ความต้องการความสามารถในการรับน้ำหนักของหอคอยจ่ายไฟคืออะไร?

โหลดโครงสร้างหลักที่กระทำต่อหอส่งกำลัง

โหลดจากแรงโน้มถ่วง: น้ำหนักสายไฟฟ้า อุปกรณ์ประกอบ และน้ำหนักตัวหอส่งกำลังเอง

แรงโน้มถ่วงหรือแรงคงที่ที่กระทำต่อหอส่งไฟฟ้า ได้แก่ น้ำหนักของสายไฟฟ้า ฉนวนกันไฟฟ้า ชิ้นส่วนฮาร์ดแวร์ต่างๆ รวมทั้งน้ำหนักของตัวหอส่งไฟฟ้าเอง แรงลงด้านล่างแบบคงที่เหล่านี้มักคิดเป็นประมาณร้อยละ 60 ถึง 70 ของภาระการใช้งานตามปกติที่วิศวกรพิจารณาสำหรับโครงสร้างเหล่านี้ การคำนวณน้ำหนักจริงและสมบัติของวัสดุอย่างแม่นยำในขั้นตอนการออกแบบเบื้องต้นมีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากความผิดพลาดในขั้นตอนนี้อาจนำไปสู่ปัญหาในอนาคต เช่น วัสดุเกิดการโค้งงออย่างค่อยเป็นค่อยไป ฐานรากทรุดตัว หรือชิ้นส่วนสึกหรอเร็วกว่าที่คาดไว้ หากนักออกแบบประเมินน้ำหนักพื้นฐานเหล่านี้ต่ำกว่าความเป็นจริง จะก่อให้เกิดปัญหาร้ายแรงในภายหลัง โดยเฉพาะเมื่อมีแรงกระทำเพิ่มเติมจากสภาพอากาศเข้ามาเกี่ยวข้องด้วย

แรงด้านข้าง: แรงดันลม ลมกระโชกแบบพลวัต และผลกระทบจากการแยกตัวของกระแสวน (vortex shedding)

ลมแรงส่งผลให้เกิดแรงดันข้างที่มีน้ำหนักมากต่อหอคอยและสายเคเบิลที่ใช้ยึดรองรับ ลมกระโชกอย่างฉับพลันอาจก่อให้เกิดจุดสูงสุดของแรงดันอย่างไม่คาดคิด และเมื่อลมไหลผ่านองค์ประกอบโครงสร้าง จะก่อให้เกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่า "การหลุดตัวของกระแสวน" (vortex shedding) รูปแบบการสั่นสะเทือนแบบเป็นจังหวะนี้จะทำให้โครงสร้างสั่นสะเทือนที่ความถี่ธรรมชาติของมัน ซึ่งในระยะยาวจะนำไปสู่การเกิดรอยแตกจากการรับแรงซ้ำๆ อย่างต่อเนื่อง ตามมาตรฐานที่กำหนดโดย ASCE 7-22 โครงสร้างใดๆ ที่ออกแบบไว้สำหรับพื้นที่ที่มีแนวโน้มประสบลมแรง จำเป็นต้องสามารถรับมือกับสภาพพายุที่มีโอกาสเกิดขึ้นได้ทุก 50 ปี การใช้โครงสร้างยึดไขว้ (cross bracing) ไม่ใช่เพียงแค่คุณสมบัติเสริมที่เพิ่มเข้ามาเพื่อความมั่นใจเท่านั้น แต่เป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งต่อการกระจายโหลดอย่างเหมาะสม หากไม่มีโครงสร้างยึดไขว้เหล่านี้อยู่ แรงลมที่ไม่ได้รับการควบคุมจะทำให้จุดเชื่อมต่อสึกกร่อนเร็วกว่าปกติอย่างมาก และในที่สุดจะทำลายเสถียรภาพโดยรวมของโครงสร้าง

การขยายผลกระทบจากสิ่งแวดล้อม: การสะสมของน้ำแข็งและการเพิ่มพูนโหลดแบบไม่เป็นเชิงเส้น

