Mi a tápegységtornyok teherbírási követelménye?

Az erőtoronyra ható alapvető szerkezeti terhelések

Gravitációs terhelések: vezetők súlya, szerelvények és az erőtorony saját súlya

A távvezetéki tornyokra ható gravitációs vagy halott terhek közé tartozik például a vezetők, az izolátorok, a különféle szerelvények súlya, valamint magának a toronynak a tömege. Ezek a folyamatos lefelé irányuló erők általában a mérnökök által e szerkezetek normál üzemelési terheléseként figyelembe vett érték 60–70 százalékát teszik ki. Az elsődleges tervezés során a tényleges súlyok és anyagtulajdonságok pontos meghatározása rendkívül fontos, mert itt elkövetett hibák későbbi problémákhoz vezethetnek, például anyagok fokozatos megdőléséhez, alapozások lesüllyedéséhez vagy alkatrészek várt időnél gyorsabb kopásához. Ha a tervezők alábecsülik ezeket az alapvető súlyokat, akkor később komoly problémák merülhetnek fel, különösen akkor, ha időjárási okból származó terhelések is hozzájárulnak a terheléshez.

Oldirányú terhelések: szélnyomás, dinamikus széllökések és örvényelválasztási hatások

Erős szél által kifejtett jelentős oldalirányú nyomás hat a tornyokra és azok támasztó kábeleire. A hirtelen széllökések váratlan nyomáscsúcsokat okozhatnak, és amikor a szél áramlik a szerkezeti elemek körül, ún. örvényelválasztás jön létre. Ez az ingadozó minta valójában rezgésbe hozza a szerkezeteket saját rezonanciafrekvenciájukon, ami idővel ismétlődő feszültségciklusok hatására repedések kialakulásához vezet. Az ASCE 7-22 szabványok szerint bármely olyan tervezés, amelyet erős szeleknek kitett területeken hajtanak végre, képesnek kell lennie a 50 évenkénti viharfeltételek elviselésére. A kereszttartók nem csupán plusz funkciók, amelyeket a biztonság kedvéért adnak hozzá, hanem elengedhetetlenek a megfelelő terheléselosztás érdekében. Ha ezek a kereszttartók hiányoznak, a szélterhelések korlátozatlanul hatnak, és sokkal gyorsabban lerongálják a kapcsolódási pontokat, végül pedig aláássák az egész szerkezet stabilitását.

Környezeti erősítés: jéglerakódás és annak nemlineáris terhelés-felerősítése

Amikor jég rakódik le az áramvezetékekra, a szokásos gravitációs erők és a szélnyomás komoly, nem egyszerűen kiszámítható problémákká válnak. Már egy centiméter vastag jégréteg a vezető körül mintegy 15 kilogrammot ad hozzá méterenként a súlyához, miközben a szél által érintett felületet kb. 30 százalékkal növeli. Ez a kombináció bizonyos télis viharfeltételek mellett akár háromszorosára is növelheti a mechanikai terhelést, amelyet a vezetéknek el kell viselnie. A helyzetet tovább súlyosítja, ha a jég egyenetlenül rakódik le a vezeték különböző részein – ekkor csavaróerők és hajlítási feszültségek keletkeznek, amelyeket a legtöbb szokásos tervezés egyszerűen nem képes elviselni. A NOAA legfrissebb éghajlati előrejelzései szerint 2040-ig valószínűleg 30 százalékkal nő majd a jelentős jégviharok és a 4. kategóriás hurrikánok gyakorisága. Ezen tendenciák fényében a mérnököknek fel kell hagyniuk azzal a megközelítéssel, hogy a régióspecifikus biztonsági tényezők opcionális kiegészítők, és közvetlenül be kell építeniük azokat a terveikbe, ha azt szeretnénk, hogy villamosenergia-hálózataink megbízhatóan működjenek ezekben egyre szélsőségesebb időjárási események idején.

