O czasie życia kratowych wież stalowych

Linie elektroenergetyczne wysokich i najwyższych napięć budowane są z aluminiowych przewodów ze stalowym rdzeniem, zawieszonych na konstrukcjach wsporczych. Najbardziej efektywnymi konstrukcjami okazały się stalowe słupy kratowe. Do niedawna instalacje takie budowano z zamiarem użytkowania 50 lat, teraz to się może zmienić.

Pierwszym liniom budowanym po II wojnie światowej czas taki upłynął i zarządzający muszą je odtwarzać lub modernizować. Podejmowaniu decyzji sprzyja porównanie kosztu cyklu życia obiektu nowego i modernizowanego liczonych jak w leasingu. Wymaga to ustalenia optymalnego czasu życia obiektu nowego i resztkowego (pozostałego) czasu życia obiektu istniejącego. Mimo że historia przemysłu pokazuje, iż nawet w dystansie 20-letnim możliwe są (wynikające z postępu) zmiany technologiczne skutkujące dyskwalifikacją obiektów budowlanych, to nic nie wskazuje na taki przełom w przesyle i dystrybucji.
 

Olga Sapegina. Fotolia

Czytaj: Jak łatwiej naprawiać i eksploatować napowietrzne linie elektroenergetyczne

Fundamenty stalowych wież kratowych

Jeśli nie zajmować się tu sytuacjami wyjątkowymi – obszarami zalewowymi albo terenami górniczymi – to przy określaniu ekspozycji fundamentów (ponad teren) należy uwzględnić dwa czynniki: osiadanie budowli i narastanie gruntu. Spośród norm jedynie Polska Norma (wycofana) PN-B-03215 [1] wymaga, by taka ekspozycja wynosiła co najmniej 30 cm. Zarządzający elektroenergetyczną infrastrukturą przesyłową i dystrybucyjną ustanawiają własne standardy, określając w nich dość zgodnie, że wystarczy 20 cm. Dlaczego tylko tyle? Liniowe konstrukcje wsporcze charakteryzują się dużym obciążeniem poziomym na znacznej wysokości w relacji do obciążenia pionowego. Z tego powodu są wrażliwe na przewrócenie i projektowanie fundamentów sprowadza się w zasadzie do przeciwdziałania ich wyrywania z gruntu [2]. Uwzględniając lokalizację słupów na trasie wielu kilometrów i niezależnie od dróg, zrozumiała jest presja, aby były to prefabrykaty. Te mają ograniczenia związane z transportem, co usprawiedliwia dążenie, by maksymalnie je wykorzystać, zagłębiając w gruncie. Można przy okazji docenić lepsze wkomponowanie w krajobraz słupów mniej wyniesionych.

Osiadanie to nieodłączny element budowania. Inżynierowie zabiegają jedynie o to, żeby było kontrolowane i nie pogarszało jakości użytkowej obiektu budowlanego w przewidywanym czasie jego życia. Osiadanie ma dwa aspekty: projektowy – dotyczący osiadania teoretycznego, w którym są procedury ograniczające osiadanie teoretyczne w relacji do osiadania dopuszczalnego normami (lub innymi wymogami) – i użytkowy (osiadanie faktyczne), w którym obiekt osiada, a problemy z tym związane ujawniane są wtedy, gdy wynikają z tego konsekwencje użytkowe. Jeśli chodzi o liczbowe wartości osiadania teoretycznego, to źródła naukowe i normowe [3, 4, 7] szacują je na 5-15 cm. Osiadanie faktyczne budowli można ustalić na podstawie badań wykonanych w długim okresie. W Polsce było ono wykonane w ciągu 20 lat (1953-1973) dla budynku PKiN w Warszawie; wyniki przedstawiono w [7]. Wykres wykonany na podstawie badań przedstawia osiadanie faktyczne w czasie budowy (natychmiastowe) i w czasie eksploatacji (długotrwałe). Osiadanie natychmiastowe wyniosło 6,7 cm, a długotrwałe (8,7-6,7)/18 = 0,11 cm rocznie. Po 20 latach badania na wykresie nie widać tendencji zanikającej, co pozwala na ekstrapolowanie tempa w przyszłości. Po 150 latach osiadanie wyniesie: 6,7 + 148 x 0,11 = 23 cm. Wyniki badań potwierdzające monotoniczność trendu osiadania po 50 latach eksploatacji obiektu uzyskano, badając budynek Massachusetts Insti- tute of Technology w Bostonie w latach 1915-1965. Podręcznikowe osiadanie faktyczne przedstawia rys. 1.

