Зоны ураганов с высокой ветровой нагрузкой NESC C2: контроль толщины стенки и глубины заделки конических трубчатых стальных опор
Структурная проблема зон ураганов для линий электропередачи США
Юго-восток США, побережье Мексиканского залива и прибрежные регионы Атлантического океана каждый год сталкиваются с прямой угрозой ураганов. Экстремальные скорости ветра из-за ураганов могут нанести катастрофические повреждения стальным опорам электропередачи:ветровые нагрузки на проводники и заземляющие провода увеличиваются в геометрической прогрессии,корпус полюса выдерживает огромные поперечные изгибающие моменты, ифундамент подвергается как подъемным, так и опрокидывающим силам.
Крупные стихийные бедствия, такие как ураган Катрина (2005 г.), ураган Харви (2017 г.) и ураган Ян (2022 г.), привели к массовым обрушениям опор ЛЭП. Эти события побудили коммунальные предприятия и регулирующие органы США постоянно совершенствовать стандарты проектирования линий электропередачи в регионах, подверженных ураганам.
Для конических трубчатых стальных опор напряжением от 69 до 230 кВ,Толщина стенки и глубина заделки– это два основных параметра, определяющих устойчивость к ветру. В этой статье систематически излагаются требования к нагрузке и контроль параметров для проектирования опор для зон ураганов на основе правил NESC и стандартов проектирования ASCE/SEI 48-19.
Рамочные требования к нагрузке в зоне ураганов NESC
Национальный кодекс электробезопасности (NESC, ANSI C2)является обязательным основополагающим стандартом проектирования воздушных линий электропередачи в США. NESC делит страну на три района погодных нагрузок:ТЯЖЕЛЫЙ,СЕРЕДИНА, иСВЕТ. Для зон ураганов в первую очередь применяется район легкой загрузки:
Источник: Таблица 250-1 NESC.
Весь штат Флорида попадает в зону легкой погрузки, поэтому воздушные объекты должны быть спроектированы дляВетер 60 миль в час (давление ветра 9 фунтов на квадратный фут) + температура 30 °F.. Напротив, Пенсильвания находится в районе ТЯЖЕЛЫХ НАГРУЗОК, поэтому требуется проектирование для льда толщиной 0,5 дюйма + ветер со скоростью 40 миль в час..
Правило NESC 250C (экстремальная ветровая нагрузка)Еще одно важное требование к проектированию зон ураганов: конструкции, превышающие60 футов (18,3 м)по высоте вместе с поддерживаемыми объектами должны быть рассчитаны на экстремальные ветровые нагрузки на основе основных скоростей ветра, указанных на рисунке 250-2 NESC (От 90 до 170 миль в час, порыв 3 секунды, в зависимости от местоположения).
Коэффициенты нагрузки для стальных конструкцийв соответствии со строительством NESC класса B, указаны следующим образом::
Класс B представляет собой самый высокий запас безопасности в NESC, необходимый, когда опоры поддерживают пролеты, пересекающие автомагистрали с ограниченным доступом, железные дороги и судоходные водные пути..
ASCE/SEI 48-19 Стандарт проектирования конструкций и расчет ветровой нагрузки
ASCE/SEI 48-19, Проектирование стальных конструкций опор электропередачи, является специализированным стандартом проектирования, выпущенным Американским обществом инженеров-строителей, обеспечивающим единую техническую основу для проектирования, детализации, изготовления, испытаний, сборки и монтажа холоднодеформированных конических трубчатых стальных конструкций..
Для применений в зонах ураганов ASCE/SEI 48-19 требует, чтобы проектировщики учитывали следующие комбинации нагрузок NESC:
-
Правило NESC 250B (районная загрузка): Давление ветра 9 фунтов на квадратный фут (без льда) стандартная комбинация для района LIGHT.
-
Правило NESC 250C (Сильнейший ветер): Экстремальные ветровые нагрузки основаны на базовых скоростях ветра на Рисунке 250-2, применимых к конструкциям высотой более 60 футов.
