Как стандарты ASCE 7-10 и ASCE 7-16 по ветровой нагрузке влияют на проектирование солнечных электростанций

Введение
Ветровая нагрузка является основным конструктивным фактором, влияющим на устойчивость солнечных батарей в США. Расчетные значения, используемые инженерами, и лежащие в их основе методики определены семейством стандартов ASCE 7. Понимание различий между ASCE 7-10 и ASCE 7-16 Это не чисто теоретический вопрос: два варианта расчета создают существенно разные ветровые нагрузки для одной и той же установки, влияя на все, от расстояния между рельсами до проектирования фундамента.

В этой статье объясняются ключевые изменения, внесенные в стандарт ASCE 7-16, и то, как они влияют на... расчет ветровой нагрузки на солнечную установкуа также то, что должны делать инженеры-конструкторы и поставщики монтажного оборудования, чтобы соответствовать требованиям. Независимо от того, проектируете ли вы солнечную электростанцию ​​на крыше во Флориде или наземную систему в Техасе, эти различия напрямую влияют на безопасность, стоимость и получение разрешений в соответствии с нормами.

1. ASCE 7: Основы проектирования ветровых электростанций в США
ASCE 7 (Минимальные расчетные нагрузки и соответствующие критерии для зданий и других сооружений) — это эталонный стандарт, принятый Международным строительным кодексом (IBC) и большинством кодексов штатов США. Положения о ветровой нагрузке в нем претерпели изменения в нескольких редакциях:
1. ASCE 7-05: Введена существующая система категорий риска и карты предельной скорости ветра.
2.ASCE 7-10: Уточненные карты скорости ветра с отдельными значениями категорий риска II/III/IV и обновленными коэффициентами воздействия.
3. ASCE 7-16: Значительная доработка — заменены детерминированные карты скорости ветра новыми картами, основанными на оценке рисков, введено Руководство по проектированию ветровых систем и добавлены положения Главы 29, касающиеся солнечных батарей на крышах.
4. ASCE 7-22: Последнее издание, уточняющее главу 29 и добавляющее положения для других возобновляемых конструкций.

В проектировании систем крепления солнечных батарей наиболее существенным изменением стал переход от стандарта ASCE 7-10 к стандарту ASCE 7-16, поскольку стандарт 7-16 коренным образом изменил значения скорости ветра и добавил конкретные положения для солнечных батарей, устанавливаемых на крышах.

2. Ключевые различия между ASCE 7-10 и ASCE 7-16

2.1 Новые карты скорости ветра
Стандарт ASCE 7-16 заменил единую карту «предельной» скорости ветра семейством карт, основанных на оценке риска. Для проектирования солнечных электростанций критическим значением является карта категории риска II (V50 — 50-летний средний интервал повторяемости предельных нагрузок). Во многих прибрежных регионах расчетные скорости ветра по стандарту 7-16 на 5–15% выше, чем значения по стандарту 7-10:

ПримечаниеПриведенные значения иллюстрируют общую тенденцию. Проектировщики всегда должны использовать официальные карты ASCE 7-16 или инструмент оценки опасности ASCE 7 для конкретного местоположения своего проекта.

3. Глава 29: Солнечные батареи на крышах меняют правила игры
3.1 Что содержит глава 29
В главе 29 стандарта ASCE 7-16 (Ветровые нагрузки на другие конструкции и элементы зданий) содержатся специальные положения, касающиеся солнечных батарей на крышах (раздел 29.4.4). Впервые проектировщики получили четкую, признанную в нормативных документах методологию расчета ветровых нагрузок на фотоэлектрические батареи, установленные на зданиях. Ключевые элементы:
5. Коэффициенты давления компонентов и оболочки (C&C), специфичные для фотоэлектрических массивов, с учетом положения массива (край, угол, внутренние зоны).
6. Учет угла наклона массива и зазора над поверхностью крыши.
7. Правила определения эффективной ветровой нагрузки для фотоэлектрических модулей и монтажных компонентов.
8. Влияние парапета и края крыши, включая влияние направления ветра.
Предусмотрены возможности как для балластных, так и для механически закрепленных массивов.

3.2 Практические последствия для дизайнеров
Введение главы 29 оказало значительное практическое воздействие: выяснилось, что многие солнечные батареи на крышах, спроектированные в соответствии с ASCE 7-10 с использованием Приложения C (в котором батарея рассматривалась как типовая конструкция крыши), требуют более прочных креплений согласно 7-16. Типичные результаты:
10. Больше точек крепления на модуль в краевых и угловых зонах (часто на 20–40% больше крепежных элементов).
11. Более тяжелые рельсовые участки или уменьшенные пролеты рельсов в зонах с сильным ветром.
12. Дополнительный балласт для плоских кровельных систем в прибрежных районах.
13. Более широкое использование испытаний в аэродинамической трубе для больших или нерегулярных массивов.

