Các vùng phía đông nam Hoa Kỳ, bờ biển Vịnh và bờ biển Đại Tây Dương phải đối mặt với mối đe dọa trực tiếp từ các cơn bão mỗi năm.Tốc độ gió cực cao từ cơn bão có thể gây ra thiệt hại thảm khốc cho các cột thép truyền tải:Áp lực gió trên các dây dẫn và dây đất nhân theo cấp số nhân,thân cột chịu được những khoảnh khắc uốn cong ngang lớn, vànền tảng được chịu cả hai lực nâng và lật.
Các sự kiện thảm họa lớn như Bão Katrina (2005), Bão Harvey (2017) và Bão Ian (2022) đều dẫn đến sự sụp đổ rộng rãi của tháp truyền tải.các công ty tiện ích và các cơ quan quản lý để liên tục tăng cường các tiêu chuẩn thiết kế đường truyền ở các khu vực dễ bị bão.
Đối với 69 kV đến 230 kV cột thép ống cong,Độ dày tường và độ sâu nhúnglà hai thông số cốt lõi xác định khả năng chống gió. Bài viết này phác thảo một cách có hệ thống các yêu cầu tải và điều khiển thông số để thiết kế cột khu vực bão,dựa trên các quy định của NESC và các tiêu chuẩn thiết kế ASCE/SEI 48-19.
CácMã an toàn điện quốc gia (NESC, ANSI C2)là tiêu chuẩn cơ bản bắt buộc cho thiết kế đường truyền trên không ở Hoa Kỳ NESC chia đất nước thành ba huyện tải thời tiết:Đau,Trung bình, vàÁnh sángĐối với các khu vực bão, khu vực tải nhẹ chủ yếu áp dụng:
| Quận tải | Độ dày băng quang | Áp lực gió ngang | Nhiệt độ |
|---|---|---|---|
| LIGHT (khu vực bão) | 0 trong | 9 psf (khoảng 431 Pa, gió 60 mph) | 30°F (-1°C) |
| Trung bình | 0.25 inch (6.35mm) | 4 psf | ️ |
| Đau | 0.5 inch (12.7mm) | 4 psf (khoảng 192 Pa, gió 40 mph) | 0°F (-18°C) |
Nguồn: Bảng 250-1 của NESC
Toàn bộ bang Florida nằm trong khu vực tải trọng nhẹ, đòi hỏi các cơ sở không khí phải được thiết kế choGió 60 mph (9 áp suất gió psf) + nhiệt độ 30 ° FNgược lại, Pennsylvania nằm trong khu vực tải trọng nặng, đòi hỏi thiết kế cho băng 0,5 inch + gió 40 mph.
Quy tắc NESC 250C (Đánh nặng gió cực)là một yêu cầu quan trọng khác cho thiết kế khu vực bão: các cấu trúc vượt quá60 feet (18.3 m)cao, cùng với các thiết bị hỗ trợ của chúng phải được thiết kế cho tải gió cực đoan dựa trên tốc độ gió cơ bản trong NESC hình 250-2 (90 đến 170 mph 3 giây gió, tùy thuộc vào vị trí).
Các yếu tố tải cho các cấu trúc théptheo NESC lớp B Xây dựng được xác định như sau::
| Load type | Nhân tố tải |
|---|---|
| Năng lượng gió | 2.50 |
| Trọng lượng dọc (trọng lượng chết) | 1.50 |
| Động lực dây dẫn/động lực dây tĩnh | 1.65 |
Thể loại B đại diện cho biên độ an toàn cao nhất trong NESC, được yêu cầu khi các cột hỗ trợ dải băng qua đường cao tốc, đường sắt và đường thủy có thể đi lại hạn chế.
ASCE/SEI 48-19, Thiết kế cấu trúc cột truyền thép, là tiêu chuẩn thiết kế chuyên ngành do Hiệp hội kỹ sư xây dựng Hoa Kỳ phát hành, cung cấp một cơ sở kỹ thuật thống nhất cho thiết kế, chi tiết, chế tạo, thử nghiệm, lắp ráp,và lắp đặt các cấu trúc thép ống cong hình lạnh.
