ภาคมิดเวสต์ตอนบน ภาคตะวันออกเฉียงเหนือ และอลาสก้าต้องเผชิญกับความเสี่ยงที่จะเกิดการสะสมของน้ำแข็งอย่างรุนแรงในแต่ละฤดูหนาว. พายุน้ำแข็งเมื่อเดือนมกราคม พ.ศ. 2541 ในภาคตะวันออกเฉียงเหนือของสหรัฐอเมริกา ซึ่งทำให้หอส่งสัญญาณพังทลายลงและสายไฟฟ้าขัดข้อง ยังคงเป็นตำราสำหรับอุตสาหกรรม. ผลกระทบของการสะสมน้ำแข็งบนเสาเหล็กส่งกำลังขยายไปไกลเกินกว่าภาระในแนวตั้งที่เพิ่มขึ้น:การสะสมของน้ำแข็งจะขยายพื้นที่สัมผัสลมของตัวนำและสายกราวด์, คูณแรงลมตามขวาง;การไหลของน้ำแข็งที่ไม่สม่ำเสมอและการควบม้าสร้างความตึงเครียดที่ไม่สมดุลตามยาวอย่างมีนัยสำคัญตลอดช่วงที่อยู่ติดกัน; ที่สำคัญยิ่งกว่านั้นคือการเกิดน้ำแข็งและแรงลมรวมกันกำหนดความต้องการด้านความแข็งแกร่งของโครงสร้างเสาให้สูงกว่าสถานการณ์การออกแบบทั่วไป.
สำหรับเสาเหล็กท่อเรียวขนาด 69kV ถึง 230kV การตรวจสอบโหลดถือเป็นหัวใจสำคัญของการรับประกันความสมบูรณ์ของโครงสร้างในบริเวณที่มีน้ำแข็งหนา บทความนี้จะสรุปข้อกำหนดในการรับน้ำหนักและเกณฑ์การเลือกโครงสร้างสำหรับการออกแบบเสาโซนน้ำแข็งหนักอย่างเป็นระบบ ตามกฎข้อบังคับของ NESC และมาตรฐานการออกแบบ ASCE/SEI 48-19
ที่รหัสความปลอดภัยทางไฟฟ้าแห่งชาติ (NESC, ANSI C2)เป็นมาตรฐานพื้นฐานบังคับสำหรับการออกแบบสายส่งเหนือศีรษะในสหรัฐอเมริกา. สพช. แบ่งประเทศออกเป็นสามเขตที่มีการโหลดสภาพอากาศ: :
| กำลังโหลดอำเภอ | ความหนาของน้ำแข็งเรเดียล | แรงดันลมแนวนอน | อุณหภูมิ |
|---|---|---|---|
| หนัก | 0.5 นิ้ว (12.7 มม.) | 4 PSF (ประมาณ 192 Pa) | 0°F (-18°C) |
| ปานกลาง | 0.25 นิ้ว (6.35 มม.) | 4 PSF | — |
| แสงสว่าง | 0 นิ้ว | 9 PSF | 30°F |
ที่มา: สศช. ตาราง 250-1
ในเขตบรรทุกของหนัก ตัวอย่างโดยเพนซิลเวเนีย สิ่งอำนวยความสะดวกทางอากาศจะต้องได้รับการออกแบบน้ำแข็งรัศมี 0.5 นิ้ว + ลม 40 ไมล์ต่อชั่วโมง + อุณหภูมิ 0°F.
