Mis on võimsustornide koormuskandevõime nõue?

Elektritornidele mõjuvad põhikonstruktsioonikoormused

Gravitatsioonikoormused: juhtmete kaal, varustus ja torni enda kaal

Gravitatsioonilised või püsivad koormused elektriliinide tugitornidel hõlmavad näiteks juhtmete, isolaatorite ja erinevate kinnitusdetailide kaalu ning ise torni kaalu. Need pidevad allapoole suunatud jõud moodustavad tavaliselt umbes 60–70 protsenti inseneride poolt nende konstruktsioonide tavapärase töökoormuse arvutamisel arvesse võetavast. Esialgses projekteerimistöös on väga oluline täpselt määrata tegelikud kaalud ja materjalide omadused, sest siin tehtud vead võivad hiljem põhjustada probleeme, nagu materjalide aeglane paindumine, aluste settimine või komponentide liialdatud kuluvus. Kui disainerid alahinnavad neid aluspõhjakaalusid, tekib hiljem tõsiseid probleeme, eriti siis, kui mängu tulevad ka ilmastikutingitud koormused.

Külgkoormused: tuule rõhk, dünaamilised tuulepuhangud ja vorteksitõmbumise efektid

Tugevad tuuled avaldavad torudele ja nende toetavatele kaablitele olulist külgsuunalist rõhku. Äkksed tuulepuhked võivad tekitada ootamatuid rõhutippe ning kui tuul liigub struktuurielementide ümber, tekib nii nimetatud vorteksid. See võnkuv muster põhjustab tegelikult ehitiste vibreerimist nende omasagedustel, mis aeglaselt viib korduvate pingetstsüklite tõttu pragude tekkimiseni. ASCE 7-22 standardites sätestatud nõuete kohaselt peab iga kõrgtuulde piirkonnas ehitatav konstruktsioon vastama nii nimetatud 50-aastase tormi tingimustele. Risttuged ei ole lihtsalt lisafunktsioon, mida on lisatud täiendava kindlustuse saamiseks – need on absoluutselt olulised õige koormuste jaotamise tagamiseks. Kui neid risttoeid ei paigaldata, siis kontrollimatu tuulekoormus kulutab ühendusi palju kiiremini ja lõpuks ohustab kogu konstruktsiooni stabiilsust.

Keskkonnategurite tugevdamine: jääkogunemine ja selle mittelineaarse koormuse suurendumine

Kui võrguliinidele koguneb jää, muutuvad tavalised gravitatsioonijõud ja tuule rõhk tõsisemateks probleemideks, mille arvutamine pole lihtne. Ainult 1 cm paksune jääkiht juhi ümber suurendab selle kaalu umbes 15 kilogrammi meetri kohta ning suurendab tuule poolt puututavat pindala umbes 30 protsendi võrra. See kombinatsioon võib teatud talviste tormide tingimustes tegelikult kolmekordistada mehaanilist koormust, mida liin peab taluma. Asju halvendab veelgi see, kui jää koguneb liinide erinevatesse osadesse ebakorrapäraselt. See teeb tekkida pöördumisjõudusid ja paindepingeid, mida enamik tavalisi konstruktsioone lihtsalt ei suuda taluda. Tulevikku vaadates näitavad NOAA viimased kliimaprognosid, et 2040. aastaks on meil tõenäoliselt 30 protsenti rohkem suuri jäätorme ja kategooria 4 hurrikaane. Nende trendide valguses peavad insenerid lõpetama piirkondlike ohutustegurite käsitlemise valikulisena lisana ja alustama nende otseselt oma projekteerimisse integreerimist, kui soovime, et meie elektrivõrgud säilitaksid usaldusväärsuse üha äärmulisemate ilmastikuolude korral.

Turvamarginaalid ja regulaatorsete koormuskandvate standardite nõuded võimsustornidele

ASCE 7-22 ja NESC 2023 nõuded: 1,5× kuni 2,5× nimikoorma tegurid

ASCE 7-22 standard ja uuemad NESC 2023 eeskirjad sätestavad nõutavad turvalisusmarginaalid, mis aitavad arvesse võtta mudelites esinevaid ebakindlusi, materjalide variatsioone ning ehituslikke tolerantsi. Nimetatud eeskirjade kohaselt peavad insenerid korrutama koormuskombinatsioone erinevate teguritega olenevalt olukorrast. Tavalised püsikoormused ja kasutuskoormused korrutatakse umbes 1,5-kordse teguriga, samas kui äärmuslikud olukorrad, milles osalevad tuul ja jää, nõuavad kuni 2,5-kordset suurendust. Mõned eriti olulised projekteerimisolukorrad hõlmavad maksimaalse tuulepinge arvutamist juhtmetele, tsooni järgi jääkogunemise määramist NESC tabeli 250-1 põhjal ning mitme äärmusliku tingimuse korraga esinemisel tekkivate raskusjõudude kombineerimist. Võtame näiteks raamkonstruktsioonist tornid. Torn, mille on projekteeritud vastuma 200 kN normaalsele juhtme pingele, peab kõigi turvalisustegurite rakendamisel tegelikult vastuma 300–500 kN pingele. See sisseehitatud üleliialisus aitab tagada konstruktsiooni stabiilsuse, samas kui enamiku projektide puhul jäävad kulud siiski mõistlikus piiris.

