Dwugałęziowe, strunobetonowe żerdzie elektroenergetyczne

Transkrypt

1 Dwugałęziowe strunobetonowe żerdzie elektroenergetyne Dr inż. Janusz Kubiak dr inż. Aleksy Łodo dr inż. Jarosław Michałek Politechnika Wrocławska Wprowadzenie Do budowy napowietrznych linii elektroenergetynych średnich napięć od 1 do 30 kv wykorzystuje się obecnie przede wszystkim strunobetonowe żerdzie wirowane typu E o długościach L 9 15 m i siłach wierzchołkowych P k kn [1 ]. W związku z tym występuje obecnie małe zainteresowanie żerdziami strunobetonowymi typu BSW-1/350 i BSW- 14/350 które w latach były podstawowymi elementami do budowy konstrukcji wsporych w liniach SN [3]. Obecnie używane są one sporadynie do wymiany żerdzi uszkodzonych. Strunobetonowe żerdzie dwugałęziowe BSW-1/350 i BSW-14/350 charakteryzują się dobrymi parametrami wytrzymałościowymi w stosunku do swojej małej masy i niewielkiego zużycia stali. Stosowane były jako słupy przelotowe (pojedyne) lub odporowe (z kilku żerdzi). Prostokątny przekrój tych żerdzi pozwalał na łąenie ich w konstrukcje złożone np. bliźniae strzałkowe rozkrane (A-owe X-owe) kozłowe (piramidowe trojak worak) portalowe (bramowe) lub w układy konstrukcyjne (słup z zastrzałem albo odciągiem) [4]. Konstrukcja typowej żerdzi BSW-14/350 o długości L 140 m i nośności użytkowej P k 35 kn będącej przedmiotem niniejszej pracy była w przeszłości kilkakrotnie zmieniana. Dokonywano modyfikacji kształtu ęści nasadowej (zamiana przekroju dwuteowego na ceowy) oraz rodzaju i liby cięgien sprężających (zamiana drutów 0 5 mm na sploty 36 5 mm i 3 5 mm lub na 8 drutów 75 mm według propozycji autorów w 1997 roku). W związku z wprowadzanymi w strunobetonowych żerdziach dwugałęziowych typu BSW linymi zmianami konstrukcyjnymi w Instytucie Budownictwa Politechniki Wrocławskiej pod koniec lat osiemdziesiątych minionego wieku przeprowadzono badania żerdzi BSW-14/350 sprężonych 3-ma splotami 5 (wersja zbrojenir 3 tab. 1) i w 1997 roku ośmioma drutami 75 mm ze stali St1470/1670 (wersja zbrojenia nr 4 tab. 1). W pracy przedstawiono wybrane wyniki wykonanych badań oraz opracowane na ich podstawie wnioski i uwagi dotyące dalszej eksploatacji żerdzi sprężonych BSW-1/350 i BSW-14/350.. Opis żerdzi Żerdź strunobetonowa BSW-14/350 jest elementem prefabrykowanym o konstrukcji dwugałęziowej zbieżnym na długości. W ęści wierzchołkowej żerdź ma przekrój prostokątny w ęści środkowej dwugałęziowy (17 otworów w płaszyźnie większego wymiaru) a w ęści nasadowej ceowy (rys. 1). Nośność użytkową żerdzi BSW-14/350 określa znamionowa siła charakterystyna P xk 350 dn 35 kn (płaszyzna większej sztywności) przyłożona w miejscu zamocowania poprzenika (około 0 m od góry). W płaszyźnie mniejszej sztywności nośność charakterystyna żerdzi wynosi P yk 03 P xk 105 kn. Rzeywiste siły wierzchołkowe są nieco większe (rys. 1). Analizę oblieniową żerdzi przeprowadzono przyjmując tery wersje zbrojenia sprężającego podane w tabeli 1. Do oblień przyjęto beton klasy C35/45 [5]. Parametry stali sprężającej w postaci wysokowęglowych drutów 5 mm i splotów 5 mm oraz drutów zimno ciągnionych profilowanych 75 mm przyjęto według normy [5]. Tabela 1. Przekroje i liba cięgien sprężających w różnych wersjach zbrojenia żerdzi BSW-14/350 Liba i rodzaj cięgien Przekrój cięgien A p Numer wersji zbrojenia Charakterystyna siła zrywająca cięgna Uwagi [mm ] F pk [kn] mm żerdź typowa 36 5 mm stal wg normy mm PN-B- 0364: mm stal gat. St1470/1670 Z danych zawartych w tabeli 1 wynika że najmniejszy przekrój mają cięgna wersji nr 3 (3 sploty 5 mm).

