Каква е изискваната носима способност на електропредавателните кули?

Основни структурни натоварвания, действащи върху електропредавателните кули

Гравитационни натоварвания: тегло на проводниците, арматура и собствено тегло на кулата

Гравитационните или постоянни натоварвания върху предавателните кули включват теглото на проводниците, изолаторите, различните технически компоненти, както и самата кула. Тези постоянните надолушни сили обикновено съставляват около 60 до 70 процента от това, което инженерите считат за нормални експлоатационни натоварвания за тези конструкции. Точно определяне на действителните тегла и материалните свойства по време на първоначалното проектиране е от голямо значение, тъй като грешките в този етап могат да доведат до проблеми в бъдеще, като например постепенно огъване на материала, потъване на основите или по-бързо износване на компонентите от очакваното. Когато проектантите недооценяват тези основни тегла, това води до сериозни проблеми по-късно, особено когато се добавят и натоварвания, свързани с метеорологични условия.

Латерални натоварвания: вятъчно налягане, динамични пориви и ефекти от вихрова отделяне

Силните ветрове оказват значително странично налягане върху кулите и техните поддържащи кабели. Изведнъж нахлуващите пориви могат да създадат неочаквани върхове на налягането, а когато вятърът тече около конструктивните елементи, възниква явление, наречено вихрова отделяне. Този осцилиращ модел всъщност кара конструкцията да вибрира с нейните собствени честоти, което с течение на времето води до образуване на пукнатини поради повтарящи се цикли на напрежение. Според стандарти, установени от ASCE 7-22, всяка конструкция, изградена в райони, предразположени към силни ветрове, трябва да издържа така наречените условия на буря с 50-годишна повторяемост. Кръстосаното подсилване не е просто допълнителна функция, добавена за добрия вид — то е абсолютно задължително за правилното разпределение на товарите. Без тези кръстосани подпори неконтролираните ветрови сили ще износват връзките много по-бързо и в крайна сметка ще подкопаят стабилността на цялата конструкция.

Усилване от околната среда: Натрупване на лед и неговото нелинейно увеличаване на товара

Когато ледът се натрупва върху електропроводите, обикновените гравитационни сили и налягането на вятъра се превръщат в сериозни проблеми, които не са лесни за изчисляване. Само 1 см лед около проводника добавя приблизително 15 килограма на метър към теглото му, докато повърхностната му площ, подложена на вятър, се увеличава с около 30 процента. Тази комбинация може всъщност да утрои механичната товароносимост, която проводникът трябва да поема при определени зимни буреви условия. Още по-лошо е, когато ледът се образува неравномерно по различните участъци на линията. Това поражда усукващи сили и огъващи напрежения, които повечето стандартни конструкции просто не са проектирани да понасят. В бъдеще последните климатични проекции на NOAA показват, че до 2040 г. вероятно ще имаме 30-процентово увеличение на мащабните ледени бури и ураганите от категория 4. Предвид тези тенденции инженерите трябва да престанат да разглеждат регионалните коефициенти на сигурност като допълнителни, незадължителни елементи и да започнат да ги включват директно в своите проекти, ако искаме електрическите мрежи да останат надеждни при все по-екстремните метеорологични явления.

Запаси за безопасност и нормативни стандарти за носимост на енергийните кули

Изисквания по ASCE 7-22 и NESC 2023: коефициенти на номиналната товароносимост от 1,5× до 2,5×

Стандартът ASCE 7-22 заедно с по-новите регулации NESC 2023 определят задължителните безопасностни маржи, които помагат да се отчетат несигурностите при моделирането, вариациите в материалите и неизбежните допуски при строителството. Според тези нормативни документи инженерите трябва да умножават комбинациите от натоварвания с различни коефициенти, в зависимост от конкретната ситуация. Обичайните постоянни и временни натоварвания се умножават приблизително по 1,5 пъти, докато при екстремни ситуации, свързани с вятър и лед, изисква се усилване до 2,5 пъти. Някои особено важни проектирани ситуации включват изчисляване на максималното вятърно налягане върху проводниците, определяне на натрупването на лед според таблица 250-1 на NESC за конкретни зони и анализ на комбинираните гравитационни сили при едновременно възникване на няколко екстремни условия. Вземете за пример решетъчните мачти: мачта, проектирана да поема нормално напрежение в проводниците от 200 kN, всъщност трябва да издържа между 300 и 500 kN, след прилагане на всички коефициенти за безопасност. Тази вградена резервност помага да се гарантира структурната цялост, като в същото време поддържа разходите в разумни граници за повечето проекти.