Đối với các ứng dụng khu vực bão, ASCE/SEI 48-19 yêu cầu các nhà thiết kế xem xét các kết hợp tải NESC sau:
Quy tắc NESC 250B (District Loading): 9 psf áp suất gió (không có băng) kết hợp tiêu chuẩn cho khu vực ánh sáng
Quy tắc NESC 250C (Thời tiết gió cực): Trọng lượng gió cực đoan dựa trên tốc độ gió cơ bản hình 250-2, áp dụng cho các cấu trúc cao hơn 60 feet
Quy tắc NESC 250D (Băng cực với gió đồng thời): Thời gian trở lại 100 năm kết hợp băng cực và gió
Hướng dẫn 74 của ASCE, Hướng dẫn về tải trọng cấu trúc đường truyền điện,tiếp tục cung cấp các phương pháp tính toán tải dựa trên độ tin cậy và phục vụ như là tài liệu tham khảo có thẩm quyền cho phân tích tải gió vùng bão.
Tính toán kỹ thuật tải gió: Quy tắc 250C của NESC quy định rằng áp suất gió cực đoan được tính như sau::
Áp lực gió = 0,00256 × V2 × kz × GRF × I × Cd × Khu vực dự kiến
nơi V là tốc độ gió 3 giây từ hình 250-2 (90 ′′ 170 mph), kz là hệ số phơi nhiễm áp suất tốc độ (0,92 ≈ 1,40), và GRF là yếu tố phản ứng giật.
RUS Bulletin 1724E-224 yêu cầu độ dày kim loại cơ bản tối thiểu cho các thành phần tháp thép kẽm:
Các thành viên góc chính: ≥3/16 inch (4.76 mm)
Các thành viên khác: ≥1/8 inch (3,18 mm)
Trong các khu vực bão, các nhà thiết kế thường xa hơnTăng độ dày tường môngđể giải quyết khoảnh khắc đường đáy tối đa do kết hợp tải NESC. Độ dày tường đệm cụ thể phải được xác định dựa trên khoảnh khắc đường đáy được tính từ các trường hợp tải NESC,đảm bảo tỷ lệ căng thẳng không vượt quá 1.0.
Thiết kế cột cong: Các đường dây khu vực bão được phục vụ tốt nhất bởicột congthay đổi độ dày tường và đường kính phần dọc theo chiều cao cột, tăng cường phần đùi trong khi duy trì độ cứng trên đủ.Cần chú ý đặc biệt đến việc xác minh độ uốn cong tại khu vực ghép (thường là ≥ 24 inch / 610 mm chiều dài tham gia).
Độ sâu nhúng cho các cột thép nhúng trực tiếp là một thông số cốt lõi khác trong thiết kế khu vực bão.yêu cầu độ sâu nhúng đủ để cung cấp kháng đất bên cạnh.
Nguyên tắc thiết kế độ sâu nhúng:
1. Xác định độ sâu nhúng dựa trên động cơ đường nền
Độ sâu nhúng phải đủ để chống lại động lực đường đất và cắt. Các nhà thiết kế nên tính toán các kết hợp tải theo cả Quy tắc NESC 250B (9 áp suất gió psf) và Quy tắc 250C (động gió cực đoan),lấygiá trị phong bìđể xác định độ sâu nhúng cần thiết.
2. Phạm vi độ sâu nhúng điển hình
Đối với các cột thép xoắn 69 kV ≈ 230 kV, chiều sâu nhúng điển hình là10%15%Đối với một cây cột 70 ft, điều này tương đương với khoảng7 ′′ 10,5 ftcủa việc nhúng.
3Các cân nhắc về tình trạng đất
Tính toán độ sâu nhúng phải tính đến loại đất và khả năng chịu đựng.Độ sâu nhúng lớn hơn hoặc bổ sung các tấm mang nền tảngđể cung cấp sức đề kháng bên phù hợp.
4Các yêu cầu về đường băng
Mặc dù các khu vực bão chủ yếu là khí hậu nhiệt đới, một số khu vực (như bờ biển giữa Đại Tây Dương) vẫn trải qua sự xâm nhập của băng mùa.dưới đường băng giá, hoặc các vật liệu không nhạy cảm với đông lạnh (ví dụ như đá nghiền, cát / sỏi) nên được sử dụng.
