Egy 1968-ban tervezett nagyfeszültségű távvezeték oszlopainak sorsa dőlt el egy lézerszkenneres felmérés és egy Consteel-modell találkozásán: az egyik oszloptípus minden vizsgálatot kiállt, a másiknál viszont egy rejtett szerkezeti hiba, amely csak a valós geometria beépítésével vált láthatóvá, azonnali megerősítést tett szükségessé.

A meglévő, évtizedekkel korábban épített acélszerkezetek állapotfelmérése visszatérő feladat a tervezői gyakorlatban, különösen akkor, ha az eredeti tervdokumentáció hiányos, vagy a szerkezet állapota az idők során megváltozott. Egy ilyen helyzetben lett elvégezve több nagyfeszültségű távvezetékoszlop-típus szerkezeti ellenőrzése Consteel segítségével, az aktuálisan hatályos szabványi előírások szerint.

A két bemutatott oszloptípus eltérő eredményt adott: a PIC 400 minden vizsgálat során megfelelt, míg a PAS 400101 esetében megerősítés vált szükségessé – ez utóbbi esetet részletesen is bemutatjuk.

SZABVÁNYOS ÉS MÓDSZERTANI HÁTTÉR

A szerkezeti ellenőrzés térbeli (3D) végeselemes modellen lett elvégezve, a terhelések a valós fesztávolságok alapján, az erre vonatkozó 1 kV-nál nagyobb váltakozó feszültségű szabadvezetékeket tárgyaló SR EN 50341-1:2013 ¹ és az SR EN 50341-2-24:2019 ² szabványok előírásainak megfelelően lettek meghatározva. A vezetékoszlopokra vonatkozó megbízhatósági szint 1-es szint (50 éves visszatérési idő), a maximális szélteherhez tartozó parciális biztonsági tényező γW = 1,0.

A vizsgálat a következő teherkombinációkra terjedt ki a vonatkozó szabvány szerint: N1, N2a, N2b, N3, N4a, N4b, valamint A1 és A2. A legkritikusabb kombinációk általában a vezetékre merőleges szél- és zúzmarás terhelés együttes hatása (N2a, N2b), illetve a huzalszakadás névleges szél és extrém jegesedés egyidejű hatásával (A1) – különösen a sarokpontban elhelyezkedő tartó- és horgonyoszlopok esetében. Minden vizsgált oszlop ellenőrizve lett szilárdsági és globális stabilitási szempontból is, az adott oszloptípusra legkedvezőtlenebb kombinációk szerint. A kihasználtsági értékek a szabvány szerint lettek meghatározva, stabilitás ellenőrzés tekintetében az általános módszerrel ³, amely a kihajlási hosszak kézi megadása nélkül, automatikusan értékeli a szerkezet stabilitásvesztéssel szembeni ellenállását, ami rendkívül könnyítette a vizsgálatot, a hagyományos, analitikus módszerekhez képest. A két módszer közti különbségekről beszéltünk már egy korábbi Tudásbázisos anyagunkban.

VALÓS GEOMETRIA BEÉPÍTÉSE A MODELLBE

A vizsgálat egyik meghatározó eleme, hogy nem az eredeti tervdokumentáció geometriájával, hanem a szerkezet tényleges, mai állapotával lett számolva. A helyszíni felmérés lézerszkenneres technológiával lett elvégezve, ami pontfelhő alapú elemzést tett lehetővé; ebből lettek beazonosítva az oszloptípusok (lábak és vezetékek közötti távolságok, fő rúdelemek méretei). A számítási modell felépítése Consteelben gyors és egyszerű – amennyiben pedig a szerkezet Teklában is elkészül, a modell könnyen átvihető Consteelbe, így a geometriát nem kell kétszer megépíteni.

A szerkezeti elemek függőleges eltérésének (ferdeségének) meghatározása külön lépésként lett elvégezve: a számítási modell és a pontfelhő a Tekla Structures programban lett összevetve, az így kapott eltérések pedig globális imperfekcióként lettek beépítve a végső Consteel modellbe. Mivel a szabvány a lehajlási és elhajlási határértékeket nem rögzíti, az oszlopok függőlegességének vizsgálata minden esetben egyedileg lett elvégezve, ugyanazzal az általános módszerrel, amely a stabilitásvesztést automatikusan, kihajlási hossz megadása nélkül értékeli.

A felmérés kiterjedt a szerkezeti elemek falvastagságának ellenőrzésére is: bár a korrózióvédelmi bevonat jelentős elhasználódást mutatott, tényleges keresztmetszet-csökkenés nem volt kimutatható.

