كيف تؤثر معايير أحمال الرياح ASCE 7-10 و ASCE 7-16 على تصميم تركيبات الطاقة الشمسية
مقدمة
يُعدّ حمل الرياح العامل الهيكلي الأهم لأنظمة تركيب الألواح الشمسية في الولايات المتحدة. وتُحدد معايير ASCE 7 القيم التصميمية التي يستخدمها المهندسون، والمنهجيات التي تستند إليها. ويتطلب فهم الاختلافات بين هذه المعايير ASCE 7-10 و ASCE 7-16 الأمر ليس أكاديمياً: فالإصداران ينتجان أحمال رياح مختلفة بشكل كبير لنفس التركيب، مما يؤثر على كل شيء بدءًا من تباعد القضبان وحتى تصميم الأساس.
تشرح هذه المقالة التغييرات الرئيسية التي تم إدخالها في معيار ASCE 7-16، وكيف تؤثر على حساب حمل الرياح لتركيبات الطاقة الشمسيةوما يجب على مهندسي الإنشاءات وموردي التركيبات فعله لضمان الامتثال. سواء كنت تصمم نظامًا على سطح مبنى في فلوريدا أو نظامًا أرضيًا في تكساس، فإن هذه الاختلافات تؤثر بشكل مباشر على السلامة والتكلفة والحصول على الموافقات اللازمة.
1. معيار ASCE 7: أساس تصميم توربينات الرياح في الولايات المتحدة
يُعدّ معيار ASCE 7 (أحمال التصميم الدنيا والمعايير المرتبطة بها للمباني والمنشآت الأخرى) المعيار المرجعي المعتمد من قبل قانون البناء الدولي (IBC) ومعظم قوانين الولايات الأمريكية. وقد تطورت أحكامه المتعلقة بأحمال الرياح عبر عدة إصدارات.
1.ASCE 7-05: قدم إطار عمل فئات المخاطر الحالي وخرائط سرعة الرياح القصوى.
2.ASCE 7-10: خرائط سرعة الرياح المحسنة مع قيم فئات المخاطر II/III/IV المنفصلة ومعاملات التعرض المحدثة.
3.ASCE 7-16: مراجعة رئيسية - تم استبدال خرائط سرعة الرياح الحتمية بخرائط جديدة قائمة على المخاطر، وتم إدخال دليل تصميم الرياح، وإضافة أحكام الفصل 29 للطاقة الشمسية على أسطح المنازل.
4.ASCE 7-22: أحدث إصدار، مع تحسين الفصل 29 وإضافة أحكام للهياكل المتجددة الأخرى.
بالنسبة لتصميم تركيب الألواح الشمسية، كان الانتقال الأكثر أهمية هو من ASCE 7-10 إلى ASCE 7-16، لأن 7-16 غيرت بشكل أساسي قيم سرعة الرياح وأضافت أحكامًا صريحة للصفوف الشمسية على أسطح المنازل.
2. الاختلافات الرئيسية بين معيار ASCE 7-10 ومعيار ASCE 7-16
| المعلمة | معايير الجمعية الأمريكية للمهندسين المدنيين 7-10 | ASCE 7-16 | تأثير ذلك على تصميم الطاقة الشمسية |
| خرائط سرعة الرياح | خرائط القوة القصوى مع مضاعفات S و 1.0 و 1.3 | خرائط جديدة قائمة على المخاطر (V50، V100، V300، V700، V1700، V3000) | سرعات تصميم أعلى في العديد من المناطق الساحلية |
| وحدات قياس سرعة الرياح | ميل في الساعة (هبة لمدة 3 ثوانٍ) | ميل في الساعة (هبة لمدة 3 ثوانٍ) - نفس الشيء، لكن القيم تختلف | تغيرت قيم التصميم بنسبة تصل إلى 10-20% |
| الطاقة الشمسية على أسطح المنازل (الفصل 29) | لا يوجد فصل مخصص لذلك - تم استخدام الملحق ج أو التقدير الهندسي | الفصل 29 الجديد: أحكام صريحة بشأن مصفوفات الخلايا الكهروضوئية على أسطح المنازل | منهجية تصميم الأسطح الموحدة |
| معاملات الضغط (GCp) | يتم التعامل مع المصفوفات الموجودة على أسطح المنازل كمكونات عامة | يقدم الفصل 29 قيم GCp محددة لمصفوفات الخلايا الكهروضوئية | أحمال أسطح أكثر دقة - وغالبًا ما تكون أعلى - |
