Mik a teherbírási követelmények a közüzemi oszlopokhoz?

Milyen erők hatnak a közműoszlopokra? A fő terheléstípusok és mérnöki jelentőségük

A közműoszlopok összetett erőknek vannak kitéve, amelyek meghatározzák a szerkezeti kialakítást. Ezek pontos értékelése megelőzi a meghibásodásokat, és meghosszabbítja az infrastruktúra élettartamát az energiaelosztó hálózatokban.

Függőleges terhelések: Vezetékek, transzformátorok és szerelvények súlya

A villanyoszlopokra ható lefelé irányuló nyomás főként az alkatrészekből származik, amelyeket tartaniuk kell. A távvezetékek, transzformátorok, kommunikációs dobozok, kereszttartók és a kis kerámiaindítók olyan statikus terhelést hoznak létre, amelyről az építészek azt mondják, hogy soha nem múlik el. A legtöbb oszlop valahol 900 és 1600 kilogrammnyi felszerelést visz, bár ez a szám jelentősen megnő a városi alállomások környékén, ahol sokkal több infrastruktúra van együtt csomagolva. Amikor az oszlopoknak nincs elegendő szilárdságuk ahhoz, hogy elbírják ezeket a függőleges erőket, a problémák gyorsan jelentkeznek. Olyan eseteket láttunk, amikor az oszlopok meghajoltak a terhelés alatt, vagy az alapjaik sáros talajba süllyedtek, különösen erős esőzések után, amikor a talaj telítetté válik. Ezért fontos az építészeti gyakorlatban, hogy pontosan összeadják mindezen súlyokat. A cél nemcsak a matematikai pontosság, hanem annak biztosítása, hogy az anyagok ténylegesen elbírják a mindennapi terhelést napról napra anélkül, hogy meghibásodnának.

Vízszintes terhelések: Szélnyomás, vezetőfeszítési erők kiegyensúlyozatlansága és jéglerakódás

Az oszlopok komoly kihívásokkal néznek szembe a rájuk ható oldalirányú erők miatt, amelyek alakváltozást okoznak feszültség hatására. Amikor a szél egy oszlopba csapódik, a nyomás attól függ, hogy mekkora felület érintkezik vele. Ugyanakkor, amikor a vezetékek szöget zárnak be a tartományok felett, további húzóerőket hoznak létre, amelyek instabillá tehetik a szerkezeteket. A nemzeti villamossági biztonsági szabályzatok szerint különböző régiókban eltérő előírások vonatkoznak a szél- és jégterhelések kezelésére. Vegyük például a 2. zónát, ahol az oszlopokat úgy kell megépíteni, hogy képesek legyenek féligyes vastag jégfelhalmozódás és óránként negyven mérföldes széllökések elviselésére. Még rosszabbá teszi a helyzetet, hogy a vezetékekre tapadó jég tulajdonképpen megduplázza a szélterhelés hatását. Mindezen kombinált nyomások azt jelentik, hogy a stabilitás érdekében mélyebb alapozás szükséges, és időnként a mérnököknek kötélhorgonyokat kell telepíteniük, hogy megerősítsék a sebezhető szereléseket.

Torsionális és dinamikus terhelések: lengő berendezések, ugráló vezetékek és földrengések

Amikor a forgó erőkkel és a rövid ideig tartó tranziens hatásokkal foglalkozunk, az mérnökök számos összetett meghibásodási formával szembesülnek. Vegyük például a távvezetékeket – amikor erős szélben ugrálni kezdenek, a rájuk ható feszültség sokkal magasabb lesz, mint amit a szokásos számítások előrejeznének, néha több mint háromszorosára nő! Aztán ott vannak a földrengések, amelyek remegéssel rázzák a talajt, és kellemetlen rezonanciafrekvenciákat hoznak létre. A transzformátorok oda-vissza lengése további problémákat okoz, mivel csavaróerőket is kifejtenek. Mindezen mozgó alkatrészek komoly elemzést igényelnek, például végeselemes modellezés segítségével. Azoknál az épületeknél, amelyek szeizmikus felújításra szorulnak, a kivitelezők általában spirál alakú horgonyokat szerelnek fel rugalmas, törés nélkül hajló anyagokkal együtt, hogy elnyeljék a lökéshullámokat, mielőtt kárt okoznának.

