Il metodo di calcolo agli stati limite applicato ai sostegni delle linee elettriche aeree esterne

La recente norma CENELC EN 50341-1:2012 e l’annesso nazionale italiano CEI 11-4 adottano, per l’analisi dei carichi e per le verifiche di resistenza dei sostegni delle linee elettriche aeree esterne, il metodo semi probabilistico agli stati limite. In questo articolo vengono illustrati i criteri salienti di questo corpo normativo per gli aspetti che riguardano i problemi di resistenza meccanica dei sostegni: la determinazione delle azioni, le loro combinazioni ed i metodi di verifica di resistenza.

1 - PREMESSA

Il CEN (Comitato Europeo di Normazione), nel recente passato, ha conferito a CENELEC (Comitato Europeo di Normazione Elettrotecnica) anche il ruolo di Ente Normatore per tutti gli aspetti delle linee elettriche aeree esterne comprensivo anche dell’analisi dei carichi e della verifica di resistenza meccanica degli elementi, tra i quali i sostegni [1].

Nel 2004 CENELEC, con il contributo dei Comitati Elettrotecnici dei vari paesi membri, tra i quali il CEI (Comitato Elettrotecnico Italiano), pubblicò le Norme CENELEC EN 50341-1:2004 (relativa a linee con tensione superiore a 45 kV) e CENELEC EN 50423-1:2004 (relativa alle linee con tensione compresa tra 1 kV e 45 kV); nel 2009 è stato pubblicato l’aggiornamento A1 della EN 50341-1:2004 nel nuovo documento CENELEC EN 50341-1/ A1:2009. Tali norme sono state recepite da CEI e tradotte in italiano rispettivamente come CEI EN 50341-1:2004, CEI EN 50341- 1/A1:2009 e CEI EN 50423-1:2005.

Recentemente le due Norme, relative ai due diversi livelli di tensione di esercizio delle linee, sono state unificate nella CENELEC EN 50341-1:2012, recepita da CEI e tradotta in italiano come CEI EN 50341-1:2013 [2].

Il CEI ha inoltre pubblicato, con validità 01.02.2011, la nuova Norma CEI 11-4: Norme tecniche per la costruzione di linee elet- triche aeree esterne che costituisce l’Annesso Nazionale Italiano (NNA) alle Norme CEI EN 50341-1/A1:2009 e CEI EN 50423-1:2004, il quale le completa tenendo conto dei dati specifici del nostro paese; è in corso di emanazione l’aggiornamento della CEI 11-4 come NNA della CEI EN 50341-1:2013. Si può dire che la CENELEC EN 50341-1:2012, unita agli NNA dei vari Paesi Comunitari, costituisce un corpo normativo europeo unitario per le linee elettriche aeree [3].

La nuova norma, insieme della CEI EN 50341-1:2013 con l’annes- so nazionale italiano CEI 11-4, è innovativa rispetto alla precedente [11, 12] che, per gli aspetti di resistenza dei componenti, si basava sul metodo di calcolo alle tensioni ammissibili; infatti per gli aspetti di resistenza e deformabilità dei componenti delle linee elettriche aeree la nuova norma adotta la medesima filosofia cui fanno riferimento anche gli Eurocodici: il metodo semiprobabilistico agli stati limite.

Le azioni prevalenti che agiscono sulle linee elettriche aeree sono di origine meteorica: vento, ghiaccio, neve e variazioni termiche. Pertanto la loro quantificazione viene rimandata agli annessi nazionali, mentre vengono date indicazioni circa la metodologia probabilistica da adottare per individuare le condizioni di progetto.

Per i carichi di vento si adottano le indicazioni delle Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC), che forniscono le velocità del vento in relazione alla ubicazione delle opere sul territorio [4]; per i sovraccarichi di ghiaccio o di neve e la loro combinazione con i carichi di vento, data la peculiarità delle linee elettriche, si tiene conto delle indicazioni CENELEC, oltre che di importanti studi di sistema condotti ad hoc dal CESI (Centro Elettrotecnico Sperimentale Italiano), oggi RSE (Ricerca sul Sistema Energetico Spa) [5].

Da questi ultimi è emerso che le formazioni di ghiaccio e/o di neve sui conduttori sono ben più severe e diffuse di quanto non contemplato dalla precedente Norma [11, 12] e ciò risulta confermato da numerosi eventi verificatisi nel corso degli anni; è pure emersa la necessità di modificare i limiti di temperatura in corrispondenza di varie condizioni di carico, sia aumentando la massima in assenza di vento in certe zone, sia riducendo la minima concomitante con il vento e/o il ghiaccio o neve [3, 6]. Inoltre nel caso delle linee elettriche aeree sono da considerare azioni peculiari che, per la scarsa conoscenza statistica, vengono trattate con valori nominali; queste sono: gli effetti della rottura dei conduttori, gli squilibri del tiro dei conduttori tra campate adiacenti, le azioni di montaggio, tesatura e manutenzione [6, 7] . Nel caso delle azioni sismiche si fa riferimento alle NTC per quanto riguarda le accelerazioni attese al suolo; per gli aspetti peculiari delle linee elettriche ed in particolare per la risposta dinamica del sistema linea agli spostamenti sismici impressi alla base dei sostegni la CEI EN 50341-1:2013 dà specifiche indicazioni [6].