| عوامل التعرض | Kz/Kh لكل 7-10 طاولات | تم تحديث Kz/Kh مع فئات جديدة لخشونة التضاريس | أحمال مختلفة قليلاً لنفس الموقع |
| الإجراء التوجيهي | الفصل 27 (MWFRS) + الفصل 30 (C&C) | الفصل 27/30 بمعاملات منقحة | تم تغيير أحمال التحكم والتثبيت للقضبان والمشابك |
| توفير نفق هوائي | إرشادات محدودة | إرشادات موسعة للقسم 31.4 لاختبارات نفق الرياح | تتجه المزيد من المشاريع إلى اختبار نفق الرياح |
2.1 خرائط سرعة الرياح الجديدة
استبدل معيار ASCE 7-16 خريطة سرعة الرياح "القصوى" الوحيدة بمجموعة من الخرائط القائمة على المخاطر. في تصميم أنظمة الطاقة الشمسية، تُعتبر خريطة فئة المخاطر الثانية (V50 - متوسط فترة تكرار الأحمال القصوى على مدى 50 عامًا) هي القيمة الحرجة. في العديد من المناطق الساحلية، تكون سرعات الرياح التصميمية وفقًا لمعيار 7-16 أعلى بنسبة 5-15% من قيم معيار 7-10.
| الموقع (مثال) | سرعة التدفق (ميل/ساعة) وفقًا لمعيار ASCE 7-10 | ASCE 7-16 V50 (ميل/ساعة) | يتغير |
| ميامي، فلوريدا | 170 | 180 | +5.9% |
| هيوستن، تكساس (ساحلية) | 140 | 148 | +5.7% |
| تامبا، فلوريدا | 150 | 156 | +4.0% |
| مدينة نيويورك | 120 | 122 | +1.7% |
| فينيكس، أريزونا (داخل البلاد) | 105 | 106 | +1.0% |
| لوس أنجلوس (الساحلية) | 115 | 118 | +2.6% |
ملحوظةالقيم المعروضة توضح الاتجاه العام. يجب على المصممين دائمًا استخدام خرائط ASCE 7-16 الرسمية أو أداة ASCE 7 لتحديد المخاطر لموقع مشروعهم المحدد.
3. الفصل 29: الطاقة الشمسية على أسطح المنازل تُحدث نقلة نوعية
3.1 ما يقدمه الفصل 29
يتضمن الفصل 29 من معيار ASCE 7-16 (أحمال الرياح على المنشآت الأخرى وملحقات المباني) أحكامًا خاصة بألواح الطاقة الشمسية المثبتة على أسطح المباني (القسم 29.4.4). ولأول مرة، أصبح لدى المصممين منهجية واضحة ومعترف بها في هذا المعيار لحساب أحمال الرياح على ألواح الطاقة الشمسية الكهروضوئية المثبتة على المباني. العناصر الرئيسية:
5. معاملات ضغط المكونات والكسوة (C&C) الخاصة بمصفوفات الخلايا الكهروضوئية، مع مراعاة موضع المصفوفة (الحافة، الزاوية، المناطق الداخلية).
6. مراعاة زاوية ميل المصفوفة والمسافة فوق سطح السقف.
7. قواعد منطقة الرياح الفعالة لوحدات الخلايا الكهروضوئية ومكونات التركيب.
8. تأثيرات الدرابزين وحافة السقف، بما في ذلك تأثير اتجاه الرياح.
توفير تجهيزات لكل من المصفوفات المثبتة بالثقل والمصفوفات المثبتة ميكانيكياً.
3.2 العواقب العملية للمصممين
كان لإدخال الفصل 29 أثر عملي كبير: فقد وُجد أن العديد من أنظمة الأسقف المصممة وفقًا لمعيار ASCE 7-10 باستخدام الملحق ج (الذي تعامل مع النظام كهيكل سقف عام) تتطلب مثبتات أقوى بموجب معيار 7-16. النتائج النموذجية:
10. المزيد من نقاط التثبيت لكل وحدة في مناطق الحواف والزوايا (غالباً ما يكون هناك 20-40% من المثبتات الإضافية).
11. أقسام سكك حديدية أثقل أو مسافات سكك حديدية أقصر في المناطق ذات الرياح العاتية.