ปัจจัยการรับน้ำหนักสำหรับโครงสร้างเหล็กภายใต้การก่อสร้าง NESC เกรด B มีดังต่อไปนี้: :
| ประเภทโหลด | โหลดแฟกเตอร์ |
|---|---|
| แรงลม | 2.50 |
| โหลดแนวตั้ง (น้ำหนักตาย + น้ำแข็ง) | 1.50 |
| แรงดึงของตัวนำ/ลวดคงที่ | 1.65 |
การโหลดน้ำแข็งที่รุนแรงเป็นอีกหนึ่งข้อกำหนดที่สำคัญสำหรับการออกแบบโซนน้ำแข็งหนัก: สิ่งอำนวยความสะดวกจะต้องต้านทานโหลดน้ำแข็งรัศมีขั้นต่ำ 1.25 นิ้ว (31.8 มม.)โดยมีความหนาแน่นของน้ำแข็งอยู่ที่57 ชิ้น (ประมาณ 913 กก./ลบ.ม.)อุณหภูมิ 0°F และความเร็วลม 0 ไมล์ต่อชั่วโมง. รัฐและระบบสาธารณูปโภคบางแห่งได้นำมาตรฐานภายในที่เข้มงวดยิ่งขึ้นมาใช้.
ASCE/SEI 48-19 การออกแบบโครงสร้างเสาส่งเหล็กเป็นมาตรฐานการออกแบบเฉพาะทางที่ออกโดย American Society of Civil Engineers ซึ่งเป็นพื้นฐานทางเทคนิคที่เหมือนกันสำหรับการออกแบบ รายละเอียด การประดิษฐ์ การทดสอบ การประกอบ และการสร้างโครงสร้างเหล็กท่อเรียวขึ้นรูปเย็น. มาตรฐานนี้ใช้กับทั้งโครงสร้างแบบรองรับตัวเองและแบบมีโครง ครอบคลุมฐานรากหลายประเภท เช่น โครงคอนกรีต เสาเข็มเหล็ก และการฝังโดยตรง.
สำหรับการใช้งานโซนน้ำแข็งหนัก ASCE/SEI 48-19 กำหนดให้นักออกแบบพิจารณาการผสมผสานการรับน้ำหนักต่อไปนี้:
NESC Rule 250B (กำลังโหลดเขต): การผสมผสานมาตรฐานของน้ำแข็งและแรงลม
NESC Rule 250C (ลมแรง): ใช้กับโครงสร้างที่มีความสูงเกิน 60 ฟุต (18.3 ม.) เท่านั้น
NESC Rule 250D (น้ำแข็งสุดขีดพร้อมลมพัดพร้อมกัน): ระยะเวลาคืนทุน 100 ปี น้ำแข็งและแรงลมรุนแรงรวมกัน
คู่มือ ASCE 74 แนวทางสำหรับการโหลดโครงสร้างสายส่งไฟฟ้า ให้วิธีการคำนวณโหลดตามความน่าเชื่อถือเพิ่มเติม และทำหน้าที่เป็นข้อมูลอ้างอิงที่เชื่อถือได้สำหรับการวิเคราะห์โหลดโซนน้ำแข็งหนัก.
การเลือกเกรดเหล็ก
สำหรับการใช้งานโซนน้ำแข็งหนักASTM Gr50 (ความแข็งแรงของผลผลิตขั้นต่ำ 345 MPa) หรือ Gr65 (ความแข็งแรงของผลผลิตขั้นต่ำ 448 MPa)แนะนำให้ใช้เหล็กที่มีความแข็งแรงสูง. Gr65 ให้ความจุโมเมนต์สูงกว่าที่ความหนาของผนังเท่ากัน ช่วยควบคุมน้ำหนักเสาโดยรวมและต้นทุนการขนส่ง
ข้อกำหนดความหนาของผนัง
RUS Bulletin 1724E-224 กำหนดความหนาของโลหะฐานขั้นต่ำสำหรับส่วนประกอบหอคอยเหล็กชุบสังกะสี:
สมาชิกมุมหลัก: ≥3/16 นิ้ว (4.76 มม.)
สมาชิกคนอื่นๆ: ≥1/8 นิ้ว (3.18 มม.)
ในเขตน้ำแข็งหนา นักออกแบบมักจะอยู่ไกลออกไปเพิ่มความหนาของผนังก้นเพื่อจัดการกับโมเมนต์กราวด์ไลน์สูงสุดอันเป็นผลมาจากการรวมโหลดของ NESC. ต้องกำหนดความหนาของผนังก้นโดยเฉพาะโดยพิจารณาจากโมเมนต์พื้นดินที่คำนวณจากกล่องโหลดของ NESC เพื่อให้มั่นใจว่าอัตราส่วนความเค้นไม่เกิน 1.0.