VIZSGÁLT OSZLOPTÍPUSOK

A vizuális felmérés alapján három, leggyakoribb kialakítású és egyben legnagyobb fesztávolságú/terhelésű oszloptípus lett kiválasztva a részletes vizsgálatra. Az alábbiakban kettő kerül bemutatásra; egy harmadik, SAC 400107 jelű típusra szintén készült ellenőrzés, ennek eredményei jelen cikk keretében nem kerülnek részletezésre.

A MEGERŐSÍTÉST IGÉNYLŐ PAS 400101 OSZLOP

A PAS 400101 a hálózat egyik leggyakoribb tartóoszlop-típusa, fő teherviselő vázát az L70×7 szelvényű lábak és a keresztirányú tartóelemek alkotják. A vezetékek rögzítése a konzolzónán, az izolátorok csatlakozási pontjainál történik, ezért ennek a zónának a viselkedése lett a leginkább kiemelten vizsgálva.

TEHERKOMBINÁCIÓK ÉS KIÉRTÉKELÉSÜK

Az N1 teherkombináció esetén a szerkezet valamennyi eleme a megengedett határon belül maradt, a legnagyobb kihasználtság (96,9%) a főtartó lábaknál jelentkezett. Az N2a kombinációnál a konzol felső részén, az izolátor csatlakozási pontjában már 108,8%-os kihasználtság adódott, míg a fő tartószerkezeti elemek 80% alatt maradtak, azaz a konzolszerkezet helyi megerősítést igényelt.

A legkritikusabb állapotot az A1 kombináció (huzalszakadás) jelentette: a jobb oldali felső vezeték szakadása lett modellezve, és a legnagyobb kihasználtság 168,4%-ra adódott, az alsó konzoltalpon. A túlterheltség oka, hogy ezen a ponton a szelvény a tehetetlenségi tengelyére merőleges igénybevételt kapott, ami stabilitásvesztéshez vezetett. Nem csak ez az egy pont lépte túl a 100%-ot: a konzolzóna további öt pontján is 100% fölötti értékek adódtak, ami arra utal, hogy a probléma nem egyetlen helyi gyengeségből, hanem a konzol egészének nem megfelelő rúdkialakításából ered. A főtartó lábak eközben végig 60% alatti kihasználtsággal működtek.

FÜGGŐLEGESSÉG ELLENŐRZÉSE

A pontfelhő és az ideális geometria összevetése mintegy 50 mm-es vízszintes eltérést mutatott, ami imperfekcióként lett beépítve a modellbe; az újraelemzés során a legnagyobb kihasználtság 96,9%-ot ért el, a szerkezet ez alapján megfelelt a stabilitási követelményeknek.

MEGERŐSÍTÉSI JAVASLAT

Ez a megoldás biztosítja a konzolzóna megfelelő teherbírását, és megszünteti a kimutatott túlterheléseket.

A SZERKEZETILEG MEGFELELŐ PIC 400 OSZLOP

A PIC 400 szerkezeti kialakítása, a főtartó lábak és a diagonális támaszok révén, fokozott merevséget biztosít mind a keresztirányú, mind a hosszirányú terhelésekre. Az N2a kombinációnál a legnagyobb kihasználtság 91,7% volt az oszlopcsúcs közelében; az A1 (huzalszakadás) kombinációnál 85,2% a keresztirányú tartó alsó talprészénél. A pontfelhő és az ideális geometria összevetése az oszlopcsúcson mintegy 140 mm-es vízszintes eltérést mutatott; miután ez imperfekcióként be lett építve a modellbe, a kihasználtság az érintett zónában enyhén, 80,5-82,5%-ra emelkedett. A deformáció mértéke jelentős, de a szerkezet a stabilitási vizsgálat alapján biztonságosan működtethető, kritikus állapotot az eltérés nem eredményez.

ÖSSZEGZÉS

A vizsgálat jól szemlélteti, hogyan ellenőrizhető egy évtizedekkel korábban tervezett, meglévő acélszerkezet a mai szabványi előírások szerint, a tényleges, lézerszkenneléssel felmért geometriai állapot figyelembevételével. A PIC 400 minden vizsgált teherkombináció esetén megfelelt; a PAS 400101 esetében viszont egy jól beazonosítható szerkezeti probléma, a konzolzóna nem megfelelő rúdkialakítása, lett feltárva, amelyre célzott megerősítési javaslat is született.