12. ثقل موازن إضافي لمجموعات الأسطح المسطحة في المناطق الساحلية.
13. الاعتماد بشكل أكبر على اختبارات نفق الرياح للمصفوفات الكبيرة أو غير المنتظمة.
4. أنظمة التركيب الأرضي وفقًا لمعيار ASCE 7-16
بالنسبة للأنظمة الشمسية الأرضية، يطبق معيار ASCE 7-16 أحكام نظام مقاومة قوة الرياح الرئيسية (MWFRS) الواردة في الفصل 27/28 وأحكام C&C الواردة في الفصل 30. وتُعامل المصفوفات الأرضية عادةً على أنها "هياكل أخرى" وفقًا للفصل 29، مع مراعاة الاعتبارات الرئيسية التالية:
14. تتبع المصفوفات القائمة بذاتها منهجية الهيكل ذي الإطار المفتوح، باستخدام معاملات القوة المناسبة للألواح المائلة.
15. تؤثر التعديلات من 7 إلى 16 على فئات التعرض على مواقع التركيب الأرضي أكثر من مواقع الأسطح، لا سيما في التضاريس المفتوحة (التعرض ج).
16. تستخدم حسابات رفع الأساس والانقلاب سرعات الرياح المحدثة - زيادة سرعة الرياح بنسبة 10٪ ترفع ضغوط التصميم بنسبة 21٪ تقريبًا (يتناسب الضغط مع مربع السرعة).
17. تتفاعل تركيبات الأحمال الزلزالية (ASCE 7-16 الفصل 12) مع أحمال الرياح لحالات الأحمال المركبة في الولايات الغربية ذات النشاط الزلزالي العالي.
5. الآثار الهندسية: ما هي التغييرات في الممارسة؟
5.1 يزداد الضغط مع مربع السرعة
أهم ما يمكن استخلاصه من الهندسة: يتناسب ضغط الرياح طرديًا مع مربع سرعة الرياح. فزيادة سرعة الرياح التصميمية بنسبة 10% تُنتج ضغطًا تصميميًا أعلى بنسبة 21% تقريبًا. هذا التأثير التراكمي يعني أن تغييرات الخرائط التي تبدو طفيفة تُترجم إلى أنظمة تثبيت أقوى بكثير (وأكثر تكلفة).
5.2 تصميم الملحقات والأساسات
| عنصر تصميمي | معايير ASCE 7-10 الأساسية | متطلبات معيار ASCE 7-16 | التغيير النموذجي |
| تباعد نقاط تثبيت السطح | المسافة النموذجية 4 أقدام | أكثر إحكامًا في مناطق الحواف/الزوايا | تباعد بنسبة 20-40% في المناطق |
| معامل مقطع السكة الحديدية | معيار 2.0–2.5 بوصة مكعبة | تزداد في المناطق ذات الرياح العاتية | قسم +15-25% |
| وزن الصابورة (سقف مسطح) | 10-15 رطل لكل قدم مربع نموذجي | أعلى بالنسبة للمواقع الساحلية | +20–40% من الصابورة |
| عمق الركيزة المثبتة على الأرض | بناءً على رياح تتراوح سرعتها بين 7 و10 | تتراوح سرعة الرياح لدى الثعالب بين 7 و16 | +10–20% تضمين |
| مثبتات الرفع (السقف) | عدد البراغي القياسي | المزيد من نقاط التثبيت في المناطق | زيادة في أدوات التثبيت بنسبة 25-50% |
5.3 الامتثال واعتماد القواعد
يختلف تطبيق القوانين واللوائح باختلاف المناطق. فقد اعتمدت معظم الولايات قانون البناء الدولي لعام ٢٠١٨ (الذي يشير إلى معيار ASCE ٧-١٦)، بينما لا تزال بعض الولايات تعمل بموجب قانون البناء الدولي لعام ٢٠١٥ (ASCE ٧-١٠). يجب على المصممين التأكد من الإصدار المطبق على منطقة مشروعهم. وتشترط العديد من الجهات المختصة حاليًا تقديم وثائق امتثال صريحة لمعيار ASCE ٧-١٦ للحصول على تراخيص الطاقة الشمسية.