Khu vực bão thường trùng vớimôi trường ven biển có độ muối cao, áp dụng các yêu cầu bảo vệ ăn mòn nghiêm ngặt cho các cột thép:
Tiêu chuẩn mạ:ASTM A123, vớiMức độ 100 (100μm)Độ dày lớp phủ được khuyến cáo cho môi trường ven biển
Bảo vệ bổ sung cho phần nhúng:Lớp phủ bituminous hoặc bảo vệ áo khoác co lại nhiệttrên lớp kẽm được khuyến cáo
| Nhóm tham số | Yêu cầu khu vực bão (quận ánh sáng) | Cơ sở |
|---|---|---|
| Áp lực gió tải khu vực | 9 psf (khoảng 431 Pa, 60 mph) | Bảng 250-1 NESC |
| Tốc độ gió cơ bản | 90 ′′ 170 mph(3 giây, phụ thuộc vào vị trí) | Hình 250-2 của NESC |
| Áp dụng đối với gió cực đoan | Cấu trúc> 60 ft (18,3 m)về chiều cao | Quy tắc 250C của NESC |
| Nguyên nhân tải gió (thể loại B) | 2.50 | NESC lớp B |
| Tỷ lệ tải thẳng đứng (thể loại B) | 1.50 | NESC lớp B |
| Nguyên nhân căng của dây dẫn (thể loại B) | 1.65 | NESC lớp B |
| Mức độ dày tường thành phần chính tối thiểu | 3/16 inch (4.76 mm) | RUS Báo cáo 1724E-224 |
| Độ sâu nhúng điển hình | 10%15%của chiều cao cột | Thực hành kỹ thuật |
| Tiêu chuẩn thiết kế | ASCE/SEI 48-19 | Cơ sở thiết kế cấu trúc |
Thiết kế cấu trúc của 69 kV ≈ 230 kV cột thép ống cong trong khu vực bão phải tuân thủ nghiêm ngặtNESC C2yêu cầu tải vàASCE/SEI 48-19Từ áp suất gió LIGHT 9 psf đến tốc độ gió cực cao lên đến 170 mph trong Hình 250-2, từ yếu tố tải gió 2.50 đến ngưỡng độ dày tường tối thiểu là 3/16 inch, và từ 10% ∼15% yêu cầu độ sâu nhúng ∼ mọi thông số trực tiếp ảnh hưởng đến an toàn cấu trúc trong điều kiện bão.
Đối với các nhà cung cấp dự định tham gia vào các cuộc đấu thầu dự án truyền tải ở khu vực phía đông nam Hoa Kỳ, bờ biển Vịnh hoặc vùng ven biển Đại Tây Dương, rõ ràng xác địnhPhù hợp với NESC Light Loading District,¢ Quy tắc 250C của NESC thiết kế gió cực,Thiết kế ASCE/SEI 48-19, và bảng tham số độ dày tường và độ sâu nhúng đầy đủ trong các đề xuất kỹ thuật là nền tảng để thiết lập độ tin cậy kỹ thuật.
Các vùng phía đông nam Hoa Kỳ, bờ biển Vịnh và bờ biển Đại Tây Dương phải đối mặt với mối đe dọa trực tiếp từ các cơn bão mỗi năm.Tốc độ gió cực cao từ cơn bão có thể gây ra thiệt hại thảm khốc cho các cột thép truyền tải:Áp lực gió trên các dây dẫn và dây đất nhân theo cấp số nhân,thân cột chịu được những khoảnh khắc uốn cong ngang lớn, vànền tảng được chịu cả hai lực nâng và lật.
Các sự kiện thảm họa lớn như Bão Katrina (2005), Bão Harvey (2017) và Bão Ian (2022) đều dẫn đến sự sụp đổ rộng rãi của tháp truyền tải.các công ty tiện ích và các cơ quan quản lý để liên tục tăng cường các tiêu chuẩn thiết kế đường truyền ở các khu vực dễ bị bão.
Đối với 69 kV đến 230 kV cột thép ống cong,Độ dày tường và độ sâu nhúnglà hai thông số cốt lõi xác định khả năng chống gió. Bài viết này phác thảo một cách có hệ thống các yêu cầu tải và điều khiển thông số để thiết kế cột khu vực bão,dựa trên các quy định của NESC và các tiêu chuẩn thiết kế ASCE/SEI 48-19.
CácMã an toàn điện quốc gia (NESC, ANSI C2)là tiêu chuẩn cơ bản bắt buộc cho thiết kế đường truyền trên không ở Hoa Kỳ NESC chia đất nước thành ba huyện tải thời tiết:Đau,Trung bình, vàÁnh sángĐối với các khu vực bão, khu vực tải nhẹ chủ yếu áp dụng:
| Quận tải | Độ dày băng quang | Áp lực gió ngang | Nhiệt độ |
|---|---|---|---|
| LIGHT (khu vực bão) | 0 trong | 9 psf (khoảng 431 Pa, gió 60 mph) | 30°F (-1°C) |
| Trung bình | 0.25 inch (6.35mm) | 4 psf | ️ |
| Đau | 0.5 inch (12.7mm) | 4 psf (khoảng 192 Pa, gió 40 mph) | 0°F (-18°C) |
Nguồn: Bảng 250-1 của NESC
Toàn bộ bang Florida nằm trong khu vực tải trọng nhẹ, đòi hỏi các cơ sở không khí phải được thiết kế choGió 60 mph (9 áp suất gió psf) + nhiệt độ 30 ° FNgược lại, Pennsylvania nằm trong khu vực tải trọng nặng, đòi hỏi thiết kế cho băng 0,5 inch + gió 40 mph.
