TELEKOMÜNİKASYON HATLARININ MEKANİK HESABI

Telekomünikasyon Hatlarının Mekanik Hesabı

Hasan YILDIRIM TCDD

ÖZET Değişik' hava şartlarında iyi bir haberleşmenin sağlanabi.mesi için, iyi inşa edilmiş havai hatlara ihtiyaç vardır. Bu pazıda ısı, rüzgâr, buz yükü tesiri etüd edilzrek mekanik hesaplamalar yapılmış, örnekler verilmiştir.

SUMMABY it is necessary to have good oonstructed öpen tvire line in order to provide good communication under dif/erent climate conditions. in this article, temperature, tvind, ice load ef/ects are taken into consideration and mechanioal calculations are done and some eramples are given.

GÎBÎŞ TCDD Telekomünikasyon hatları 3 mm çapında bakır İle 3,26 mm (AWG-8) ve 2,54 mm (AWG-10) coppenveldden yapılmaktadır. Bakır ve coppenveldi kısaca İnceleyelim.

Bakır İletkenliği yüksek, mekanik mukavemeti fazla bir elementtir. İçinde çok az miktarda dahi yabancı madde bulunması özelliklerini bozar. Bu bakımdan havai hat İnşasında kullanılan bakırın elektrolitik ve haddeden geçirilmiş olması lâzımdır. Sert bakırın bazı fiziki özellikleri aşağıdaki tabloda gösterilmiştir.

özgül ağırlığı : 8,96 gr/cm» Isı uzama katsayısı : 1,7.10-» 1/°C Elâstiki uzama katsayısı : l/l,3.10« cm2/kg Kopma gerilmesi : 40,000 kg/mm2 Tatbik edilebilir maksimum gerilme :

18,000 kg/mm2

Telekomünikasyon hatlarında yan sert çekilmiş bakır nakillerde kullanılabilir. Bakırın yukarıda izah ettiğimiz çok iyi fiziki özellikleri yanında temin edilmesinin güçlüğü, oksitlenme neticesi mukavemetinin düşmesi sebebi ile yeni nakillerin araştırılmasına zaruret hasıl olmuştur.

Coppervveld Çelik blok kaynama sıcaklığındaki erimiş bakır içine daldırıldıktan sonra blokun yüzeyinde demlr-bakır karışımı meydana gelir. Bakır ile çelik arasında arzu edilen birleşme nisbetini elde edinceye kadar yüzeyi bakır ile karığım yapan çelik bloka mayi halinde bakır dökülmeye devam edilir. Bu şekilde meydana gelen bakırçellk bloku haddeye sokularak istenilen kalmükta tel İmâl edilir. Her iki metal de yekdiğerine gayet sıkı bir şekilde bağlandığından haddeden geçirilirken bu bağ çözülmediği gibi metallerin miktarca nisbetleri bloktakinin aynı kalır.

Copperweldin çekirdek kısmını saf çelik, üst tabakasını saf bakır ve ikisinin arasındaki birleşme tabakasını yekdiğerine kaynamış bakır-çelik karışımı teşkil eder.

Bakır ve çeliğin farklı uzama katsayılarından doğabilecek mekanik gerilmeler bu ara tabakalar tarafından giderildiğinden bakır zırh, çelik çekirdeğe sıkı bir şekilde yapışık' kalır, üzerinde çatlaklar vs. teşekkül etmez. Isı uzama katsayısı bakınnkinden küçük olduğundan yüksek sıcaklıklardaki seMm değişimi daha azdır. Elastikiyet sınırının bakınnklnden büyük olması dolayısıyla da bakıra nazaran kopma gerilimi daha yüksektir. Coppenvelde ait bazı fiziki özellikler aşağıdaki tabloda gösterilmiştir.