6. اختبار نفق الرياح: الخيار المتنامي
وسّع معيار ASCE 7-16 نطاق الإرشادات الخاصة باختبارات نفق الرياح (القسم 31.4)، مما جعلها خيارًا أسهل للمنشآت الشمسية المعقدة. ويُستخدم اختبار نفق الرياح بشكل متزايد للأغراض التالية:
18. المصفوفات الأرضية الكبيرة حيث تكون القيم المحددة في الكود متحفظة.
19. مصفوفات على أسطح المباني الشاهقة ذات البيئات الديناميكية الهوائية المعقدة.
20. المصفوفات ذات الأشكال الهندسية أو الميول أو التكوينات غير العادية التي لم يتم تغطيتها في الفصل 29.
21. المشاريع التي تسعى إلى تحسين التكاليف - يمكن لدراسة نفق الرياح أن تبرر تقليل عدد الملحقات، مما يوفر أكثر من تكلفة الدراسة على الأنظمة الكبيرة.
تتراوح تكاليف دراسة نفق الرياح عادةً بين 25,000 و80,000 دولار أمريكي، وتستغرق الدراسة من شهرين إلى أربعة أشهر. أما بالنسبة للمشاريع واسعة النطاق، فإن إمكانية التحسين تبرر الاستثمار في كثير من الأحيان.
7. قائمة مراجعة عملية لمصممي أنظمة الطاقة الشمسية
1. تأكد من إصدار ASCE 7 الذي تم اعتماده من قبل نطاق اختصاص مشروعك (IBC 2015 مقابل 2018 مقابل 2021).
2. استخدم أداة ASCE 7 Hazard Tool للحصول على قيم سرعة الرياح الرسمية لإحداثيات المشروع الدقيقة.
3. بالنسبة للمصفوفات الموجودة على الأسطح: قم بتطبيق أحكام الفصل 29.4.4 وتحقق من متطلبات التثبيت في منطقة الحافة/الزاوية.
4. بالنسبة للتركيب الأرضي: تحقق من فئة التعرض (ب، ج، أو د) وتأثيرها على ضغط السرعة.
5. قم بتشغيل كل من MWFRS و C&C حالات التحميل - غالبًا ما يحكم C&C تصميم المكونات للطاقة الشمسية.
6. قم بتضمين تركيبات الأحمال لكل فصل 2 (بما في ذلك الرياح + الزلازل عند الاقتضاء).
7. توثيق جميع الحسابات لتقديمها إلى الجهة المختصة - تتطلب العديد من السلطات القضائية الآن حسابات هيكلية مختومة للحصول على تصاريح الطاقة الشمسية.
8. تحقق من أن تصنيفات الأحمال المنشورة من قبل مورد التركيب الخاص بك تستند إلى ASCE 7-16 (أو حدد بوضوح الإصدار الذي ينطبق).
خاتمة
الانتقال من ASCE 7-10 إلى ASCE 7-16 لقد أحدثت هذه التغييرات تغييراً جذرياً في كيفية تصميم أنظمة تركيب الألواح الشمسية في الولايات المتحدة. فارتفاع سرعات الرياح بناءً على المخاطر، والأحكام الجديدة المتعلقة بأسطح المنازل في الفصل 29، والمعاملات المحدثة، كلها تدفع نحو أنظمة تركيب أقوى - وأكثر تكلفة - لا سيما في المناطق الساحلية والمعرضة للأعاصير.
بالنسبة للمهندسين الإنشائيين وموردي التركيب، فإن الطريق إلى الأمام واضح: اعتماد معيار ASCE 7-16 كأساس، والتحقق من اعتماده وفقًا للقوانين المحلية، والاستفادة من اختبارات نفق الرياح حيثما أمكن تحسين التكاليف دون المساس بالسلامة.
تصميم مشروع للطاقة الشمسية في الولايات المتحدة وفقًا لمعيار ASCE 7-16؟ تُقدّم شركة AISINEE تصنيفات أحمال متوافقة مع معيار ASCE 7-16، ودعمًا في حسابات الهياكل، وتصاميم مُعتمدة في نفق الرياح لأنظمة التركيب على الأسطح والأرضيات. تواصل مع فريقنا الهندسي للحصول على مساعدة خاصة بمشروعك.
لأي استفسار بخصوص أنظمة تركيب الألواح الشمسية، يرجى التواصل معنا عبر البريد الإلكتروني: sales@aisinee.comواتساب / وي شات سكايب: +86 18959208931، شكرًا.