REFERENCIÁK

1. SR EN 50341-1:2013 – Overhead electrical lines exceeding AC 1 kV – Part 1: General requirements – Common specifications ↩︎
2. SR EN 50341-2-24:2019 – Overhead electrical lines exceeding AC 1 kV – Part 2-24: National Normative Aspects (NNA) for Romania ↩︎
3. EN 1993-1-1:2006 – Eurocode 3: Design of steel structures – Part 1-1: General rules and rules for buildings 6.3.4 ↩︎

Ezúttal az egyik felhasználónk által fejlesztett és használt úttörő technológiákat mutatjuk be, valamint ezek implementációját a Consteel-ben, a szerkezeti tervezési folyamata során. Ez lehetővé tette számukra, hogy kiértékeljék a napelem tartószerkezetére ható jelentős terheket é eszerint végezzék a tervezést. Továbbá bemutatjuk a Consteel használatának előnyeit a munkafolyamat hatékonysága és a termelékenység szempontjából is.

Az Array Technologies (STI Norland) egy Spanyolországban alapított vállalat, amely napelem-projektek kivitelezésével és megvalósításával foglalkozik, beleértve a napkövető és a rögzített rendszereket is. 2002-ben építette a világ első napkövető erőművét a Navarra tartományban.

A PROJEKT BEMUTATÁSA

Az Alfajarínban, Zaragoza tartományában található projekt egy vízszintes tengelyű fotovoltaikus napkövető rendszer telepítését foglalja magában. A szerkezet két torziós gerendából áll, amelyek tartják a napelemeket. Ezek a gerendák egy keresztirányú mechanizmus segítségével forgathatók, lehetővé téve a modulok kelet-nyugat irányú mozgatását, követve a nap pályáját.

A napelemek oszcilláló mozgását egy csillagászati számítási algoritmus segítségével számolják ki, amely figyelembe veszi a modulok közötti árnyékolás lehetőségét is. Így elkerülhető az árnyékhatás, ami akár 5%-kal is növelheti az energiatermelést.

A projekt megközelítőleg 380 méteres tengerszint feletti magasságban helyezkedik el, és soronként 29 fotovoltaikus modult tartalmaz. Minden modul tömege 32,3 kg, tehát minden sor közel 950 kg-ot kell elbírjon, amely egyenletesen oszlik el a teljes hossz mentén. Ez a tömeg kizárólag a berendezésre vonatkozik, és nem tartalmazza a jelentős szélterhelést, amelyet a modulok közel 2,5 m²-es felületére hat. Soronként ez körülbelül 74 négyzetméternyi napelem felületet jelent, amelyre a szélterhelést is figyelembe kell venni.

TERVEZÉSI MEGFONTOLÁSOK

A vizsgálat elsősorban a szélterhelések hatásaira koncentrált, mivel ezek a legjelentősebbek más terhelésekkel szemben. Kezdetben, mivel a szerkezet viszonylag könnyű, nem érzékeny a földrengések által okozott tehetetlenségi hatásokra. A hóterheket nem vizsgálták, mert a követőrendszer úgy van kialakítva, hogy egy stabil, körülbelül 10 cm vastag hóréteggel működjön. Az oszcilláló mozgás megakadályozza a vastagabb hóréteg felhalmozódását. A rendszer emellett hóérzékelővel rendelkezik, amely folyamatosan méri a hóréteg vastagságát; amikor az eléri a 8 cm-t, a követőrendszer egy hóbiztonsági pozícióba mozog, 45 fokos szögben, hogy elősegítse a hó lecsúszását.

Mivel a projekt fotovoltaikus követőkből áll, figyelembe kell venni a követők különböző pozícióit a nap folyamán. Ezenkívül a modulok különböző sorait eltérő mértékben érinti a szélterhelés az elrendezésük szerint.

Három fő követőcsoport különíthető el a szélnek való kitettségük szintje alapján: Belső követők („Seguidor Interior”), amelyek kevésbé vannak kitéve a szélnek; Belső, de szélnek jobban kitett követők („Seguidor Interior de Borde”), amelyek közepes mértékben vannak kitéve; Külső követők („Seguidor Exterior”), amelyek nagyobb szélterhelésnek vannak kitéve.

Végül a különböző típusú követők és a nap folyamán elfoglalt pozícióik közötti permutációk figyelembevételével történt az átfogó elemzés.