เมื่อน้ำแข็งสะสมตัวบนสายส่งไฟฟ้า จะทำให้แรงโน้มถ่วงทั่วไปและแรงดันลมเปลี่ยนเป็นปัญหาที่รุนแรงซึ่งไม่สามารถคำนวณได้อย่างตรงไปตรงมา น้ำแข็งเพียง 1 เซนติเมตรที่หุ้มรอบตัวนำจะเพิ่มน้ำหนักให้กับตัวนำประมาณ 15 กิโลกรัมต่อเมตร ขณะเดียวกันก็ทำให้พื้นที่ผิวที่รับแรงลมเพิ่มขึ้นราว 30 เปอร์เซ็นต์ การรวมกันของปัจจัยเหล่านี้อาจทำให้ภาระเชิงกลที่สายส่งต้องรับไหวเพิ่มขึ้นเป็นสามเท่าในบางสภาวะพายุฤดูหนาว ปัญหาจะรุนแรงยิ่งขึ้นไปอีกเมื่อน้ำแข็งเกิดขึ้นอย่างไม่สม่ำเสมอตามส่วนต่าง ๆ ของสายส่ง ซึ่งก่อให้เกิดแรงบิดและแรงดัดที่การออกแบบมาตรฐานส่วนใหญ่ไม่ได้ถูกออกแบบมาเพื่อรับมือไว้แต่แรก มองไปข้างหน้า แบบจำลองสภาพภูมิอากาศล่าสุดจาก NOAA ชี้ว่าภายในปี ค.ศ. 2040 เราอาจเผชิญกับจำนวนพายุน้ำแข็งรุนแรงและพายุเฮอริเคนระดับหมวดหมู่ 4 ที่เพิ่มขึ้นถึง 30 เปอร์เซ็นต์ ด้วยแนวโน้มเหล่านี้ วิศวกรจึงจำเป็นต้องเลิกมองปัจจัยความปลอดภัยเฉพาะภูมิภาคเป็นเพียงองค์ประกอบเสริมที่ไม่จำเป็น และเริ่มผสานปัจจัยเหล่านี้เข้าไปโดยตรงในการออกแบบ หากเราต้องการให้โครงข่ายไฟฟ้าของเราคงความน่าเชื่อถือได้แม้ภายใต้เหตุการณ์สภาพอากาศสุดขั้วที่ทวีความรุนแรงมากขึ้นเรื่อย ๆ

ระยะปลอดภัยและมาตรฐานการรับน้ำหนักตามข้อบังคับสำหรับหอส่งกำลัง

ข้อกำหนด ASCE 7-22 และ NESC 2023: ปัจจัยน้ำหนักแบบชื่อ (nominal load factors) 1.5 เท่า ถึง 2.5 เท่า