Rys. 1 Wykres obciążenia i osiadania PKiN w Warszawie [7]

Narastanie gruntu to czynnik biologiczny: skutek rodzenia się i obumierania roślin oraz organizmów zwierzęcych, osiadania pyłów, działalności ludzkiej. Budownictwo nie uwzględnia skutków tych procesów. Odpowiada za to normalizacja, która uwarunkowania techniczne (większości) inwestycji oparła na dystansie 50-letnim, w którym narastanie można pominąć. Nie sądzono, że świat wytrwa dłużej bez totalnej wojny, ta nie dokona znanych z przeszłości zniszczeń i więcej niż 50 się nie opłaci. Od takiej wojny minęło jednak 70 lat i jeśli nawet mówienie o „końcu historii” jest przedwczesne, to gdy chodzi o infrastrukturę elektroenergetyczną strony konfliktu kierują się respektem. Uzależnienie od elektryczności jest tak duże, że teren pozbawiony zasilania traci na znaczeniu. Ktokolwiek to zrobił, szybko się zgodzono, że wysadzenie w listopadzie 2015 r. słupów linii zasilających Krym – po inwazji Rosji na Ukrainę – to robota neutralnego ludu Tatarów krymskich. Uzależnienie Ukrainy od rosyjskiego systemu synchronizacji sieci i dostaw gazu oraz presja ochrony ludności cywilnej skutkowało tym, że Ukraina nieprzerwanie dostarczała energię elektryczną na Krym zajęty przez wroga [19]. Gdy uwzględnić przy tym nieustanną poprawę techniki budowlanej, to można myśleć nie o 50 latach użytkowania, lecz o horyzoncie znacznie dłuższym, przy którym narastanie gruntu może mieć rząd kilku centymetrów i swoje konsekwencje.

Nie ma dowodów na to, by z powodu narastania gruntu promień Ziemi miał się zwiększać. Jeśli polegać na wynikach badań geofizycznych [8], Ziemia jeżeli zwiększa promień jako glob, to najwyżej w granicach błędu pomiarowego (0,2 mm rocznie). Ogólnie znane źródła archeologiczne dowodzą jednak, że na terenach miast narastanie może sięgać kilkunastu metrów w czasie kilkunastu setek lat i osiągać (średnio) kilka milimetrów rocznie. Jeśli szacować, że w wyniku aktywności biologicznej (i innej) grunt w rejonie lokalizacji słupów liniowych narasta średnio 0,5 mm rocznie, to po 150 latach jego poziom podniesie się o 7,5 cm. Narastanie gruntu w czasie przedstawia rys. 2.

Rys.2. Narastanie gruntu (oszacowanie K. Wirth)

Niedostateczna ekspozycja fundamentów skutkuje potrzebą regularnych remontów. Na liniach eksploatowanych 50 lat średnio 2/3 stanowisk może mieć ekspozycję słabą lub złą. Uzyskany efekt remontu wystarcza na 15-20 lat. Stanowiska słupowe leżą na terenach upraw rolnych i leśnych, na których można jedynie utworzyć lokalne obniżenie terenu. Ze względu na otwarty teren będzie ono zawiewane i dość szybko powróci do stanu sprzed remontu.

Dodatkowe problemy mogą tworzyć fundamenty projektowane obecnie. W połowie ub. wieku fundamenty projektowano z zapasem 50-procentowym i więcej (ponad wymagania normowe). Wiązało się to z większym respektem dla zmienności środowiska gruntowowodnego. Obecnie ten respekt zmalał i fundamenty stanowisk słupowych projektuje się z nadwyżką nośności rzędu 5-20%. Gdy wiara w jakość badań gruntowych i wykonawstwa okaże się płonna, ukształtowanie lokalnego obniżenia terenu w przyszłości będzie wykluczone na stanowiskach, na których nie uwzględniano wyporu wody gruntowej. Na skutek lokalnego obniżenia terenu nachyla się on „do fundamentu”. Po kilkudniowych opadach woda może się piętrzyć, zmieniać parametry gruntu zasypowego i wpływać na nagłą utratę nośności. Infiltracja wody w gruncie zbudowanym z glin i iłów wynosi do 30 cm na dobę. Pełne nawodnienie do poziomu posadowienia możliwe jest po 8-12 dniach deszczowych.