4. Системы наземного монтажа в соответствии с ASCE 7-16
Для наземных солнечных электростанций в соответствии с ASCE 7-16 применяются положения главы 27/28, касающиеся основной системы сопротивления ветровым нагрузкам (MWFRS), и положения главы 30, касающиеся контроля и наведения. Наземные солнечные батареи обычно рассматриваются как «другие конструкции» согласно главе 29, с учетом следующих ключевых моментов:
14. Отдельно стоящие массивы построены по методологии открытой каркасной конструкции с использованием соответствующих коэффициентов силы для наклонных панелей.
15. Изменения категорий воздействия (7-16) в большей степени затрагивают наземные установки, чем установки на крышах, особенно на открытой местности (воздействие C).
16. Расчеты подъема фундамента и опрокидывания производятся с учетом обновленных скоростей ветра — увеличение скорости ветра на 10% повышает расчетное давление примерно на 21% (давление пропорционально квадрату скорости).
17. Комбинации сейсмических нагрузок (ASCE 7-16, глава 12) взаимодействуют с ветровыми нагрузками для случаев комбинированных нагрузок в сейсмически активных западных штатах.

5. Инженерные аспекты: какие изменения произойдут на практике.
5.1 Давление увеличивается пропорционально квадрату скорости.
Самый важный инженерный вывод: ветровое давление пропорционально квадрату скорости ветра. Увеличение расчетной скорости ветра на 10% приводит к увеличению расчетного давления примерно на 21%. Этот накопительный эффект означает, что, казалось бы, незначительные изменения в схеме приводят к значительно более прочным (и более дорогим) системам крепления.
5.2 Конструкция крепления и фундамента

5.3 Соответствие требованиям и внедрение кодекса
Применение строительных норм различается в зависимости от юрисдикции. В большинстве штатов принят IBC 2018 (который ссылается на ASCE 7-16), но некоторые по-прежнему работают по IBC 2015 (ASCE 7-10). Проектировщики должны уточнить, какая редакция применяется к их проекту. Многие уполномоченные органы (AHJ) теперь требуют предоставления явной документации, соответствующей ASCE 7-16, для получения разрешений на установку солнечных батарей.

6. Испытания в аэродинамической трубе: все более перспективный вариант.
Стандарт ASCE 7-16 расширил рекомендации по проведению испытаний в аэродинамической трубе (раздел 31.4), сделав этот метод более доступным для сложных солнечных установок. Испытания в аэродинамической трубе все чаще используются для:
18. Крупные наземные антенные решетки, для которых предписанные кодом значения являются консервативными.
19. Солнечные батареи на крышах высотных зданий со сложной аэродинамической обстановкой.
20. Массивы с необычной геометрией, наклоном или конфигурацией, не рассмотренные в главе 29.
21. В проектах, направленных на оптимизацию затрат, исследование в аэродинамической трубе может оправдать сокращение количества креплений, что позволит сэкономить больше, чем стоимость исследования, в крупных системах.
Типичные затраты на исследования в аэродинамической трубе составляют от 25 000 до 80 000 долларов США, а продолжительность исследований — от 2 до 4 месяцев. Для крупномасштабных проектов потенциал оптимизации часто оправдывает инвестиции.

7. Практический контрольный список для проектировщиков солнечных электростанций
1. Уточните, какая версия ASCE 7 принята в юрисдикции вашего проекта (IBC 2015, 2018 или 2021).
2. Используйте инструмент ASCE 7 Hazard Tool для получения официальных значений скорости ветра для точных координат объекта.
3. Для солнечных панелей, устанавливаемых на крыше: примените положения главы 29.4.4 и проверьте требования к креплению в краевую/угловую зону.
4. Для наземных установок: проверьте категорию воздействия (B, C или D) и ее влияние на давление скорости.
5. Выполните расчеты нагрузок как в режиме MWFRS, так и в режиме C&C — режим C&C часто определяет конструкцию компонентов для солнечных электростанций.
6. Укажите комбинации нагрузок согласно Главе 2 (включая ветровую и сейсмическую нагрузки, где это применимо).
7. Задокументируйте все расчеты для предоставления в надзорный орган — во многих юрисдикциях теперь требуется заверенные печатью расчеты конструкций для получения разрешения на установку солнечных батарей.
8. Убедитесь, что заявленные поставщиком крепежных элементов допустимые нагрузки соответствуют стандарту ASCE 7-16 (или четко укажите, какая редакция применима).

Заключение
Переход от ASCE 7-10 – ASCE 7-16 Это коренным образом изменило подход к проектированию систем крепления солнечных батарей в Соединенных Штатах. Более высокие скорости ветра, учитываемые при оценке рисков, новые положения главы 29, касающиеся крыш, и обновленные коэффициенты — все это ведет к созданию более прочных и дорогостоящих систем крепления, особенно в прибрежных и подверженных ураганам регионах.
Для инженеров-конструкторов и поставщиков монтажных материалов дальнейший путь ясен: принять стандарт ASCE 7-16 в качестве базового, проверить его соответствие требованиям конкретных юрисдикций и использовать испытания в аэродинамической трубе там, где это позволит оптимизировать затраты без ущерба для безопасности.

Разработка проекта солнечной электростанции в США в соответствии со стандартом ASCE 7-16? Компания AISINEE предоставляет услуги по расчету несущей способности в соответствии со стандартом ASCE 7-16, поддержке в проведении расчетов несущих конструкций и разработке проектов, подтвержденных в аэродинамической трубе, для систем, устанавливаемых на крышах и на земле. Для получения помощи по конкретным проектам обращайтесь в нашу инженерную команду.

По всем вопросам, касающимся систем крепления солнечных батарей, пожалуйста, свяжитесь с нами по электронной почте: sales@aisinee.comWhatsApp / WeChat Skype: +86 18959208931, спасибо.