มาตรฐาน ASCE 7-22 ร่วมกับข้อบังคับ NESC 2023 ฉบับล่าสุด ได้กำหนดขอบเขตความปลอดภัยที่จำเป็นไว้ เพื่อช่วยครอบคลุมความไม่แน่นอนในการสร้างแบบจำลอง ความแปรผันของวัสดุ และความคลาดเคลื่อนที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ในระหว่างการก่อสร้าง ตามรหัสข้อบังคับเหล่านี้ วิศวกรจำเป็นต้องคูณชุดแรงที่กระทำร่วมกันด้วยปัจจัยต่าง ๆ ขึ้นอยู่กับสถานการณ์ที่เกิดขึ้น โดยปกติแล้ว แรงถาวร (dead load) รวมกับแรงใช้งาน (live load) จะถูกคูณด้วยค่าประมาณ 1.5 เท่า ในขณะที่สถานการณ์สุดขั้วที่เกี่ยวข้องกับลมและน้ำแข็งจะต้องใช้ค่าขยายแรงสูงสุดถึง 2.5 เท่า บางสถานการณ์การออกแบบที่มีความสำคัญเป็นพิเศษ ได้แก่ การคำนวณแรงดันลมสูงสุดที่กระทำต่อสายไฟฟ้า การระบุปริมาณน้ำแข็งสะสมตามตาราง 250-1 ของ NESC สำหรับโซนเฉพาะ และการวิเคราะห์แรงโน้มถ่วงรวมเมื่อเกิดสภาวะสุดขั้วหลายประการพร้อมกัน ยกตัวอย่างเช่น โครงสร้างหอคอยแบบตาข่าย (lattice towers) หอคอยที่ออกแบบให้รับแรงดึงของสายไฟฟ้าภายใต้สภาวะปกติได้ 200 กิโลนิวตัน จริง ๆ แล้วจะต้องสามารถทนต่อแรงดึงได้ระหว่าง 300 ถึง 500 กิโลนิวตัน เมื่อพิจารณาปัจจัยความปลอดภัยทั้งหมดที่เกี่ยวข้อง ความซ้ำซ้อนภายในโครงสร้างนี้ช่วยให้มั่นใจในความสมบูรณ์แข็งแรงของโครงสร้าง ขณะเดียวกันก็ยังคงควบคุมต้นทุนให้อยู่ในระดับที่เหมาะสมสำหรับโครงการส่วนใหญ่

การอภิปรายเรื่องความยืดหยุ่นต่อสภาพภูมิอากาศ: การทบทวนใหม่เกี่ยวกับระยะห่างด้านความปลอดภัยขั้นต่ำ ท่ามกลางเหตุการณ์ลมแรงและน้ำแข็งที่รุนแรงขึ้น

ช่วงไม่กี่ปีมานี้ เราสังเกตเห็นเหตุการณ์สภาพอากาศแบบผสมผสานที่เกิดขึ้นบ่อยขึ้นและรุนแรงยิ่งขึ้น โดยเฉพาะเหตุการณ์ที่เกี่ยวข้องกับลมและน้ำแข็งร่วมกัน ปัจจัยด้านความปลอดภัยแบบเดิมๆ นั้นไม่เพียงพออีกต่อไปแล้ว ตัวคูณแบบดั้งเดิมที่ใช้กันทั่วไป (เช่น 1.5 เท่า) นั้นไม่สามารถสะท้อนความรุนแรงที่แท้จริงได้เลย เมื่อแม้แต่ชั้นน้ำแข็งบางๆ ก็สามารถทำให้สถานการณ์ลุกลามอย่างรวดเร็วเมื่อเผชิญกับลมแรง ในบางกรณี เราพบว่าค่าการวัดแรงโหลดพุ่งสูงกว่าที่คาดการณ์ไว้มากถึงสามเท่า องค์กรต่างๆ เช่น Edison Electric Institute และทีมงานด้านความยืดหยุ่นของโครงข่ายไฟฟ้า (Grid Resilience) ของสถาบันมาตรฐานเทคโนโลยีแห่งชาติสหรัฐอเมริกา (NIST) กำลังผลักดันให้มีการกำหนดตัวคูณใหม่ที่คำนึงถึงความเปราะบางจากสภาพภูมิอากาศ พวกเขาต้องการให้มีการนำการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ไปใช้โดยเฉพาะในพื้นที่ที่มีความเสี่ยงสูง เช่น แถบเขตที่มีน้ำแข็งปกคลุมทางตอนกลางของสหรัฐอเมริกา (Midwest ice belt) หรือชายฝั่งอ่าวเม็กซิโก (Gulf Coast) ซึ่งมักประสบภัยพายุเฮอริเคนเป็นประจำ มีแผนจะปรับปรุงมาตรฐาน ASCE 7 โดยการผสานข้อมูลสภาพภูมิอากาศระดับท้องถิ่นเข้าไป เพื่อกำหนดข้อกำหนดขั้นต่ำที่สูงกว่าระดับปัจจุบันอย่างน้อยสองเท่า ทุกที่ที่ประวัติศาสตร์แสดงให้เห็นว่าความเสี่ยงกำลังเพิ่มขึ้น แนวทางนี้มุ่งหวังที่จะหาจุดสมดุลที่เหมาะสมระหว่างการใช้จ่ายเงินอย่างชาญฉลาดกับการลดความเสี่ยงที่เรารู้ดีว่ามีอยู่จริง