özgül ağırlığı (yaklaşık): 8,3 gr/cm» (farklı olabilir)

Isı uzama katsayısı : 1,2.10-' 1/°C Elâstiki uzama katsayısı : 1/2,1.10" om2/kg Kopma gerilmesi : 90,000 kg/mm^

HAVAİ HATLARIN İNŞAATI VE MEKANİK HESAPLAMALAR

Nakiller direklere çekilirken malzeme gerilmesinin en gayri müsait hallerde dahi, — e n düşük sıcaklık derecesi veya maksimum buz yükü—, kopma gerilmesinden bir hayli küçük olacak şekilde bir cer gerilmesi seçilir. Sanayi Bakanlığı dış tesisat yönetmeliğine göre havai hatlarda kullanılacak tellerin maksimum cer gerilmesinin — bakır için— kopma gerilmesinin % 45 ini geçmemesi şart koşulmaktadır.

Kopma gerilmesi

= Emniyet katsayısı

Kopma gerilmesi. % 45

olarak tarif edilmektedir ki emniyet katsayısı

Türkiye'de 2,2; Almanya'da 2,1; ve İsvöç'te 1,5

alınmaktadır. Sert bakırın kopma gerilmesi 40 kg/mm2 olduğundan maksimum cer gerilmesi,

Hefctrik Mühendisliği 171

mN/Km 20

20 AO 60 80 100 120 140 f(Kc/sn) Cu 3mm <>j ve AWG- 8 in k il o m e t r i k zayıflaması

ŞEKİL.1 _a Km

20 AO 60 80 100 1210 140 f(Kc/$n) 3 mm ({ı VGLAVVG 8 ın kilomatrik d i r e n c i

$EKjL.2

<Tcer=40.%45=18 olarak bulunur.

Sehim Formülünün Çıkarılması Şekil 3'de P gerilme kuvvetinin ve G.a' ağırlığının A noktasına göre momentini alırsak,

s s / SYSS t s s / f f / / /

ŞKKtL • 3 P.f = (G.a').(a'/2) P.f = GaV8

/ 7^r /

//

Sıcaklığa Bağlı Sehim Eğrisinin Hesabı Direkler arası a, iletkenin tj sıcaklığındaki yoğunluğu g ı ; cer gerilmesi aı ise iktkenin boyu,

L , = a [ l + ( 8 / 3 ) ( V a ) ! - (32/5)(fı/a)" + (256/7) (fj/a)«—...] [2]

t, başlangıç sjcaklığındakl yoğunluğu g2, cer gerilmesi fj2 ve iletkenin bu şartlardaki boyu,

L,,=a[l+(8/3)

2— (32/5) (i,/*)* + (256/7) (f2/a)o—..]

formülleri ile hesaplarıir. Buz yüksüz hesaplamalar için gj=g, alınır. Bu formüllerde ilk iki terim alınır, diğerleri çok küçük olduğundan ihmal edilebilir. Bu takdirde,

f=g»V80-ı değeri yerine konursa

Lı=a[l+(aV24)

Diğer taraftan bdr İletkenin sıcaklığı t, den t, °C ye çıkarsa ısı uzama katsayısı a olduğuna göre boy değişimi,

L=L2(tı—ya Isı uzaması neticesi boyu AL kadar uzayan iletken üzerindeki cer gerilmesi g-2—ffı kadar azalacağından, kadar elâstiki kısalma olacaktır. Netice boy değişimi:

A L = L 2 ( t ı — t 2 ) a — L , ^ — o - J / E olup, bu ise (a3/24)[(gı/<rı)2—(gj/^)^] ye eşittir. Bu iki egitlikten ve a ^ L , alınarak, bulunur. Burada: g^Okg/om3): ^ sıcaklığındaki yoğunluğunu, g2(kg/cm3): t, sıcaklığındaki yoğunluğunu, o-ı(kg/mm12): tj sıcaklığındaki cer gerilmesini -ö 2(kg/mm°): t2 sıcaklığındaki cer gerilmesini ^ ( l / ' C ) : Isı uzama katsayısını, E (kg/cm2): Elastikiyet modülünü göstermektedir.

