Aká je požiadavka na nosnú kapacitu elektrických veží?

Základné štrukturálne zaťaženia pôsobiace na elektrické veže

Gravitačné zaťaženia: hmotnosť vodičov, príslušenstva a vlastná hmotnosť veže

Gravitačné alebo statické zaťaženia na vežiach elektrických vedení zahŕňajú hmotnosť vodičov, izolátorov, rôznych technických komponentov a samotnej veže. Tieto stále smerujúce nadol sily zvyčajne predstavujú približne 60 až 70 percent toho, čo inžinieri považujú za normálne prevádzkové zaťaženie týchto konštrukcií. Presné určenie skutočných hmotností a materiálových vlastností počas počiatočného návrhu je veľmi dôležité, pretože chyby v tejto fáze môžu v budúcnosti viesť k problémom, ako je postupné ohybovanie materiálov, sedimentácia základov alebo rýchlejšie opotrebovanie komponentov, než sa očakáva. Ak návrhári tieto základné hmotnosti podcení, vzniknú neskôr vážne problémy, najmä keď do hry vstúpia aj zaťaženia spôsobené počasím.

Bočné zaťaženia: veterný tlak, dynamické rázy vetra a efekty oddeľovania vírov

Silné vetry pôsobia na veže a ich podporné káble významným bočným tlakom. Náhle rázy môžu spôsobiť neočakávané špičky tlaku a keď vietor prúdi okolo konštrukčných prvkov, vzniká jav nazývaný vírové oddeľovanie. Tento oscilujúci vzor skutočne spôsobuje vibrácie konštrukcií pri ich vlastných frekvenciách, čo postupne vedie k vzniku trhlin spôsobených opakovanými cyklami zaťaženia. Podľa noriem stanovených v dokumente ASCE 7-22 musí byť akýkoľvek návrh postavený v oblastiach s vysokým vetrom schopný odolať podmienkam búrkového počasia s návratovou dohou 50 rokov. Krížové zosilnenie nie je len ďalšou funkciou pridanou ako doplnok – je absolútne nevyhnutné pre správne rozloženie zaťaženia. Bez týchto krížových podpor sa nekontrolovateľné sily vetra budú rýchlejšie opotrebovávať spojenia a postupne podkopajú stabilitu celej konštrukcie.

Zosilnenie vplyvom prostredia: hromadenie ľadu a jeho nelineárne zosilnenie zaťaženia

Keď sa na elektrických vedeniach usadzuje ľad, zvyčajné gravitačné sily a tlak vetra sa menia na vážne problémy, ktorých výpočet nie je priamočiary. Už len 1 centimeter ľadu okolo vodiča pripádza približne 15 kilogramov na meter jeho hmotnosti a zároveň zväčšuje plochu povrchu vystavenej pôsobeniu vetra asi o 30 percent. Táto kombinácia môže za určitých zimných búrkových podmienok mechanické zaťaženie vedenia dokonca ztrojnásobiť. Ešte závažnejšie je, keď sa ľad usadzuje nerovnomerne na rôznych častiach vedenia. To spôsobuje krútiace sily a ohybové napätia, ktorým väčšina štandardných konštrukcií jednoducho nebola navrhnutá na odolanie. Vzhľadom na najnovšie klimatické projekcie NOAA sa pravdepodobne do roku 2040 čelíme nárastu počtu veľkých ľadových búrok a hurikánov kategórie 4 o 30 percent. Vzhľadom na tieto trendy musia inžinieri prestáť považovať regionálne bezpečnostné faktory za nepovinné doplnky a začať ich priamo integrovať do svojich návrhov, ak chceme, aby naše elektrické siete zostali spoľahlivé aj v stále extrémnejších počasiových podmienkach.

Bezpečnostné rozpätia a regulačné normy pre nosnosť elektrických veží

Požiadavky ASCE 7-22 a NESC 2023: nominálne zaťažovacie faktory 1,5× až 2,5×

Štandard ASCE 7-22 spolu s novšími predpismi NESC 2023 stanovujú požadované bezpečnostné rozpätia, ktoré pomáhajú zohľadniť neistoty pri modelovaní, rozdiely v materiáloch a nevyhnutné stavebné tolerancie. Podľa týchto predpisov musia inžinieri násobiť kombinácie zaťažení rôznymi faktormi v závislosti od konkrétnej situácie. Bežné trvalé zaťaženie plus premenné zaťaženie sa násobia približne 1,5-násobkom, zatiaľ čo extrémne scenáre spojené s vetrom a ľadom vyžadujú zosilnenie až 2,5-násobkom. Niektoré obzvlášť dôležité návrhové situácie zahŕňajú výpočet maximálneho veterného tlaku na vodiče, určenie hromadenia ľadu podľa tabuľky 250-1 predpisov NESC pre konkrétne zóny a riešenie kombinovaných gravitačných síl v prípade súčasného výskytu viacerých extrémnych podmienok. Ako príklad uveďme mriežkové veže. Veža navrhnutá na výdrž normálneho vodičového napätia 200 kN musí v skutočnosti odolať napätiu v rozmedzí od 300 do 500 kN, ak sa uplatnia všetky bezpečnostné faktory. Táto zabudovaná redundancia zaisťuje štrukturálnu celistvosť a zároveň umožňuje udržať náklady v rozumnom rozsahu pre väčšinu projektov.