Az az eset, amikor a szél „hátulról” hat, nem került figyelembevételre, mivel a követőrendszer anemométerrel van felszerelve. Ha a szélsebesség meghaladja a 60 km/h-t, ami a tervezési sebesség, a követő széllel szembeni pozícióba áll. Ebben a helyzetben a szerkezet sokkal kisebb terhelésnek van kitéve, míg a „hátulról” érkező szél ilyen sebességnél különféle aerodinamikai instabilitásokhoz vezethet, amelyek veszélyeztetnék a modulok épségét.

A lehetséges eredmények érzékenysége miatt az esetek csökkenthetők a pirossal kiemelt esetekre, amelyek a széllel szembeni forgatókönyveket reprezentálják. Végső soron a tervezést a legjobban kitett követők szabják meg, így a tervezési eset a széllel szembeni pozíció, különösen a külső követők esetében.

MODELLEZÉSI CONSTEEL-BEN

Az Array Technologies (STI Norland) műszaki adatlapjai tartalmazzák a szerkezeteknek az összes specifikus méretét. A Consteel belső szkriptnyelvét, a Descriptet használva, ezek az adatok lettek felhasználva a kezdeti geometria létrehozásához a szoftverben, amely jelentősen felgyorsítja a modellezési fázis munkafolyamatát.

Az Array Technologies (STI Norland) által kifejlesztett algoritmus a Consteelben lehetővé teszi a megfelelő terhelések bevezetését a modellbe. Ezek a terhelések a panelekre vonatkoznak, és az alábbi szempontokat veszik figyelembe:

• A panelekre ható szélnyomás, amelyet szélcsatorna-tesztekkel meghatározott együtthatók alapján számítanak ki.
• A panelek saját súlya, a gyártó által megadott adatok szerint, beleértve egy további mennyiséget, amely a panelek telepítéséhez szükséges kábelezés súlyát fedezi.
• A szerkezeti elemek saját súlya.

A modell tartalmazza azt a tartószerkezetet, amelyhez a fotovoltaikus modulok rögzítve vannak, a torziós rudat, amely az összes panelt tartja, valamint azokat az oszlopokat, amelyek a szerkezetet a talajhoz kötik. Emellett a modell magában foglalja azt a keresztirányú mechanizmust is, amely a torziós rudak elforgatásáért felel, lehetővé téve a panelek számára, hogy kövessék a nap pályáját.

A CONSTEEL ELŐNYEI

Az Array Technologies (STI Norland) által kiemelt legfontosabb előnyök közé tartozik a Consteel speciális végeselem-modellje, amely 7 szabadságfokkal rendelkezik. Ez a képesség lehetővé teszi a nyitott szelvényekben keletkező csavarási feszültségek figyelembevételét, ami különösen fontos a csavarodásra és öblösödésre hajlamos szerkezetek esetében.

Továbbá a Consteel fejlett kezelést biztosít a rudak közötti külpontosságok tekintetében. Ez lehetővé teszi a terhelések és alakváltozások pontos figyelembevételét és átadását, nemcsak a szelvény súlypontját, hanem a nyíróerők középpontját is felismerve nyitott szelvények esetében. Ez a képesség lehetővé teszi, hogy a Consteel a szerkezet globális viselkedését pontosan reprodukálja.

Ezenfelül a Consteel lehetőséget nyújt a szerkezet globális kihajlási módjainak meghatározására (mind a 7 szabadságfok figyelembevételével), hogy pontosan meghatározza a hajlítási és csavarási kihajlási hosszakat, még részlegesen megtámasztású elemek, például felül megtámasztott tetőbordák esetében is.

A program egyik legfőbb funkciója a hidegen hajlított szelvények vagy 4. osztályú profilok részletes elemzése. A Consteel lehetővé teszi a felhasználók számára, hogy egy speciális felületen bármilyen geometriát definiáljanak, és a szoftver automatikusan kiszámítja a profil összes effektív keresztmetszeti tulajdonságát minden terhelési kombinációra, valamint a rúd hossza mentén. Ezek a tulajdonságok ugyanis a szelvény feszültségeloszlásától függenek.

A szoftver kiemelkedik a könnyű használhatóságával is, összehasonlítva más hasonló eszközökkel, valamint a magas minőségű grafikus megjelenítéssel a modellezés során. Ez a funkció lehetővé teszi a felhasználók számára, hogy világosabb képet kapjanak a valós elrendezésről és a tervezés végleges eredményéről. Különösen fontos a 3D modellezés szerepe, mivel ez az elemzési és modellezési programok kiinduló pontja, és segít abban, hogy a tervezés pontosan legyen reprezentálva és értelmezve.