Які вимоги до несучої здатності електротехнічних опор?

Основні структурні навантаження, що діють на опори електропередачі

Гравітаційні навантаження: вага проводів, арматури та власна вага опори

Гравітаційні або постійні навантаження на опори ліній електропередачі включають такі складові, як вага проводів, ізоляторів, різних кріпильних деталей, а також самої опори. Ці постійні спрямовані вниз сили зазвичай становлять приблизно 60–70 % від того, що інженери вважають нормальними експлуатаційними навантаженнями для таких споруд. Точне визначення фактичної ваги та властивостей матеріалів на етапі початкового проектування має велике значення, оскільки помилки на цьому етапі можуть призвести до проблем у майбутньому, зокрема до поступового згинання матеріалів, осідання фундаментів або прискореного зносу компонентів. Якщо проектанти занижують ці базові значення ваги, це створює серйозні проблеми в подальшому, особливо коли до них додаються й навантаження, пов’язані з погодними умовами.

Поперечні навантаження: вітровий тиск, динамічні пориви вітру та ефекти вихрового зрыву

Сильні вітри чинять значний бічний тиск на щогли та їхні опорні кабелі. Раптові пориви можуть створювати неочікувані піки тиску, а коли повітряний потік обтікає конструктивні елементи, виникає явище, відоме як вихрова шединг-вібрація (vortex shedding). Цей коливальний режим фактично змушує конструкції вібрувати на їхніх власних частотах, що з часом призводить до утворення тріщин через повторювані цикли навантаження. Згідно зі стандартами ASCE 7-22, будь-який проект, реалізований у районах, схильних до сильних вітрів, має забезпечувати стійкість до умов «шторму розрахункової повторюваності один раз на 50 років». Хрестоподібне підсилення — це не просто додаткова функція, додана «на всякий випадок»; воно є абсолютно необхідним для правильного розподілу навантажень. Без таких хрестоподібних зв’язків неперевірені вітрові навантаження набагато швидше спричинять знос з’єднань і, зрештою, підкопають загальну стійкість конструкції.

Екологічне посилення: накопичення льоду та його нелінійне збільшення навантаження

Коли лід накопичується на повітряних лініях електропередачі, звичайні сили тяжіння та вітровий тиск перетворюються на серйозні проблеми, які не так просто розрахувати. Лише 1 см льоду навколо провідника додає приблизно 15 кг на метр до його ваги й одночасно збільшує площу поверхні, що піддається впливу вітру, приблизно на 30 відсотків. Цей поєднаний ефект у певних умовах зимових штормів може фактично потроїти механічне навантаження, яке лінія повинна витримувати. Ще більш погіршує ситуацію нерівномірне утворення льоду на різних ділянках лінії. Це створює крутильні зусилля та згинні напруження, які більшість типових конструкцій просто не здатні витримати. Згідно з останніми кліматичними прогнозами NOAA, до 2040 року ми, ймовірно, зазнаємо зростання кількості масштабних льодових штормів та ураганів категорії 4 на 30 відсотків. Враховуючи ці тенденції, інженерам слід припинити сприймати регіональні коефіцієнти безпеки як необов’язкові додаткові параметри й почати безпосередньо враховувати їх у своїх проектах, якщо ми хочемо, щоб наші електричні мережі залишалися надійними під час все більш екстремальних погодних явищ.

Запаси міцності та нормативні стандарти несучої здатності для електропередавальних щогл

Вимоги ASCE 7-22 та NESC 2023: коефіцієнти номінального навантаження від 1,5× до 2,5×

Стандарт ASCE 7-22 разом із новішими нормами NESC 2023 встановлює обов’язкові запаси міцності, які враховують невизначеності у моделюванні, варіації властивостей матеріалів та неминучі допуски при будівництві. Згідно з цими нормативними документами, інженери повинні множити комбінації навантажень на різні коефіцієнти залежно від конкретної ситуації. Для типових постійних і корисних навантажень коефіцієнт становить приблизно 1,5, тоді як у надзвичайних ситуаціях, пов’язаних із вітром і обледенінням, коефіцієнт підсилення може досягати 2,5. До деяких особливо важливих проектних ситуацій належать розрахунок максимальної вітрового тиску на провідники, визначення товщини шару льоду за таблицею 250-1 NESC для конкретних зон, а також розрахунок сумарних гравітаційних сил у випадку одночасного виникнення кількох надзвичайних умов. Наприклад, решітчаста опора, спроектована для витримання нормального зусилля в провіднику 200 кН, фактично повинна витримувати навантаження від 300 до 500 кН після застосування всіх коефіцієнтів запасу міцності. Цей вбудований резерв забезпечує структурну цілісність, водночас зберігаючи витрати в межах розумних значень для більшості проектів.

