Dữ liệu mới về cách gió bão ảnh hưởng đến tháp truyền tải điện

Dữ liệu mới về cách gió bão ảnh hưởng đến tháp truyền tải điện

    Dữ liệu mới về cách gió bão ảnh hưởng đến tháp truyền tải điện

    Bức tường gió so với tháp truyền tải. Một nghiên cứu mới đã đo phản ứng của gió do bão tạo ra trong phòng thí nghiệm trên các tháp truyền tải điện ở chế độ tỷ lệ 1:50 thực tế. Tập dữ liệu được tạo đã giành được giải thưởng Bộ dữ liệu NHERI DesignSafe năm 2022. Kết quả nghiên cứu có thể giúp sửa đổi các mã kỹ thuật để thiết kế các tòa tháp mới an toàn hơn. Ảnh: Azzi và cộng sự, DOI: 10.1016/j.engstruct.2021.112885.

    New data on hurricane-force winds effect on electric transmission towers
    Hầu hết mọi người ở Hoa Kỳ không nghĩ đến việc bật công tắc để thắp sáng. Hoa Kỳ đã đầu tư lớn vào giữa thế kỷ 20 vào phía truyền tải của lưới điện quốc gia để cung cấp điện đáng tin cậy cho xã hội. Vấn đề là nhiều tháp truyền tải đã vượt quá tuổi thọ thiết kế khoảng 50 năm, điều đó có nghĩa là lưới điện cũ kỹ ngày nay phải đối mặt với nguy cơ hỏng hóc lớn hơn.

    Một mối đe dọa đối với lưới điện là từ sức gió gây thiệt hại của các cơn bão cực đoan như cuồng phong. Trường hợp điển hình—thiệt hại hơn 25 tỷ đô la do gió do Bão Michael gây ra, vào năm 2018 đã làm đổ khoảng 100 tháp truyền tải điện ở Florida.

    Một bộ dữ liệu thử nghiệm trong phòng thí nghiệm mới nhằm mục đích giúp các nhà khoa học và kỹ sư hiểu và ngăn chặn mối đe dọa của gió bão đối với các cấu trúc truyền tải điện. Dự án (PRJ-1379) đã giành được Giải thưởng Bộ dữ liệu DesignSafe năm 2022, giải thưởng ghi nhận những đóng góp đa dạng của bộ dữ liệu cho nghiên cứu về các hiểm họa tự nhiên.

    Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một trong những thiết bị mô phỏng bão mạnh nhất thế giới, Cơ sở thí nghiệm bức tường gió của Cơ sở hạ tầng nghiên cứu kỹ thuật nguy hiểm tự nhiên (NHERI) tại Đại học Quốc tế Florida (FIU). Các mô hình thực tế tỷ lệ 1:50 của các tháp truyền tải và hệ thống cáp điện truyền dẫn nhiều nhịp đã được Bức tường Gió xử lý, có khả năng tạo ra sức gió bão cấp 5 với vận tốc 157 dặm một giờ.

    Các tốc độ và hướng gió khác nhau đã được thử nghiệm để mô phỏng sự hỗn loạn và phức tạp của những cơn bão thực sự. Các thử nghiệm, được tiến hành vào tháng 7 năm 2019, đã đo lực đàn hồi do chuyển động của kết cấu, gió và các thành phần khác của kết cấu này gây ra dưới tác động tương tác của kết cấu gió.

    Nhóm khoa học đã công bố một phần kết quả của họ vào tháng 7 năm 2021 trên tạp chí Engineering Structures. Một số bài báo khác dựa trên dữ liệu được tạo ra từ dự án này hiện đang được xem xét.

    "Một trong những kết quả chính cho đến nay, và lý do nó vẫn tiếp tục sau khi dự án kết thúc, là việc xác định và mô tả đặc điểm của các thông số quan trọng nhất để phân tích và thiết kế các cấu trúc này," Abdollah Shafieezadeh, Phó Giáo sư tại Khoa Lichtenstein cho biết. về Kỹ thuật Xây dựng, Môi trường và Trắc địa tại Đại học Bang Ohio (OSU).