Quy tắc NESC 250C (Đánh nặng gió cực)là một yêu cầu quan trọng khác cho thiết kế khu vực bão: các cấu trúc vượt quá60 feet (18.3 m)cao, cùng với các thiết bị hỗ trợ của chúng phải được thiết kế cho tải gió cực đoan dựa trên tốc độ gió cơ bản trong NESC hình 250-2 (90 đến 170 mph 3 giây gió, tùy thuộc vào vị trí).
Các yếu tố tải cho các cấu trúc théptheo NESC lớp B Xây dựng được xác định như sau::
| Load type | Nhân tố tải |
|---|---|
| Năng lượng gió | 2.50 |
| Trọng lượng dọc (trọng lượng chết) | 1.50 |
| Động lực dây dẫn/động lực dây tĩnh | 1.65 |
Thể loại B đại diện cho biên độ an toàn cao nhất trong NESC, được yêu cầu khi các cột hỗ trợ dải băng qua đường cao tốc, đường sắt và đường thủy có thể đi lại hạn chế.
ASCE/SEI 48-19, Thiết kế cấu trúc cột truyền thép, là tiêu chuẩn thiết kế chuyên ngành do Hiệp hội kỹ sư xây dựng Hoa Kỳ phát hành, cung cấp một cơ sở kỹ thuật thống nhất cho thiết kế, chi tiết, chế tạo, thử nghiệm, lắp ráp,và lắp đặt các cấu trúc thép ống cong hình lạnh.
Đối với các ứng dụng khu vực bão, ASCE/SEI 48-19 yêu cầu các nhà thiết kế xem xét các kết hợp tải NESC sau:
Quy tắc NESC 250B (District Loading): 9 psf áp suất gió (không có băng) kết hợp tiêu chuẩn cho khu vực ánh sáng
Quy tắc NESC 250C (Thời tiết gió cực): Trọng lượng gió cực đoan dựa trên tốc độ gió cơ bản hình 250-2, áp dụng cho các cấu trúc cao hơn 60 feet
Quy tắc NESC 250D (Băng cực với gió đồng thời): Thời gian trở lại 100 năm kết hợp băng cực và gió
Hướng dẫn 74 của ASCE, Hướng dẫn về tải trọng cấu trúc đường truyền điện,tiếp tục cung cấp các phương pháp tính toán tải dựa trên độ tin cậy và phục vụ như là tài liệu tham khảo có thẩm quyền cho phân tích tải gió vùng bão.
Tính toán kỹ thuật tải gió: Quy tắc 250C của NESC quy định rằng áp suất gió cực đoan được tính như sau::
Áp lực gió = 0,00256 × V2 × kz × GRF × I × Cd × Khu vực dự kiến
nơi V là tốc độ gió 3 giây từ hình 250-2 (90 ′′ 170 mph), kz là hệ số phơi nhiễm áp suất tốc độ (0,92 ≈ 1,40), và GRF là yếu tố phản ứng giật.
RUS Bulletin 1724E-224 yêu cầu độ dày kim loại cơ bản tối thiểu cho các thành phần tháp thép kẽm:
Các thành viên góc chính: ≥3/16 inch (4.76 mm)
Các thành viên khác: ≥1/8 inch (3,18 mm)
Trong các khu vực bão, các nhà thiết kế thường xa hơnTăng độ dày tường môngđể giải quyết khoảnh khắc đường đáy tối đa do kết hợp tải NESC. Độ dày tường đệm cụ thể phải được xác định dựa trên khoảnh khắc đường đáy được tính từ các trường hợp tải NESC,đảm bảo tỷ lệ căng thẳng không vượt quá 1.0.
Thiết kế cột cong: Các đường dây khu vực bão được phục vụ tốt nhất bởicột congthay đổi độ dày tường và đường kính phần dọc theo chiều cao cột, tăng cường phần đùi trong khi duy trì độ cứng trên đủ.Cần chú ý đặc biệt đến việc xác minh độ uốn cong tại khu vực ghép (thường là ≥ 24 inch / 610 mm chiều dài tham gia).
Độ sâu nhúng cho các cột thép nhúng trực tiếp là một thông số cốt lõi khác trong thiết kế khu vực bão.yêu cầu độ sâu nhúng đủ để cung cấp kháng đất bên cạnh.
