Zone voor zwaar ijs laden: gids voor constructief ontwerp en belastingverificatie voor 69 kV–230 kV conische stalen transmissiepalen
De structurele uitdaging van zware ijszones voor Amerikaanse transmissielijnen
Het hogere Middenwesten, Noordoosten en Alaska worden elke winter geconfronteerd met ernstige risico's op ijsaccumulatie. De ijsstorm van januari 1998 in het noordoosten van de VS, die wijdverbreide instortingen van zendmasten en lijnstoringen veroorzaakte, blijft een leerboek voor de industrie. De impact van ijsophoping op transmissiestalen palen reikt veel verder dan verhoogde verticale belastingen:ijsaangroei vergroot het aan de wind blootgestelde gebied van geleiders en aarddraden, het vermenigvuldigen van dwarse windbelastingen;ongelijkmatige ijsafscheiding en galopperengenereren aanzienlijke longitudinale onevenwichtige spanningen over aangrenzende overspanningen; nog kritischer: degecombineerd optreden van ijs- en windbelastingstelt sterkte-eisen aan paalconstructies die veel groter zijn dan die van conventionele ontwerpscenario's.
Voor taps toelopende stalen buizen van 69 kV tot 230 kV is belastingverificatie de kern van het garanderen van structurele integriteit in zones met zwaar ijs. Dit artikel schetst systematisch de belastingsvereisten en structurele selectiecriteria voor het ontwerpen van palen in zware ijszones, gebaseerd op de NESC-voorschriften en ASCE/SEI 48-19 ontwerpnormen.
NESC-belastingvereisten voor zware ijszones en districtsclassificatie
DeNationale elektrische veiligheidscode (NESC, ANSI C2)is de verplichte basisnorm voor het ontwerp van bovengrondse transmissielijnen in de VS. NESC verdeelt het land in drie weerbelastingdistricten:
Bron: NESC-tabel 250-1
In het Heavy Loading District, met als voorbeeld Pennsylvania, moeten luchtfaciliteiten worden ontworpen0,5 inch radiaal ijs + 40 mph wind + 0°F temperatuur.
Belastingsfactoren voor staalconstructiesonder NESC Grade B Construction worden als volgt gespecificeerd:
Extreme ijsbelastingis een andere kritische vereiste voor het ontwerp van zones met zwaar ijs: faciliteiten moeten bestand zijn tegen:minimale radiale ijsbelasting van 1,25 inch (31,8 mm), met een ijsdichtheid van57 pcf (ca. 913 kg/m³), temperatuur bij 0 ° F en windsnelheid bij 0 mph. Sommige staten en nutsbedrijven hebben zelfs nog strengere interne normen aangenomen.
ASCE/SEI 48-19 Structurele ontwerpnorm
ASCE/SEI 48-19, Ontwerp van stalen transmissiepaalconstructies, is de gespecialiseerde ontwerpstandaard uitgegeven door de American Society of Civil Engineers, die een uniforme technische basis biedt voor het ontwerp, de detaillering, de fabricage, het testen, de montage en de montage van koudgevormde, taps toelopende stalen buisconstructies. De norm is van toepassing op zowel zelfdragende als getuide constructies en omvat verschillende funderingstypen, waaronder betonnen caissons, stalen palen en directe inbedding.
Voor toepassingen in zware ijszones vereist ASCE/SEI 48-19 dat ontwerpers rekening houden met de volgende belastingscombinaties:
-
NESC-regel 250B (districtsbelasting): Standaardcombinatie van ijs- en windbelasting
-
NESC-regel 250C (extreme wind): Alleen van toepassing op constructies met een hoogte van meer dan 18,3 m (60 ft).
-
NESC-regel 250D (extreem ijs met gelijktijdige wind): Combinatie van extreme ijs- en windbelasting met een terugkeerperiode van 100 jaar
ASCE Manual 74, Guidelines for Electrical Transmission Line Structural Loading, biedt verder op betrouwbaarheid gebaseerde methodologieën voor belastingberekening en dient als gezaghebbende referentie voor analyse van de belasting in zware ijszones.