    Là trọng tâm chính của nghiên cứu này, Shafieezadeh và các đồng nghiệp đã nghiên cứu hai tham số chính—hệ số tác động gió giật và hệ số lực cản—được các nhà khoa học và kỹ sư sử dụng để phân tích tác động của gió đối với hệ thống dây dẫn và tháp truyền tải, đồng thời sử dụng mô hình mà họ đã phát triển cho giai đoạn thiết kế hệ thống mới.

    Shafieezadeh cho biết: “Chúng tôi đã phát triển các phương pháp tổng hợp cảm biến về mặt phân tích có khả năng kết hợp các loại thông tin khác nhau từ các loại cảm biến khác nhau được thiết bị và xác minh tại FIU”.

    Các tháp mô hình được trang bị ba gia tốc kế 3 trục, một cảm biến tải trọng 6 bậc tự do và sáu máy đo biến dạng, về cơ bản ghi lại chuyển động của các cánh tay chéo, lực cắt cơ sở và phản ứng xoắn. Một hệ thống thu thập dữ liệu đã thu thập các phép đo từ các cảm biến, sau đó được phân tích bằng các phương pháp thống kê.

    Họ đã thực hiện ba loạt thử nghiệm — một thử nghiệm trên các tòa tháp đơn lẻ không có chất cách điện; khác là với một đường dây truyền tải nhiều nhịp; thử nghiệm cuối cùng xem xét phản ứng của hệ thống tháp khi một dây dẫn hoặc chất cách điện bị hỏng dưới gió bão, một điều độc đáo đối với thử nghiệm này. Mỗi thử nghiệm này cung cấp những hiểu biết mới rất quan trọng để hiểu hành vi phức tạp của các cấu trúc tháp dưới tác động của gió cực mạnh.

    Arindam Chowdhury, PI và Giám đốc Cơ sở Thử nghiệm Bức tường Gió của NHERI cho biết: "Điều chính mà chúng tôi học được từ nghiên cứu là về các yếu tố tác động của gió giật. Tải trọng cực đại khác với tải trọng được công bố trong các tiêu chuẩn". và Giáo sư kiêm Chủ tịch Khoa Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường tại FIU.

    Chowdhury và các đồng nghiệp tại FIU đã tạo ra các ước tính có độ chính xác cao hơn, đáng tin cậy hơn về các tham số này bằng phòng thí nghiệm gió hiện đại của họ. Sau đó, Shafieezadeh và các đồng nghiệp tại OSU đã so sánh dữ liệu đó với dữ liệu có sẵn trong các mã kỹ thuật và tiêu chuẩn ASCE-7 và ASCE-74, đồng thời cập nhật các mô hình hiện có.

    Shafieezadeh cho biết: “Chúng tôi thấy rằng các mã này có khả năng đánh giá thấp các yếu tố này. "Điều đó có thể có ý nghĩa đối với sự an toàn, độ tin cậy và khả năng phục hồi của các cấu trúc này."

    Họ nhấn mạnh rằng có nhiều sắc thái trong kết quả chứ không chỉ là một kết luận chung chung, vì nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tốc độ gió, cường độ gió. 

    hoạt động, và các đặc điểm của tòa tháp.


    Hình ảnh về Cơ sở thử nghiệm Bức tường gió NHERI tại Đại học Quốc tế Florida: (trái) hệ thống 12 quạt được chụp từ phía đầu vào và (phải) hộp quản lý dòng chảy. Tín dụng: FIU
    Shafieezadeh nói: “Nhưng chúng tôi thấy xu hướng chung là đánh giá thấp tải trọng.

    Họ cũng nhận thấy hiệu ứng theo mọi hướng là quan trọng; các mã chủ yếu bao gồm hướng dọc theo gió.

    Chowdhury cho biết: “Chúng tôi đã thử nghiệm hướng gió ngược và tạo ra các hệ số hiệu ứng gió giật và hệ số cản cho các hướng đó. "Đây là những dữ liệu mới. Một số dữ liệu này có thể được kết hợp trong các tiêu chuẩn cho đường truyền, điều này có thể giúp cải thiện độ an toàn của các tòa tháp mới được xây dựng."

