Ինչպես բարձրացնել հզորության փոխանցման աշտարակների քամու դիմադրությունը

Քամու բեռնվածության մեխանիզմները՝ ազդելով հաղորդման աշտարակների վրա

Քամու բեռնվածության մեխանիզմները առաջացնում են կրիտիկական լարվածություններ էլեկտրաէներգիայի հաղորդման աշտարակների վրա, ինչը պահանջում է ճշգրիտ հասկացողություն՝ քամու դիմացողության արդյունավետ դիզայնի համար: Աերոդինամիկ փոխազդեցությունները ստեղծում են բարդ ուժային օրինակներ՝ հատկապես բաց կառուցվածքով վանդակավոր կառուցվածքներում, որտեղ սահմանային շերտի անկայունությունը, առաձգական մեխանիզմների շրջանային արտանետումը (vortex shedding) և դինամիկ ամրապնդումը միավորվում են՝ ստորակետելով կառուցվածքային ամրությունը ուժեղ քամու դեպքերի ժամանակ:

Վանդակավոր աշտարակների մակերևույթների շուրջ սահմանային շերտի անկայունության առաջացումը և ճնշման անհավասարակշռությունը

Երբ քամին անցնում է վանդակավոր աշտարակների մոտով, այն ստեղծում է խառնվածության գոտիներ և մակերևույթի վրա ճնշման անհավասարաչափ բաշխում: Այս ճնշման տարբերությունները հանգեցնում են զգալի դիմադրության ուժերի, որոնք լրացուցիչ լարվածություն են ստեղծում կառուցվածքային միացման կետերում և կառուցվածքի բարակ մասերում, հատկապես այն դեպքում, երբ օդի հոսանքը կախվում է աշտարակի ներքին կառուցվածքում: Ուժեղ քամու ժամանակ հաճախ դիտվում է աշտարակի հակադիր կողմերի միջև 30%-ից ավելի ճնշման տարբերություն, ինչը արագացնում է այդ կարևոր միացման կետերի մաշվելու գործընթացը: Քամու խողովակում կատարված հետազոտությունները հաստատում են սա՝ ցույց տալով, որ այս ճնշման անհավասարակշռությունները իրականում վանդակավոր հաղորդալարային կառուցվածքներում կրկնվող լարվածության ցիկլերի հիմնական պատճառներից մեկն են, ինչպես նշված է «Քամու ինժեներագիտության ամսագիր»-ում 2017 թվականին հրապարակված հետազոտության արդյունքներում: Այս խնդրի լուծման համար ինժեներները սկսում են կարգավորել հատվածային ձեռքերի միջև եղած հեռավորությունը: Այս դիզայնի փոփոխությունը օգնում է խաթարել կազմակերպված օդի հոսանքի օրինաչափությունները և նվազեցնել ճնշման տարբերությունները՝ նախքան դրանք տարածվելը ամբողջ աշտարակի կառուցվածքով:

Շրջանային հոսանքների առաջացում, աերոդինամիկ ստվերավորում և դինամիկ ամպլիֆիկացիայի էֆեկտներ

