Wybrane zagadnienia z zakresu prefabrykowanych słupów linii fundamentów elektroenergetycznych – cz. I

STRESZCZENIE

W artykule przedstawiono zagadnienia związane z fundamentami słupów linii elektroenergetycznych średniego i niskiego napięcia, w tym dotyczące teorii posadowienia konstrukcji wsporczej w gruncie. Omówiono rozwiązania fundamentów prefabrykowanych obrotowych, ujętych w kartach albumów typizacyjnych, oraz aspekty praktyczne.

ABSTRACT

The article presents issues related to the foundations of the pillars of powerlines of medium and low voltage. The basic issues related to the theory foundation of the supporting structure in the ground have been described. Finally, solutions of prefabricated rotary foundations included in the pages of typisation albums and practical aspects as well have been discussed.

Fundament słupa linii elektroenergetycznej jest elementem ulegającym zakryciu w trakcie realizacji inwestycji, bardzo istotnym ze względu na pewność posadowienia konstrukcji wsporczej. To właśnie część podziemna żerdzi oraz dodatkowo zainstalowane na niej elementy ustojowe, np. w postaci płyt prefabrykowanych, wywierają nacisk na grunt w określonych kierunkach i o określonych wartościach [4, 5]¹. Wywołuje to naprężenia w gruncie, które w przypadku słupów przelotowych wynikają głównie z parcia wiatru na żerdź i przewody, a w słupach funkcyjnych – przede wszystkim z wypadkowego naciągu przewodów linii. Jednak niezależnie od wartości siły działającej na słup, głębokość posadowienia żerdzi, a także przekrój poprzeczny dodatkowych elementów fundamentu powinny być tak dobrane, aby naprężenia w gruncie nie przekroczyły dopuszczalnej wartości wynikającej z normy [4, 5, 6].

Rys. 1. Rozkład nacisku w gruncie; F – kierunek działania siły np. naciągu przewodów, t – głębokość posadowienia słupa, PO – punkt obrotu [2, 4]

Podstawy teoretyczne

Obliczenia fundamentów konstrukcji wsporczych nie należą do zagadnień łatwych, co wynika głównie z dużej różnorodności gruntów i ich właściwości technicznych oraz faktu, że teoria obliczeniowa fundamentów zginanych nie zawsze jest zgodna ze stanem rzeczywistym [4].

W praktyce projektowej, przy obliczaniu tego typu fundamentów, przyjmuje się pewne przybliżenia i założenia wynikające z doświadczenia zawodowego osoby projektującej fundament słupa. Dla poszczególnych rodzajów gruntu oraz słupów linii elektroenergetycznych [1,2, 3] tworzy się zatem w ten sposób – np. w albumie – tablice, w których podane są poszczególne typy fundamentów oraz głębokość posadowienia. Dodatkowo karty elementów związanych w albumie przedstawiają rysunki montażowe fundamentów, a także tabelaryczne zestawienie materiałów potrzebnych do wykonania fundamentu [1, 2, 3].

Korzystanie z albumów typizacyjnych powinno być jak najbardziej świadome, a do tego potrzebna jest wiedza z zakresu podstawowych reakcji zachodzących pomiędzy gruntem a fundamentem stupa.

Fundament stupa umieszczony w ośrodku niejednorodnym, a za taki uznaje się grunt (rys. 1), poddawany jest działaniu momentu gnącego względem osi obrotu znajdującej się na ok. 2/3 głębokości posadowienia stupa, licząc od powierzchni gruntu (2/3 t). W wyniku parcia bocznego nacisk w gruncie wywoływany przez fundament nie jest jednorodny. Można wyróżnić tutaj dwa maksima: jedno na 1/3 głębokości posadowienia słupa od powierzchni gruntu, a drugie u samego dołu żerdzi. Należy zauważyć, że nacisk gruntu na głębokości t jest trzykrotnie większy od nacisku na głębokości 1/3 t [3, 4]. Z przedstawionego opisu można wyciągnąć następujące wnioski:

• górny element prefabrykowany fundamentu słupa w postaci belki lub płyty ustojowej należy umieszczać na ok. 1/3 głębokości posadowienia słupa, aby wykorzystać obszar, gdzie występuje w gruncie największe naprężenie wywierane przez fundament na grunt (kolor czerwony na rys. 1);
• dolny element prefabrykowany fundamentu wywiera trzykrotnie większy nacisk na grunt (kolor niebieski na rys. 1) niż górny, umieszczony na ok. 1/3 głębokości wykopu, więc belka lub płyta u dołu powinna być mocniejsza od tych na górze;
• na 2/3 głębokości posadowienia słupa poziome parcie boczne wywierane na grunt przez fundament jest znikome, więc nie jest zasadne stosowanie tam płyt ustojowych, a jeżeli występuje taka konieczność, to powierzchnia płyty powinna być rozważnie dobrana.

Rys. 2. Rozkład naprężenia w ziemi: a) od płyt pionowych, b) od płyty poziomej; F – kierunek działania siły np. wynikający z naciągu przewodów, t – głębokość posadowienia słupa [1,4]