การออกแบบเสาเรียว
เส้นเขตน้ำแข็งหนาจะให้บริการได้ดีที่สุดเสาเรียวซึ่งความหนาของผนังและเส้นผ่านศูนย์กลางส่วนต่างๆ แตกต่างกันไปตามความสูงของเสา เสริมความแข็งแกร่งให้กับส่วนก้นโดยยังคงความแข็งด้านบนไว้เพียงพอ. สำหรับการออกแบบสวมแบบหลายส่วน ต้องให้ความสนใจเป็นพิเศษกับการตรวจสอบการโก่งงอเฉพาะที่บริเวณรอยต่อ (โดยทั่วไปคือความยาวหมั้น ≥24 นิ้ว/610 มม.)
พารามิเตอร์ต่อไปนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการตรวจสอบโหลดของเสาเหล็กเรียวขนาด 69kV–230kV ในเขตน้ำแข็งหนัก:
| พารามิเตอร์การตรวจสอบ | ข้อกำหนดโซนน้ำแข็งหนัก | พื้นฐาน |
|---|---|---|
| ความหนาของน้ำแข็งเรเดียล (โหลดเฉพาะเขต) | 0.5 นิ้ว (12.7 มม.) | สศช. ตารางที่ 250-1 |
| ความหนาของน้ำแข็งมาก | ขั้นต่ำ 1.25 นิ้ว (31.8 มม.) | NESC กฎ 250D |
| ความกดอากาศพร้อมกัน (อ.) | 4 PSF (40 ไมล์ต่อชั่วโมง) | สศช. ตารางที่ 250-1 |
| ความหนาแน่นของน้ำแข็ง | 57 ชิ้น (913 กก./ลบ.ม.) | สศช |
| ปัจจัยการรับน้ำหนักลม (เหล็ก) | 2.50 | เนสซี เกรด บี |
| ค่าสัมประสิทธิ์โหลดแนวตั้ง (รวมน้ำแข็ง) | 1.50 | เนสซี เกรด บี |
| ปัจจัยความตึงเครียดของตัวนำ | 1.65 | เนสซี เกรด บี |
| ความหนาของผนังสมาชิกหลักขั้นต่ำ | 3/16 นิ้ว (4.76 มม.) | แถลงการณ์มาตุภูมิ 1724E-224 |
| มาตรฐานการออกแบบ | ASCE/SEI 48-19 | พื้นฐานการออกแบบโครงสร้าง |
สำหรับเสาเหล็กแบบฝังโดยตรงในบริเวณที่มีน้ำแข็งหนา การออกแบบฐานรากจำเป็นต้องให้ความสนใจเพิ่มเติมกับ:
1. ความลึกของการฝังและความต้านทานดินด้านข้าง
โหลดด้านข้างที่เพิ่มขึ้นจากการสะสมของน้ำแข็งจะถูกส่งไปยังส่วนที่ฝังไว้โดยตรง โดยต้องมีความลึกในการฝังที่เพียงพอเพื่อให้มีความต้านทานดินด้านข้าง ผู้ออกแบบควรคำนวณแรงเฉือนและโมเมนต์ของพื้นดินโดยพิจารณาจากการรวมโหลดของ NESC และกำหนดความลึกของการฝังที่มีประสิทธิภาพตามประเภทของดิน
2. ข้อพิจารณาฟรอสต์ฮีฟ
