Jak zvýšit odolnost věží elektrického vedení vůči větru?

Mechanismy větrného zatížení působící na vedení elektrické energie

Mechanismy větrného zatížení způsobují kritické napětí na věžích elektrického vedení, což vyžaduje přesné pochopení pro účinný návrh odolnosti proti větru. Aerodynamické interakce vytvářejí složité vzory sil – zejména u otevřených mřížových konstrukcí – kde se turbulentní proudění, odtrhování vírů a dynamické zesílení spojují a ohrožují statickou stabilitu konstrukce během událostí s vysokou rychlostí větru.

Oddělení turbulentního proudění a tlaková nerovnováha kolem povrchu mřížových věží

Když vítr proudí kolem mřížových věží, vznikají v jejich okolí oblasti turbulencí a nerovnoměrného rozložení tlaku na povrchu. Tyto rozdíly v tlaku způsobují významné síly odporu, které zatěžují konstrukční uzly a tenké části rámu – tento efekt je zvláště patrný, když se proudění vzduchu uvízne uvnitř vnitřní konstrukce věže. Během silných poryvů často pozorujeme rozdíly v tlaku přesahující 30 % mezi protilehlými stranami věže, což urychluje opotřebení těchto životně důležitých spojovacích bodů. Výsledky aerodynamických zkoušek v aerodynamickém tunelu to potvrzují: takové nerovnováhy tlaku jsou podle publikovaných závěrů v časopisu Journal of Wind Engineering z roku 2017 jednou z hlavních příčin opakovaných cyklů mechanického namáhání u mřížových vedení. K potlačení tohoto jevu začínají inženýři úpravou vzdálenosti mezi příčnými rameny. Tato konstrukční úprava pomáhá narušit uspořádané vzory proudění vzduchu a snižuje rozdíly v tlaku ještě předtím, než se tyto rozdíly rozšíří po celé konstrukci věže.

Efekty odtrhování vírů, aerodynamického stínění a dynamického zesílení

Když proudí vítr kolem prvků věže, vzniká jev známý jako odtrhování vírů, který způsobuje střídavé vztlakové a odporové síly působící na konstrukci. Někdy se tyto síly shodují s přirozenou kmitací frekvencí konstrukce, čímž vznikají problémy. Předměty umístěné nad proudem, například jiné věže v blízkosti nebo dokonce terénní útvary, vrhají to, co inženýři označují jako aerodynamické stíny. Tyto stíny narušují normální vzory proudění vzduchu a ve skutečnosti zhoršují turbulenci na určitých místech. Kombinace všech těchto jevů může výrazně zesílit odezvu konstrukce. Polní testy ukázaly, že v takových případech se podle studií citovaných v manuálu ASCE 74 z roku 2010 napětí v materiálu může zvýšit přibližně o 40 %. Vítr přicházející pod úhlem tyto stínové efekty ještě zesiluje. Proto musí inženýři instalovat tlumicí systémy, jako jsou šroubovicové pruhy navinuté kolem sloupů nebo tlumivé hmoty naladěné na určitou frekvenci, jaké vidíme u vysokých budov. Tyto systémy pomáhají rozrušit vírové struktury dříve, než se začnou nekontrolovatelně zesilovat a způsobí poškození prostřednictvím tohoto řetězového efektu.

Kritické režimy poruch a konstrukční zranitelnosti při událostech s vysokou rychlostí větru

Vzpěr spojů a nestabilita prvků: poučky z tajfunu Mangkhut (2018)

Větry rychlosti 200 km/h způsobené tajfunem Mangkhut odhalily vážné slabiny v konstrukci mřížových stožárů, což vedlo k řetězovému sesouvání celého energetického rozvodu v provincii Kuang-tung. Větrné síly působící mimo střed na šroubované spoje způsobily postupné vyboulení úhlových konstrukčních prvků, zejména patrné v místech spojení příčných ramen, kde kombinace ohybových napětí a tlakových sil překročila únosnost spojů. Pohled na následky ukázal, že přibližně tři čtvrtiny všech poruch stožárů během tajfunu Mangkhut byly způsobeny právě těmito problémy se spoji, což podle výzkumu Chenova týmu publikovaného v roce 2022 způsobilo škody přesahující 1,2 miliardy dolarů. To, co tento jev odlišuje od jednoduché poruchy jednotlivých komponent, je skutečnost, že problémy se spoji se rychle šířily celou mřížovou konstrukcí. Proto novější průmyslové normy, jako je například IEC 61400-24 z roku 2019, nyní vyžadují, aby inženýři při návrhu spojů pro oblasti často postižené tajfuny prováděli nelineární dynamickou analýzu.