ÖRNEK Direkler arası 60 m olan havai hatta sert bakır ve AWG-8 İçin senimin, sıcaklığa bağlı değişiminin hesaplanması: 1. Sert (bakır için: &ı=g'2'=8.96-ı0~B kg/cm» O-2=18,00.102 kg/cm2 E=l,3.10« kg/cm2 a=l,70.10-5 1/°C t2=—20 °C Bu değerleri yukarıdaki formülde yerine koyup gerekli kısaltmalar yapılınca,

709,689 denklemi elde edilir. Bu QX e göre üçüncü dereceden bir denklemdir ve çözümü oldukça güçtür. Bu bakımdan ffı e cmııx dan küçük değerler verilerek bu değerlere tekabül eden tj değerleri bulunur ve < r , = f ( t ı ) eğrisi çizilir. Belirli sıcaklıklara tekabül eden değerler:

formülünde yerlerine konularak hesaplanıp aşağıdaki tabloda gösterilen değerlere göre f = f

Cı (kg/nam^)

6 7 8 9 10 11 12 13 14

15 16 17 18

t ı (•«

51 42 34 27 21 15 10 5 0 —5 —10 —15 —20

67,2 61,0 53,0 47,0 42,0 38,0 35,0 33,0 30,0 28,0 26,0 25,0 23,0

Rüzgar Kuvveti

Telekomünikasyon hatlarının sehimine tesir eden önemli faktörlerden biri de rüzgâr kuvvetidir. Sehimta lüzumundan fazla olması rüzgârlı havalarda melânja sebebiyet verebilir. Bir iletken kendi ağırlığı ile buna tesir rüzgâr kuvvetinin etkisinde bu iki kuvvetin bileşkesi ile hareket edeöektlr. Aerodinamik bir formül ile S yüzeyine rüzgârın yaptığı maksimum, kuvvet etkisi,

Fmax = c q . S kg. dır. c : serpinti katsayısı olup düz silindirik teller için a=l,2 alınmaktadır.

S (m2): yüzey q(kg/mi2): teorik dinamik basınçtır ve q = av2/2g s V2/16 olup, burada a = 1,225 kg/m3, havanın 15°C, 76 mm cıva basıncında metreküpünün ağırlığı, g = 9,81 m/sn?, yer çekimi ivmesldir.

Rüzgâr kuvveti hattın her noktasında aynı şiddette olmadığından, bir iletken açıklığı üzerine tesir eden efektif Fef değeri, F m a i dan küçüktür. Bu halde:

F,, = cçpcS = F^»,, x veya Fof/Fmax=xdlr. Burada x < 1 olup, rüzgâr kuvvetinin hat boyunca dağılımını veren azaltma katsayısıdır, q dinamik basıncının azalarak q.x değerini aldığı görülür. qx efektif dinamik basınç olarak tariflenir.

Elde edilen deney sonuçlarına göre :

v (rüzgâr hızı) <^ 15 m/sn için x = 1

v

>

^> 15 m/sn İçin x <^ 1

v = 31 m/sn için x = 0,5 ^ınmalıdır. Memleketimizdeki duruma gelince v2/16 = q münasenbetiyle bulunan teorik dinamik basınç gözönünde tutulmakta, efektif dinamik basınç kavramı söz konusu olmamaktadır. Bu husus direk hesaplarında maliyete tesir eder, havai hat hesaplarında ise senime tesir eder, fakat maliyeti etkilemez.

tsveç, İngiltere, Fransa ve Belçika gibi Avrupa memleketlerinde teorik rüzgâr basıncı 126 km/saat (35 m/sn) alınmakta, iletkenler için x = 0,5, konsol ve izolatörlerde X = 0,8 kabul edilmektedir.

CEÎ, CNR ve VDE nizamnamelerinde rüzgâr kuvveti için aynı ampirik formül kullanılmakta ise de formüldeki katsayıda bazı değişiklikler yapılmaktadır.

CNR Nizamnamesine göre

F = (1 - K) -cqS olup bu formülde,

c = 1,2

S = dL (m2)

q .= vV16

v (km/saat) = rüzgâr hızı

K = izdüşüm yüzey/silindirik yüzey

[3]

CEÎ Nizamnamesine göre

F = 0,0045 v2dL d = iletkenin çapı (m) L = direkler arası mesafe (m)

"VDE Nizamnamesine göre

F = oqS c = 1,2 q = 52,5 kg/mm2 S = m2 (kesit)

Şimdi VDE nizamnamesinde tanımlanan bu formülü problemimize uygulayalım,

S = dL. •= 3.10-3.60 (m2) değerini formülde yerine koyarsak,

F = 11,340 kg. bulunur.