โซนน้ำแข็งหนามักเกิดขึ้นพร้อมกับการแทรกซึมของน้ำค้างแข็งตามฤดูกาล ส่วนที่ฝังควรขยายใต้เส้นน้ำค้างแข็งหรือวัสดุทดแทนที่ไม่ไวต่อน้ำค้างแข็ง (เช่น หินบด ทราย/กรวด) ควรใช้เพื่อป้องกันการสะสมตัวของน้ำค้างแข็ง
3. การป้องกันการกัดกร่อนสำหรับส่วนที่ฝังตัว
ภาคมิดเวสต์ตอนบน ภาคตะวันออกเฉียงเหนือ และอลาสก้าต้องเผชิญกับความเสี่ยงที่จะเกิดการสะสมของน้ำแข็งอย่างรุนแรงในแต่ละฤดูหนาว. พายุน้ำแข็งเมื่อเดือนมกราคม พ.ศ. 2541 ในภาคตะวันออกเฉียงเหนือของสหรัฐอเมริกา ซึ่งทำให้หอส่งสัญญาณพังทลายลงและสายไฟฟ้าขัดข้อง ยังคงเป็นตำราสำหรับอุตสาหกรรม. ผลกระทบของการสะสมน้ำแข็งบนเสาเหล็กส่งกำลังขยายไปไกลเกินกว่าภาระในแนวตั้งที่เพิ่มขึ้น:การสะสมของน้ำแข็งจะขยายพื้นที่สัมผัสลมของตัวนำและสายกราวด์, คูณแรงลมตามขวาง;การไหลของน้ำแข็งที่ไม่สม่ำเสมอและการควบม้าสร้างความตึงเครียดที่ไม่สมดุลตามยาวอย่างมีนัยสำคัญตลอดช่วงที่อยู่ติดกัน; ที่สำคัญยิ่งกว่านั้นคือการเกิดน้ำแข็งและแรงลมรวมกันกำหนดความต้องการด้านความแข็งแกร่งของโครงสร้างเสาให้สูงกว่าสถานการณ์การออกแบบทั่วไป.
สำหรับเสาเหล็กท่อเรียวขนาด 69kV ถึง 230kV การตรวจสอบโหลดถือเป็นหัวใจสำคัญของการรับประกันความสมบูรณ์ของโครงสร้างในบริเวณที่มีน้ำแข็งหนา บทความนี้จะสรุปข้อกำหนดในการรับน้ำหนักและเกณฑ์การเลือกโครงสร้างสำหรับการออกแบบเสาโซนน้ำแข็งหนักอย่างเป็นระบบ ตามกฎข้อบังคับของ NESC และมาตรฐานการออกแบบ ASCE/SEI 48-19
ที่รหัสความปลอดภัยทางไฟฟ้าแห่งชาติ (NESC, ANSI C2)เป็นมาตรฐานพื้นฐานบังคับสำหรับการออกแบบสายส่งเหนือศีรษะในสหรัฐอเมริกา. สพช. แบ่งประเทศออกเป็นสามเขตที่มีการโหลดสภาพอากาศ: :
| กำลังโหลดอำเภอ | ความหนาของน้ำแข็งเรเดียล | แรงดันลมแนวนอน | อุณหภูมิ |
|---|---|---|---|
| หนัก | 0.5 นิ้ว (12.7 มม.) | 4 PSF (ประมาณ 192 Pa) | 0°F (-18°C) |
| ปานกลาง | 0.25 นิ้ว (6.35 มม.) | 4 PSF | — |
| แสงสว่าง | 0 นิ้ว | 9 PSF | 30°F |
ที่มา: สศช. ตาราง 250-1
ในเขตบรรทุกของหนัก ตัวอย่างโดยเพนซิลเวเนีย สิ่งอำนวยความสะดวกทางอากาศจะต้องได้รับการออกแบบน้ำแข็งรัศมี 0.5 นิ้ว + ลม 40 ไมล์ต่อชั่วโมง + อุณหภูมิ 0°F.