Materiaal- en wanddiktekeuze voor taps toelopende stalen palen
Selectie van staalkwaliteit
Voor toepassingen in zware ijszones,ASTM Gr50 (minimale vloeigrens 345 MPa) of Gr65 (minimale vloeigrens 448 MPa)hoogwaardig staal wordt aanbevolen. Gr65 biedt een hogere momentcapaciteit bij dezelfde wanddikte, waardoor het totale gewicht van de hengel en de transportkosten onder controle blijven.
Vereisten voor wanddikte
RUS Bulletin 1724E-224 schrijft een minimale basismetaaldikte voor voor gegalvaniseerde stalen torencomponenten:
-
Belangrijkste hoekleden: ≥3/16 inch (4,76 mm)
-
Andere leden: ≥1/8 inch (3,18 mm)
In zones met zwaar ijs gaan ontwerpers doorgaans verdervergroot de dikte van de stompwandom het maximale grondlijnmoment aan te pakken dat voortkomt uit NESC-belastingscombinaties. De specifieke dikte van de stompwand moet worden bepaald op basis van het grondlijnmoment berekend op basis van NESC-belastingsgevallen, waarbij ervoor moet worden gezorgd dat de spanningsverhouding niet groter is dan 1,0.
Taps toelopend paalontwerp
Lijnen in de zware ijszone worden het best bediend doortaps toelopende palendie de wanddikte en sectiediameter variëren langs de stokhoogte, waardoor het kolfgedeelte wordt versterkt en tegelijkertijd voldoende topstijfheid behouden blijft. Voor slip-fit ontwerpen met meerdere secties moet speciale aandacht worden besteed aan lokale knikverificatie bij de laszone (typisch ≥24 inch/610 mm aangrijplengte).
Belangrijke parameters voor belastingverificatie
De volgende parameters zijn van cruciaal belang voor de belastingverificatie van taps toelopende stalen palen van 69 kV–230 kV in zones met zwaar ijs:
Overwegingen bij het ontwerp van directe inbedding en fundering
Voor direct verankerde stalen palen in zones met zwaar ijs vereist het funderingsontwerp extra aandacht voor:
1. Inbeddingsdiepte en laterale aardweerstand
Verhoogde zijdelingse belastingen als gevolg van ijsaccumulatie worden rechtstreeks op het ingebedde gedeelte overgebracht, waardoor voldoende inbeddingsdiepte nodig is om zijdelingse aardweerstand te bieden. Ontwerpers moeten de schuifkracht en het moment van de grondlijn berekenen op basis van NESC-belastingscombinaties en de effectieve inbeddingsdiepte bepalen op basis van het bodemtype.
2. Overwegingen bij vorst
Zones met zwaar ijs vallen vaak samen met seizoensgebonden vorstpenetratie. Het ingebedde gedeelte moet groter wordenonder de vrieslijnof niet-vorstgevoelige opvulmaterialen (bijv. steenslag, zand/grind) moeten worden gebruikt om het opwaaien van vorst te voorkomen.
3. Corrosiebescherming voor ingebedde secties
Het ingebedde gedeelte wordt geconfronteerd met dubbele uitdagingen als gevolg van bodemcorrosie en vries-dooicycli. Het wordt aanbevolen om te solliciterenbitumineuze coating of krimpkousbeschermingover deASTM A123 klasse 100 (100 μm)gegalvaniseerde coating op de inbeddingszone.
Conclusie
Het structurele ontwerp van taps toelopende stalen palen van 69 kV–230 kV in zones met zwaar ijs moet strikt voldoen aanNESC C2belastingvereisten enASCE/SEI 48-19structurele ontwerpmethodologieën. Van districtsijsbelastingen van 0,5 inch tot extreme ijsscenario's van 1,25 inch, van een windbelastingsfactor van 2,50 tot een minimale wanddiktedrempel van 3/16 inch: elke parameter heeft rechtstreeks invloed op de structurele veiligheid onder extreme winteromstandigheden.
Voor leveranciers die van plan zijn deel te nemen aan aanbestedingen voor transmissieprojecten in het Upper Midwest, Northeast of Alaska, met expliciete specificatie“Voldoet aan NESC Heavy Loading District”,“ASCE/SEI 48-19-ontwerp”, en een volledige parametertabel voor belastingverificatie in technische voorstellen vormt de basis voor het vaststellen van technische geloofwaardigheid.
Uw bericht moet tussen de 20-3.000 tekens bevatten!