Diğer taraftan iki direk arasındaki telin ağırlığı, tam ortada toplanmış gibi düşünülebilir. Bu takdirde,

P = GL G = 63,347 gr/m L = 60,00 m

P = 3,800 kg tel ağırlığı toplamı bulunur. Telin yerçekimi doğrultusundan sapma miktarı, Şekil 4 yardımı ile bulunabilir.

tg£ = F/P = 11,340/3,800 = 2,984,

p — 72,4° bulunur. Buradan p/8 = 9° tesbit olunur ve buna göre şekil 5 çizilerek maksimum senim F = 62,8 cm bulunur. Bu ise maksimum sıcaklığa tekabül eder.

P

P=3.8

SEKIL

F-11,34

ŞEK1L5

2. Coppervveld (AWG - 8) için :

&ı = •& •= 8 , 3 o^» = 18,5 kg/mm2 E = 2,1.108 kg/cm^ a = 1,2.10-5 ı / » c t, = t2 + ( crı)/Eö formülünde coppenveld için verilen fiziki değerleri yerlerine koyarsak, t, = 861/^,2 — 3,960-! + 70,9 4- t, denklemini elde ederiz. Bu denklemde Cı e -<J ma¥ dan küçük değerler verilerek tablodaki değerler tesbit olunur.

ffı (kg/mm*)

6 8 10 12 13 14 15 16 17 18

18,5

^ (°C)

51 33 20 9 5

—5 —9 —14 —18 —20

62,5 47,0 37,5 31,5 29,0 27,0 25,0 23,5 22,0 21,0 20,5 '

Rüzgâr Yükü : VDE nizamnamesine göre rüzgâr yükü P = cqS formülünden c = 1,2; q = 52,5 kg/mı2; S •= ad = 60.3.26.10-3 değerleri İle F = 12,6 kg olarak I: ulunur. P = Ga = 69,5.10-' 60 = 4 170 kg dır. Cetkekenin yer çekimi doğrultusundan, sapma mlktan Şekil 6 yardımı ile bulunabilir.

SEKİL.6 tg/3 •= F / P ı= 12,6/4,17 = 3,0 p = 71,8°

/3/8 = 8,975° tesbit olunur ve buna göre Şekil 7 çizilerek maksimum senim fB1I = 63,6 cm bulunur. Bu ise maksimum sıcaklığa tekabül eder.

ŞEKİL.7

BUZ YÜKÜ TESİRLERİ Muhtelif memleketlerde bugüne kadar yapılan rasatlar iletkenler üzerindeki buz yükü ağırlığının, iletken çapınnı karekökü ile doğru orantılı olduğunu göstermiştir. G = kVd kg/m Burada : k = buz yükü şartlarına bağlı katsayı d = iletkenin çapj (mim) 1956 yılından beri uygulanan dış tesisat yönetmeliğine göre yurdumuz buz yükü bakımın80

dan iki İklim bölgesine ayrılmıştır. Bu bölgelerden biricisi Anadolu'nun takriben ortasını İkiye bölen hattın batısına kapsamakta ve bu bölgede buz yükü 0,2%/d kg/m, doğusundaki ikinci bölgede ise 0,3Vd" kg/m kabul edilmektedir.

Buzlanmaların oluş şartlarına göre şekil ve cinsleri muhteliftir. Tesir eden faktörler : Bölgenin deniz seviyesinden yüksekliği, hava sıcaklığının değişim infcervali, rüzgâr, nem ve yüzey şeklidir. Djş görünüş ve özelliklerine göre 4 kısımda incelenir.

1. Kırağı : Rüzgârsız veya hafif rüzgârlı, açık havalarda az meyilli yüzeylerde O°C in altında teşekkül eder. Havai hatlar İçin tehlikesizdir.

2. Kristal Kırağı : Kristal bir yapıya sahiptir. Tutunma kabiliyeti zayıftır. Çok hafif rüzgârda (2 m/sn) dökülür. —i °C de 0,2 kg/dm» zerrelere sahiptir. —20 °C de 0,05 kg/dm» zerre ihtiva eder.

