Zonas de furacão com forte carga de vento NESC C2: espessura da parede e controle de profundidade de incorporação para postes de aço tubulares cônicos

O desafio estrutural das zonas de furacões para as linhas de transmissão dos EUA

O sudeste dos EUA, a Costa do Golfo e as regiões costeiras do Atlântico enfrentam ameaças diretas de furacões todos os anos. Velocidades extremas do vento causadas por furacões podem causar danos catastróficos aos postes de aço de transmissão:cargas de vento em condutores e fios terra se multiplicam exponencialmente,o corpo do poste resiste a enormes momentos de flexão transversais, eas fundações estão sujeitas a forças de levantamento e de tombamento.

Grandes desastres, como o furacão Katrina (2005), o furacão Harvey (2017) e o furacão Ian (2022), resultaram em colapsos generalizados de torres de transmissão. Estes acontecimentos levaram as empresas de serviços públicos e reguladores dos EUA a reforçar continuamente os padrões de concepção de linhas de transmissão em regiões propensas a furacões.

Para postes tubulares cônicos de aço de 69 kV a 230 kV,espessura da parede e profundidade de embutimentosão os dois parâmetros principais que determinam a capacidade de resistência ao vento. Este artigo descreve sistematicamente os requisitos de carga e controle de parâmetros para projetos de pólos em zonas de furacões, com base nos regulamentos NESC e nos padrões de projeto ASCE/SEI 48-19.

Estrutura de requisitos de carga da zona de furacões NESC

OCódigo Nacional de Segurança Elétrica (NESC, ANSI C2)é o padrão fundamental obrigatório para projeto de linhas de transmissão aéreas nos EUA. O NESC divide o país em três distritos de carga climática:PESADO,MÉDIO, eLUZ. Para zonas de furacões, o Distrito de Carregamento LIGHT aplica-se principalmente:

Fonte: Tabela NESC 250-1

Todo o estado da Flórida está dentro do Distrito de Carregamento LIGHT, exigindo que instalações aéreas sejam projetadas paraVento de 60 mph (pressão de vento de 9 psf) + temperatura de 30°F. Por outro lado, a Pensilvânia está no Distrito de Carga Pesada, exigindo projeto para gelo de 0,5 polegada + vento de 40 mph.

Regra NESC 250C (Carga Extrema de Vento)é outro requisito crítico para o projeto de zonas de furacões: estruturas que excedam60 pés (18,3 m)em altura, juntamente com suas instalações apoiadas, devem ser projetados para cargas extremas de vento com base nas velocidades básicas do vento na Figura 250-2 do NESC (Rajada de 90 a 170 mph em 3 segundos, dependendo da localização).

Fatores de Carga para Estruturas de Açosob NESC Grau B Construção são especificados como segue:

O grau B representa a maior margem de segurança no NESC, necessária quando postes suportam vãos que cruzam rodovias de acesso limitado, ferrovias e hidrovias navegáveis.

Padrão de projeto estrutural ASCE/SEI 48-19 e cálculo de carga de vento

ASCE/SEI 48-19, Projeto de Estruturas de Pólos de Transmissão de Aço, é o padrão de projeto especializado emitido pela Sociedade Americana de Engenheiros Civis, fornecendo uma base técnica uniforme para o projeto, detalhamento, fabricação, teste, montagem e montagem de estruturas tubulares de aço cônicas formadas a frio..

Para aplicações em zonas de furacões, a ASCE/SEI 48-19 exige que os projetistas considerem as seguintes combinações de carga NESC:

• Regra NESC 250B (Carregamento Distrital): Combinação padrão de pressão de vento de 9 psf (sem gelo) para o distrito LIGHT

• Regra NESC 250C (Vento Extremo): Cargas extremas de vento com base nas velocidades básicas do vento da Figura 250-2, aplicáveis ​​a estruturas com mais de 60 pés de altura

• Regra NESC 250D (gelo extremo com vento simultâneo): Combinação extrema de gelo e vento com período de retorno de 100 anos

O Manual ASCE 74, Diretrizes para carregamento estrutural de linhas de transmissão elétrica, fornece ainda metodologias de cálculo de carga baseadas em confiabilidade e serve como referência oficial para análise de carga de vento em zonas de furacões.

Cálculo de Engenharia da Carga do Vento: A Regra NESC 250C especifica que a pressão extrema do vento é calculada da seguinte forma:

Pressão do Vento = 0,00256 × V² × kz × GRF × I × Cd × Área Projetada

onde V é a velocidade do vento com rajadas de 3 segundos da Figura 250-2 (90–170 mph), kz é o coeficiente de exposição à pressão e velocidade (0,92–1,40) e GRF é o fator de resposta à rajada.

