Как определить требования к ветровой и обледенелой нагрузке для стальных монопольных башен в горных регионах

Определение требований к ветровой и обледенелой нагрузке для стальные монопольные башни В горных регионах требуется систематический инженерный подход, учитывающий уникальные микроклиматические и топографические условия, характерные для больших высот. В отличие от установок на равнинной местности, башни, расположенные в горах, подвергаются воздействию повышенных скоростей ветра, интенсивного образования льда и более экстремальных сочетаний нагрузок окружающей среды, что требует тщательного определения параметров на этапе проектирования.

Данное руководство предоставляет инженерам, закупщикам и специалистам по планированию сетей всеобъемлющую основу для точного определения параметров нагрузки, специфичных для конкретного объекта, приведения их в соответствие с применимыми стандартами и обеспечения структурной надежности башни на протяжении всего предполагаемого срока ее эксплуатации.

Нормативно-правовая база и применимые стандарты

Основным документом, регулирующим конструкции для поддержки антенн в Северной Америке и многих других странах, является стандарт ANSI/TIA-222-H, «Структурный стандарт для конструкций, поддерживающих антенны, и самих антенн», опубликованный в 2017 году и вступивший в силу 1 января 2018 года. Эта редакция заменила стандарт TIA-222-G и внесла существенные изменения, непосредственно затрагивающие установки в горных районах. Международный строительный кодекс (IBC) ссылается на TIA-222-H в отношении конструкций, поддерживающих антенны, и самих антенн, что делает его применение фактически обязательным в большинстве юрисдикций США.

В отношении метеорологических и атмосферных нагрузок, вызывающих обледенение, стандарт ASCE/SEI 7-22 предоставляет базовую структуру, включающую карты ветров, карты обледенения и методики топографической корректировки. Стандарт TIA-222-H включает карты ветров ASCE 7-16 с указанием предельной скорости ветра в зависимости от категории риска, а также расширенные положения, касающиеся топографических факторов. В IBC 2018 года принят стандарт ASCE 7-16 для положений, касающихся ветров, что создает согласованную цепочку стандартов от строительных норм до стандартов, специфичных для башен.

В Китае и других азиатских странах используется аналогичный подход к проектированию, соответствующий стандарту GB 50009, «Кодексу нагрузок для проектирования строительных конструкций». В спецификации указаны максимальные скорости ветра с периодом повторяемости 50 лет, которые пересчитываются в базовое ветровое давление (кН/м²) на основе местных метеорологических данных. В Пекине установлено значение 0,45 кН/м² для периода повторяемости 50 лет, а в Гуанчжоу — 0,50 кН/м². Для горных районов, для которых отсутствуют достоверные данные, китайский стандарт рекомендует использовать консервативный множитель: принять значение, равное 1,1 скорости ветра на близлежащей равнинной местности, но не менее 25 м/с.

Параметры, специфичные для конкретного места установки горных башен.

Стандарт TIA-222-H устанавливает четыре основных параметра проектирования, специфичных для конкретного объекта, для правильного определения действующих нагрузок.

Категория риска: Категория риска конструкции (I–IV) определяет минимальные требования к ветровой, ледовой и сейсмической нагрузке. Категория риска II является стандартной для коммерческих телекоммуникационных сетей, где допустимы перебои в обслуживании. Однако горные вышки, поддерживающие сети общественной безопасности, экстренную связь или критическую инфраструктуру, могут соответствовать категории риска III, требующей более высоких скоростей ветра и повышенных коэффициентов безопасности.

Экологическая нагрузка: Стандарт TIA-222-H определяет предельные скорости ветра (порывы в 3 секунды) и толщину льда, рассчитанные на основе карт ASCE 7 с использованием компьютерного моделирования и эмпирических наблюдений. До принятия стандарта TIA-222-F (2005 г.) явных требований к ледовой нагрузке не существовало, что делало старые сооружения особенно уязвимыми в горных районах, подверженных обледенению.

Категория воздействия на объект: Данная классификация определяет коэффициент ветровой нагрузки на основе шероховатости поверхности земли и наличия близлежащих препятствий, растительности и построенных сооружений. Для установок на горных хребтах и вершинах применяется категория воздействия C (открытая местность с разбросанными препятствиями ниже 30 футов). Категория воздействия D, для незагроможденных водных поверхностей, актуальна для установок в прибрежных горах.