ความสามารถในการรับน้ำหนักภายใต้สถานการณ์ล้มเหลวสุดขีดและไม่สมดุล

สายไฟขาด: การปล่อยแรงโหลดอย่างฉับพลันและการกระจายแรงตึงแบบไม่สมมาตร

เมื่อสายไฟฟ้าเกิดความล้มเหลวจากสาเหตุต่าง ๆ เช่น การเหนื่อยล้าของโลหะ การสั่นสะเทือนแบบกาโลปิง (galloping vibrations) หรือความเสียหายจากพายุรุนแรง จะส่งผลให้ระบบสูญเสียแรงตึงอย่างฉับพลัน ความสูญเสียนี้ก่อให้เกิดความไม่สมดุลซึ่งถ่ายทอดต่อไปยังช่วงสายที่อยู่ข้างเคียงและหอบอกที่รองรับ สิ่งที่เกิดขึ้นต่อไปคืออะไร? ความเครียดเพิ่มเติมอาจก่อให้เกิดปัญหาเชิงโครงสร้าง เช่น การโก่งตัวหรือยุบตัวของส่วนที่รับแรงอัด หรือทำให้สลักยึด (anchor bolts) รับแรงเกินจุดหักหัก วิศวกรจึงออกแบบหอบอกในปัจจุบันให้มีคุณลักษณะพิเศษที่ช่วยให้สามารถรับมือกับแรงที่เกิดขึ้นอย่างไม่คาดคิดได้ดีขึ้น ทั้งนี้ใช้วิธีการวิเคราะห์ขั้นสูงเพื่อศึกษาการกระจายของแรงผ่านโครงสร้าง และรวมระบบรับรองสำรองไว้ด้วย เพื่อให้ทั้งระบบคงความมั่นคงแม้ในกรณีที่สายไฟฟ้าหนึ่งเส้นขาด ผลจากการทดสอบภาคสนามแสดงว่า หอบอกที่สร้างตามมาตรฐาน NESC Annex B ฉบับล่าสุดสำหรับการรับโหลดแบบไดนามิก สามารถลดอัตราการล้มเหลวแบบลูกโซ่ลงได้ประมาณสองในสาม เมื่อเปรียบเทียบกับแนวทางการออกแบบแบบสถิต (static design) รุ่นเก่า

การโหลดน้ำแข็งแบบไม่สมดุล: ความบิดตัว ความโค้งงอ และความเสี่ยงต่อการพังทลายแบบก้าวหน้าที่เกิดจากความไม่สมมาตร

เมื่อน้ำแข็งสะสมตัวอย่างไม่สม่ำเสมอบนหอคอยหรือชุดสายนำไฟฟ้า จะก่อให้เกิดแรงบิดและแรงโค้งที่เบี่ยงศูนย์ซึ่งมีค่าสูงกว่าที่การออกแบบมาตรฐานทั่วไปจะคำนึงถึงไว้มาก ความไม่สมดุลประเภทนี้เป็นสาเหตุหลักของภาวะการพังทลายแบบค่อยเป็นค่อยไปที่เราสังเกตเห็นในระบบโครงสร้างพื้นฐานเก่าแก่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อชิ้นส่วนโลหะผุกร่อนจากกาลเวลา หรือได้รับความเสียหายมาก่อนหน้านี้จนทำให้จุดเชื่อมต่อสำคัญอ่อนแอลง เพื่อแก้ไขปัญหานี้ วิศวกรจำเป็นต้องให้ความสำคัญไม่เพียงแต่กับความแข็งแรงของวัสดุเท่านั้น แต่ยังต้องพิจารณาความสามารถของวัสดุในการโค้งงอโดยไม่หัก และความต้านทานต่อแรงบิดด้วย ข้อเท็จจริงจากโลกแห่งความเป็นจริงก็ให้บทเรียนที่สำคัญเช่นกัน — ลองพิจารณาเหตุการณ์คลื่นความเย็นครั้งใหญ่ในรัฐเท็กซัสเมื่อปี ค.ศ. 2021 หอคอยที่ติดตั้งโครงยึดแนวทแยงมุมอย่างเหมาะสมรอบทุกด้าน และผลิตจากเหล็กที่สามารถยืดตัวได้แทนที่จะหักขาด สามารถรับมือได้อย่างสมบูรณ์แบบแม้จะมีน้ำแข็งสะสมตัวหนาเกิน 2 เซนติเมตรบริเวณด้านที่รับลมของสายนำไฟฟ้า

