كيفية تحديد متطلبات أحمال الرياح والجليد لأبراج الصلب أحادية القطب في المناطق الجبلية

تحديد متطلبات أحمال الرياح والجليد لـ أبراج أحادية القطب من الصلب يتطلب إنشاء الأبراج في المناطق الجبلية منهجاً هندسياً منظماً يراعي الظروف المناخية والطبوغرافية الفريدة الموجودة في المرتفعات العالية. فعلى عكس المنشآت في الأراضي المستوية، تواجه الأبراج الجبلية سرعات رياح متسارعة، وتكوّناً كثيفاً للجليد، وظروفاً بيئية قاسية تتطلب تحديداً دقيقاً خلال مرحلة التصميم.

يوفر هذا الدليل إطار عمل شامل للمهندسين والمشترين ومخططي الشبكات لتحديد معلمات الأحمال الخاصة بالموقع بدقة، ومواءمتها مع المعايير المعمول بها، وضمان أن يكون البرج مناسبًا من الناحية الهيكلية لعمره التشغيلي المقصود.

الإطار التنظيمي والمعايير المطبقة

يُعدّ معيار ANSI/TIA-222-H، المعيار الإنشائي لهياكل دعم الهوائيات والهوائيات، الوثيقة الأساسية لهياكل دعم الهوائيات في أمريكا الشمالية والعديد من الأنظمة القانونية الدولية. وقد نُشر هذا المعيار عام 2017 ودخل حيز التنفيذ في 1 يناير 2018. وقد حلّ هذا التعديل محلّ معيار TIA-222-G، وأدخل تحديثات جوهرية تؤثر بشكل مباشر على المنشآت في المناطق الجبلية. ويشير قانون البناء الدولي (IBC) إلى معيار TIA-222-H فيما يخص هياكل دعم الهوائيات والهوائيات، مما يجعل اعتماده إلزاميًا فعليًا في معظم الولايات الأمريكية.

بالنسبة لأحمال التجلد الناتجة عن الظروف الجوية والجليد، يوفر معيار ASCE/SEI 7-22 الإطار الأساسي، بما في ذلك خرائط الرياح وخرائط الجليد ومنهجيات تعديل التضاريس. ويتضمن معيار TIA-222-H خرائط الرياح الخاصة بمعيار ASCE 7-16 مع سرعات الرياح القصوى بناءً على فئة المخاطر، بالإضافة إلى أحكام محسّنة لتأثيرات التضاريس. ويتبنى قانون البناء الدولي لعام 2018 معيار ASCE 7-16 فيما يتعلق بأحكام الرياح، مما يُنشئ سلسلة معايير متسقة من قوانين البناء إلى المعايير الخاصة بالأبراج.

في الصين وغيرها من الأسواق الآسيوية، يتبع نهج التصميم المكافئ المعيار الصيني GB 50009، وهو معيار أحمال تصميم هياكل المباني. يشترط هذا المعيار تحديد أقصى سرعة للرياح لفترة عودة مدتها 50 عامًا، مُحوّلةً إلى ضغط رياح أساسي (كيلو نيوتن/م²) من بيانات الأرصاد الجوية المحلية. تحدد بكين قيمة 0.45 كيلو نيوتن/م² لفترة عودة مدتها 50 عامًا، بينما تشترط قوانغتشو قيمة 0.50 كيلو نيوتن/م². أما بالنسبة للمواقع الجبلية التي لا تتوفر عنها بيانات موثوقة، فيوصي المعيار الصيني بمعامل ضرب متحفظ: اعتماد 1.1 ضعف سرعة الرياح في التضاريس المستوية المجاورة، على ألا تقل عن 25 م/ث.

المعايير الخاصة بمواقع أبراج الجبال

يحدد معيار TIA-222-H أربعة معايير تصميم أساسية خاصة بالموقع لتحديد الأحمال المؤثرة بشكل صحيح.

فئة المخاطر: يُحدد تصنيف المخاطر للمنشأة (من الأول إلى الرابع) الحد الأدنى لمتطلبات مقاومة الرياح والجليد والزلازل. يُعدّ تصنيف المخاطر الثاني هو التصنيف الافتراضي للاتصالات التجارية حيث يكون انقطاع الخدمة مقبولاً. مع ذلك، قد تستحق أبراج الجبال التي تدعم شبكات السلامة العامة أو اتصالات الطوارئ أو البنية التحتية الحيوية تصنيف المخاطر الثالث، مما يتطلب سرعات رياح أعلى ومعاملات أمان مُحسّنة.

