

 

 

Figure 3: STAAD.Pro Structural Analysis Model of an A‐Frame Substation Structure – Deflections and ASCE Design Results 

STAAD.Pro  can  be  used  to  generate ASCE‐7 wind  loads  on members  using  the  automatic wind  load 

generator feature.    IBC 2006 seismic  loads parameters   be generated automatically by simply entering 

the zip code of the site.   Features such as the floor  load generator can be used to apply floor pressure 

loading  on  a  deck.    Wire  tension  loads,  equipment  loads  etc.  can  be  applied  to  the  members  in 

STAAD.Pro as a point load at a specified length or at a given node point.   

STAAD.pro  can also perform advanced dynamic analysis on  the electric  substation  structures  such as 

modal calculations (i.e. frequency calculations using eigenvalue extraction method), response spectrum 

analysis and time history analysis/harmonic load analysis. 

The member grouping  feature  in STAAD.Pro allows users  to check which components of  the electrical 

substation structure are failing and redesign them by easily. 

  

 

  7

Structural Detailing in ProSteel 

ProSteel is an advanced 3D modeling/detailing environment for steel structures which can work on the 

AutoCAD and Microstation platforms.     The ProSteel user  is provided with an  intuitive and  integrated 

multi‐material  modeler  perfectly  suited  to  layout  electrical  substation  structures,  produce  shop 

drawings, assemble all their connections and manage the bill of materials.   

ProSteel has a two‐way  integration with STAAD.Pro through the StructLink option.   A model generated 

in  STAAD.Pro  can be  imported  into  ProSteel using  the  Structlink option.    If  a  change  is made  in  the 

ProSteel Model (e.g a member size changes), the changes can be exported out back to the STAAD.Pro 

model without re‐creating it.  This will save the detailer’s and structural engineer’s time to recreate the 

3D geometry from scratch  in ProSteel or STAAD.Pro every time a change  is made.   Figure 4 shows the 

ProSteel model generated using the model imported from STAAD.Pro. 

 

Figure 4: 3D ProSteel Model.   STAAD.Pro A‐Frame model was imported into ProSteel. 

Plans, sections, elevations, bills of materials can then be generated using this 3D model and ProSteel’s 

2D Detail Center feature.  Any changes made to the design 3D model will automatically update the bill of 

materials and drawings.  Figure 5 shows a sample bill of materials generated using the ProSteel model. 

 

  8

 

Figure 5: Bill of Materials 

Figure 6 illustrates a sample member 2D detail drawing generated using the ProSteel model. 

 

 

Figure 6: Member Detailing 

 

  9

ProSteel can also be used to create 2D engineering layout drawings (i.e. plans and elevations) as shown 

in Figure 7 using the 3D ProSteel model. 

 

Figure 7: Plan View 

ProSteel connection center allows the detailers to quickly assign pre‐defined connection types to the 3D 

model.  Figure 8 shows a preview of the Normal Endplate connection and Figure 9 and 10 illustrate the 

3D view and 2D drawings respectively of the endplate connection assigned to the A‐Frame. 

 

  10

 

Figure 8: Connection Center 

 

Figure 9: Connection Details 

 

  11

   

 

Figure 10: Connection 2D Drawing Generation 

 

 

  12

Foundation Design 

Typical  electric  substation  structure  foundation  types  can  be  slab‐on‐grade,  isolated,  and  pile  cap 

footings.    

Bentley’s STAAD.foundation  is a  foundation design and management system which can design a wide 

range of foundations such as isolated, combined, pile cap, drilled‐pier, and MAT foundations.  It can also 

be used  to create 2D preliminary engineering  foundation  layout and detailed drawings  (i.e. plans and 

elevations) as shown in Figure 11.   

   

 

Figure 11: Foundation Layout Drawings for A‐Frame support reactions obtained from STAAD.Pro 

STAAD.foundation  is  integrated  with  STAAD.Pro  (i.e.  support  node  locations  and  reactions  from 

STAAD.Pro can be imported into STAAD.foundation). 

 

  13

 

Figure 12: MAT Foundation Design in STAAD.foundation