Biztonsági tartalékok és szabályozási teherbírási szabványok energiaoszlopokhoz

ASCE 7-22 és NESC 2023 követelmények: 1,5×–2,5× névleges terhelési tényezők

Az ASCE 7-22 szabvány és az újabb NESC 2023 előírások meghatározzák a biztonsági tartalékokat, amelyek segítenek figyelembe venni a modellezési bizonytalanságokat, az anyagok tulajdonságaiban fellépő ingadozásokat, valamint a gyártás és építés során elkerülhetetlen tűréseket. Ezek a szabványok előírják, hogy a terhelés-kombinációkat különböző, a helyzettől függő tényezőkkel kell megszorozni. A szokásos állandó és hasznos terhelések kombinációját körülbelül 1,5-szeresre, míg a széllel és jéggel kapcsolatos extrém eseteket akár 2,5-szörösre kell növelni. Egyes különösen fontos tervezési feladatok közé tartozik például a vezetőkre ható maximális szélnyomás kiszámítása, a jéglerakódás meghatározása az NESC 250-1-es táblázata alapján az adott zónákra, valamint a több extrém feltétel egyidejű bekövetkezése esetén fellépő összetett gravitációs erők kezelése. Vegyük példaként a rácsos tornyokat: egy 200 kN-os normál vezetőfeszültséget kibírni képes torony ténylegesen 300–500 kN közötti terhelést is elvisel, ha az összes biztonsági tényezőt figyelembe vesszük. Ez a beépített redundancia hozzájárul a szerkezeti integritás biztosításához, miközben a legtöbb projekt esetében a költségek továbbra is ésszerű határok között maradnak.

Az éghajlatálló képességre vonatkozó vita: A szél/jég események intenzitásának növekedése mellett újraértékeljük a minimális biztonsági tartalékokat

Az utóbbi időben egyre gyakoribb és intenzívebb összetett időjárási eseményeket figyelünk meg, különösen azokat, amelyek szél- és jégkombinációkat foglalnak magukban. A régi biztonsági tényezők már nem elegendőek. Azok a hagyományos 1,5-szörös szorzók teljesen figyelmen kívül hagyják azt a mechanizmust, amellyel a dolgok kifognak, ha még vékony jégrétegek is találkoznak erős szelekkel. Valójában olyan esetekben is megfigyeltük, hogy a terhelésmérések háromszorosára nőttek az elvártnál. Az Edison Electric Institute és az NIST Grid Resilience (Hálózati Rugalmasság) csoportja például új, éghajlati sebezhetőségeket figyelembe vevő szorzók bevezetését sürgeti. Ezeket a módosításokat elsősorban a nagyobb kockázatnak kitett területeken kívánják alkalmazni – gondoljunk például az Észak-Amerikai Közép-Nyugat jégövezetére vagy a hurrikánok által rendszeresen érintett Golf-partvidékre. Tervezett az ASCE 7 szabványok frissítése úgy, hogy azokba helyi éghajlati adatokat építsenek be, így minden olyan területen, ahol a történeti adatok növekvő veszélyt jeleznek, a minimális követelményeket a jelenlegi szinteknél legalább kétszeresre emelik. Ez a megközelítés azt a „gyöngéd pontot” keresi, ahol a pénz okosan fordítódik el, miközben valóban csökkentjük a már ismert kockázatokat.

Teherbíró képesség extrém és egyensúlytalan meghibásodási forgatókönyvek mellett

Vezető szakadása: Hirtelen terhelésmentesítés és aszimmetrikus feszültség-újraelosztás

Amikor a vezetékek meghibásodnak, például fémfáradás, galoppozó rezgések vagy súlyos viharok okozta károsodás miatt, az rendszerben hirtelen feszültségveszteséget eredményez. Ezek a veszteségek egyensúlytalanságot okoznak, amely továbbterjed a szomszédos szakaszokra és a tartóoszlopokra. Mi történik ezután? A plusz terhelés szerkezeti problémákat okozhat, például nyomott elemek kifordulását vagy az rögzítő csavarok törési határának túllépését. A mérnökök ma már speciális tulajdonságokkal ellátott oszlopokat építenek, amelyek jobban képesek kezelni ezeket a váratlan erőhatásokat. Fejlett módszerekkel elemezik, hogyan terjednek a terhelések a szerkezeteken keresztül, és tartalék támasztórendszereket építenek be, hogy minden stabil maradjon, még akkor is, ha egy vezeték megszakad. Terepvizsgálatok szerint az újabb NESC Melléklet B szabványai szerint, dinamikus terhelésre méretezett oszlopok körülbelül kétharmadával csökkentették a láncreakciós meghibásodások gyakoriságát összehasonlítva a régebbi, statikus tervezési megközelítésekkel.

Kiegyensúlyozatlan jégterhelés: Aszimmetriából eredő torzió, hajlítás és fokozatos összeomlás kockázata

Amikor a jég egyenetlenül rakódik le egy toronyra vagy vezetőkészletre, csavaró erőket és középponton kívüli hajlításokat okoz, amelyek messze meghaladják a szokásos tervezési paramétereket. Ebben az egyensúlyhiányban rejlik a régi infrastruktúra-rendszerekben megfigyelhető fokozatos összeomlások legtöbbje, különösen akkor, ha a fémes alkatrészek idővel korróziós károsodást szenvedtek, vagy korábbi sérülésük gyengítette a kritikus kapcsolódási pontokat. Ennek a problémának a megoldásához a mérnököknek nemcsak az anyagok szilárdságára, hanem rugalmasságára – azaz képességükre is figyelniük kell a törés nélküli hajlításra és a csavaró erők elleni ellenállásra. A valós világ is sokat elárul: tekintsük például a 2021-es nagy fagyot Texasban. Azok a tornyok, amelyek minden oldalukon megfelelő átlós merevítéssel voltak ellátva, és amelyek acélból készültek – olyan acélból, amely nyújtható, nem pedig törékeny –, tökéletesen ellenálltak, még akkor is, ha vezetőik szél felőli oldalán több mint 2 centiméteres jégréteg alakult ki.