Nguyên tắc thiết kế độ sâu nhúng:
1. Xác định độ sâu nhúng dựa trên động cơ đường nền
Độ sâu nhúng phải đủ để chống lại động lực đường đất và cắt. Các nhà thiết kế nên tính toán các kết hợp tải theo cả Quy tắc NESC 250B (9 áp suất gió psf) và Quy tắc 250C (động gió cực đoan),lấygiá trị phong bìđể xác định độ sâu nhúng cần thiết.
2. Phạm vi độ sâu nhúng điển hình
Đối với các cột thép xoắn 69 kV ≈ 230 kV, chiều sâu nhúng điển hình là10%15%Đối với một cây cột 70 ft, điều này tương đương với khoảng7 ′′ 10,5 ftcủa việc nhúng.
3Các cân nhắc về tình trạng đất
Tính toán độ sâu nhúng phải tính đến loại đất và khả năng chịu đựng.Độ sâu nhúng lớn hơn hoặc bổ sung các tấm mang nền tảngđể cung cấp sức đề kháng bên phù hợp.
4Các yêu cầu về đường băng
Mặc dù các khu vực bão chủ yếu là khí hậu nhiệt đới, một số khu vực (như bờ biển giữa Đại Tây Dương) vẫn trải qua sự xâm nhập của băng mùa.dưới đường băng giá, hoặc các vật liệu không nhạy cảm với đông lạnh (ví dụ như đá nghiền, cát / sỏi) nên được sử dụng.
Khu vực bão thường trùng vớimôi trường ven biển có độ muối cao, áp dụng các yêu cầu bảo vệ ăn mòn nghiêm ngặt cho các cột thép:
Tiêu chuẩn mạ:ASTM A123, vớiMức độ 100 (100μm)Độ dày lớp phủ được khuyến cáo cho môi trường ven biển
Bảo vệ bổ sung cho phần nhúng:Lớp phủ bituminous hoặc bảo vệ áo khoác co lại nhiệttrên lớp kẽm được khuyến cáo
| Nhóm tham số | Yêu cầu khu vực bão (quận ánh sáng) | Cơ sở |
|---|---|---|
| Áp lực gió tải khu vực | 9 psf (khoảng 431 Pa, 60 mph) | Bảng 250-1 NESC |
| Tốc độ gió cơ bản | 90 ′′ 170 mph(3 giây, phụ thuộc vào vị trí) | Hình 250-2 của NESC |
| Áp dụng đối với gió cực đoan | Cấu trúc> 60 ft (18,3 m)về chiều cao | Quy tắc 250C của NESC |
| Nguyên nhân tải gió (thể loại B) | 2.50 | NESC lớp B |
| Tỷ lệ tải thẳng đứng (thể loại B) | 1.50 | NESC lớp B |
| Nguyên nhân căng của dây dẫn (thể loại B) | 1.65 | NESC lớp B |
| Mức độ dày tường thành phần chính tối thiểu | 3/16 inch (4.76 mm) | RUS Báo cáo 1724E-224 |
| Độ sâu nhúng điển hình | 10%15%của chiều cao cột | Thực hành kỹ thuật |
| Tiêu chuẩn thiết kế | ASCE/SEI 48-19 | Cơ sở thiết kế cấu trúc |
Thiết kế cấu trúc của 69 kV ≈ 230 kV cột thép ống cong trong khu vực bão phải tuân thủ nghiêm ngặtNESC C2yêu cầu tải vàASCE/SEI 48-19Từ áp suất gió LIGHT 9 psf đến tốc độ gió cực cao lên đến 170 mph trong Hình 250-2, từ yếu tố tải gió 2.50 đến ngưỡng độ dày tường tối thiểu là 3/16 inch, và từ 10% ∼15% yêu cầu độ sâu nhúng ∼ mọi thông số trực tiếp ảnh hưởng đến an toàn cấu trúc trong điều kiện bão.
Đối với các nhà cung cấp dự định tham gia vào các cuộc đấu thầu dự án truyền tải ở khu vực phía đông nam Hoa Kỳ, bờ biển Vịnh hoặc vùng ven biển Đại Tây Dương, rõ ràng xác địnhPhù hợp với NESC Light Loading District,¢ Quy tắc 250C của NESC thiết kế gió cực,Thiết kế ASCE/SEI 48-19, và bảng tham số độ dày tường và độ sâu nhúng đầy đủ trong các đề xuất kỹ thuật là nền tảng để thiết lập độ tin cậy kỹ thuật.