الأحمال البيئية: تحدد المواصفة TIA-222-H أقصى سرعات الرياح (هبات لمدة 3 ثوانٍ) وسماكات الجليد المستمدة من خرائط ASCE 7 بناءً على النمذجة الحاسوبية والملاحظات التجريبية. قبل المواصفة TIA-222-F (2005)، لم تكن هناك متطلبات صريحة لأحمال الجليد، مما جعل المنشآت القديمة عرضة للخطر بشكل خاص في المناطق الجبلية المعرضة للجليد.

فئة تعرض الموقع: يُحدد هذا التصنيف مُعامل مُضاعفة حمل الرياح بناءً على خشونة سطح الأرض ووجود عوائق قريبة، وغطاء نباتي، ومنشآت مبنية. بالنسبة للمنشآت الواقعة على قمم الجبال، ينطبق عليها تصنيف التعرض C (أرض مفتوحة مع عوائق مُتفرقة على ارتفاع أقل من 30 قدمًا). أما تصنيف التعرض D، الخاص بالأسطح المائية غير المُعاقة، فهو مُناسب للمنشآت الساحلية الجبلية.

تصنيف الموقع الطبوغرافي: تتطلب المواقع الجبلية تعديلات طوبوغرافية، إذ يمكن للتغيرات المفاجئة في التضاريس أن تزيد سرعة الرياح بشكل ملحوظ عن سرعة الرياح الأساسية المستمدة من خرائط ASCE 7. يشمل هذا التصنيف تأثيرات زيادة سرعة الرياح الناتجة عن التلال والقمم والمنحدرات المعزولة. وبموجب معيار TIA-222-H، تتوفر ثلاث منهجيات: المنهج المبسط، والمنهج الدقيق، والمنهج الخاص بكل موقع.

تحديد أحمال الرياح الخاصة بالموقع

الخطوة الأولى: تحديد أقصى سرعة للرياح. تعتمد سرعات الرياح في نموذج TIA-222-H على سرعات الرياح القصوى (وليس الاسمية) لمدة 3 ثوانٍ، مع خرائط منفصلة لفئات المخاطر II وIII وIV. تستخدم هذه الخرائط ضعف عدد محطات الرصد وفترات تسجيل أطول من المراجعات السابقة، مع تحسين عمليات محاكاة نماذج الأعاصير.

الخطوة 2: تطبيق عامل التضاريس Kzt. يُراعي معامل Kzt تسارع الرياح الناتج عن تسارع التضاريس. ويظهر عامل التضاريس في الفصل 26.8 من معيار ASCE 7 مباشرةً في معادلة ضغط السرعة.

يتم حساب العامل على النحو التالي:
Kzt = (1 + K₁ + K₂ + K₃)²

يتوافق كل متغير مع هندسة التضاريس وموقع المبنى:

• يأخذ K₁ في الاعتبار نوع المعلم (تلة، أو سلسلة جبال، أو جرف) وأقصى سرعة

• يتم تعديل K₂ وفقًا لمسافة الهيكل من القمة

• يتم تعديل K₃ وفقًا لارتفاع الهيكل فوق التضاريس المحلية

ينطبق Kzt فقط عند استيفاء المعايير التالية: أن يكون الهيكل في النصف العلوي من تل أو سلسلة جبال أو بالقرب من قمة جرف؛ وأن تكون نسبة ارتفاع المعلم إلى طوله (H/Lh) 0.2 على الأقل؛ وأن يكون ارتفاع المعلم H 15 قدمًا على الأقل للتعرض C أو D، أو 60 قدمًا للتعرض B.

تتضمن معادلة ضغط السرعة TIA-222-H تأثيرات التضاريس بشكل مباشر. ويُعدِّل معامل ضغط السرعة Kzt سرعة الرياح الأساسية بناءً على تسارع الرياح الناتج عن التضاريس. بالنسبة للأراضي المستوية أو ذات الانحدار الطفيف، تكون قيمة Kzt الافتراضية 1.0، أي لا يوجد تعديل لضغط السرعة.

الخطوة 3: تطبيق معامل التعريض Kz. يُراعي معامل التعرض، المُستند إلى فئة التعرض، تغير سرعة الرياح مع الارتفاع عن سطح الأرض. بالنسبة للمواقع الجبلية، تُعد فئة التعرض C هي الأكثر شيوعًا، مع الأخذ في الاعتبار أيضًا خشونة التضاريس وعدم انتظام السطح لكل اتجاه رياح، كما هو مُحدد في معيار ASCE 7، الفصل 26.7.