Degradace způsobená únavou materiálu vs. statický kolaps: Proč se musí moderní posouzení věží vyvíjet

Většina tradičních metod se zaměřuje na meze statického kolapsu a přehlíží postupné poškození únavou materiálu způsobené opakovaným vystavením větru. Podle nedávných studií pochází přibližně 60 procent poruch souvisejících s větrem ve skutečnosti z malých trhlin, které se šíří v místech koncentrace napětí, nikoli z náhlých přetížení, jak uvádí Roční zpráva o odolnosti EPRI za rok 2023. Problém se zhoršuje podél pobřeží, protože koroze způsobená mořskou vodou působí společně s neustálými cykly napětí a snižuje dobu, po kterou materiály těmto silám odolají, téměř na polovinu. Vzhledem k tomuto poznání mnoho předních energetických společností začalo uplatňovat přístupy hodnocení odolnosti vůči poškození místo pouhého kontrolování pevnosti. Staré metody inspekce nahrazují pokročilým ultrazvukovým testováním fázového pole, které nachází skryté vady pod povrchem ještě předtím, než se trhliny rozrostou natolik, aby bylo možné je ignorovat.

Ověřené návrhové strategie ke zlepšení odolnosti věží vůči větru

Aerodynamická zdokonalení: optimalizace geometrie příčného ramene a techniky snížení plochy

Když inženýři upravují tvar příčných ramen, mohou snížit množství větru dopadajícího na čelní plochu a zabránit tak vzniku obtížných vírů. Čísla to potvrzují: eliptické tvary skutečně snižují vibrace způsobené vířivým vzduchem přibližně o 15 až 20 procent ve srovnání s tradičními „krychlovými“ konstrukcemi, jak uvádí výzkum NREL z roku 2023. Další trik spočívá v redukci celkové plochy vystavené větru. To zahrnuje odstranění některých nosných prvků tam, kde je to možné, a vrtání otvorů do částí, které nemusí nést žádné zatížení. Tyto úpravy snižují odpor přibližně o 10 až 14 procent, aniž by se kompromitovala pevnost a stabilita celé konstrukce. Počítačové modely, tzv. CFD simulace, ověřují, že všechna tato zlepšení správně fungují i tehdy, když větrný tok dopadá pod různými úhly – od 0 stupňů (přímo čelně) až po 180 stupňů (opět čelně, ale z opačné strany). U velmi vysokých věží nad padesát metrů v oblastech náchylných k tajfunům má zásadní význam udržení poměru plochy tuhého materiálu pod hodnotou 0,3 prostřednictvím většího rozestupu jednotlivých konstrukčních prvků. To výrazně přispívá ke snížení nežádoucích otřesů, zejména za chaotických počasí, kdy vítr fouká současně z několika směrů.

Konstrukční posílení: vylepšení závěsů, ztužení spojů a integrace tlumení

Při posilování konstrukcí proti poruchám se inženýři zaměřují na problematické oblasti pomocí trojúhelníkových ztužovacích systémů, které pomáhají rozvést boční větrné síly. Výměna nebo zlepšení šikmých ztužidel může zvýšit boční tuhost přibližně o 25 až dokonce o 30 procent. Uspořádání K-ztužidel se zvláště dobře osvědčuje při zabránění vybočení tlakových prvků při působení velmi silných nárazů větru, jak stanovují normy např. IEC 61400-24 z roku 2019. Ztužení uzlů zahrnuje například přidání kotevních desek, předpínání těchto vysokopevnostních šroubů ještě před montáží a zesílení základových desek. Tento přístup snižuje problémy s otáčením a snižuje pravděpodobnost vzniku trhlin způsobených únavou materiálu přibližně o čtyřicet procent. Pro dodatečnou ochranu proti otřesům vyvolaným větrem se uplatňují doplňkové tlumící metody. Mezi ně patří například laděné hmotové tlumiče nebo zařízení naplněná viskózní kapalinou, která pohltí přibližně 15 až 25 procent kinetické energie během těch obtěžujících, větrem vyvolaných vibrací. Celkově tyto různé přístupy posouvají mezní bod kolapsu konstrukce nad rychlost větru 55 metrů za sekundu. Plnohodnotné zkoušky potvrdily tuto účinnost za simulovaných podmínek tajfunu, čímž inženýrům poskytují důvěru ve svá návrhy.

Často kladené otázky

Co je vírové odtrhování?

Vírové odtrhování vzniká, když vítr proudí přes konstrukci, čímž vznikají střídavé oblasti nízkého tlaku, které způsobují pohyb dopředu a dozadu a vedou ke vzniku vztlakových a odporových sil působících na konstrukci.

Jak může aerodynamické stínění ovlivnit vysokonapěťový stožár?

Aerodynamické stínění narušuje normální vzory proudění vzduchu, zesiluje turbulenci a zvyšuje namáhání stožárových konstrukcí, zejména v oblastech za překážkami, jako jsou jiné stožáry nebo krajinářské prvky.

Jaké jsou některé návrhové strategie ke zlepšení odolnosti vysokonapěťových stožárů vůči větru?

Návrhové strategie zahrnují optimalizaci geometrie příčných ramen, techniky snížení plochy, dodatečné ztužení prutových soustav, ztužení uzlů a integraci tlumičů za účelem rovnoměrnějšího rozložení větrných sil a předcházení strukturálním slabým místům.