A NESC hogyan határozza meg a közművek oszlopainak terhelési követelményeit és biztonsági tényezőit

A Nemzeti Villamossági Biztonsági Kódex, vagy röviden NESC, szigorú irányelveket határoz meg a távvezetéki oszlopok építésére vonatkozóan attól függően, hogy milyen területen helyezik el azokat. Ezeket a területeket három fő típusra bontják: Nehéz, Közepes és Könnyű terhelési övezetek. Minden kategória saját szabályrendszert követ annak tekintetében, hogy milyen időjárási viszonyokat kell elviselniük az oszlopoknak. Vegyük például a Nehéz terhelésű övezeteket. Az ottani oszlopoknak 80 mérföld/órás szelet és fél hüvelyk vastag jéglerakódást is ki kell bírniuk. Ezzel szemben a Könnyű terhelésű övezetek nem ilyen extrém körülményekkel néznek szembe, így az előírásaik sem ennyire szigorúak. Ez a rendszer biztosítja, hogy a villamosenergia-hálózat megbízható maradjon akár hegyvidéken, viharokra hajlamos területeken, akár enyhébb időjárású síkvidékeken.

NESC terhelési övezetek és regionális tervezési kritériumok távvezetéki oszlopokhoz

A kritikus zónákra vonatkozó specifikációk a 50 évenkénti viharismétlődési időszak alapján számított maximális szélterhelést; a történelmi csapadékadatokból származó radilis jégvastagsági előírásokat; a kitett magasságokhoz vagy partsávokhoz tartozó terepmultiplikátorokat; valamint az alapozás stabilitására vonatkozó talajosztályozási követelményeket foglalják magukban.

Minimális biztonsági tényezők: Miért elfogadhatatlan az 1,5-szeres végső teherbírás alá esés

Az NESC az alábbi három alapvető okból írja elő a végső teherbírás 150%-át, mint minimális biztonsági határértéket:

1. Anyagromlás kompenzálása : A faoszlopok 20–40%-kal veszítenek szilárdságukból 40 év alatt
2. Előre nem látható dinamikus terhelések : Jégeső idején a lengő vezetékek akár 300%-kal is megnövelhetik az erőhatásokat
3. Szerkezeti eltérések : A gyakorlati módosítások gyakran eltérnek a tervezett megoldásoktól

Ez a szorzó biztosítja a szerkezeti integritást a fokozatos farost-romlás, az alapozási süllyedés rendellenességei, váratlan berendezések hozzáadása, valamint a történelmi modelleket meghaladó extrém időjárási viszonyok ellenére is.

Fő terhelésforrások: Vezetékek, berendezések és modern szerelvények közvilágítási oszlopokon

Vezetékfeszítés és nyílásgeometria mint domináns hajlítónyomaték-hatások

A villamos vezetékek feszítése komoly igénybevételt jelent a közvilágítási oszlopok számára, különösen ott, ahol az oszlopok meghajlanak vagy hirtelen véget érnek. Az oszlopok egymástól való távolsága döntő fontosságú a mechanikai feszültség szempontjából. Amikor a nyílások hosszabbak, a feszítés nem csupán lineárisan növekszik – sokkal inkább ugrásszerűen változik. Tapasztaltunk olyan eseteket, amikor az oszlopok közötti távolság mindössze 25%-os növelése körülbelül 56%-kal magasabb hajlítási feszültséget eredményezett a nyomatékok matematikai törvényszerűségei miatt. A helyzet még rosszabbá válik, ha a különböző szakaszokon eltérő a vezetékek lehajlása, vagy ha a vezetékek iránya váratlanul megváltozik. Ezért támaszkodnak erősen a terepi mérnökök a vektoros számításokra, hogy meghatározzák ezeket az erőket, mielőtt bármi meghibásodna. Megfelelő elemzés nélkül kockázatot jelenthet az oszlopok meghibásodása, amely vihar vagy erős szél esetén akár teljes villamos hálózatok leállásához is vezethet.