Дебат за устойчивост към климатичните промени: Преоценка на минималните граници на безопасността в контекста на все по-интензивните ветрови и ледови събития

Наблюдаваме по-чести и по-интензивни сложни метеорологични явления напоследък, особено такива, при които се комбинират вятър и лед. Старите коефициенти на безопасност вече не са достатъчни. Тези традиционни коефициенти, умножени по 1,5 пъти, изцяло пренебрегват начина, по който ситуацията излиза изпод контрол, когато дори тънки ледени слоеве се сблъскат със силни ветрове. В някои случаи всъщност сме наблюдавали скокове в измерените натоварвания над три пъти спрямо очакваните стойности. Организации като Институтът за електричество „Едисън“ (Edison Electric Institute) и експертите от Националния институт по стандарти и технологии (NIST), занимаващи се с устойчивостта на електрическата мрежа, насърчават въвеждането на нови коефициенти, които да отчитат уязвимостите пред климатичните промени. Те искат тези промени да бъдат приложени преди всичко в райони с по-висок риск — имаме предвид места като ледовия пояс в Средния запад или брега на залива Мексиканския, където ураганите се появяват редовно. Предвижда се актуализация на стандартите ASCE 7 чрез включване на местни климатични данни, за да се определят минимални изисквания, надвишаващи двойно текущите нива там, където историческите данни показват нарастващи опасности. Този подход цели да намери оптималния баланс между разумното използване на средства и реалното намаляване на известните рискове.

Носима способност при екстремни и неуравновесени сценарии на повреда

Късване на проводника: внезапно разтоварване и асиметрично преразпределение на напрежението

Когато проводниците излизат от строя поради причини като умора на метала, галопиращи вибрации или повреди от силни бури, това води до внезапни загуби на напрежение в системата. Тези загуби създават дисбаланси, които се предават на съседните разстояния между опорите и поддържащите кули. Какво се случва по-нататък? Допълнителното напрежение може да предизвика структурни проблеми, като например огъване (изпъкване) на компресираните елементи или да натовари котвените болтове над техния предел на якост. Инженерите днес проектират кули със специални характеристики, които им помагат по-добре да понасят тези неочаквани сили. Те използват напреднали методи за анализ на разпределението на товарите в конструкцията и включват резервни поддържащи системи, за да се осигури стабилност дори при повреда на един проводник. Според полеви изпитания кулите, построени според най-новите стандарти на NESC Приложение B за динамично натоварване, намаляват верижните аварии с около две трети в сравнение с по-старите подходи, базирани на статично проектиране.

Неравномерно ледово натоварване: торзия, предизвикана от асиметрия, огъване и риск от прогресивен колапс

Когато ледът се натрупва неравномерно върху кула или проводник, това създава усукващи сили и извивки с изместен център, които надвишават значително това, за което са предвидени стандартните проекти. Този вид дисбаланс всъщност причинява повечето постепенни срутвания, които наблюдаваме в по-старите инфраструктурни системи, особено когато металните части са подложени на корозия с течение на времето или са претърпели предишни повреди, които са ослабили критичните точки на свързване. За да се отстрани този проблем, инженерите трябва да обърнат внимание не само на якостта на материалите, но и на тяхната способност да се огъват, без да се чупят, както и на устойчивостта им срещу усукващи сили. Реалният свят също ни дава много полезна информация — погледнете какво се случи по време на силното замръзване в Тексас през 2021 г. Кулите, оборудвани с подходящо диагонално подсилене от всички страни и изработени от стомана, която може да се удължава, а не да се чупи, издържаха перфектно, въпреки че върху наветрената страна на техните проводници се беше образувал лед с дебелина над 2 см.