Per quanto concerne i vari materiali ed i criteri di determinazione della resistenza limite da considerare nei calcoli di verifica la nuova norma si ispira in generale ai corrispondenti Eurocodici, con particolari indicazioni per i componenti delle linee elettriche; per i sostegni a traliccio delle linee elettriche poi già da lungo tempo in sede ECCS (European Convention for Constructional Steelworks) era stata messa in evidenza la peculiarità delle strutture per linee elettriche aeree e ciò costituì anche oggetto di una successiva pubblicazione in ambito PSEM (Progress Structural Engineering and Materials) [8, 9].

Le combinazioni di carico tengono conto delle peculiarità del sistema linea. Infatti le azioni del vento sulle campate dei conduttori o delle funi di guardia, oltre a dar luogo ad azioni dirette sui sostegni tra due campate adiacenti, intervengono nelle variazioni di tiro le quali, nel caso di tratte di campate in sospensione, sono influenzate dalle condizioni di carico sull’intera tratta; per queste si può fare riferimento ai valori caratteristici con periodo di ritorno ridotto (3 anni), quindi più frequenti, mentre sulle campate direttamente afferenti il sostegno in esame si considerano i valori caratteristici con periodo di ritorno standard (50 anni), molto meno frequenti ma ben più gravosi. Considerazioni del tutto simili valgono per le azioni del ghiaccio o della neve che si accumula sui conduttori o sulle funi di guardia. Questi effetti sono molto importanti perché l’azione trasversale agente sui sostegni, trasmessa da conduttori e fune di guardia, è in generale la somma di quella del vento e di quella di angolo dovuta ai tiri; il tutto tenendo conto che la temperatura influenza le variazioni di tiro; pertanto sono opportunamente combinati velocità del vento, formazioni di ghiaccio o neve e temperatura con valori diversi a seconda delle zone del territorio nazionale.

Si riconosce che la metodica di combinazione delle azioni prospettata dalla CEI EN 50341-1:2013 e completata dalla NNA CEI 11-4 relativamente ai parametri Nazionali, si presenta diversa da quella delle NTC e degli Eurocodici; tiene in sostanza buon conto dei fenomeni fisici che coinvolgono le linee elettriche. Peraltro la CEI EN non esclude che la combinazione dei carichi variabili indipendenti venga fatta ricorrendo ai coefficienti ȥ (in armonia con gli Eurocodici e le NTC) quale alternativa alla più razionale combinazione in base a diversi periodi di ritorno.

Infine va messa in evidenza la maggiore importanza che viene riservata al calcolo delle fondazioni con particolare riguardo all’e- sigenza di valutare la stabilità dei pendii lungo i quali si sviluppa il tracciato delle linee elettriche. Infatti è ben noto che le linee della rete di trasmissione nazionale e della rete di distribuzione si estendono su tutto il territorio del nostro paese, nel quale moltissime zone sono caratterizzate da significativa franosità.

2 – LA STRUTTURA DELLA NORMA CEI EN 50341-1:2013 CON LA NORMA CEI 11 - 4

2.1 - Basi per il progetto

Il progetto strutturale si basa sul concetto di stato limite: si hanno più stati limite oltre i quali la linea elettrica non soddisfa le prestazioni di progetto; si fa in genere riferimento a due tipi di stati limite, stati limite di esercizio e stati limite ultimi.

Stati limite di esercizio

Corrispondono alle prescrizioni specificate che possono riferirsi a:

• deformazioni che riguardano l’aspetto esteriore o l’utilizzazione effettiva di un sostegno, inclusa una riduzione di una distanza di isolamento;
• vibrazioni che danneggiano a lungo andare i conduttori, i sostegni o altri componenti e che possono avere effetti sulla loro durabilità e funzionalità.

Stati limite ultimi

Corrispondono al raggiungimento di situazioni di collasso o altre forme di cedimento strutturale, le quali riguardano:

• l’affidabilità del “sistema linea” o di qualche componente;
• la sicurezza delle cose, degli animali e delle persone.

2.2 – Affidabilità delle linee elettriche aeree

Per le linee si considerano tre livelli di affidabilità, ai quali corrispondono tre diversi periodi di ritorno delle azioni variabili, in accordo con la tabella 1.

Le azioni sismiche si valutano in base alla pericolosità sismica del sito che viene espressa in termini di accelerazione massima attesa la quale dipende dal periodo di riferimento che si assume per determinarla. 

Tabella 1 - Livelli di affidabilità

In generale il livello di affidabilità di riferimento delle linee aeree è il livello 1; livelli superiori possono essere giustificati dall’importanza particolare della linea aerea nel contesto di una rete elettrica o dall’ambiente circostante.