Optikai kábelek és vezeték nélküli berendezések: Növekvő másodlagos terhelés az áramoszlopokon

Az új felszerelések hozzáadása az áramoszlopokhoz idővel megnöveli a súlyt. Például az optikai kábelek futtatásakor oszloponként futóméterenként 3–7 fonttal növelhetik a terhelést. Ezután ott vannak a 5G kis cellás dobozok, amelyek darabonként körülbelül 75–150 font súlyúak. Mindezek együttesen jelenleg kb. 12–18 százalékát teszik ki annak a terhelésnek, amit városi áramoszlopjainknak el kell viselniük. És nemcsak a súly a kérdés. Minden rögzített elem növeli a szélnek kitett felületet, mivel a tartókonzolok és rögzítések miatt több helyfoglalás keletkezik. A pontos tervezés itt nagyon fontos. Ha az oszlopok terhelése eléri a kb. 85%-ot, a mérnökök gyakran drága erősítési vagy teljes cserék szükségességével néznek szembe.

Teherbírás értékelése: Kihasználtsági szint, megerősítés és az áramoszlopok csere döntései

A távvezetéki oszlopok folyamatos kapacitásértékelést igényelnek három kritikus mutató alapján: kihasználtsági százalék, megerősítési életképesség és a cserét kiváltó tényezők. A kihasználtsági százalék az alkalmazott terhelés és az oszlop névleges teherbírása arányát méri – a 67% feletti érték megsérti az NESC előírta 1,5-szeres biztonsági tényezőt. A szektor elemzései szerint azon oszlopok, amelyek kihasználtsága eléri a 85%-ot, azonnali megerősítést igényelnek a következő módon:

• Acélhüvely beszerelése (a szilárdság 25–40%-át helyreállítja)
• Feszítőkötél-rendszerek (30–50%-kal csökkentik a hajlítófeszültséget)
• Epoxi konszolidáció (az esetek 92%-ában leállítja a faanyag bomlását)

A cserére akkor kell sort keríteni, ha a használat meghaladja a 90%-ot, vagy ha az élettartam csökkenése miatt a kapacitás az üzemeltetéshez szükséges szint alá csökken. Ezeknek a küszöbértékeknek az a céljuk, hogy megakadályozzák a katasztrofális meghibásodásokat rossz időjárási körülmények között. Vegyük például a villamos oszlopokat: túlterhelés esetén körülbelül négyszer annyiszor szakadnak le, mint a megfelelően megerősített oszlopok. A mai eszközgazdálkodók ezt mind kockázatelemző eszközökön keresztül vizsgálják, amelyek összemérve mutatják, mennyi pénz veszik el áramkimaradások miatt, és ehhez képest mennyibe kerülne az előzetes javítás. Ez segít fenntartani az elektromos hálózatot anélkül, hogy felesleges beruházásokkal terhelnék meg a költségvetést.

GYIK

Mi a NESC fő célja az ellátóvezetékek oszlopjai tekintetében?

A Nemzeti Villamossági Biztonsági Szabályzat (NESC) fő célja irányelvek meghatározása a közműoszlopok építéséhez és karbantartásához, annak érdekében, hogy biztosítsa a biztonságot és megbízhatóságot különböző terhelési zónákban, valamint figyelembe vegye a regionális időjárási viszonyokat, mint például a szél- és jégfelhalmozódás.

Miért fontosak a függőleges terhelések a közműoszlopoknál?

A vezetékek, transzformátorok és tartozékok súlyából adódó függőleges terhelések kritikus jelentőségűek, mivel közvetlenül hatással vannak a közműoszlopok szerkezeti integritására. Megfelelő felmérés hiányában ezek a terhelések okozhatják az oszlopok deformálódását vagy alapjaik süllyedését, ami meghibásodáshoz vezethet.

Hogyan befolyásolják a vízszintes és csavaró terhelések a közműoszlopokat?

A szélterhelésből és a vezetékek feszítéséből származó vízszintes terhelések, valamint dinamikus eseményekből (például lengő vezetékek és földrengések) származó csavaróerők miatt az oszlopok meghajolhatnak vagy elcsavarodhatnak, ami mélyebb alapozást és megerősített rögzítéseket, például kötélhorgonyokat igényel.

Mikor kell cserélni a közműoszlopokat?

A villamosenergia-hálózat meghibásodásával járó szélsőséges időjárási körülmények közötti katasztrofális meghibásodások megelőzése érdekében a távvezetéki oszlopokat ki kell cserélni, ha a kihasználtság meghaladja a 90%-ot, vagy ha a romlás csökkenti a teljesítményt az üzemeltetési igények alá.