2 a) masa żerdzi i objętość betonu: m 115 kg V 0486m 3 rzeywiste siły wierzchołkowe: P xk 431 kn P yk 147 kn Rys. 1. Żerdź BSW-14/350 sprężona cięgnami 0 5 mm: a) kształt podłużny przekroje i rozmieszenie zbrojenia sprężającego Najmniejszą siłą zrywającą charakteryzują się cięgna z drutów 8 75 mm. Ten ostatni typ cięgien jest bardzo korzystny ze względów technologinych. Cięgna 75 mm z drutu profilowanego spełniają wymagania normy [6] w zakresie minimalnej ciągliwości graninej stali przy zerwaniu. 3. Oblianie sił wewnętrznych Siły podłużne i poprzene oraz momenty zginające w gałązkach i przewiązkach żerdzi strunobetonowej BSW-14/350 obciążonej w szycie siłami zastępymi M Ed N Ed i V Ed (rys. c) można wyznayć przyjmując schemat statyny żerdzi w postaci ramy wielokondygnacyjnej (ęść środkowa ażurowa) połąonej na górze z prętem zbieżnym o przekroju prostokątnym a dole z prętem o przekroju ceowym (ęść przyziemna). Schemat ten nadaje się również do wyznaenia ugięcia sprężystego w szycie żerdzi pochodzącego od obciążenia zastępą siłą poziomą P k 35 kn (w rzeywistych układach konstrukcyjnych linii elektroenergetynej przyjmuje się M Ed 0 i N Ed 0). W stanach graninych nośności siły w gałązkach i przewiązkach (ęść ażurowa żerdzi BSW-14/35) można wyznayć przyjmując schemat uproszony z przegubami w miejscach zerowania się momentów (rys. a). Siły osiowe N 1z i N z w gałązkach oraz tnące i momenty zginające w gałązkach i przewiązkach w środkowej ęści żerdzi BSW-14/350 (rys. ) określają wzory: M z z + MEd z g f Pk + MEd Mz NEd N1 z + Mz NEd N z - + Mg 4 Mp Mg Vg Mp Vp W gałązkach skrajnych moment ma wartość M g V Ed a p / 3. Ze względu na zmienność kształtu elementu i zmianę sił wewnętrznych sprawdzenie nośności należy przeprowadzić w kilku przekrojach. W żerdziach elektroenergetynych z reguły przyjmujemy M Ed 0 a siłę N Ed 5 kn (ciężar przewodów izolatorów i poprzenika) pomijamy jako nieistotną przy bardzo dużym mimośrodzie e s M z / N Ed w stosunku do wymiarów poprzenych żerdzi. Schematem statynym konstrukcji wsporej w napowietrznych liniach elektroenergetynych jest więc długi wspornik (wieża) obciążony w szycie zastępą siłą wierzchołkową γ f P k gdzie γ f jest współynnikiem obciążenia (obecnie dla wiatru γ f 15). 4. Sprawdzenie stanów graninych nośności i użytkowalności Oblieniośności rysoodporności i ugięcia żerdzi BSW-14/350 obciążonej zastępą siłą wierzchołkową P x γ f P k wykonano w oparciu o przepisy norm [5 6 7]. W oblieniach uwzględniono tery rodzaje zbrojenia elementu (tab. 1). Miarodajne do oblień tery przekroje żerdzi oznaono na rysunku 1a jako A-A B-B C-C i D-D. Oblienia sprawdzające wykonano: w sytuacji przejściowej w zakresie sprawdzenia stanu naprężenia i nośności gałązek na ściskanie osiowe wywołane siłą sprężającą w sytuacji trwałej: sprawdzenie stanu graninego nośności na mimośrodowe rozciąganie i ściskanie gałązek z uwzględnieniem siły sprężającej P mt 51

3 Rys.. Schemat statyny do analizy oblieniowej żerdzi dwugałęziowej typu BSW: a) schemat zastępy żerdzi w wersji uproszonej siły osiowe i tnące oraz momenty zginające w gałązkach i przewiązkach c) schemat do oblienia momentów zginających żerdzi sprawdzenie stanu graninego nośności na zginanie i ścinanie przewiązek sprawdzenie stanu graninego nośności na zginanie i zarysowanie przekroju ceowego w ęści nasadowej i całej żerdzi w płaszyźnie mniejszej sztywności (zginanie siłą wierzchołkową P y 03 P x ) sprawdzenie stanu graninego pojawienia się rys w gałązkach mimośrodowo rozciąganych sprawdzenie stanu graninego ugięcia z zastosowaniem metody dokładnej i uproszonej. Oblienia wykonywane w oparciu o przepisy różnych norm [5 6 7] niewiele się między sobą różniły. 