Diskusia o odolnosti voči klímate: Prehodnotenie minimálnych bezpečnostných vzdialeností na pozadí intenzifikujúcich sa udalostí s vetrom/ľadom

V poslednej dobe pozorujeme častejšie a intenzívnejšie zložené počasiové udalosti, najmä tie, ktoré zahŕňajú kombináciu vetra a ľadu. Staré bezpečnostné faktory už jednoducho nestačia. Tradičné násobitele 1,5-násobku úplne ignorujú to, ako rýchlo sa situácia môže vymknúť kontrole, keď dokonca tenké vrstvy ľadu stretne silný vietor. V niektorých prípadoch sme skutočne zaznamenali nárast zaťaženia viac ako trojnásobný oproti očakávaným hodnotám. Skupiny ako Edison Electric Institute spolu s odborníkmi NIST pre odolnosť elektrickej siete vyžadujú nové násobitele, ktoré zohľadňujú zraniteľnosť voči klimatickým zmenám. Tieto zmeny chcú zaviesť najmä v oblastiach s vyšším rizikom – napríklad v oblasti ľadového pásma Stredozápadu alebo na pobretí Zálivu, kde sa pravidelne vyskytujú hurikány. Plánuje sa aktualizovať normy ASCE 7 tak, aby do nich boli začlenené lokálne klimatické údaje, čím sa v oblastiach, kde históriu ukazujú stúpajúce nebezpečenstvá, stanovia minimálne požiadavky vyššie ako dvojnásobok súčasných úrovní. Tento prístup sa snaží nájsť optimálny kompromis medzi účelným využívaním finančných prostriedkov a skutočným znížením rizík, ktoré známe.

Nosná kapacita pri extrémnych a nesymetrických poruchových scenároch

Porucha vodiča: Náhle vybavenie a nesymetrické preerozdelenie napätia

Keď vodiče zlyhajú kvôli javom, ako je únavové poškodenie kovov, galopujúce vibrácie alebo poškodenie spôsobené extrémnymi búrkami, vznikajú v sústave náhle straty napätia. Tieto straty spôsobujú nerovnováhy, ktoré sa prenášajú na susedné rozpätia a podporné veže. Čo sa potom deje? Nadmerné zaťaženie môže spôsobiť štrukturálne problémy, ako je vybočenie stlačených častí alebo prekročenie medze pevnosti kotviacich skrutiek. Inžinieri dnes navrhujú veže so špeciálnymi vlastnosťami, ktoré im umožňujú lepšie zvládať tieto neočakávané sily. Používajú pokročilé metódy na analýzu prenosu zaťaženia cez konštrukcie a začínajú integrovať záložné podporné systémy, aby zostala celá sústava stabilná aj v prípade pretrhnutia jedného vodiča. Podľa polních testov veže postavené v súlade s najnovšími štandardmi NESC Príloha B pre dynamické zaťaženie znížili reťazové poruchy približne o dve tretiny v porovnaní so staršími statickými návrhovými prístupmi.

Nerovnomerné zaťaženie ľadom: torzia spôsobená asymetriou, ohyb a riziko progresívneho zrútenia

Keď sa ľad usadzuje nerovnomerne na veži alebo vedení, vznikajú torzné sily a vychýlenia mimo stredu, ktoré výrazne presahujú hodnoty, ktoré zohľadňujú štandardné návrhy. Tento druh nerovnováhy je v skutočnosti príčinou väčšiny postupných zrútení, ktoré pozorujeme v starších infraštruktúrnych systémoch, najmä keď sa kovové časti postupne korodovali alebo utrpeli predchádzajúce poškodenie, ktoré oslabilo kritické spojovacie body. Na vyriešenie tohto problému musia inžinieri zamerať pozornosť nielen na pevnosť materiálov, ale aj na ich schopnosť ohybať sa bez zlomenia a odolávať torzným silám. Skutočný svet nám tiež poskytuje veľa informácií – stačí sa pozrieť na udalosti po veľkej mraziacej vlny v Texase v roku 2021. Veže vybavené vhodným uhlopriečnym zosilnením na všetkých stranách a vyrobené z ocele, ktorá sa dokáže natiahnuť namiesto toho, aby sa zlomila, vydržali dokonale, hoci sa na návetrnej strane ich vodičov usadilo viac ako 2 cm ľadu.