Kliimakindluse arutelu: minimaalsete ohutusmarginaalide uuesti hindamine tugevnevate tuule/jääsündmuste keskel

Viimati on meil sagenevad ja tugevnemad mitmekordsete ilmastikuürituste sündmused, eriti need, kus on seotud tuul ja jäisus. Vanad ohutustegurid ei ole enam piisavad. Need traditsioonilised 1,5-kordsed kordajad ei arvesta üldse sellega, kuidas olukord läheb kontrollimatuse alla isegi õhukeste jääkihtide ja tugevate tuulte koosmõjul. Me oleme tegelikult mõnel juhul näinud koormusmõõtmiste tippu tõusnud üle kolmekordselt oodatust. Grupid nagu Edison Electric Institute ja NISTi võrgu vastupidavuse spetsialistid nõuavad uute kordajate kehtestamist, mis arvestaksid kliimaga seotud tundlikkusi. Nad soovivad neid muudatusi rakendada eriti kõrgema riskiga piirkondades, näiteks Kesk-Lääne jäävööndis või Gulfirannikul, kus hurrikaanid põhjustavad regulaarselt kahju. On plaanis uuendada ASCE 7 standardit, kombineerides sinna kohalikke kliimaandmeid, et määrata miinimumnõuded kõikjal, kus ajalugu näitab kasvavaid ohte, vähemalt kaks korda praegustest tasemetest. See lähenemisviis püüab leida tasakaalu rahaliste ressursside mõistliku kasutamise ja teadaolevate riskide tegeliku vähendamise vahel.

Kandevõime äärmistes ja ebakorrapärastes purunemissituatsioonides

Juhi katkemine: äkne koormuse eemaldamine ja asümmeetriline pinge ümberjaotumine

Kui juhtmed lähevad katki näiteks metallipõhjuste väsimuse, galoppeerivate vibratsioonide või tugevate tormide tekitatud kahjustuste tõttu, põhjustab see süsteemis äkkmisi pingelanguseid. Need langused tekitavad tasakaalutuslikke olukordi, mis edastuvad naaberpingule ja toetavatele tornidele. Mis juhtub edasi? Lisaressurss võib põhjustada konstruktsiooniprobleeme, näiteks surutud osade paindumist või tõmmata kinnituskruvid nende purunemispunkti üle. Insenerid ehitavad nüüd tornid eriliste omadustega, mis aitavad neil paremini taluda neid ootamatuid jõude. Nad kasutavad tänapäevaseid meetodeid, et analüüsida, kuidas koormused liiguvad struktuurides läbi, ning integreerivad tagavarakaitse toetussüsteemid, et kogu süsteem säilitaks stabiilsuse ka siis, kui üks juhe katkiseb. Väliteste kohaselt on tornid, mille ehitamisel on järgitud uusimat NESC lisadokumenti B dünaamilise koormuse kohta, vähendanud ketireaktsiooniga häireid umbes kahe kolmandiku võrra vanemate staatiliste projekteerimismeetoditega võrreldes.

Mitmesugune jääkoormus: assümmeetriliselt tekkiv pöördemoment, painde ja edenemisega kaasnev kokkukukkumise oht

Kui jää koguneb toru või juhtme komplektile ebakorrapäraselt, tekivad pöörlemisjõud ja keskelt mööda paindumised, mis ületavad oluliselt seda, mida standardprojekteerimine arvestab. Selline tasakaalutus põhjustab tegelikult enamikku aeglastest kokkuvarisemistest, mida me näeme vanemas infrastruktuurisüsteemis, eriti siis, kui metalliosad on aeglaselt korrodeerunud või kandnud eelnevat kahju, mis on nõrgestanud kriitilisi ühenduspunkte. Selle probleemi lahendamiseks peavad insenerid keskenduma mitte ainult materjalide tugevusele, vaid ka nende võimele painduda ilma murdumata ning vastu pöörlemisjõududele. Reaalmaailm annab ka palju teavet – vaatleme näiteks, mis juhtus Texases 2021. aastal toimunud suure külmalahinguga. Torud, millel oli kõigil külgedel sobiv diagonaalne risttuged ja mis olid valmistatud sellisest terasest, mis venib pigem kui murdub, talusid täiuslikult isegi siis, kui nende juhtmete tuulepoolel kogunes üle 2 cm paksuse jääkihi.