الخطوة الرابعة: تطبيق عامل اتجاه الرياح Kd. يُراعي معامل Kd انخفاض احتمالية حدوث أقصى سرعة للرياح من الاتجاه الذي يُولّد أقصى حمل على الهيكل. بالنسبة للأبراج الشبكية، تتراوح القيم النموذجية بين 0.85 و 0.95.

الخطوة 5: تطبيق عامل ارتفاع الأرض Ke. أضاف معيار TIA-222-H عامل ارتفاع الأرض لمراعاة انخفاض كثافة الهواء في المرتفعات العالية. يعكس هذا العامل أن الهواء الأقل كثافة يمارس ضغطًا أقل من الافتراضات الجوية القياسية المستخدمة في استخلاص خرائط الرياح. بالنسبة للأبراج التي يزيد ارتفاعها عن 3000 قدم، يكون هذا التأثير ملحوظًا ويجب أخذه في الحسبان.

تحديد متطلبات حمولة الجليد

تُحدد أحمال الجليد باستخدام حجم أو مساحة المقطع العرضي للجليد المتكون على جميع الأسطح المكشوفة للعناصر الإنشائية والمكونات والملحقات. توفر خرائط سُمك الجليد وفقًا لمعيار ASCE 7 سُمك الجليد التصميمي لموقع معين، والذي يُحدد من خلال مطابقة توزيع باريتو المعمم لعينات سُمك الجليد القصوى.

في المناطق الجبلية المعرضة للجليد، يُعدّ فهم آلية تراكم الجليد المحددة أمرًا بالغ الأهمية. فالجليد المتجمد الناتج عن المطر المتجمد، والجليد المتراكم داخل السحب، والثلج الرطب، تُنتج كل منها توزيعات كثافة مختلفة. ويُعتبر العامل الحاسم في ذلك هو الجمع بين أعلى نسبة من سُمك الجليد وأعلى سرعة رياح مُحتملة.

يحدد معيار TIA-222-H أن تركيبة أحمال الجليد تهدف إلى تمثيل حالة أقصى حمل رأسي بمعامل حمل ميت يبلغ 1.2 لضمان الاستقرار العام وقوة العناصر الكافية. وعلى عكس أحمال الرياح، لا يشترط وجود حد أدنى للحمل الميت في حالة أحمال الجليد.

هناك نوعان رئيسيان من أحمال الجليد التي تحكم تصميم الأعمدة الأحادية. الأول هو أقصى سماكة للجليد مع سرعة رياح مقابلة، والتي تُنتج أقصى حمل رأسي. أما الثاني فهو انخفاض سمك الجليد مع زيادة سرعة الرياح المتزامنة والتي قد تحدد أقصى حمل جانبي. يجب مراعاة كليهما، حيث يعتمد الشرط الحاكم على نسبة أبعاد الهيكل، ونحافة العناصر، وتكوين الأساس.

نظراً لأن خريطة الجليد ASCE 7 تُشير إلى سُمك جليدي واحد فقط لموقع مُحدد، فإنها تُغطي بطبيعتها كلا حالتي التحميل. وقد تحقق ذلك بتحديد أقصى سُمك جليدي مع سرعة رياح مُكافئة محسوبة، بحيث يتم الحصول على حالة التحميل الجانبي المُسيطرة.

بالنسبة لتركيبات الصواري الجبلية المدعومة بالكابلات (بما في ذلك أبراج الأرصاد الجوية لتطوير طاقة الرياح، والتي غالبًا ما يتجاوز ارتفاعها 100 متر)، يمكن أن يؤثر الحمل الجليدي الشديد على متطلبات الاستقرار والمتانة. يتضافر وزن الجليد وضغط الرياح، مما يزيد من شد الكابلات ويفرض قوى هبوطية كبيرة على الصاري. يكون هذا التأثير حادًا بشكل خاص بالنسبة للأبراج أحادية القطب في المواقع المكشوفة على قمم التلال، حيث يكون البرج مكشوفًا تمامًا دون أي حماية من المنشآت المجاورة.

تركيبات الأحمال وعوامل الأمان

تعتمد المواصفة TIA-222-H على مبادئ التصميم ذات المقاومة القصوى. يجب مراعاة تركيبات الأحمال التالية، مع مراعاة معاملات الأحمال المناسبة:

يجب الحفاظ على متطلبات الالتواء والتأرجح بموجب معيار TIA-222-H حتى في سرعات رياح تشغيلية تبلغ 70 ميلاً في الساعة (حوالي 113 كم/ساعة). يجب تحديد التواء وتأرجح البرج عند جميع ارتفاعات تركيب الهوائي باستخدام الطرق التحليلية وتدوين ذلك في تحليل الإجهاد الرسمي.