ปัจจัยการรับน้ำหนักสำหรับโครงสร้างเหล็กภายใต้การก่อสร้าง NESC เกรด B มีดังต่อไปนี้: :
| ประเภทโหลด | โหลดแฟกเตอร์ |
|---|---|
| แรงลม | 2.50 |
| โหลดแนวตั้ง (น้ำหนักตาย + น้ำแข็ง) | 1.50 |
| แรงดึงของตัวนำ/ลวดคงที่ | 1.65 |
การโหลดน้ำแข็งที่รุนแรงเป็นอีกหนึ่งข้อกำหนดที่สำคัญสำหรับการออกแบบโซนน้ำแข็งหนัก: สิ่งอำนวยความสะดวกจะต้องต้านทานโหลดน้ำแข็งรัศมีขั้นต่ำ 1.25 นิ้ว (31.8 มม.)โดยมีความหนาแน่นของน้ำแข็งอยู่ที่57 ชิ้น (ประมาณ 913 กก./ลบ.ม.)อุณหภูมิ 0°F และความเร็วลม 0 ไมล์ต่อชั่วโมง. รัฐและระบบสาธารณูปโภคบางแห่งได้นำมาตรฐานภายในที่เข้มงวดยิ่งขึ้นมาใช้.
ASCE/SEI 48-19 การออกแบบโครงสร้างเสาส่งเหล็กเป็นมาตรฐานการออกแบบเฉพาะทางที่ออกโดย American Society of Civil Engineers ซึ่งเป็นพื้นฐานทางเทคนิคที่เหมือนกันสำหรับการออกแบบ รายละเอียด การประดิษฐ์ การทดสอบ การประกอบ และการสร้างโครงสร้างเหล็กท่อเรียวขึ้นรูปเย็น. มาตรฐานนี้ใช้กับทั้งโครงสร้างแบบรองรับตัวเองและแบบมีโครง ครอบคลุมฐานรากหลายประเภท เช่น โครงคอนกรีต เสาเข็มเหล็ก และการฝังโดยตรง.
สำหรับการใช้งานโซนน้ำแข็งหนัก ASCE/SEI 48-19 กำหนดให้นักออกแบบพิจารณาการผสมผสานการรับน้ำหนักต่อไปนี้:
NESC Rule 250B (กำลังโหลดเขต): การผสมผสานมาตรฐานของน้ำแข็งและแรงลม
NESC Rule 250C (ลมแรง): ใช้กับโครงสร้างที่มีความสูงเกิน 60 ฟุต (18.3 ม.) เท่านั้น
NESC Rule 250D (น้ำแข็งสุดขีดพร้อมลมพัดพร้อมกัน): ระยะเวลาคืนทุน 100 ปี น้ำแข็งและแรงลมรุนแรงรวมกัน
คู่มือ ASCE 74 แนวทางสำหรับการโหลดโครงสร้างสายส่งไฟฟ้า ให้วิธีการคำนวณโหลดตามความน่าเชื่อถือเพิ่มเติม และทำหน้าที่เป็นข้อมูลอ้างอิงที่เชื่อถือได้สำหรับการวิเคราะห์โหลดโซนน้ำแข็งหนัก.
การเลือกเกรดเหล็ก
สำหรับการใช้งานโซนน้ำแข็งหนักASTM Gr50 (ความแข็งแรงของผลผลิตขั้นต่ำ 345 MPa) หรือ Gr65 (ความแข็งแรงของผลผลิตขั้นต่ำ 448 MPa)แนะนำให้ใช้เหล็กที่มีความแข็งแรงสูง. Gr65 ให้ความจุโมเมนต์สูงกว่าที่ความหนาของผนังเท่ากัน ช่วยควบคุมน้ำหนักเสาโดยรวมและต้นทุนการขนส่ง
ข้อกำหนดความหนาของผนัง
RUS Bulletin 1724E-224 กำหนดความหนาของโลหะฐานขั้นต่ำสำหรับส่วนประกอบหอคอยเหล็กชุบสังกะสี:
สมาชิกมุมหลัก: ≥3/16 นิ้ว (4.76 มม.)
สมาชิกคนอื่นๆ: ≥1/8 นิ้ว (3.18 มม.)
ในเขตน้ำแข็งหนา นักออกแบบมักจะอยู่ไกลออกไปเพิ่มความหนาของผนังก้นเพื่อจัดการกับโมเมนต์กราวด์ไลน์สูงสุดอันเป็นผลมาจากการรวมโหลดของ NESC. ต้องกำหนดความหนาของผนังก้นโดยเฉพาะโดยพิจารณาจากโมเมนต์พื้นดินที่คำนวณจากกล่องโหลดของ NESC เพื่อให้มั่นใจว่าอัตราส่วนความเค้นไม่เกิน 1.0.