5. Badania doświadalne Doświadalne badania wytrzymałościowe żerdzi typu BSW-14/350 przeprowadzono w Laboratorium Badawym Instytutu Budownictwa Politechniki Wrocławskiej na specjalnym stanowisku pokazanym na rysunku 3. Do badań wybrano losowo tery żerdzie w zakładzie stosującym zbrojenie w wersji 3 (tab. 1) i jedną żerdź ze zbrojeniem według wersji 4. Badane elementy na stanowisku badawym podpierano za pomocą stalowych wsporników zamocowanych do posadzki. Siłę wierzchołkową realizowano przy użyciu liny w którą wpięto siłomierz. Linę zaepiono do wciągarki suwnicy. Aby zredukować wpływ ciężaru własnego badane żerdzie podpierano w środkowej ęści specjalnym wózkiem. Przyjęto program obciążeń składający się z próby sprężystości i próby na zniszenie [7]. W ramach badań materiałowych wyznaono podstawowe cechy betonu i stali. W trakcie obciążania żerdzi mierzono odkształcenia jednostkowe na powierzchni betonu oraz ugięcia i zarysowanie (rejestrowano siłę rysującą i siłę odpowiadają- Rys. 3. Szkic stanowiska do badań żerdzi BSW-14/350 na zginanie w płaszyźnie większej sztywności 5

4 a) c) Rys. 4. Wyniki badań żerdzi nr 3 i nr : a) wykresy ugięcia wierzchołka żerdzi nr 3 w funkcji siły P x działającej w płaszyźnie większej sztywności i żerdzi nr w funkcji siły P y działającej w płaszyźnie mniejszej sztywności położenie i szerokość rozwarcia rys (w e ) zmierzone w elemencie nr 3 przy sile P x e 60 kn siła rysująca wynosiła P x c r 50 knc) miejsce zniszenia żerdzi nr 3 cą otwieraniu i zamykaniu się rys a także położenie i szerokość rozwarcia rys). Wyniki badań żerdzi nr i 3 przedstawiono w formie grafinej na rysunku 4. Na rysunku 4a przedstawiono wykresy ugięcia wierzchołka żerdzi a x w funkcji przyłożonej siły P x dla elementu nr 3 i ugięcia a y w funkcji siły P y dla elementu nr. Na rysunku 4b podano rozmieszenie i szerokości rozwarcia rys przy sile P x 60 kn a rysunku 4c sposób i miejsce zniszenia żerdzi nr 3. Z wykresu ugięć a x i a y widać że badane żerdzie charakteryzują się dużą odkształcalnością po zarysowaniu (ugięcie maksymalne przy zniszeniu wynosiło odpowiednio około 70 m w kierunku siły P x i 188 m w kierunku siły P y co należy uznać za cechę dodatnią żerdzi BSW. W tableli podano wybrane wyniki badań doświadalnych żerdzi BSW-14/350 oraz współynniki charakteryzujące nośność rysoodporność i ugięcie elementów. Najważniejsze parametry wymagane w chwili projektowania żerdzi [3] według obowiązującej wówas normy podano w kolumnach: 6 współynnik pewności na zarysowanie s cr P cre 15 (niespełniony dla kierunku siły P x ); 7 współynnik pewności na zniszenie s n 180 (spełniony) i 9 ugięcie przy sile charakterystynej a e ) a lim L / / mm (spełniony). W kolumnach 8 i 14 zamieszono tzw. współynniki sygnalizacji zniszenia w odniesieniu do siły rysującej 115 i w odniesieniu do ugięcia przy sile rysującej 0 (warunki są spełnione). W kolumnie 13 podano wartość współynnikałych efektów zginania 01 który jest zbliżony do wartości normowej [7]. 6. Wnioski Na podstawie analizy oblieniowej i badań doświadalnych strunobetonowych żerdzi dwugałęziowych typu BSW-14/350 sformułowano następujące wnioski: 1. Wszystkie sprawdzane oblieniowo żerdzie zbrojone w różny sposób (tab. 1) spełniają normowe warunki nośności w sytuacji przejściowej (obciążenie siłą sprężającą) i w sytuacji trwałej (obciążenie parciem wiatru na żerdź i siłą wierzchołkową). Nośność określona doświadalnie dla elementu ze zbrojeniem 3 (tab. 1) jest wystarająca (współynnik pewności na zniszenie s n >18 kol. 7 tab. ).. Badane elementy spełniają teoretyne i doświadalne warunki odkształcalności w zakresie: ugięcia 53