Топографическая категория участка: Для горных участков требуется топографическая корректировка, поскольку резкие изменения рельефа могут значительно увеличить скорость ветра по сравнению с базовой скоростью ветра, рассчитанной на основе карт ASCE 7. Эта категория учитывает эффекты увеличения скорости ветра от отдельных холмов, хребтов и обрывов. В соответствии с TIA-222-H доступны три методологии: упрощенный, строгий и подход, учитывающий специфику участка.

Определение ветровых нагрузок, специфичных для конкретного участка.

Шаг 1: Определите максимальную скорость ветра. Скорость ветра по данным TIA-222-H основана на предельной (а не номинальной) скорости порывов ветра за 3 секунды, с отдельными картами для категорий риска II, III и IV. На этих картах используется вдвое большее количество станций, предоставляющих данные, и более длительные периоды наблюдений, чем в предыдущих версиях, а также улучшены результаты моделирования ураганов.

Шаг 2: Примените топографический фактор Kzt. Kzt учитывает увеличение скорости ветра за счет ускорения рельефа местности. Топографический фактор из главы 26.8 стандарта ASCE 7 непосредственно фигурирует в уравнении скоростного давления.

Коэффициент рассчитывается следующим образом:
Kzt = (1 + K₁ + K₂ + K₃)²

Каждая переменная соответствует геометрии местности и местоположению здания:

• K₁ учитывает тип рельефа (холм, хребет или обрыв) и максимальное ускорение.

• K₂ учитывает расстояние сооружения от гребня.

• K₃ учитывает высоту сооружения над местностью.

Классификация Kzt применяется только при соблюдении следующих критериев: сооружение находится в верхней половине холма или хребта, или вблизи гребня обрыва; отношение высоты объекта к его длине (H/Lh) составляет не менее 0,2; и высота объекта H составляет не менее 15 футов для экспозиции C или D, или 60 футов для экспозиции B.

Уравнение скоростного давления TIA-222-H напрямую учитывает топографические эффекты. Коэффициент скоростного давления Kzt изменяет базовую скорость ветра в зависимости от ускорения ветра, вызванного топографическими особенностями местности. Для ровной или слегка наклонной местности значение Kzt по умолчанию равно 1,0, что означает отсутствие корректировки скоростного давления.

Шаг 3: Примените коэффициент экспозиции Kz. Коэффициент воздействия, основанный на категории воздействия, учитывает изменение скорости ветра в зависимости от высоты над уровнем земли. Для горных районов типичной является категория воздействия C, при этом также учитывается шероховатость и неровность поверхности для каждого направления ветра, как определено в главе 26.7 ASCE 7.

Шаг 4: Примените коэффициент направленности ветра Kd. Коэффициент Kd учитывает снижение вероятности возникновения максимальных ветров в направлении, создающем максимальную нагрузку на конструкцию. Для решетчатых башен типичные значения варьируются от 0,85 до 0,95.

Шаг 5: Примените коэффициент высоты местности Ke. В стандарт TIA-222-H добавлен коэффициент высоты над уровнем земли для учета снижения плотности воздуха на больших высотах. Этот коэффициент отражает тот факт, что менее плотный воздух оказывает меньшее давление, чем предполагалось в стандартных атмосферных условиях при построении карт ветра. Для вышек, расположенных на высоте более 3000 футов, этот эффект существенен и должен быть учтен.

Определение требований к ледовой нагрузке

Нагрузки от обледенения определяются по объему или площади поперечного сечения наледи, образовавшейся на всех открытых поверхностях конструктивных элементов, компонентов и принадлежностей. Карты толщины льда ASCE 7 предоставляют расчетную толщину льда для данного места, определяемую путем аппроксимации выборок с экстремальной толщиной льда обобщенным распределением Парето.

Для горных регионов, подверженных образованию льда, понимание специфического механизма его накопления имеет важное значение. Ледяной покров, образующийся в результате замерзания дождя, иней, образующийся в результате накопления льда в облаках, и мокрый снег – каждый из этих процессов приводит к различному распределению плотности льда. Как правило, определяющим фактором является наиболее значительная комбинация толщины льда и вероятной скорости ветра.

В стандарте TIA-222-H указано, что комбинация нагрузок от обледенения должна представлять собой максимальную вертикальную нагрузку с коэффициентом собственного веса 1,2 для обеспечения общей устойчивости и достаточной прочности элементов. В отличие от ветровых нагрузок, для случая нагрузок от обледенения не требуются минимальные условия собственного веса.