การเสริมความแข็งแรงของโครงสร้างและการออกแบบฐานรากเพื่อประสิทธิภาพการรับน้ำหนักของหอคอยสูงสุด

ระบบยึดเสริม: ประสิทธิภาพของแนวทแยงในการต้านการโก่งตัว การบิด และการสั่นไหว

การใช้โครงยึดแนวทแยงทำให้เกิดรูปสามเหลี่ยม ซึ่งเปลี่ยนแรงที่กระทำในแนวข้างและโมเมนต์บิดให้กลายเป็นแรงในแนวเส้นตรง ทำให้วัสดุทำงานได้มีประสิทธิภาพมากขึ้น และช่วยป้องกันไม่ให้โครงสร้างโก่งตัวมากเกินไป เมื่อจัดการกับชิ้นส่วนรับแรงกด (compression members) การวางมุมของโครงยึดอย่างเหมาะสมจะช่วยป้องกันไม่ให้ชิ้นส่วนเหล่านั้นเกิดการโก่งตัว (buckling) ภายใต้แรงกด โดยการลดความยาวที่มีผลในการรับแรงกด (effective length) ลงอย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อต่อต้านการบิดหมุนที่เกิดจากลมพัดหรือการสะสมของน้ำแข็งที่ไม่สม่ำเสมอ วิศวกรมักติดตั้งโครงยึดไขว้ (cross bracing) ที่มุมฉาก ซึ่งช่วยสร้างโครงสร้างกรอบที่แข็งแรงและสามารถต้านทานการหมุนได้ดี มุมที่แท้จริงซึ่งใช้ติดตั้งโครงยึดเหล่านี้จำเป็นต้องคำนวณอย่างรอบคอบ เพื่อให้สามารถรักษาความมั่นคงของอาคารไว้ได้แม้ขณะเกิดการเคลื่อนไหว แต่ยังคงอนุญาตให้โครงสร้างขยายตัวตามปกติเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงได้ งานวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสารวิชาการระดับมืออาชีพบ่งชี้ว่า ระบบโครงยึดคุณภาพสูงสามารถเพิ่มความสามารถในการรับน้ำหนักได้ประมาณร้อยละ 40 เมื่อเทียบกับอาคารที่ไม่มีโครงยึดประเภทนี้ การเสริมความแข็งแรงด้วยวิธีนี้ยังคงเป็นหนึ่งในทางเลือกที่คุ้มค่าที่สุด ไม่ว่าจะเป็นการก่อสร้างอาคารใหม่หรือการปรับปรุงโครงสร้างที่มีอยู่แล้ว

โซลูชันสำหรับฐานราก: ตอม่อเจาะเทียบกับฐานรากแบบแผ่ออก เพื่อรองรับแรงพลิกกลับและแรงรับน้ำหนักจากดิน