Fundament, przedstawiony na rys. 2, łączy w sobie cechy fundamentu zginanego z fundamentem wciskano-wyrywanym, z powodu występowania płyty dennej o powierzchni podstawy większej niż 0,25 m², przymocowanej do żerdzi. Płyta ta wytwarza siły w gruncie: wciskającą na ok. 2/3 długości płyty i wyrywającą na ok. 1/3 długości płyty, co wynika z masy gruntu nad płytą denną. W rezultacie poza parciem bocznym w gruncie, wywołanym przez płyty pionowe fundamentu (rys. 2a), dodatkowo powstaje nacisk od płyty dennej umieszczonej poziomo (rys. 2b) [1, 5, 6]. Obciążenie boczne w gruncie wywoływane przez fundament słupa nie powinno przekroczyć wartości największej dopuszczalnej ściśliwości dla danego typu gruntu, które określa tzw. moduł ściśliwości oznaczany jako M₀ (kN/m³) [4, 5, 6]. Innymi słowy, im większa jest wartość modułu, tym potrzebna jest mniejsza powierzchnia płyty fundamentu (zwłaszcza górnej), aby zagwarantować pewność posadowienia konstrukcji wsporczej. Dla celów projektowych można założyć, że wartość ta zwiększa się liniowo z głębokością, przy czym największa wartość występuje na samym dole fundamentu, a najmniejsza – na powierzchni gruntu (rys. 3) [3, 4].
Z przedstawionego opisu można wyciągnąć następujące wnioski:

• powierzchnia górnej płyty fundamentu słupa nie powinna być mniejsza od powierzchni płyty dolnej, raczej powinna być większa;
• chcąc zwiększyć pewność posadowienia konstrukcji wsporczej, nie zmieniając elementów prefabrykowanych (np. gdy nie można wymienić płyty U-85 na U-130), należy zwiększyć głębokość posadowienia słupa lub przeprowadzić stabilizację gruntu.

Podstawy teoretyczne z zakresu fundamentów zginanych konstrukcji wsporczych pokazano tu w zakresie uproszczonym, ale umożliwiającym poznanie relacji zachodzących pomiędzy fundamentem a ośrodkiem niejednorodnym, jakim jest grunt.

Rys. 3. Rozkład modułu podłoża: a) widok fundamentu, b) rozkład modułu podłoża w zależności od głębokości [2, 4]

Aspekty praktyczne wykonywania posadowień konstrukcji wsporczych

Omawiając aspekty praktyczne dotyczące fundamentów zginanych, pominięto kwestie dotyczące zagęszczania gruntu w trakcie zakopywania fundamentu jak i jego stabilizacji. Przedstawiono natomiast zagadnienia związane z mocowaniem płyt ustojowych do żerdzi, ich ustawieniem w stosunku do kierunku działania wektora siły wypadkowej, wynikającej np. z naciągu przewodów linii. Płyty ustojowe typu U-130 lub U-85 (tab. 1) mocowane są bezpośrednio do żerdzi za pomocą obejmy w fundamentach typu UP1-7 [2]. Płyty te należy tak instalować, aby siła była przenoszona z żerdzi na płytę poprzez nacisk (rys. 4a), a nie przez obejmę mocującą płytę do żerdzi. W tego typu fundamentach ważne jest określenie kierunku działania siły na słup linii, aby płyty ustojowe w gruncie ustawić prawidłowo, tzn. prostopadle do kierunku działania wektora siły (rys. 4b). Pewne utrudnienie występuje w przypadku działania na słup dwóch lub więcej sił różnych kierunkach. Wówczas należy określić siłę wypadkową i prostopadle do tak określonego kierunku działania wektora siły umieścić w gruncie płyty ustojowe (rys. 4c).

Tab. 1. Prefabrykowane elementy betonowe stosowane w fundamentach typu UP [2]

Rys. 4. Sposób instalacji fundamentu typu UP 3 w gruncie: a) widok z boku, b) kierunek działania siły zginającej fundament, c) kierunek działania wektora siły wypadkowej zginającej fundament; F – kierunek działania siły, F_w – kierunek siły wypadkowej [2]

Rys. 5. Dopuszczalne obciążenie fundamentu słupa: F – kierunek działania siły na słup lub Fw – kierunek działania siły wypadkowej, wartość bezwzględna 100% (np. 12 kN) – określająca dopuszczalne obciążenie fundamentu, wartość bezwzględna 50% (6 kN) – określająca dopuszczalne obciążenie fundamentu [3]

Konieczność ustawiania płyt ustojowych prostopadle do kierunku działania wypadkowej siły przenoszonej na fundament wynika ze zdolności przekazywania przez fundament nacisku na grunt, ponieważ nie jest ona jednakowa w każdym kierunku [3], co zilustrowano na przykładowym wykresie (rys. 5).

Z rys. 5 wynika, że największa zdolność przenoszenia przez fundament poziomego parcia bocznego na grunt występuje w osi x, natomiast w osi y zmniejsza się ona do 50%. Jest to bardzo istotny wniosek, często niezauważany przez przedstawicieli służb eksploatacyjnych. Przy zastosowaniu żerdzi wirowanej typu E-12/12, której siła użytkowa w dowolnym kierunku wynosi 12 kN, i fundamentu typu UP składającego się z dwóch płyt ustojowych U-130, pojawia się pytanie, czy teoretycznie dopuszczalną siłą, jaką będzie można obciążyć żerdź w osi x i y, będzie:

• 12 kN w dowolnej osi;
• czy też 12 kN w osi x, a tylko 6 kN w osi y?

Oczywiście druga odpowiedź jest prawidłowa, ponieważ dopuszczalna sita użytkowa słupa linii elektroenergetycznej nie wynika wyłącznie z parametrów technicznych żerdzi, ale również z zastosowanego fundamentu.

Instalując na żerdzi płyty ustojowe, poprawia się stabilność posadowienia konstrukcji wsporczej w kierunku y.

dr inż. Józef J. Zawodniak

SEP O/Gorzów mgr inż. Rafał Nowicki

ENERGOLINIA, Poznań

Uwaga: Artykuł pierwotnie ukazał się w nr. 2 (28)/2017 czasopisma „AUTOMATYKA, ELEKTRYKA, ZAKŁÓCENIA”.

¹ Literatura zostanie podana w cz. II artykułu.