Konsekwencje niedostatecznej ekspozycji fundamentu w czasie budowy przedstawiono na zdjęciu. Widoczny słup na linii zbudowanej przed niewielu laty pogrąża się w gruncie. Bezpośredni kontakt stali ze środowiskiem gruntowowodnym uaktywni procesy galwaniczne i przyspieszy korozję. Wrażliwe połączenie słupa z fundamentem znajduje się w najgorszej możliwej ekspozycji: podlega zamrażaniu i rozmrażaniu przy ciągłym zawilgoceniu. Jaka ekspozycja byłaby optymalna?

Fundament linii elektroenergetycznej SN pogrążający się w gruncie, Vrelo, Chorwacja, 2018 r. (fot. K. Wirth)

W opinii autora ekspozycja fundamentu z powodu śladowego udziału w kosztach nie powinna być nigdy wąskim gardłem sprawności linii.

Z tego powodu horyzont 150-letniej żywotności jest uzasadniony i po tym okresie fundamenty powinny być nadal 10 cm ponad gruntem. A zatem w czasie budowy ekspozycja powinna wynosić: 10 + 6,7 + 148 x 0,11 + 7,5 = 40 cm. Alternatywnym rozwiązaniem może być ekspozycja 20 cm, z wyniesieniem całego stanowiska o kolejne 20 cm ponad otaczający teren.

Wydłużenie projektowego czasu użytkowania fundamentów wymaga ponadto zapewnienia (wiarygodnej w długim okresie) ochrony powierzchniowej betonu w strefie zamrażania i karbonatyzacji oraz zapewnienia wiarygodnej ochrony zbrojenia i kotew przed korozją. Podstawowym zabiegiem jest podwyższenie klasy betonu (o dwa poziomy na każde 50 lat) [9].

Czytaj: Lokalizacja elektroenergetycznych linii napowietrznych wysokiego napięcia

Projektowanie i eksploatacja stalowych wież kratowych

W zamówieniach publicznych po 2004 r. upowszechniło się zamawianie infrastruktury w procedurze „zaprojektuj i zbuduj”. Skutkiem jest ograniczenie wpływu na kształt projektów do określenia wymagań minimalnych. „Krojenie konstrukcji wsporczych na miarę” może powodować, że po założonym okresie użytkowania (zwykle 50-60-letnim) obiekty takie trzeba będzie wyburzać i zastępować nowymi, ponieważ wskutek poczynionych optymalizacji w czasie budowy, dzięki którym osiągnięto nieznaczne korzyści, obiekty te nie mają już potencjału dalszego użytkowania. W rezultacie infrastruktura będzie budowana 2-krotnie w czasie 100-120 lat i będzie odpowiednio droższa od infrastruktury wybudowanej jeden raz z wydłużonym czasem użytkowania. Podstawą szacowania kosztu cyklu życia w przypadku istniejących obiektów budowlanych jest oszacowanie pozostałego (resztkowego) czasu życia. Specjalista ma tu do dyspozycji w zakresie formalnym kilka (dość jałowych) dokumentów normatywnych [12-15], a w zakresie realizacji – pojedyncze ekspertyzy [16]. Podbudowa formalna i dostępne przykłady zastosowań przestają być przydatne, gdy w grę wchodzą obiekty, którym przypisanie reakcji zmęczeniowych jest wątpliwe.

Większość obiektów budowlanych (w tym wieże stalowe) podlega długotrwałym stabilnym obciążeniom i wpływom klimatycznym w rytmie pór roku, które słabo korespondują z teoriami zmęczeniowymi.