3. Don : Tane yapısındadır. —2 ilâ —4 °C arasında teşekkül eder. Soğuma arttıkça parçalanır ve dökülür (0.5 kg/dm»).

4. Kristal Buz: Kristal yapıya sahiptir. —4 °C de teşekkül eder. Memleketimizde az görülür. —4 °C de 0,8 kg/dm3 dür. Alçak ve yüksek basınç merkezleri teşekkül etmediği için 0,6 kg/dm.3 den büyük zerreler teşekkül etmez. En çok 0,15 — 0,30 kg/dm3 den büyük zerreler teşekkül etmez. En çok 0,15 — 0.30 kg/dm* olanına rastlanır.

Türkiye de kristal kırağı kristal buz teşekkülüne nazaran % 95 fazladır. Buzlanma 2°C ilâ —4 °C arasında, donma —3 ilâ —7 °C arasında teşekkül eder. Kristal buz ise en çok 0 °C civarında teşekkül eder.

SONUÇ

Türkiye de ender rastlanan kristal buz fükü nazara allamazsa mekanik havai hat hüsaplarmda —5 T in altında buz yükü ihmal edilebilir. Yani maksimum buzyükü, maksimum cer gerilmesi ve maksimum senim —5 °C dadır. Ancak —5 °C da rüzgârın olmadığı kabul edildiğinden sehimin fazlalığı bir mahzur teşkil etmez.

Birinci bölge için buz yükü 0,2yâ a/S formülü ile hesap edilebilir, örnek 1 İçin buz yükünü hesap edersek.

0,2Vd a/S = 2,94 kg/mm2 bulunur. Şekil 8 de buz yüksüz havai hat için şehlan vo cer gerilmesi eğrisinde görüldüğü gibi —5 "C de buz yüksüz gerilme 15 kg/mm2 dir. Buna 2,94 kg/mm2 buz yükü yoğunluğunu ilâve edersek buz yüklü hattaki cer gerilmesi 17,94 kg/mm2

(T

İ

İS .30

i£

lü

ik £0

İZ 'Sû

10 -Aû

£ 20 t°c

-20 -İO O 10 20 30 UO 50 60

bulunur ki bu maksimum cer gerilmesinden hayli küçüktür.

ikinci bölge için aynı şekilde hesaplamalar yapıldığında 0,3ylf a/S = 3,6 kg/mm*, bu değeri buz yüksüz haldekine ilâve edersek 18,6 kg/mm.2 bulunur ki bu da bizim kabul ettiğimiz cer gerilmesin» üstünde bir değe" olmakla beraber bazı Avrupa memleketlerinin kabul ettiği maksimum cer gerilmesinin çok altında kalır. Şu halde tablo ve CT = f (t) İle f = F (t) eğrilerine göre İnga edilecek havai hatlar buz yükü ve rüzgâr yükü bakımından da uygundur.

Yukarıdaki hesaplamalarda, Bayındırlık Bakanlığı Dış, Tesisat Yönetmeliğine göre :

1. iletkenin —15 °C da rüzgârsız ve buz yüksüz olduğu,

2. İletkende —5 °C da rüzgarsız bir ortamda metre başına

a) I. bölgede 200. Vd gr, b) ü. ci bölgede 300. Vd gr, buz yükü teşekkül ettiği,

3. iletkenlerin : a) I. d bölgede 45° C da, b) H. ci bölgede 40 °C da rüzgâr yüküne maruz kalmadığı kabul edilmiştir.

REFERANSLAR :

1. Elektrische Krafhverke und Netze, H. Happoldt.

2. Der Durchhang von Starkstrom - Freileitungen und seine Berechnung, Goerge Flegel.

3. Fundamental Data and Criteria Mikrowave Radio - Link Design, Telettra Telefonla Electronica E Radio, Milan, September 1962.

DUYURU

A

AZOT SANAYİİ T.A.Ş. Samsun Azot Fabrikaları Müdürlüğü Elektrik Yüksek Mühendisi veya Mühendisi arıyor.

fi

İstihdam 657 vej 1327 sayılı kanunlara uygun olacak, lojman verilecektir.

İi

Elektrtfc Mühendisliği 174