ชนิดของรากฐานที่ใช้จะเป็นตัวกำหนดว่าหอคอยสามารถต้านทานแรงต่าง ๆ ได้หรือไม่ เช่น แรงพลิกกลับ แรงยกขึ้น และการทรุดตัวอย่างไม่สม่ำเสมอ รากฐานแบบเจาะ (Drilled shafts) ซึ่งยังเรียกกันอีกชื่อหนึ่งว่าคาสสัน (caissons) จะถูกเจาะลึกลงไปประมาณ 15 ถึง 30 เมตรในชั้นดินที่มีความแข็งแรง รากฐานประเภทนี้ให้ผลดีมากในดินที่มีความเหนียวและในพื้นที่ที่มีลมแรง เนื่องจากอาศัยทั้งแรงเสียดทานตามผิวด้านข้างและแรงรองรับที่ปลายฐาน จึงให้ความสามารถในการต้านแรงยกขึ้นหรือแรงพลิกกลับได้ดีกว่า ขณะเดียวกันก็ใช้คอนกรีตโดยรวมน้อยกว่าทางเลือกอื่น ๆ รากฐานแบบแผ่ (Spread footings) ทำหน้าที่แตกต่างออกไป โดยต้องการพื้นที่ฐานที่กว้างมาก โดยทั่วไปมีขนาดใหญ่กว่าฐานหอคอยจริง 4 ถึง 8 เท่า รากฐานประเภทนี้มักให้ผลดีที่สุดเมื่อวางบนดินทรายหรือดินกรวดที่ถูกบดอัดให้แน่นแล้ว ซึ่งดินประเภทนี้สามารถรับน้ำหนักมากได้โดยไม่ทรุดตัว ข้อเสียคือ เพื่อให้ได้ระดับความมั่นคงเทียบเท่ารากฐานแบบเจาะในกรณีเกิดแผ่นดินไหวหรือเมื่อดินเปียก รากฐานแบบแผ่จำเป็นต้องใช้คอนกรีตเพิ่มขึ้นประมาณ 60 เปอร์เซ็นต์ อย่างไรก็ตาม ก่อนตัดสินใจใด ๆ จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องได้รับข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับสภาพใต้ผิวดินจริงผ่านการสำรวจธรณีวิทยาอย่างเหมาะสม การเลือกรากฐานโดยอาศัยหลักการทั่วไปแบบรวดเร็วแทนที่จะพิจารณาจากเงื่อนไขเฉพาะของสถานที่จริง มักเป็นสาเหตุหลักของปัญหาที่พบได้บ่อยในการล้มเหลวของหอคอยในทางปฏิบัติ

คำถามที่พบบ่อย

โหลดจากแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อหอส่งไฟฟ้าคืออะไร

โหลดจากแรงโน้มถ่วงประกอบด้วยน้ำหนักของสายไฟฟ้า ฉนวนกันไฟฟ้า ชิ้นส่วนอุปกรณ์ และตัวหอส่งไฟฟ้าเอง ซึ่งคิดเป็นประมาณ 60 ถึง 70 เปอร์เซ็นต์ของโหลดในการทำงานปกติ

เหตุใดจึงจำเป็นต้องพิจารณาโหลดด้านข้างในการออกแบบหอส่งไฟฟ้า

โหลดด้านข้างจากลมอาจทำให้โครงสร้างเกิดการสั่นสะเทือนและแตกร้าวตามระยะเวลา การใช้โครงยึดไขว้ (cross bracing) ช่วยกระจายแรงเหล่านี้เพื่อรักษาความมั่นคงของโครงสร้าง

การสะสมของน้ำแข็งส่งผลกระทบต่อหอส่งไฟฟ้าอย่างไร

การสะสมของน้ำแข็งทำให้น้ำหนักและพื้นที่ผิวเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ความเครียดเชิงกลรุนแรงขึ้นในช่วงพายุ และอาจนำไปสู่การบิดและการโค้งงอที่รุนแรงยิ่งขึ้น

มาตรฐานความปลอดภัยสำหรับหอส่งไฟฟ้าคืออะไร

ASCE 7-22 และ NESC 2023 กำหนดปัจจัยโหลดไว้ระหว่าง 1.5 ถึง 2.5 เพื่อรองรับความไม่แน่นอนและสภาวะสุดขั้ว เช่น ลมและน้ำแข็ง