Дискусія щодо стійкості до кліматичних змін: переоцінка мінімальних запасів безпеки на тлі посилення вітрових/лідових подій

Останнім часом ми спостерігаємо все частіші та інтенсивніші складні погодні явища, зокрема ті, що пов’язані з поєднанням вітру й льоду. Старі коефіцієнти безпеки більше не забезпечують достатнього рівня захисту. Ці традиційні коефіцієнти, збільшені в 1,5 раза, повністю ігнорують те, як ситуація виходить з-під контролю навіть при взаємодії слабких льодових шарів із сильним вітром. У деяких випадках ми фактично фіксували стрибки навантаження понад утричі порівняно з очікуваними значеннями. Такі організації, як Інститут електроенергетики Едісона (Edison Electric Institute), а також фахівці Національного інституту стандартів і технологій США (NIST) у галузі стійкості енергосистем, наполягають на введенні нових коефіцієнтів, які враховуватимуть уразливість до кліматичних загроз. Вони пропонують реалізувати ці зміни насамперед у регіонах із підвищеним ризиком — наприклад, у «лідовому поясі» Середнього Заходу чи на узбережжі Мексиканської затоки, де регулярно виникають урагани. Передбачено оновлення стандартів ASCE 7 шляхом інтеграції локальних кліматичних даних, щоб встановлювати мінімальні вимоги на рівні понад удвічі перевищених порівняно з поточними там, де історичні дані свідчать про зростання небезпеки. Цей підхід намагається знайти оптимальний баланс між раціональним використанням коштів і реальною зменшенням відомих ризиків.

Несуча здатність у екстремальних та несиметричних сценаріях руйнування

Обрив провідника: раптове розвантаження та асиметричне перерозподіл навантаження

Коли проводи руйнуються через такі явища, як втома металу, галопуючі коливання або пошкодження внаслідок сильних штормів, це призводить до раптової втрати натягу в системі. Такі втрати створюють дисбаланс, який передається сусіднім прольотам та опорним щоглам. Що відбувається далі? Надлишкове навантаження може спричинити конструктивні проблеми, наприклад, втрату стійкості (прогинання) у стиснутих елементах або перевантаження анкерних болтів понад їх межу міцності. Сьогодні інженери проектують щогли з особливими конструктивними рішеннями, що забезпечують краще сприйняття таких неочікуваних навантажень. Вони застосовують передові методи аналізу розподілу навантажень у конструкціях та включають резервні системи підтримки, щоб забезпечити загальну стабільність навіть у разі обриву одного проводу. Згідно з польовими випробуваннями, щогли, побудовані відповідно до останніх стандартів Додатка B Національного електротехнічного кодексу (NESC) щодо динамічного навантаження, скоротили кількість каскадних аварій приблизно на дві третини порівняно зі старими підходами статичного проектування.

Несиметричне льодове навантаження: кручення, згин та ризик поступового обвалу, спричинені асиметрією

Коли лід накопичується нерівномірно на щоглі або провіднику, виникають крутильні зусилля та відхилення від центру, які значно перевищують те, що враховують стандартні конструкції. Саме така незбалансованість справді спричиняє більшість поступових обвалів у старих інфраструктурних системах, особливо коли металеві деталі піддалися корозії з часом або отримали попередні пошкодження, що ослабили критичні точки з’єднання. Щоб усунути цю проблему, інженерам слід зосередитися не лише на міцності матеріалів, а й на їхній здатності гнутися без руйнування та опиратися крутильним зусиллям. Реальні події також багато чого вказують: зверніть увагу на те, що сталося під час масового замерзання в Техасі у 2021 році. Щогли, оснащені належними діагональними розпорками з усіх боків і виготовлені зі сталі, яка може розтягуватися замість того, щоб ламатися, витримали навантаження ідеально, навіть попри те, що на навітряному боці їхніх провідників утворився шар льоду завтовшки понад 2 см.