La vita nominale (vita utile di progetto) è il periodo di tempo durante il quale la linea aerea viene utilizzata per la sua funzione, ricorrendo solo alla manutenzione ordinaria. La vita utile di progetto generalmente è considerata di 50 anni, mentre il periodo di esercizio può essere compreso tra 30 e 80 anni.

La durabilità di una linea aerea deve essere tale che la sua funzione sia assolta per la vita utile di progetto, ricorrendo alla sola manutenzione ordinaria.

2.3 - Classificazione delle azioni

Le azioni vengono classificate secondo la loro variabilità nel tempo. Si considerano azioni permanenti, azioni variabili ed azioni eccezionali.

Sono azioni permanenti il peso proprio dei sostegni, delle fonda- zioni e degli isolatori; anche il peso proprio per unità di lunghez- za dei conduttori è permanente, ma non lo è il carico verticale corrispondente alla reale lunghezza di conduttore gravante e al tiro nei conduttori stessi. L’azione permanente, in genere viene valutata in base al peso per unità di volume dei materiali.

Sono azioni variabili la spinta del vento, il carico di ghiaccio o neve sui conduttori, le variazioni termiche ed il tiro nei conduttori. L’azione variabile è definita da un valore caratteristico, che è il valore più elevato associato ad una probabilità di non essere superato; tale valore cambia con il periodo di ritorno e nel caso di un periodo di 50 anni tale probabilità è 1/50 = 0,02, ovvero del 2% l’anno. Quando non è possibile stabilire un valore caratteristico si introduce un valore nominale, inteso come valore convenzionale indicato dalle Norme.

Si considerano azioni accidentali o eccezionali il tiro unilaterale dovuto alla rottura di un conduttore, un cedimento di fondazione, sovraccarichi squilibrati di ghiaccio o neve su campate adiacenti. L’azione accidentale è caratterizzata da un valore correlato con la sicurezza, ma spesso in modo arbitrario e comunque è un valore specificato dalla norma.

2.4 - Proprietà dei materiali

Le proprietà dei materiali sono rappresentate dal valore caratteristico _Xk , corrispondente al valore che ha una data probabilità di non essere raggiunto in una serie illimitata di prove. Ciò è in linea sia con gli Eurocodici sia con le NTC, in particolare per la resistenza a compressione del calcestruzzo e per la tensione di snervamento dell’acciaio.

Non sempre è possibile definire il valore caratteristico, per cui si fa riferimento al valore nominale indicato dalle Norme: è questo il caso della resistenza di conduttori, isolatori, elementi di morsetteria, parametri geotecnici dei terreni di fondazione.

2.5- Il procedimento di progetto

La Scienza e la Tecnica delle Costruzioni mettono a disposizione dei progettisti modelli di calcolo consolidati per moltissime applicazioni, quali i conduttori, molti tipi di sostegni, vari tipi di fondazione. Inoltre tali modelli, nel campo delle linee elettriche aeree, trovano un importante riferimento nei risultati acquisiti, a livello internazionale, da un gran numero di indagini sperimentali, portate fino a rottura, su strutture in vera grandezza, come sostegni (soprattutto a traliccio), morsetterie, isolatori e fondazioni. Tali modelli forniscono le azioni interne di progetto (o i loro effetti) Ed che derivano generalmente da una combinazione di carichi di progetto F_d : carichi permanenti, carichi variabili e carichi accidentali, i quali sono combinati tra loro tenendo conto del fatto che i periodi di ritorno delle azioni variabili agenti in combinazione con altre devono essere adeguatamente ridotti rispetto a quelli che si avrebbero nel caso in cui agissero da sole.

Il valore di progetto F_d di una azione (o dei suoi effetti) è il valore caratteristico F_k (o quello nominale F_n) moltiplicato per il coefficiente parziale γ_F che le compete, si ha:

F_d  =  γ_F · F_k

Il valore caratteristico della resistenza della struttura o di un elemento strutturale R_k  è funzione della resistenza caratteristica dei materiali che la compongono X_k  e delle dimensioni geometriche;

la resistenza di progetto R_d di un materiale, di una struttura o di un componente è il suo valore caratteristico R_k diviso per il coefficiente parziale γ_m che le compete:

R_d = R_k · γ_m

La condizione di resistenza è

E_d ≤ R_d

Va inoltre considerato che nel rapporto commerciale che si instaura tra il committente e l’appaltatore per realizzare una linea aerea,  in  analogia  con  qualunque  altra  opera  di  ingegneria, il primo propone al secondo una specifica di progetto: si tratta di un documento contenente prescrizioni relative ai materiali, al cal colo, alla costruzione e all’installazione dell’opera, che possono integrare ma non rendere meno severe le prescrizioni tecniche delle Norme vigenti, a meno di una valida dimostrazione.

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Articolo tratto da Costruzioni Metalliche - Novembre/Dicembre 2017

Rubrica a cura del CTA -  www.collegiotecniciacciaio.it/

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