Zarządzający obiektami sieciowymi (o dużej liczbie podobnych obiektów) mogą sobie pozwolić na – kosztowne w przypadku jednostkowym – badania laboratoryjne na pobranych w tym celu próbkach i badania terenowe (NDT), dające podstawy do szacowania resztkowego czasu życia. Przykładowa analiza [11] oparta na takich badaniach [10] pozwoliła na ujawnienie informacji dotyczących stali użytych do budowy. Ustalono, że w okresie 50-letniej eksploatacji nie wzrosła skłonność do kruchego pękania stali, a warunki pracy związane z oddziaływaniami klimatycznymi otoczenia i stałym naprężeniem mniejszym od granicy plastyczności nie wpłynęły na właściwości wytrzymałościowe materiałów, z których konstrukcje zbudowano. Nie stwierdzono negatywnych zmian w strukturze materiału i dowiedziono, że pomimo 50-letniej eksploatacji właściwości stali nie uległy pogorszeniu. Ujawniono potencjał wynikający z nadwyżki własności wytrzymałościowych wobec danych normatywnych, które pierwotnie służyły do wymiarowania. Dało to podstawy do wnioskowania, że jedynym czynnikiem wpływającym na czas dalszego życia obiektu jest – skądinąd trywialna – korozja stali. Uwzględniając, że rzecz dotyczyła zarządcy dbającego o swój majątek, można było ujawnić wąskie gardło resztkowego czasu życia. Okazały się nim przestrzenie zakryte dociskiem śrub, niedostępne dla zabezpieczenia antykorozyjnego w czasie eksploatacji, a podlegające korozji po zaniku powłoki cynkowej. Pozyskane informacje pozwoliły na wykonanie analiz drugiego rzędu (uwzględniających im- perfekcje), opartych na przekrojach skorygowanych i realnych właściwościach stali. Wyniki posłużyły do rokowania przyszłego czasu życia iterowanego w relacji do kosztów (z uwzględnieniem wzmocnień) dla uzyskania najmniejszej ceny jednego roku życia obiektu. Konstrukcje stalowe narażone na oddziaływania atmosferyczne zabezpiecza się antykorozyjnie w technologii duplex, w której warstwa powłoki malarskiej chroni (ogniowy) cynk i przedłuża żywotność konstrukcji o czas życia tej powłoki. Powszechnie podejmuje się jednak decyzje o „zgodności z właściwą normą” [17], określającą grubość ocynkowania, nie wnikając, że grubość ta przekłada się tylko na „normowy” czas życia zabezpieczenia. Brakuje też refleksji nad tym, że cynkowanie ogniowe odbywa się „na czas” i elementu zespawanego z częścią o różnej zawartości krzemu (Si) nie można pokryć powłoką cynkową o tej samej grubości.

Konstrukcji raz zbudowanej nie da się drugi raz ocynkować, a ocynkowanie też podlega korozji. W jakim tempie korozja uszkadza stal, można szacować na podstawie normy [18]. Po upływie czasu, w którym skoroduje powłoka cynkowa w przestrzeniach zakrytych śrubami, rozpoczyna się korodowanie stali. Jeśli ma ona rezerwy (często tak jest), to można ustalić czas, w jakim rdza skonsumuje te rezerwy. Jest on poszukiwanym resztkowym czasem życia konstrukcji. W praktyce nie jest to aż tak proste, gdyż należy rozważyć możliwości wymiany lub wzmocnienia (albo zmiany układu statycznego) fragmentów konstrukcji w relacji do wynikających z tego kosztów i wydłużenia czasu życia. Liczba śrub w wieżach liczy się w tysiącach i ich odkręcenie, by dotrzeć do przestrzeni zakrytych, nie wchodzi w rachubę.

Projektowanie nowych instalacji polega na integrowaniu wszystkich czynników wpływających na trwałość do zakładanego czasu życia i nie wykracza poza warsztat pracy projektanta. Szacowanie resztkowego czasu życia pozwala na podejmowanie atrakcyjnych decyzji inwestowania w majątek istniejący w opozycji do zwykle kosztowniejszej wymiany substancji.