يفترض الثابت 0.00256 في معادلة ضغط السرعة وجود ضغط جوي قياسي عند مستوى سطح البحر. أما بالنسبة للمواقع المرتفعة، فيجب استخدام عامل ارتفاع سطح الأرض (Ke) لتعديل انخفاض كثافة الهواء عند الارتفاعات العالية.

اعتبارات التصميم الخاصة بالمناطق الجبلية

زيادة سرعة الرياح بسبب التضاريس. قد تصل سرعة الرياح القصوى على قمم التلال إلى 1.5 إلى 2 ضعف سرعة الرياح على السهول المجاورة نتيجة لتسارع تدفق الهواء، حيث تزداد سرعة الرياح بمقدار يصل إلى 1.64 ضعفًا على قمم التلال. وتُجسّد منهجية ASCE 7 هذه الظاهرة من خلال عامل Kzt، الذي يجب تطبيقه كلما وقع موقع المشروع ضمن النصف العلوي من معلم طوبوغرافي يستوفي معايير الارتفاع المحددة (H/Lh).

التفاعل بين المناخ المحلي والتضاريس. تُنتج السلاسل الجبلية أنماط دوران معقدة على نطاق متوسط. وتُساهم قنوات الرياح بين قمم الجبال، والرفع التضاريسي، وتدفقات الوديان الحرارية في خلق أنظمة رياح محلية تتجاوز سرعات الرياح التصميمية الإقليمية. لذا، ينبغي على المهندسين إجراء دراسات رياح خاصة بالموقع للمنشآت الرئيسية بدلاً من الاعتماد فقط على خرائط ASCE 7. وقد تتطلب البنية التحتية الحيوية عمليات محاكاة ديناميكيات الموائع الحسابية (CFD) أو اختبارات في نفق الرياح.

سيناريوهات متزامنة للجليد والرياح. غالباً ما تتزامن حالات التجلد الكثيف مع سرعات رياح معتدلة، بينما تحدث حالات الرياح العاتية عادةً دون تراكم كبير للجليد. قد يكون الشرط الأساسي لقوة انحناء الأعمدة الأحادية هو انخفاض مستوى الجليد مع ارتفاع سرعة الرياح، بينما قد يكون الشرط الأساسي لقدرة تحمل ارتفاع الأساسات هو ارتفاع مستوى الجليد مع انخفاض سرعة الرياح. يمكن أن تُنتج المناخات المحلية الجبلية كلا السيناريوهين، ويجب تقييم كليهما.

تساقط الجليد وعدم التوازن. مع تراكم الجليد بشكل غير منتظم على البرج والهوائيات، يؤدي تساقطه أو ذوبانه لاحقًا إلى أحمال غير متوازنة مؤقتة. يجب مراعاة هذه الحالة الديناميكية عند نقاط التوصيل. يوضح التعليق الخاص بمعيار TIA-222-H أن التباين في الأحمال الميتة ضئيل مقارنةً بالطريقة التقريبية لتحديد وزن الجليد في ظروف الجليد القاسية. مع ذلك، لا يمكن تجاهل التوزيع غير المنتظم للجليد في التحليل الإنشائي.

الخصائص المرتبطة بالارتفاع. تقل كثافة الهواء مع الارتفاع، مما يقلل من انتقال الزخم من الرياح إلى الهيكل. هذا العامل (Ke) يعوض جزئياً زيادة سرعة الرياح التصميمية في المواقع الجبلية، وهو جانب غالباً ما يتم تجاهله في المواصفات المبسطة.

تصميم أساسات الأعمدة الأحادية الجبلية

تتطلب تصاميم الأساسات مراعاة إضافية لمعاملات الأحمال المطبقة على الأحمال الميتة. ويُعتبر كل من وزن التربة التي يدعمها الأساس مباشرةً ووزن الأساس نفسه أحمالاً ميتة لمجموعة الأحمال قيد الدراسة، بمعامل حمل 1.2 أو 0.9.

يُعتبر وزن التربة خارج محيط الأساس، والذي يقاوم الرفع أو ردود الفعل الناتجة عن الانقلاب، قوة تربة اسمية بمعامل مقاومة 0.75 كما هو محدد في القسم 9.4 من معيار TIA-222-H. أما بالنسبة لتطبيقات الصواري المدعومة بالكابلات، فهناك حالة فريدة تتطلب فقط أقصى حمل ميت بمعامل حمل ميت 1.2؛ ويجب مراعاة ردود فعل التثبيت من كل تركيبة تحميل عند تصميم مرساة الكابل.