Конструктивне пісилиття та проектування фундаменту для забезпечення оптимальної несучої здатності щогли

Системи підпор: діагональна ефективність у запобіганні втраті стійкості, крученню та бічному зміщенню

Діагональне підкріплення використовує трикутники для перетворення бічних сил і крутних рухів у силові зусилля, що діють по прямій лінії; це сприяє ефективнішій роботі матеріалів та запобігає надмірному згинанню. У разі стиснутих елементів правильне розташування кутів запобігає їхньому випинанню під навантаженням лише за рахунок скорочення їх ефективної довжини. Щоб протидіяти крутним моментам, спричиненим вітром або нерівномірним наростанням льоду, інженери часто встановлюють хрестоподібне підкріплення під прямим кутом, що формує міцні каркасні конструкції, здатні чинити опір обертанню. Фактичні кути розташування таких підпор вимагають ретельного розрахунку, щоб забезпечити стійкість будівель під час руху, але водночас дозволити нормальну теплову деформацію при зміні температури. Дослідження, опубліковані в професійних наукових журналах, свідчать, що якісні системи підкріплення можуть збільшити несучу здатність приблизно на 40 % порівняно з будівлями, що не мають такого підкріплення. Таке підсилення залишається одним із найефективніших за співвідношенням «вартість–ефект» рішень — як при будівництві нових, так і при модернізації існуючих конструкцій.

Рішення для фундаментів: буронабивні палі порівняно з розширеними фундаментами щодо вимог щодо опрокидування та несучої здатності ґрунту

Тип фундаменту визначає, чи зможе вежа витримувати такі навантаження, як опрокидування, підйом і нерівномірне осідання. Буронабивні палі, також відомі як кессони, заглиблюються приблизно на 15–30 метрів у щільні шари ґрунту. Вони особливо ефективні в зчеплюваних (коезійних) ґрунтах та районах із сильними вітрами, оскільки забезпечують спільну підтримку за рахунок тертя по бічних поверхнях і опори в основі. Це забезпечує кращий опір підйому або опрокидуванню при меншому загальному обсязі використаного бетону порівняно з іншими варіантами. Стрічкові (розширювані) фундаменти працюють інакше: їм потрібна значна площа основи — зазвичай у 4–8 разів більша за площу самої основи вежі. Вони найкраще показують себе в ущільнених піщаних або гравійних ґрунтах, де ґрунт здатний сприймати значні навантаження без просідання. Однак є й недолік: щоб досягти того самого рівня стійкості, що й буронабивні палі під час землетрусів або при намоканні ґрунту, стрічковим фундаментам потрібно приблизно на 60 % більше бетону. Проте перш ніж приймати будь-яке рішення, абсолютно необхідно отримати детальну інформацію про реальні умови підземних шарів за допомогою професійного геологічного дослідження. Спроби вибрати тип фундаменту, керуючись лише узагальненими правилами замість реальних умов майданчика, призводять до більшості проблем, пов’язаних із аварійними ситуаціями з вежами на практиці.

ЧаП

Що таке гравітаційні навантаження на електропередавальні щогли?

Гравітаційні навантаження включають вагу проводів, ізоляторів, кріпильних деталей та самої щогли й становлять приблизно 60–70 % від нормальних експлуатаційних навантажень.

Чому бічні навантаження важливо враховувати при проектуванні щогл?

Бічні навантаження від вітру можуть спричиняти вібрації та тріщини в конструкціях з часом. Хрестоподібне підкослення допомагає розподілити ці сили для забезпечення стабільності.

Як впливає накопичення льоду на електропередавальні щогли?

Накопичення льоду збільшує вагу та площу поверхні, посилюючи механічні напруження під час штормів і потенційно призводячи до більш суттєвого кручення та згинання.

Які стандарти безпеки діють для електропередавальних щогл?

ASCE 7-22 та NESC 2023 встановлюють коефіцієнти навантаження від 1,5 до 2,5 для врахування невизначеностей та екстремальних умов, таких як вітер і лід.