Konstruktsiooniline tugevdamine ja alusprojekteerimine optimaalse toru koormuskandvuse saavutamiseks

Tugevdussüsteemid: diagonaalne tõhusus paindumise, pöördumise ja kõikumise vastu

Diagonaalne tugevdamine kasutab kolmnurki, et muuta külgsuunalised jõud ja pöördumisliikumised sirgjoonelisteks jõududeks, mis parandab materjalide tööd, samal ajal takistades liialist paindumist. Kompressioonliikmete puhul takistab sobiv nurkpaigutus nende paindumist rõhu all lihtsalt nende efektiivse pikkuse lühendamisega. Tuule või ebakorrapärase jääkogunemisest tingitud pöördumise vastu kasutavad insenerid sageli risttugevdust täisnurkades, mis loob tugevad raamkonstruktsioonid, võimelised vastu seismat pöörlemisele. Nende tugevdamiste tegelikud paigutusnurgad vajavad täpset arvutamist, et hoida hooneid stabiilsena liikumise ajal, kuid lubada samas normaalset laienemist temperatuurimuutuste korral. Professionaalsetes ajakirjades ilmunud uuringud näitavad, et kvaliteetsete tugevdussüsteemidega saab koormustõhusust suurendada umbes 40 protsendiga võrreldes hoonetega, millel sellist tugevdust pole. Selline tugevdamine jääb üheks parimaks tasakaalustatud lahenduseks nii uute ehitiste puhul kui ka olemasolevate konstruktsioonide moderniseerimisel.

Aluslahendused: augud ja laiendatud aluspõhjad ümberpöördumise ja pinnase kandevõime nõuete täitmiseks

Alusliigi valik määrab, kas torn suudab vastu pidada jõududele, nagu ümberpöördumine, tõstmine ja ebavõrdne settimine. Boreeritud sammud, mida nimetatakse ka kaissoniteks, ulatuvad umbes 15–30 meetrit sügavale kindlasse pinnasesse. Need toimivad eriti hästi kooskleepuvates pinnastes ja tugevate tuulte piirkondades, kuna need kasutavad ära nii külgedel tekkivat hõõrdejõudu kui ka aluspinnalt saadavat toetust. Need pakuvad paremat vastupanu tõstmisele ja ümberpöördumisele ning nõuavad kokku vähem betooni kui muud lahendused. Laialdased alusd (spread footings) toimivad teisiti. Nende põhjaala peab olema lai, tavaliselt 4–8 korda suurem kui torni tegelik põhjaala. Need annavad parima tulemuse tihendatud liivastes või killustikustes pinnastes, kus pinnas suudab taluda olulisi koormusi ilma sunnitud settimiseta. Miinus? Et saavutada sama stabiilsust nagu boreeritud sammud maavärina ajal või niiske pinnas tingimustes, on laialdistele alustele vaja umbes 60 protsenti rohkem betooni. Enne otsuste tegemist on siiski absoluutselt oluline saada täpsed andmed selle kohta, mis tegelikult maapinna all asub, lähtudes sobivatest geoloogilistest uuringutest. Aluste valimine kiirete reeglite järgi ilma reaalsete kohatingimustega arvestamata põhjustab enamikku neid probleeme, mida praktikas näeme tornide ebaõnnestumistel.

KKK

Mis on gravitatsioonikoormused elektritornidel?

Gravitatsioonikoormused hõlmavad juhtmete, isolaatorite, kinnitusdetailide ja torni enda kaalu ning moodustavad umbes 60–70 protsenti tavapärastest ekspluatatsioonikoormustest.

Miks on tornide projekteerimisel oluline arvestada põiksuunalisi koormusi?

Tuulest põhjustatud põiksuunalised koormused võivad põhjustada konstruktsioonide vibratsiooni ja aeglaselt pragunemist. Risttugevdamine aitab neid jõude jaotada ning tagada stabiilsuse.

Kuidas mõjutab jääkogunemine elektritornisid?

Jääkogunemine suurendab kaalu ja pindala, tugevdades mehaanilist pinget tormide ajal ning võimaldades tõenäolisemalt tugevamat pöördumist ja paindumist.

Millised on elektritornide ohutusnormid?

ASCE 7-22 ja NESC 2023 sätestavad koormustegurid 1,5–2,5, et arvestada ebatäpsusi ja äärmuslikke tingimusi, näiteks tuult ja jääd.