يجب تصميم قواعد الصخور الجبلية، والأساسات الضحلة المحمية من الصقيع للأراضي المتجمدة موسمياً، والركائز المدفوعة للمواقع شديدة الانحدار والتي يصعب الوصول إليها، بحيث تتحمل أعلى الأحمال المحسوبة. ويجب أن يراعي التحقيق الجيوتقني زحف التربة على المنحدرات، وعمق الصقيع، واحتمالية الهبوط التفاضلي.

ضمان الجودة والتحقق

يجب أن تتضمن المواصفات المقدمة للمصنعين إحداثيات الموقع، وسرعة الرياح الأساسية، وفئة المخاطر، وفئة التعرض، والفئة الطبوغرافية، وسمك الجليد التصميمي، وسرعة الرياح المتزامنة مع الجليد، وارتفاع الأرض، وتعديل سرعة الرياح المحسوب بواسطة Kzt، ومعايير التربة لتصميم الأساس.

ينبغي أن يشمل التحقق التحليلي تحليل الأنماط الاهتزازية للتأكد من أن التردد الطبيعي الأساسي للبرج منفصل بشكل كافٍ عن ترددات التحفيز لتجنب الاهتزاز الرنيني. كما ينبغي أن تراعي الدراسات البارامترية تغيرات اتجاه الرياح وعدم اليقين في سُمك الجليد في الموقع. ويجب أن يأخذ تحليل الإجهاد الذي يُجريه المُصنِّع في الحسبان جميع ظروف التحميل المحددة، باستخدام تركيبات الأحمال وفقًا لمعيار TIA-222-H. ويجب تطبيق طريقة طيف الاستجابة الواردة في القسم 2.7 من معيار TIA-222-H على التحميل الزلزالي في المناطق الجبلية النشطة.

أخطاء شائعة في المواصفات يجب تجنبها

تجاهل التضاريس Kzt: استخدام قيمة Kzt = 1.0 للمواقع الواقعة على قمم التلال أو قمم الجبال قد يؤدي إلى تصميم أقل من اللازم للأبراج الأحادية بنسبة 30% أو أكثر. يتطلب معيار TIA-222-H تطبيق عامل التضاريس عندما يقع الهيكل في النصف العلوي من معلم مؤهل. قد ينتج عن الاعتماد على خرائط الرياح للمناطق المسطحة المجاورة من مشاريع سابقة إغفال غير صحيح.

تحديد أحمال الجليد بشكل غير كافٍ: غالباً ما تُظهر المناطق الجبلية سماكات جليدية تتجاوز تلك المحددة في خرائط ASCE 7، وذلك بسبب تأثيرات السحب الجبلية المحلية وتكوّن الجليد في طبقات الجو العليا. يجب التحقق من سماكة الجليد التصميمية لأغراض الرصد باستخدام البيانات المناخية المحلية، إن وُجدت.

الإشراف على حالة التحميل الفردية: إن الاعتماد على أقصى سُمك للجليد مع سرعة الرياح المتزامنة فقط، مع تجاهل تأثير انخفاض سُمك الجليد مع زيادة سرعة الرياح، قد يؤدي إلى تصميم قدرة تحمل جانبية ومقاومة انقلاب للأساسات أقل من اللازم. بالنسبة للأعمدة الطويلة والنحيلة في المناطق ذات التجلد المتوسط، قد يكون سيناريو انخفاض سُمك الجليد هو العامل الحاسم في التحميل الجانبي، ويجب تقييمه.

خاتمة

يتطلب تحديد أحمال الرياح والجليد لأبراج الصلب أحادية القطب في المناطق الجبلية تطبيقًا منهجيًا لمعايير TIA-222-H وASCE 7 والمعايير المحلية ذات الصلة، مع مراعاة تسارع الرياح تبعًا لتضاريس المنطقة، وتحديد سُمك الجليد بدقة، ودراسة تركيبات الأحمال الشاملة. باتباع المنهجية الموضحة في هذا الدليل، يضمن المهندسون والمسؤولون عن المشتريات أن تكون الأبراج ملائمة هيكليًا للبيئة الجبلية ومناسبة الحجم لتجنب التكاليف الباهظة للمواد. إن الاستثمار في المواصفات الدقيقة يُترجم مباشرةً إلى بنية تحتية آمنة وموثوقة وفعالة من حيث التكلفة، قادرة على مواجهة التحديات الفريدة لعمليات النشر على ارتفاعات عالية.

تعرف على المزيد في www.alttower.com

اتصل بنا