    Bộ dữ liệu đã được cung cấp công khai trên cơ sở hạ tầng mạng NHERI DesignSafe.

    "Tìm hiểu về DesignSafe và cấu trúc mà nó cung cấp rất hữu ích," Shafieezadeh nói. "Chúng tôi có lượng dữ liệu khổng lồ do các thử nghiệm này tạo ra. DesignSafe làm cho dữ liệu được cấu trúc và sẵn có theo cách có ý nghĩa đối với cộng đồng, vì vậy họ có thể sử dụng dữ liệu đó mà không cần trải qua nhiều bước."

    "DesignSafe đã cung cấp cho chúng tôi cấu trúc, đào tạo cho những sinh viên đã tham gia và cách tốt nhất để tập dữ liệu có thể được sử dụng bởi một cộng đồng lớn hơn mà không gặp khó khăn trong việc điều hướng dữ liệu," Chowdhury nói thêm.

    Bộ dữ liệu từng đoạt giải thưởng là trung tâm của một dự án lớn hơn, "Khung số ngẫu nhiên được xác thực bằng thực nghiệm để tạo ra các mảnh vỡ đa chiều nhằm tăng cường khả năng phục hồi sau bão của các hệ thống truyền tải."

    Shafieezadeh cho biết: “Một khía cạnh quan trọng là lấy dữ liệu thực về hiệu suất của các cấu trúc này và hiểu hành vi của chúng rồi dịch nó sang các mô hình tính toán của chúng tôi”.

    "Chúng tôi sử dụng các mô hình tính toán để phát triển 'mô hình dễ vỡ' cho phép chúng tôi phân tích xác suất xảy ra tình trạng thiệt hại cụ thể trong hệ thống như là một chức năng của các đặc điểm của mối nguy hiểm, trong trường hợp này là tốc độ gió và hướng gió," ông nói thêm. .

    Một ví dụ khác về dữ liệu đang được sử dụng là của dự án, "CAREER: Khả năng phục hồi của mạng lưới điện dưới tải trọng gió và hiệu ứng lão hóa thông qua các chiến lược đánh giá và thiết kế dựa trên rủi ro", do Alice Alipour của Đại học bang Iowa đứng đầu.

    Dự án của cô nghiên cứu tác động của gió đối với các loại hệ thống này, nhưng nó cũng tính đến tác động lão hóa của sự ăn mòn và tác động của gió thay đổi như thế nào trong mạng lưới điện.

    Cũng sử dụng bộ dữ liệu này là dự án của Amal Elawady tại FIU, "Nghiên cứu cộng tác: Đặc tính dễ vỡ của các hệ thống đường dây truyền tải bằng cách sử dụng các mô phỏng số ngẫu nhiên thử nghiệm và xác thực." Nó nghiên cứu các hiệu ứng tháp từ các vụ nổ, gió hướng xuống và hướng ra ngoài mạnh có thể tàn phá các tòa nhà và tháp.

    Shafieezadeh cho biết: "Để giữ cho hệ thống ổn định và ổn định trong tương lai, chúng ta cần đầu tư vào việc cải thiện lưới điện. Một chiến lược là xác định các phần dễ bị tổn thương nhất của lưới điện. Điều đó đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc hơn về hoạt động của các cấu trúc này. rằng chúng tôi có thể xác định các lỗ hổng và thiết kế các cấu trúc mới hoặc nâng cấp chúng một cách hiệu quả về mặt chi phí. Đó là nơi tập hợp dữ liệu của nghiên cứu này có thể giúp ích đáng kể trong việc trả lời những câu hỏi đó."

    Các tác giả của bộ dữ liệu chiến thắng là Ziad Azzi, Dejiang Chen, Arindam Gan Chowdhury (Co-PI), Amal Elawady và James Erwin của Đại học Quốc tế Florida (FIU); Ashkan Bagheri Jeddi và Abdollah Shafieezadeh (PI) của Đại học Bang Ohio (OSU); Yousef Mohammadi Darestani của Đại học Công nghệ Michigan.

    Zalo
    Hotline