Štrukturálne zosilnenie a návrh základov pre optimálny nosný výkon veží

Ztužovacie systémy: Diagonálna účinnosť pri odolávaní vybočeniu, krúteniu a výklonu

Šikmé záporovanie využíva trojuholníky na premenu bočných síl a krútiacich pohybov na sily pôsobiace pozdĺž priamych čiar, čím sa zvyšuje účinnosť materiálov a zároveň sa zabráni nadmernému ohybu. Pri tlakových prvkoch správne umiestnenie uhlíkových prvkov bráni ich vybočovaniu pod tlakom jednoducho skracovaním ich efektívnej dĺžky. Na odolanie proti krúteniu spôsobenému vetrom alebo nerovnomerným námrazom sa často inžinieri inštalujú krížové záporovanie pod pravým uhlom, ktoré vytvára pevné rámové konštrukcie schopné odolať rotácii. Skutočné uhly, v ktorých sú tieto podpery umiestnené, vyžadujú dôkladný výpočet, aby mohli udržať budovu stabilnú počas pohybu, ale zároveň umožniť bežnú tepelnú expanziu pri zmenách teploty. Štúdie publikované v odborných časopisoch uvádzajú, že kvalitné systémy záporovania môžu zvýšiť nosnú kapacitu približne o 40 percent v porovnaní s budovami bez takéhoto podporovania. Tento druh posilnenia stále patrí medzi najvýhodnejšie možnosti, či už ide o výstavbu novej stavby alebo modernizáciu existujúcich konštrukcií.

Riešenia základov: Vŕtané pilóty vs. rozšírené základové plošiny pre požiadavky na prevrátenie a nosnosť pôdy

Druh základu určuje, či sa veža dokáže odolať silám, ako je prevrátenie, zdvíhanie a nerovnomerné usadzovanie. Vŕtané pilierové základy, známe tiež ako kaisonové základy, siahajú do pevných vrstiev pôdy približne do hĺbky 15 až 30 metrov. Tieto základy sa veľmi dobre osvedčujú v lepkavých pôdach a v oblastiach s výraznými vetrami, pretože využívajú nielen trenie po ich bočných plochách, ale aj nosnú schopnosť v ich spodnej časti. Poskytujú lepšiu odolnosť voči zdvíhaniu alebo prevracaniu a zároveň vyžadujú menej betónu v porovnaní s inými možnosťami. Rozšírené (rozprestreté) základy fungujú inak. Potrebujú širokú základňu, ktorá je zvyčajne štyri až osemkrát väčšia ako samotná základňa veže. Najlepšie sa osvedčujú v zhutnených piesčitých alebo štrkovitých pôdach, kde môže povrch vydržať významné zaťaženie bez toho, aby sa začal zanášať. Nevýhodou je, že na dosiahnutie rovnakej úrovne stability, akú poskytujú vŕtané pilierové základy počas zemetrasení alebo pri namočení pôdy, rozšírené základy vyžadujú približne o 60 percent viac betónu. Pred rozhodnutím však je nevyhnutné získať podrobné informácie o skutočnom stavu podzemných vrstiev prostredníctvom správnych geologických skúšok. Pokusy o výber základov na základe rýchlych pravidiel namiesto reálnych podmienok na mieste vedú k väčšine problémov, ktoré sa v praxi vyskytujú pri zlyhávaní veží.

Často kladené otázky

Čo sú gravitačné zaťaženia elektrických veží?

Gravitačné zaťaženia zahŕňajú hmotnosť vodičov, izolátorov, montážnych dielov a samotnej veže a tvoria približne 60 až 70 percent normálnych prevádzkových zaťažení.

Prečo je dôležité pri návrhu veží brať do úvahy bočné zaťaženia?

Bočné zaťaženia spôsobené vetrom môžu viesť k vibráciám a prasklinám konštrukcií v priebehu času. Krížové zosilnenie pomáha tieto sily rozdeliť, aby sa udržala stabilita.

Ako ovplyvňuje hromadenie ľadu elektrické veže?

Hromadenie ľadu zvyšuje hmotnosť a povrchovú plochu, čím sa zosilňuje mechanické namáhanie počas búrok a potenciálne vznikajú závažnejšie torzné a ohybové namáhania.

Aké sú bezpečnostné normy pre elektrické veže?

Normy ASCE 7-22 a NESC 2023 stanovujú koeficienty zaťaženia v rozmedzí od 1,5 do 2,5 na zohľadnenie neurčitostí a extrémnych podmienok, ako sú vietor a ľad.