Երբ քամին անցնում է աշտարակի տարրերի վրայով, այն ստեղծում է այսպես կոչված վիրտեքսային արտանետում, որը հանգեցնում է կառուցվածքների վրա ազդող հետ-առաջ ուղղված բարձրացնող և դիմադրող ուժերի։ Երբեմն այդ ուժերը համընկնում են կառուցվածքի բնական տատանման հաճախականության հետ, ինչը խնդիրներ է առաջացնում։ Վերին հոսանքում գտնվող օբյեկտները՝ օրինակ՝ մոտակա այլ աշտարակները կամ նույնիսկ լանդշաֆտի տարրերը, ստեղծում են ինժեներների կողմից «աերոդինամիկ ստվեր» անվանվող երևույթ։ Այդ ստվերները խանգարում են սովորական քամու մոդելներին և իրականում վատացնում են տարբեր տեղամասերում տարածվող մակերեսային անկանոնությունները (տուրբուլենտությունը)։ Բոլոր այս գործոնների համատեղ ազդեցությունը կարող է զգալիորեն ավելացնել կառուցվածքի պատասխան ռեակցիան։ Դաշտային փորձարկումները ցույց են տվել, որ այդ դեպքում նյութերի վրա ազդող լարումները կարող են մոտավորապես 40 %-ով աճել՝ համաձայն 2010 թվականի ASCE ձեռնարկ 74-ում բերված ուսումնասիրությունների։ Քամու անկյունագծային մոտեցումը այդ ստվերային էֆեկտները դեռ ավելի ուժեղացնում է։ Հենց այդ պատճառով էլ ինժեներները ստիպված են տեղադրել թարմացման համակարգեր, օրինակ՝ սյուների շուրջ պտտվող հելիկոիդային ստրեյքներ կամ բարձր շենքերի վրա տեսանելի հարմարված զանգվածային թարմացուցիչներ։ Դրանք օգնում են վերացնել վիրտեքսային օրինակները՝ մինչ դրանք դուրս չեն եկել վերահսկողությունից և չեն առաջացրել վնասներ այդ շղթայական ռեակցիայի արդյունքում։

Կրիտիկական ձախողման ռեժիմներ և կառուցվածքային թույլ կետեր բարձր արագությամբ քամիների դեպքում

Միացման ճկում և տարրերի անկայունություն. Ուսումնասիրություն թայֆուն «Մանգխուտ»-ի (2018) վերաբերյալ

Մանգխուտ ծովափնյա փոթորկի 200 կմ/ժ արագությամբ քամիները բացահայտեցին վահանաձև աշտարակների միացման եղանակում առկա լուրջ թուլությունները, ինչը Գուանդունի էլեկտրական ցանցում առաջացրեց վայրէջքների շղթայային ռեակցիա: Բոլտավորված միացումների վրա կենտրոնից դուրս գտնվող քամու ուժերի ազդեցությունը հանգեցրեց անկյունագծային կառուցվածքային տարրերի աստիճանաբար ծռմտալու՝ հատկապես նկատելի լինելով միջանցքային ձեռքերի միացման կետերում, որտեղ ծռմտման լարումներն ու սեղմման ուժերը գերազանցեցին միացման ամրությունը: Ավերածությունների վերլուծության ժամանակ պարզվեց, որ Մանգխուտի ժամանակ աշտարակների ավերվելու դեպքերի մոտ երեք չորսրորդը պայմանավորված էր հենց այդ միացման խնդիրներով, ինչը, համաձայն Չենի և նրա գործընկերների 2022 թվականին հրատարակած հետազոտության, հանգեցրեց 1,2 միլիարդ դոլարից ավելի վնասների: Սա տարբերվում է պարզ բաղադրիչների ավերման դեպքից նրանով, որ միացման խնդիրները արագ տարածվում են ամբողջ վահանաձև կառուցվածքով: Հենց այդ պատճառով էլ 2019 թվականին ընդունված նոր արդյունաբերական ստանդարտները, օրինակ՝ IEC 61400-24-ը, պահանջում են, որ ծովափնյա փոթորիկների հաճախ հարվածահարվող տարածքների համար միացումների նախագծման ժամանակ ինժեներները կատարեն ոչ գծային դինամիկ վերլուծություն:

Մաշվածությամբ պայմանավորված վատացումը ընդդեմ ստատիկ փլուզման. Ինչու՞ է ժամանակակից աշտարակների գնահատումը պետք է զարգանա