Как правило, при проектировании монопольных опор учитываются две комбинации ледовых нагрузок. Первая — это... условие максимальной толщины льда при соответствующей скорости ветра, которая создает максимальную вертикальную нагрузку. Второй вариант — это меньшая толщина льда при более высокой скорости ветра Это может определять максимальную боковую нагрузку. Необходимо учитывать оба фактора, поскольку определяющее условие зависит от соотношения сторон конструкции, гибкости элементов и конфигурации фундамента.

Поскольку на карте ледового покрова ASCE 7 для данного места указана только одна толщина льда, она, по сути, охватывает оба типа нагрузок. Это было достигнуто путем указания максимальной толщины льда с эквивалентной расчетной скоростью ветра, определенной таким образом, чтобы получить определяющее условие боковой нагрузки.

Для горных установок с мачтой, закрепленной на оттяжках (включая метеорологические вышки для ветроэнергетики, часто превышающие 100 м), экстремальные ледовые нагрузки могут определять требования к устойчивости и прочности. Вес льда и давление ветра в совокупности увеличивают натяжение оттяжек и создают значительные силы, направленные вниз, на мачту. Этот эффект особенно остро проявляется для монопольных мачт на открытых вершинах хребтов, где башня полностью открыта и не защищена от соседних сооружений.

Комбинации грузов и коэффициенты запаса прочности

Стандарт TIA-222-H основан на принципах расчета по предельной прочности. Необходимо учитывать следующие комбинации нагрузок с соответствующими коэффициентами нагрузки:

В соответствии с TIA-222-H, требования к кручению и боковому смещению должны соблюдаться при рабочих скоростях ветра 70 миль в час (приблизительно 113 км/ч). Крутящий момент и боковое смещение башни на всех уровнях установки антенны должны определяться аналитическими методами и отражаться в официальном анализе напряжений.

Константа 0,00256 в формуле скоростного давления предполагает стандартную атмосферу на уровне моря. Для высокогорных районов необходимо использовать коэффициент высоты над уровнем моря (Ke) для корректировки снижения плотности воздуха на высоте.

Особенности проектирования с учетом особенностей горных условий

Топографическое ускорение ветра. Максимальная скорость ветра на вершинах хребтов может быть в 1,5–2 раза выше, чем на близлежащих равнинах, из-за ускорения потока, при этом скорость ветра на вершинах холмов увеличивается в 1,64 раза. Методология ASCE 7 учитывает это явление с помощью коэффициента Kzt, который необходимо применять всякий раз, когда местоположение участка находится в верхней половине топографического объекта, отвечающего заданным критериям H/Lh и высоты.

Взаимодействие микроклимата и рельефа местности. Горные хребты создают сложные мезомасштабные циркуляционные системы. Каналы между хребтами, орографический подъем и термические потоки в долинах создают локальные ветровые режимы, превышающие региональные расчетные скорости ветра. Инженерам следует проводить исследования ветровых условий на конкретных участках крупных объектов, а не полагаться исключительно на карты ASCE 7. Для критически важной инфраструктуры могут потребоваться моделирование с использованием вычислительной гидродинамики (CFD) или испытания в аэродинамической трубе.

Одновременное возникновение сценариев обледенения и ветра. Сильное обледенение часто совпадает с умеренной скоростью ветра, в то время как сильные ветры обычно происходят без значительного образования льда. Определяющим условием прочности моноопоры на изгиб может быть сочетание меньшего количества льда и сильного ветра, а определяющим условием несущей способности фундамента на отрыв может быть случай сильного обледенения и слабого ветра. Горный микроклимат может создавать оба сценария, и оба должны быть оценены.

Сброс льда и дисбаланс. Поскольку лед неравномерно нарастает на башне и антеннах, последующее его отслаивание или таяние приводит к временной несбалансированной нагрузке. Это динамическое состояние необходимо учитывать в точках соединения. В комментарии к стандарту TIA-222-H поясняется, что вариативность постоянных нагрузок незначительна по сравнению с приблизительным методом определения веса льда в экстремальных условиях обледенения. Однако неравномерное распределение льда нельзя игнорировать при структурном анализе.

Свойства, зависящие от высоты. Плотность воздуха уменьшается с высотой, снижая передачу импульса от ветра к конструкции. Этот фактор (Ke) частично компенсирует увеличение расчетной скорости ветра в горных районах — аспект, который часто упускается из виду в упрощенных технических условиях.