5 graninego a e ) a lim L / mm wywołanego siłą P kt 431 kn współynnika sygnalizacji zniszenia określonego przez stosunek ugięć / 0 i względnej wartości ugięciałego / Z wykonanych oblień wynikiedobór rysoodporności elementów w sytuacji trwałej (otrzymano N Sk > N cr w gałęzi rozciąganej w przekroju środkowym B-B i dolnym C-C rys. 1). Zakładając że momenty zginające żerdź (pochodzące od parcia wiatru na izolatory poprzenik i żerdź) są obciążeniem krótkotrwałym można złagodzić wymóg rysoodporności przyjmując zgodnie z normami [5 6 9] możliwość pojawienia się rys prostopadłych pod obciążeniem użytkowym. 4. Doświadalnie stwierdzono niedostateną rysoodporność badanych żerdzi w świetle starych przepisów [3]. Pojawienie się pierwszych rys na odcinku nasadowym (przekrój ceowy) i w dolnej strefie dwugałęziowej następowało przy sile P xcre 50 kn co odpowiada współynnikowi s cr P cre 116 < 15. W świetle norm [5 6 9] obecnie sytuacja taka jest dopuszalna w przypadku obciążeń krótkotrwałych. 5. Strunobetonowe żerdzie dwugałęziowe typu BSW- 1/350 i BSW-14/350 eksploatowane w napowietrznych liniach elektroenergetynych spełniają wymagania wytrzymałościowe i odkształcalnościowe polskich norm [ ] jako słupy przelotowe. Gorzej natomiast zachowują się jako słupy mocne w układach wielożerdziowych ze względu na małą odporność na skręcanie co uwidania się podas występowania obfitych opadów mokrego śniegu lub sadzi katastrofinej w postaci zniszenia całych przęseł naciągowych. Pozostawienie żerdzi BSW-1/350 i BSW-14/350 przy Tabela. Zestawienie wyników badań Numer elementu kierunek obciążania Wartości teoretyne remontach kapitalnych linii jest więc niewskazane tym bardziej że posiadamy w kraju cała gamę żerdzi wirowanych typu E które mogą je zastąpić. 6. W świetle wymagań trwałości żerdzie BSW-1/350 i BSW-14/350 w środowisku XC4 [5 6 9] mają zbyt małą otulinę zbrojenia sprężającego (grubość gałązek wynosi zaledwie 55 mm rys. 1 co daje c nom 0 ±5 mm yli c min 15 mm). Według normy [5] żerdzie BSW nie mają więc zagwarantowanego minimalnego 30-letniego okresu użytkowania. BIBLIOGRAFIA [1] Kubiak J. Łodo A. Sprężone i ęściowo sprężone żerdzie elektroenergetyne z betonu wirowanego. Inżynieria i Budownictwo Nr 1/96 s. 4 6 [] Kubiak J. Łodo A. Michałek J. Żerdzie z betonu wirowanego. Materiały Budowlane Nr 11/001 s i 116 [3] Prahl F. Album prefabrykatów żelbetowych i strunobetonowych dla linii niskich i średnich napięć. Symbol T Tom I i II z aneksami Biuro Studiów i Projektów Energetynych ENERGOPROJEKT w Poznaniu Poznań 1978 [4] Końykowski S. Mayzel B. Konstrukcje wspore linii napowietrznych. Arkady Budownictwo Sztuka Architektura Warszawa 196 [5] PN-B-0364:00. Konstrukcje betonowe żelbetowe i sprężone. Oblienia statyne i projektowanie [6] PN-EN :008. (z aneksem Ap1:010 NA:010) Eurokod : Projektowanie konstrukcji z betonu. Część 1 1: Reguły ogólne i reguły dla budynków [7] PN-87/B Elektroenergetyne linie napowietrzne. Żelbetowe i sprężone konstrukcje wspore. Oblienia statyne i projektowanie [8] Kubiak J. Łodo A. Badania cech odkształcalnościowych i wytrzymałościowych żerdzi strunobetonowych BSW-14/350. Raport Instytutu Budownictwa Politechniki Wrocławskiej seria SPR 68/1989 Wrocław 1989 [9] PN-EN 1843:008. Prefabrykaty z betonu. Maszty i słupy Wartości i wskaźniki doświadalne (indeks e) P kt P nt P cre s cr s n a e ) kn mm P x P y P x P x Oznaenia w tabeli: P kt teoretyna siła charakterystyna z oblień P nt teoretyna siłisząca z oblień i siłisząca z badań (eksperymentalna) P cre siła rysująca z badań s cr P cre 15 współynnik pewności na zarysowanie wg norm w asie projektowania [3] s n 180 współynnik pewności na zniszenie 115 stosunek siły niszącej i rysującej (współynnik sygnalizacji zniszenia przez zarysowanie) a e ) ugięcie wierzchołka (doświadalne) przy sile charakterystynej P kt nie większe od a lim ugięcie przy obciążeniu rysującym ugięcie trwałe pozostające po próbie sprężystości ugięcie maksymalne tuż przed zniszeniem 01 współynnik trwałych efektów obciążania 0 stosunek ugięcia przy zniszeniu do ugięcia przy sile rysującej P cre (współynnik sygnalizacji niszenia).