Շատ ավանդական մեթոդներ կենտրոնանում են ստատիկ փլուզման սահմանների վրա՝ բաց թողնելով քամու կրկնվող ազդեցության պատճառով աստիճանաբար առաջացող մաշվածության վնասը: Ըստ վերջերս կատարված ուսումնասիրությունների՝ քամու հետ կապված վթարումների մոտ 60 տոկոսը իրականում առաջանում է լարվածության կենտրոնացման կետերում փոքրիկ ճեղքերի տարածման հետևանքով, այլ ոչ թե հանկարծակի գերբեռնվածության դեպքերի հետևանքով, ինչպես նշված է EPRI-ի 2023 թվականի տարեկան ճկունության զեկույցում: Խնդիրը վատթարվում է նաև ափերի երկայնքով, քանի որ աղաջրի կոռոզիան համագործակցում է անընդհատ լարվածության ցիկլերի հետ՝ մոտավորապես կեսով կրճատելով նյութերի այդ ուժերին դիմադրելու ժամանակը: Այս հասկացության շնորհիվ շատ առաջատար էլեկտրական էներգիայի ընկերություններ սկսել են օգտագործել վնասակայուն գնահատման մոտեցումներ՝ փոխարենը միայն ամրության ստուգում կատարելու: Նրանք հին ստուգման մեթոդները փոխարինում են առաջադեմ փուլային զանգվածային ուլտրաձայնային ստուգմամբ, որը գտնում է մակերևույթի տակ թաքնված թերությունները՝ մինչև այդ ճեղքերը այնքան մեծանան, որ արդեն անտեսել հնարավոր չլինի:

Ապացուցված նախագծման ռազմավարություններ՝ աշտարակի քամու դիմադրությունը բարելավելու համար

Աերոդինամիկ բարելավումներ՝ խաչաձև մասերի երկրաչափական օպտիմալացում և մակերեսի նվազեցման տեխնիկա

Երբ ինժեներները փոխում են լայնական ձողերի ձևը, նրանք կարող են նվազեցնել հագուրդի ճակատային մակերեսին ազդող քամու չափը և կանխել այդ նեղված թռիչքային հոսանքների առաջացումը: Թվային տվյալներն էլ այս պնդումները հաստատում են. 2023 թվականին NREL-ի կատարած հետազոտության համաձայն՝ էլիպսաձև ձևերը իրականում 15–20 տոկոսով նվազեցնում են պտտվող օդի կողմից առաջացված տատանումները՝ համեմատած ավանդական քառանկյունաձև դիզայնների հետ: Մեկ այլ մեթոդ է քամու ազդեցության տակ գտնվող ընդհանուր մակերեսի նվազեցումը: Դա ներառում է կառուցվածքային տարրերի հնարավորինս հեռացումը և այն մասերում անցքերի անելը, որոնք չեն պետք կրելու բեռը: Այս փոփոխությունները շփման ուժը նվազեցնում են մոտավորապես 10–14 տոկոսով՝ միաժամանակ պահպանելով ամբողջ կառուցվածքի ամրությունն ու կայունությունը: Համակարգչային մոդելները, որոնք կոչվում են CFD սիմուլյացիաներ, ստուգում են, որ բոլոր այս բարելավումները ճիշտ են աշխատում՝ նույնիսկ երբ քամին հարվածում է տարբեր անկյուններով՝ 0 աստիճանից (ուղիղ ճակատային) մինչև 180 աստիճան (հակառակ ուղղությամբ): Հատկապես 50 մետրից բարձր աշտարակների համար, որոնք տեղակայված են փոթորիկների հաճախ տեղի ունեցող շրջաններում, կառուցվածքային տարրերի ավելի մեծ միջակայքով տարածելը՝ ապահովելով, որ պինդ նյութի հարաբերակցությունը մնա 0,3-ից ցածր, մեծ նշանակություն ունի: Սա նվազեցնում է ցանկալի չլինող տատանումները, մասնավորապես այն անկայուն եղանակային պայմաններում, երբ քամին միաժամանակ փչում է բազմաթիվ ուղղություններից:

Կառուցվածքային ամրապնդում. Ամրացման միջոցների բարելավում, միացման տեղերի կոշտացում և թափանցման ինտեգրում

Երբ կառուցվածքները ամրապնդվում են ձախողումների դեմ, ինժեներները կենտրոնանում են խնդրահարույց տեղամասերի վրա՝ օգտագործելով եռանկյունաձև ամրակայման համակարգեր, որոնք օգնում են տարածել կողային քամու ուժերը: Անկյունագծային ամրակայարանների մոդերնացումը կարող է մոտավորապես 25–30 տոկոսով մեծացնել կողային կոշտությունը: K-ամրակայման կառուցվածքը, ըստ 2019 թվականի IEC 61400-24 ստանդարտների, հատկապես արդյունավետ է ճնշման ենթակա մետաղական տարրերի ճկման կանխարգելման մեջ՝ շատ ուժեղ քամու գալարների դեմ: Միացման տեղերի կոշտացումը ներառում է, օրինակ, լրացուցիչ ամրակայման սալիկների ավելացում, մонтաժից առաջ բարձր ամրության պտուտակների լարում և հիմքի սալիկների ամրապնդում: Այս մոտեցումը նվազեցնում է պտտման խնդիրները և մոտավորապես 40 տոկոսով նվազեցնում է վատնման պատճառով ճաքերի առաջացման հավանականությունը: Քամու կողմից առաջացած ցնցումների դեմ լրացուցիչ պաշտպանության համար կիրառվում են լրացուցիչ թափանցիկ մեխանիզմներ, ինչպես օրինակ՝ ճշգրտված զանգվածային թափանցիկներ կամ վիսկոզ հեղուկով լցված սարքեր, որոնք կլանում են քամու կողմից առաջացած տատանումների ժամանակ կինետիկ էներգիայի մոտավորապես 15–25 տոկոսը: Ընդհանուր առմամբ, այս տարբեր մոտեցումները կառուցվածքների վթարման սահմանային արագությունը տեղափոխում են 55 մ/վ քամու արագությունից բարձր: Լիամասշտաբ փորձարկումները հաստատել են այս արդյունավետությունը սիմուլյացված տայֆունային պայմաններում, ինչը տալիս է ինժեներներին վստահություն իրենց նախագծերի նկատմամբ:

Հաճախ տրամադրվող հարցեր

Ինչ է այսպես կոչված թափանցման երևույթը (vortex shedding)։

Թափանցման երևույթը (vortex shedding) տեղի է ունենում, երբ քամին անցնում է կառույցի վրայով՝ առաջացնելով հերթափոխվող ցածր ճնշման գոտիներ, որոնք առաջացնում են առաջ-հետ շարժում, ինչը հանգեցնում է կառույցի վրա բարձրացման և դիմադրության ուժերի առաջացմանը։

Ինչպե՞ս կարող է աերոդինամիկ ստվերավորումը ազդել հաղորդակցային աշտարակի վրա։

Աերոդինամիկ ստվերավորումը խախտում է սովորական քամու օրինաչափությունները, ուժեղացնում է տարբերակվածությունը և մեծացնում աշտարակների կառուցվածքների վրա գործադրվող լարվածությունը, հատկապես այլ աշտարակների կամ լանդշաֆտի այլ տարրերի հետևում գտնվող տարածքներում:

Ինչ դիզայնային մոտեցումներ կարելի է կիրառել հաղորդակցային աշտարակների քամու դիմացկունությունը բարելավելու համար։

Դիզայնային մոտեցումների մեջ են մտնում հատվածային ձեռքերի (cross-arm) երկրաչափական օպտիմալացումը, մակերեսի նվազեցման մեթոդները, լրացուցիչ ամրակայման տարրերի ավելացումը, միացման հանգույցների կոշտացումը և թափանցման ուժերի սփռման ու կառուցվածքային թույլ կետերի կանխման համար թափանցման թույլատրվող սարքերի (damping) ինտեգրումը։