Проектирование фундаментов для горных монополий

При проектировании фундамента необходимо дополнительно учитывать коэффициенты нагрузки, применяемые к постоянным нагрузкам. Вес грунта, непосредственно поддерживаемого фундаментом, и вес самого фундамента рассматриваются как постоянные нагрузки для рассматриваемой комбинации нагрузок с коэффициентом нагрузки 1,2 или 0,9.

Вес грунта за пределами периметра фундамента, сопротивляющийся реакциям подъема или опрокидывания, считается номинальной прочностью грунта с коэффициентом сопротивления 0,75, как указано в разделе 9.4 стандарта TIA-222-H. Для мачт с оттяжками существует уникальная ситуация, когда требуется только максимальная комбинация постоянных нагрузок с коэффициентом постоянной нагрузки 1,2; реакции анкеровки от каждой комбинации нагрузок должны учитываться при проектировании анкеров для оттяжек.

Основания для фундаментов из горных пород, мелкозаглубленные фундаменты с защитой от промерзания грунта в зависимости от сезона и забивные сваи для крутых, труднодоступных участков должны быть рассчитаны на максимальную из расчетных комбинаций нагрузок. При проведении геотехнических исследований необходимо учитывать ползучесть грунта на склонах, глубину промерзания и потенциальную неравномерную осадку.

Обеспечение качества и проверка

Технические условия, предоставляемые производителям, должны включать координаты участка, базовую скорость ветра, категорию риска, категорию воздействия, топографическую категорию, расчетную толщину льда, скорость ветра, совпадающую со скоростью льда, высоту над уровнем моря, корректировку скорости ветра, рассчитанную по формуле Kzt, и параметры грунта для проектирования фундамента.

Аналитическая проверка должна включать модальный анализ для подтверждения того, что основная собственная частота башни достаточно отделена от частот внешних воздействий, чтобы избежать резонансных колебаний. Параметрические исследования должны учитывать изменения направления ветра и неопределенность толщины льда на площадке. Анализ напряжений, проведенный производителем, должен учитывать все указанные условия нагрузки, используя комбинации нагрузок TIA-222-H. Метод спектра отклика, описанный в разделе 2.7 TIA-222-H, должен применяться для сейсмических нагрузок в активных горных зонах.

Распространенные ошибки в технических условиях, которых следует избегать.

Игнорирование топографического Kzt: Использование Kzt = 1,0 для участков, расположенных на вершинах холмов или хребтов, может привести к занижению расчетной мощности монопольных опор на 30% и более. Стандарт TIA-222-H требует применения топографического фактора, если сооружение находится в верхней половине соответствующего объекта. Неправильное исключение может быть результатом использования карт ветров на прилегающих равнинных участках из более старых проектов.

Недостаточное указание ледовой нагрузки: В горных районах толщина льда часто превышает значения, указанные на картах ASCE 7, из-за локальных орографических облачных эффектов и обледенения атмосферы на больших высотах. Расчетную толщину льда для мониторинга необходимо сверять с местными метеорологическими данными, если таковые имеются.

Ошибка при расчете одной нагрузки: Использование только максимальной толщины льда при одновременной скорости ветра, игнорируя сочетание уменьшенного количества льда и более сильного ветра, может привести к недооценке боковой несущей способности и сопротивления опрокидыванию фундамента. Для высоких, узких моноопор в зонах с умеренным обледенением сценарий с уменьшенным количеством льда может определять боковую нагрузку и должен быть оценен.

Заключение

Определение ветровых и обледенелых нагрузок для стальных монопольных башен в горных регионах требует систематического применения стандартов TIA-222-H, ASCE 7 и соответствующих местных стандартов, с учетом особенностей местности, таких как топографическое ускорение ветра, реалистичное определение толщины льда и комплексные комбинации нагрузок. Следуя методологии, изложенной в данном руководстве, инженеры и заказчики могут гарантировать, что башни будут структурно адекватны для горных условий и будут иметь соответствующие размеры, чтобы избежать чрезмерных затрат на материалы. Инвестиции в точное определение характеристик напрямую приводят к созданию безопасной, надежной и экономически эффективной инфраструктуры, способной выдерживать уникальные вызовы, связанные с размещением на большой высоте.

Узнайте больше на www.alttower.com

Связаться с нами