Controle de parâmetros de espessura de parede para zonas de furacões

O Boletim RUS 1724E-224 exige espessura mínima do metal base para componentes de torres de aço galvanizado:

• Membros principais do canto: ≥3/16 polegada (4,76mm)

• Outros membros: ≥1/8 polegada (3,18mm)

Em zonas de furacões, os projetistas normalmenteaumentar a espessura da parede de topopara abordar o momento máximo da linha terrestre resultante das combinações de carga NESC. A espessura específica da parede de topo deve ser determinada com base no momento da linha do solo calculado a partir dos casos de carga NESC, garantindo que a taxa de tensão não exceda 1,0.

Design de pólo cônico: As linhas da zona de furacões são melhor servidas porpostes cônicosque variam a espessura da parede e o diâmetro da seção ao longo da altura do poste, fortalecendo a seção de topo e mantendo a rigidez superior adequada. Para projetos de ajuste deslizante de múltiplas seções, atenção especial deve ser dada à verificação de encurvadura local na zona de emenda (normalmente ≥24 polegadas/610 mm de comprimento de engate).

Controle de parâmetros de profundidade de incorporação para zonas de furacões

A profundidade de embutimento para postes de aço de embutimento direto é outro parâmetro fundamental no projeto de zonas de furacões. As cargas de vento transversais induzidas por furacões são transmitidas diretamente para a seção embutida, exigindo profundidade de embutimento suficiente para fornecer resistência lateral à terra.

Princípios de design de profundidade de incorporação:

1. Determine a profundidade de incorporação com base no momento do solo

A profundidade de embutimento deve ser suficiente para resistir ao momento e ao cisalhamento da linha do solo. Os projetistas devem calcular combinações de carga sob a Regra 250B do NESC (pressão do vento de 9 psf) e a Regra 250C (vento extremo), tomando ovalor do envelopepara determinar a profundidade de embutimento necessária.

2. Faixa típica de profundidade de incorporação

Para postes de aço cônicos de 69 kV a 230 kV, a profundidade típica de embutimento é10%–15%da altura do poste. Para um poste de 70 pés, isso equivale a aproximadamente7–10,5 pésde incorporação.

3. Considerações sobre as condições do solo

Os cálculos da profundidade de embutimento devem levar em conta o tipo de solo e a capacidade de suporte. Solo macio ou áreas de preenchimento podem exigirmaior profundidade de embutimento ou adição de placas de suporte de fundaçãopara fornecer resistência lateral adequada.

4. Requisitos da Linha Frost

Embora as zonas de furacões tenham climas predominantemente tropicais, certas regiões (como a costa meso-atlântica) ainda sofrem penetração sazonal de geadas. A seção incorporada deve se estenderabaixo da linha de geada, ou materiais de aterro não suscetíveis à geada (por exemplo, brita, areia/cascalho) devem ser usados.

Considerações sobre proteção contra corrosão e zonas de furacões na galvanização

As zonas de furacões muitas vezes coincidem comambientes costeiros com alto teor de sal, impondo requisitos rigorosos de proteção contra corrosão para postes de aço:

• Padrão de Galvanização:ASTM A123, comGrau 100 (100μm)espessura de revestimento recomendada para ambientes costeiros

• Proteção Adicional para Seção Incorporada:Revestimento betuminoso ou proteção de manga termorretrátilsobre a camada galvanizada é recomendado

Resumo dos parâmetros principais

Conclusão

O projeto estrutural de postes tubulares cônicos de aço de 69 kV a 230 kV em zonas de furacões deve cumprir rigorosamenteNESC C2requisitos de carga eASCE/SEI 48-19metodologias de projeto estrutural. Desde a pressão do vento de 9 psf do distrito LIGHT até velocidades extremas de vento de até 170 mph na Figura 250-2, de um fator de carga de vento de 2,50 a um limite mínimo de espessura de parede de 3/16 polegada, e de 10% a 15% de requisitos de profundidade de incorporação – cada parâmetro impacta diretamente a segurança estrutural sob condições de furacão.

Para fornecedores que planejam participar de licitações de projetos de transmissão no sudeste dos EUA, na Costa do Golfo ou nas regiões costeiras do Atlântico, especificando explicitamente“Compatível com NESC Light Load District”,“Projeto de vento extremo da Regra NESC 250C”,“Projeto ASCE/SEI 48-19”, e uma tabela completa de parâmetros de espessura de parede e profundidade de embutimento em propostas técnicas é a base para estabelecer credibilidade técnica.

• Empresa:Unidade estrutural metálica Co. de Futao, Ltd.
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