Структурно подсилване и проектиране на основи за оптимална носимост на кулите

Системи за подкрепа: Диагонална ефективност при съпротивата на изкършване, усукване и люлеене

Диагоналното подсилене използва триъгълници, за да преобразува страничните сили и усукващите движения в праволинейни сили, което подобрява работата на материалите и в същото време предотвратява прекомерното им огъване. При работа с натиснати елементи правилното разположение на ъглите предотвратява техните изкършвания под налягане просто чрез намаляване на тяхната ефективна дължина. За борба с усукването, причинено от вятър или неравномерно натрупване на лед, инженерите често монтират кръстосано подсилене под прав ъгъл, което формира здрави рамкови конструкции, способни да устоят на въртенето. Точните ъгли, при които се поставят тези подпори, изискват внимателен пресмятане, за да осигурят устойчивост на сградите по време на движение, но същевременно да позволят нормално термично разширение при промени в температурата. Проучвания, публикувани в професионални списания, показват, че качествените системи за подсилене могат да увеличат носимостта с около 40 процента в сравнение със сгради, които нямат такава подкрепа. Този вид усилване продължава да бъде една от най-изгодните опции както при строителството на нови, така и при модернизацията на съществуващи конструкции.

Решения за фундаменти: Бурени стълбове срещу разпръснати основи за изискванията към преобръщане и носимост на почвата

Видът на използваната основа определя дали кулата може да издържи сили като преобръщане, вдигане и неравномерно потъване. Бурените стволове, известни още като кесони, се извършват на дълбочина от около 15 до 30 метра в плътни почвени пластове. Те работят изключително добре в лепкави почви и в райони със силни ветрове, тъй като използват както триенето по страните си, така и опората в дъното. Те осигуряват по-добра устойчивост срещу вдигане или преобръщане и изискват по-малко бетон общо, в сравнение с други варианти. Разпространените основи функционират по различен начин. Те изискват голяма основна площ, обикновено четири до осем пъти по-голяма от самата основа на кулата. Тези основи обикновено показват най-добра производителност, когато са разположени в уплътнени пясъчни или чакълести почви, където почвата може да поеме значително натоварване, без да потъва. Недостатъкът? За да постигнат същото ниво на устойчивост като бурените стволове при земетресения или при намокряне на почвата, разпространените основи изискват около 60 % повече бетон. Преди вземане на каквито и да е решения обаче, получаването на подробна информация за действителното подпочвено строение чрез надлежни геоложки изследвания е абсолютно задължително. Опитите за избор на основи въз основа на бързи правила вместо въз основа на реалните условия на площадката водят до повечето проблеми, които наблюдаваме в практиката при проваляне на кули.

ЧЗВ

Какви са гравитационните натоварвания върху електропредавателните кули?

Гравитационните натоварвания включват теглото на проводниците, изолаторите, фурнитурните компоненти и самата кула, като те съставляват около 60 до 70 процента от нормалните експлоатационни натоварвания.

Защо е важно да се вземат предвид страничните натоварвания при проектирането на кули?

Страничните натоварвания от вятъра могат да предизвикат вибрации и пукнатини в конструкцията с течение на времето. Кръстосаното подкрепяне помага за разпределяне на тези сили, за да се осигури устойчивост.

Как влияе натрупването на лед върху електропредавателните кули?

Натрупването на лед увеличава теглото и повърхностната площ, което усилва механичното напрежение по време на бури и потенциално води до по-сериозно усукване и огъване.

Какви са стандартите за безопасност на електропредавателните кули?

ASCE 7-22 и NESC 2023 определят коефициенти на натоварване от 1,5 до 2,5, за да се вземат предвид несигурностите и екстремните условия, като вятър и лед.