การออกแบบเสาเรียว
เส้นเขตน้ำแข็งหนาจะให้บริการได้ดีที่สุดเสาเรียวซึ่งความหนาของผนังและเส้นผ่านศูนย์กลางส่วนต่างๆ แตกต่างกันไปตามความสูงของเสา เสริมความแข็งแกร่งให้กับส่วนก้นโดยยังคงความแข็งด้านบนไว้เพียงพอ. สำหรับการออกแบบสวมแบบหลายส่วน ต้องให้ความสนใจเป็นพิเศษกับการตรวจสอบการโก่งงอเฉพาะที่บริเวณรอยต่อ (โดยทั่วไปคือความยาวหมั้น ≥24 นิ้ว/610 มม.)
พารามิเตอร์ต่อไปนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการตรวจสอบโหลดของเสาเหล็กเรียวขนาด 69kV–230kV ในเขตน้ำแข็งหนัก:
| พารามิเตอร์การตรวจสอบ | ข้อกำหนดโซนน้ำแข็งหนัก | พื้นฐาน |
|---|---|---|
| ความหนาของน้ำแข็งเรเดียล (โหลดเฉพาะเขต) | 0.5 นิ้ว (12.7 มม.) | สศช. ตารางที่ 250-1 |
| ความหนาของน้ำแข็งมาก | ขั้นต่ำ 1.25 นิ้ว (31.8 มม.) | NESC กฎ 250D |
| ความกดอากาศพร้อมกัน (อ.) | 4 PSF (40 ไมล์ต่อชั่วโมง) | สศช. ตารางที่ 250-1 |
| ความหนาแน่นของน้ำแข็ง | 57 ชิ้น (913 กก./ลบ.ม.) | สศช |
| ปัจจัยการรับน้ำหนักลม (เหล็ก) | 2.50 | เนสซี เกรด บี |
| ค่าสัมประสิทธิ์โหลดแนวตั้ง (รวมน้ำแข็ง) | 1.50 | เนสซี เกรด บี |
| ปัจจัยความตึงเครียดของตัวนำ | 1.65 | เนสซี เกรด บี |
| ความหนาของผนังสมาชิกหลักขั้นต่ำ | 3/16 นิ้ว (4.76 มม.) | แถลงการณ์มาตุภูมิ 1724E-224 |
| มาตรฐานการออกแบบ | ASCE/SEI 48-19 | พื้นฐานการออกแบบโครงสร้าง |
สำหรับเสาเหล็กแบบฝังโดยตรงในบริเวณที่มีน้ำแข็งหนา การออกแบบฐานรากจำเป็นต้องให้ความสนใจเพิ่มเติมกับ:
1. ความลึกของการฝังและความต้านทานดินด้านข้าง
โหลดด้านข้างที่เพิ่มขึ้นจากการสะสมของน้ำแข็งจะถูกส่งไปยังส่วนที่ฝังไว้โดยตรง โดยต้องมีความลึกในการฝังที่เพียงพอเพื่อให้มีความต้านทานดินด้านข้าง ผู้ออกแบบควรคำนวณแรงเฉือนและโมเมนต์ของพื้นดินโดยพิจารณาจากการรวมโหลดของ NESC และกำหนดความลึกของการฝังที่มีประสิทธิภาพตามประเภทของดิน
2. ข้อพิจารณาฟรอสต์ฮีฟ
โซนน้ำแข็งหนามักเกิดขึ้นพร้อมกับการแทรกซึมของน้ำค้างแข็งตามฤดูกาล ส่วนที่ฝังควรขยายใต้เส้นน้ำค้างแข็งหรือวัสดุทดแทนที่ไม่ไวต่อน้ำค้างแข็ง (เช่น หินบด ทราย/กรวด) ควรใช้เพื่อป้องกันการสะสมตัวของน้ำค้างแข็ง
3. การป้องกันการกัดกร่อนสำหรับส่วนที่ฝังตัว