-
Правило NESC 250D (экстремальный лед с попутным ветром): 100-летний период повторяемости экстремального сочетания льда и ветра
Руководство ASCE 74 «Руководство по структурной нагрузке линий электропередачи» дополнительно предоставляет методологии расчета нагрузки, основанные на надежности, и служит авторитетным справочником для анализа ветровой нагрузки в зоне ураганов..
Инженерный расчет ветровой нагрузки: Правило 250C NESC определяет, что экстремальное давление ветра рассчитывается следующим образом.:
Давление ветра = 0,00256 × V² × kz × GRF × I × Cd × Площадь проекции
где V — скорость порыва ветра за 3 секунды, показанная на рисунке 250-2 (90–170 миль в час), kz – коэффициент воздействия скоростного давления (0,92–1,40), GRF – коэффициент реакции на порывы ветра..
Контроль параметров толщины стенок для ураганных зон
Бюллетень RUS 1724E-224 требует минимальной толщины основного металла для компонентов башни из оцинкованной стали.:
-
Участники основного угла: ≥3/16 дюйма (4,76 мм)
-
Другие участники: ≥1/8 дюйма (3,18 мм)
В зонах ураганов дизайнеры обычноувеличить толщину стыковой стенкидля устранения максимального момента на линии земли, возникающего в результате сочетаний нагрузок NESC. Конкретная толщина стыковой стенки должна определяться на основе момента на линии земли, рассчитанного на основе случаев нагрузки NESC, при этом коэффициент напряжений не превышает 1,0..
Коническая конструкция полюса: Линии зон ураганов лучше всего обслуживаютсяконические столбыкоторые варьируют толщину стенки и диаметр секции по высоте стойки, укрепляя стыковую секцию, сохраняя при этом достаточную верхнюю жесткость. Для многосекционных конструкций со скользящей посадкой особое внимание необходимо уделить проверке локального изгиба в зоне соединения (обычно длина соединения ≥24 дюймов/610 мм).
Управление параметрами глубины заглубления для ураганных зон
Глубина установки стальных опор с прямой закладкой является еще одним ключевым параметром при проектировании зон ураганов. Поперечные ветровые нагрузки, вызванные ураганом, передаются непосредственно на заглубленную секцию, что требует достаточной глубины заглубления для обеспечения бокового сопротивления грунта.
Принципы проектирования глубины заглубления:
1. Определите глубину заглубления на основе момента на линии земли.
Глубина установки должна быть достаточной, чтобы противостоять моменту и сдвигу от земли. Проектировщикам следует рассчитывать сочетания нагрузок по Правилу 250B NESC (давление ветра 9 фунтов на квадратный фут) и Правилу 250C (экстремальный ветер), принимая во вниманиестоимость конвертаопределить необходимую глубину заделки.
2. Типичный диапазон глубины заделки
Для конических стальных опор на напряжение 69–230 кВ типичная глубина заглубления составляет10%–15%высоты столба. Для шеста длиной 70 футов это примерно соответствует7–10,5 футоввнедрения.
3. Соображения о состоянии почвы
При расчете глубины заглубления необходимо учитывать тип грунта и несущую способность. Мягкая почва или насыпные участки могут потребоватьбольшая глубина заглубления или добавление фундаментных несущих плитобеспечить адекватное боковое сопротивление.
4. Требования к линии замерзания
Хотя в зонах ураганов преобладает тропический климат, в некоторых регионах (например, срединно-Атлантическое побережье) все еще наблюдаются сезонные заморозки. Встроенный раздел должен расширятьсяниже линии замерзанияследует использовать материалы для засыпки, не подверженные морозу (например, щебень, песок/гравий).
Защита от коррозии при гальванизации и особенности зон ураганов
Зоны ураганов часто совпадают сприбрежная среда с высоким содержанием соли, предъявляющие строгие требования к защите от коррозии стальных опор:
-
Стандарт цинкования:АСТМ А123, сКласс 100 (100 мкм)Толщина покрытия, рекомендованная для прибрежных условий
-
Дополнительная защита встроенного раздела:Битумное покрытие или защита термоусадочной манжетой.рекомендуется поверх оцинкованного слоя
Сводка ключевых параметров
Ваше сообщение должно содержать от 20 до 3000 символов!