Czas życia stalowych wież kratowych. Podsumowanie

Od czasu triumfu żelaznej wieży Eiffla na EXPO w Paryżu stalowe konstrukcje kratowe budowane są w milionach egzemplarzy. Konstruktorzy rywalizują w projektowaniu coraz tańszych konstrukcji, spełniających podobne założenia. Optymalizując je, przesądzają o czasie ich życia. Wieża Eiffla od 140 lat demonstruje trwałość konstrukcji z żelaza, co upoważnia do przyjmowania podobnego projektowego czasu życia wież stalowych. To także asumpt do tego, by wybierać przy modernizacji konstrukcji wsporczych normy wycofane (z pominięciem podwyższanych w międzyczasie wymagań klimatycznych) i polegać na zbiorze właściwości stali używanych pierwotnie do projektowania, ograniczając analizy do ich potwierdzania w przypadku obiektów, które nie wykazują zużycia korozyjnego deformacji.

Wpływ na czas życia konstrukcji wieżowych mają nieznaczące kosztowo aspekty niedoceniane w czasie budowy. W liniowych konstrukcjach wsporczych są to:

• grubość powłoki cynkowej zabezpieczenia antykorozyjnego słupów,
• wielkość ekspozycji fundamentów ponad teren.

Nie powinny być one wąskim gardłem sprawności linii. Roztropne decyzje w tym przedmiocie umożliwiają eksploatację wydłużoną o wiele dziesiątek lat, co może pomagać w ograniczaniu wzrostów kosztów przesyłu i dystrybucji energii elektrycznej.

Literatura

• PN-B-03215:1998 Konstrukcje stalowe. Połączenie z fundamentami. Projektowanie i wykonanie.
• PN-80/B-03322 Elektroenergetyczne linie napowietrzne. Fundamenty konstrukcji wsporczych. Obliczenia statyczne i projektowanie.
• PN-EN 1997-1:2008 Projektowanie geotechniczne. Część 1: Zasady ogólne.
• PN-81/B-03020 Grunty budowlane. Posadowienie bezpośrednie budowli. Obliczenia statyczne i projektowanie.
• Standardowa Specyfikacja Techniczna PSE -SF.Linia400kV.2PL/2017v1- Fundamenty.
• Standard w sieci dystrybucyjnej ENEA Operator Sp. z o.o. 01.2014 Linie 110 kV prądu przemiennego, napowietrzne i kablowe.
• Z. Wiłun, Zarys geotechniki, WKiŁ, Warszawa 1987.
• Wu X. and team, Accuracy of the International Terrestrial Reference Frame origin and Earth expansion „Geophysical Research Letters” 38/2011 American Geophysical Union.
• PN-EN 1992-1-1:2008 Projektowanie konstrukcji z betonu. Część 1: Reguły ogólne i reguły dla budynków.
• Fights On Logistics Sp. z o.o., Badania właściwości wytrzymałościowych stalowych kształtowników (…), 004/SPR/FOL/2016
• K. Wirth i zespół, Modernizacja linii 220 kV Adamów-Konin tor I. Analiza wytrzymałości słupów, PSE 2016.
• B. Kuhn with the team Assessment of Existing Steel Structures: Recommenda- tions for Estimation of Remaining Fatigue Life, Joint Report Prepared under the JRC – ECCS co-operation agreement for the evolution of Eurocode 3, 2008.
• ISO 13822:2010 Bases for design of struc- tures – Assessment of existing structures.
• ISO 2394:2015 General principles on relia- bility for structures.
• B. Kuhn, Assessment of existing steel structures – Recommendations for estimation of remaining fatigue life, 5TH Fatigue design Conference Fatigue Design, France 2013.
• A. Biegus, Szacowanie nośności skorodowanych elementów stalowych,XX Konferencja Naukowo-Techniczna „Awarie budowlane” 2001.
• PN-EN ISO 1461:2011 Powłoki cynkowe nanoszone na wyroby stalowe i żeliwne metodą zanurzeniową. Wymagania i metody badań.
• PN-EN ISO 12944-2:2018-02 Farby i lakiery. Ochrona przed korozją konstrukcji stalowych za pomocą ochronnych systemów powłokowych. Część 2: Klasyfikacja środowisk.
• K. Świrski, Blackout na Krymie – dlaczego i co to może znaczyć?, 23.11.2015, http:// konradswirski.blog.tt.com.pl

mgr inż. Karol Wirth