Szerkezeti megerősítés és alapozástervezés optimális torony teherbírás érdekében

Megerősítő rendszerek: Átlós hatékonyság a kifordulás, a torzió és a lengés elleni ellenállásban

A átlós merevítés háromszögeket használ a oldalirányú erők és a csavaró mozgások egyenes vonalú erőkké alakítására, amely javítja az anyagok teljesítményét, miközben megakadályozza a túlzott hajlást. A nyomott elemek esetében a megfelelő szögbeállítás megakadályozza, hogy azok összeomlanak a nyomás hatására, egyszerűen csökkentve hatásos hosszukat. A szél vagy egyenetlen jéglerakódás okozta csavaró hatás ellen a mérnökök gyakran derékszögben keresztmerevítést szerelnek fel, amely erős vázszerkezeteket hoz létre, képesek ellenállni a forgásnak. A támaszok tényleges elhelyezési szögeit gondos számítások alapján kell meghatározni, hogy biztosítsák az épületek állékonyságát a mozgás során, ugyanakkor lehetővé tegyék a normális hőmérsékletváltozások miatti kiterjedést. Szakmai folyóiratokban megjelent tanulmányok szerint a minőségi merevítési rendszerek körülbelül 40 százalékkal növelhetik a teherbírást az ilyen támaszok nélküli épületekhez képest. Ez a fajta erősítés továbbra is az egyik legjobb értékarányú megoldás új építkezések vagy meglévő szerkezetek felújítása esetén egyaránt.

Alapozási megoldások: Fúrt cölöpök vs. terjesztett alapok felborulás és talajteherbírás szempontjából

A használt alapozás típusa határozza meg, hogy egy torony ellenáll-e az átbillenés, a felemelkedés és a nem egyenletes süllyedés okozta erőknek. A fúrt cölöpök, más néven kajsszonok kb. 15–30 méter mélységig hatolnak le a szilárd talajrétegekbe. Ezek kiválóan működnek összetartó talajokban és erős széljárású területeken, mivel mind a oldalfelületük mentén ébredő súrlódást, mind az aljukon lévő támasztást kihasználják. Jobb ellenállást nyújtanak a felemelkedés és az átbillenés ellen, és összességében kevesebb betont igényelnek, mint más megoldások. A szétterjedő alapozások másképp működnek: széles alapterületre van szükségük, amely általában négyszer–nyolcszor nagyobb, mint maga a torony alapja. Ezek akkor működnek legjobban, ha tömörített homokos vagy kavicsos talajba épülnek, ahol a talaj jelentős terhelést bír el anélkül, hogy besüllyedne. A hátrányuk? A fúrt cölöpök által földrengés idején vagy nedves talaj esetén biztosított stabilitási szint eléréséhez a szétterjedő alapozásoknál kb. 60 százalékkal több betonra van szükség. Mindazonáltal bármilyen döntés meghozatala előtt elengedhetetlenül szükséges részletes információk beszerzése a ténylegesen a felszín alatt lévő körülményekről megfelelő geológiai vizsgálatok útján. Az alapozási megoldások gyors szabályok alapján, a valós helyszíni körülmények figyelmen kívül hagyásával történő kiválasztása a legtöbb gyakorlatban tapasztalt toronyhibát eredményezi.

GYIK

Mi a gravitációs terhelés a távvezetéki tornyokon?

A gravitációs terhelések tartalmazzák a vezetékek, szigetelők, szerelvények és magának a toronynak a súlyát, amely a normál üzemelési terhelések körülbelül 60–70 százalékát teszi ki.

Miért fontos a kereszterhelések figyelembevétele a torony tervezése során?

A szélből származó kereszterhelések idővel rezgést és repedéseket okozhatnak a szerkezetekben. A keresztkötések segítenek ezen erők elosztásában a stabilitás fenntartása érdekében.

Hogyan befolyásolja a jéglerakódás a távvezetéki tornyokat?

A jéglerakódás növeli a tömeget és a felületet, így fokozza a mechanikai feszültséget viharok idején, és potenciálisan súlyosabb csavarodást és hajlítást eredményezhet.

Milyen biztonsági szabványok vonatkoznak a távvezetéki tornyokra?

Az ASCE 7-22 és az NESC 2023 szabványok 1,5–2,5-ös terhelési tényezőket állapítanak meg a bizonytalanságok és extrém körülmények – például a szél és a jég – figyelembevételére.