UPS電源系統(tǒng)的承重計算

UPS電源的員工都是電力相關的專業(yè)，不了解建筑結構和相關的力學知識。因此，在UPS系統(tǒng)的設計和實施過程中，由于UPS系統(tǒng)的UPS主機或電池組較重，安裝UPS系統(tǒng)的房間或樓層的承重能力是否滿足承重需求？UPS員工一直困擾，因為沒有相關的參考量來評估承載能力。在了解國家規(guī)范《建筑結構荷載規(guī)范》和《民用建筑可靠性鑒定標準》的基礎上，結合相關設計文件，推薦UPS系統(tǒng)設計和實施中地板承載力是否滿足承載要求的兩種檢查方法。

2021-09-20 02:06:10

上海UPS不間斷電源系統(tǒng)為關鍵設備提供高質(zhì)量、不間斷的供電設備，應用場景**，如比如數(shù)據(jù)中心、醫(yī)療設備、工業(yè)設備等重要場合。UPS的員工都是電力相關的專業(yè)，不了解建筑結構和相關的力學知識。因此，在UPS系統(tǒng)的設計和實施過程中，由于UPS系統(tǒng)的UPS主機或電池組較重，安裝UPS系統(tǒng)的房間或樓層的承重能力是否滿足承重需求？UPS員工一直困擾，因為沒有相關的參考量來評估承載能力。在了解國家規(guī)范《建筑結構荷載規(guī)范》和《民用建筑可靠性鑒定標準》的基礎上，結合相關設計文件，推薦UPS系統(tǒng)設計和實施中地板承載力是否滿足承載要求的兩種檢查方法。
1承重計算。
首先，我們需要知道在什么情況下不需要檢查？什么情況下需要檢查負載？
我們的房間或樓層在施工時，是根據(jù)實際使用情況來建造的，所以我們不需要檢查這個房間或樓層的負荷。比如《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》 UPS室和電池室的活載要求分別為8 ~ 10kN/m2和16kN/m2。在任何滿足這一要求的設備間，室內(nèi)的設備可以不受限制地自由布置在任何位置。
在實際應用中，現(xiàn)有辦公樓的房間大多數(shù)情況下都是作為供電用房。根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》對辦公樓的設計要求，辦公樓的活載要求為：2kN/m2，比《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》對UPS室和電池室的要求小近4 ~ 8倍。因此，為了安全，必須檢查房間或地板的承載能力。如果不能滿足承重需求，則需要進行優(yōu)化，如在比如，增設傳力器，調(diào)整設備布局，加強樓板。
2承重檢查方法。
(1)方法1。
根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》，應根據(jù)實際情況考慮生產(chǎn)、使用或安裝維護建筑樓板時，設備、管道、運輸工具以及可能拆除的隔墻所產(chǎn)生的局部荷載。可以用等效均布活荷載代替。在實際工作中，簡化的等效均布活荷載法可按此規(guī)定進行分析。
樓板等效均布活荷載的確定方法規(guī)定如下：
(1)樓板(板、次梁、主梁)的等效均布活荷載應根據(jù)設計控制部分內(nèi)力、變形、裂縫的等效要求確定。正常情況下，只能由內(nèi)力的當量來確定；
(2)連續(xù)梁、板的等效均布活荷載可用簡支單跨計算。但是在計算內(nèi)力時，還是要連續(xù)考慮。
(3)由于生產(chǎn)、維修、安裝工藝和結構布置的差異，當樓面活荷載差異較大時，應通過劃分區(qū)域確定等效均布活荷載；單向板局部荷載(包括集中荷載)的等效均布活荷載可按以下規(guī)定計算：
等效活載qe為：
(1)
:l——型板跨度；
B——板荷載有效分布寬度；
Mmax——簡支單向板的****彎矩應根據(jù)設備*不利布置確定。計算Mmax時，應將設備荷載乘以動力系數(shù)，并扣除運行荷載對板跨內(nèi)設備所占面積產(chǎn)生的彎矩。
具體參數(shù)要求見《建筑結構荷載規(guī)范》 GB50009-2012附錄c。
(2)方法2。
根據(jù)《民用建筑可靠性鑒定標準》和：當建筑物改變用途或使用條件時，應進行可靠性鑒定。
計算結構構件在原設計樓層活載下的彎矩值和機房設備布置下的彎矩值后，結合結構重要系數(shù) 0可計算比值r/(0s)，根據(jù)比值判斷等級可確定基站的可靠性等級。
可靠性等級為“A”，即設備安裝后，結構的使用荷載仍能滿足原設計要求，設備間無需調(diào)整或加固；
可靠度等級為“B”，即設備安裝后，結構現(xiàn)有使用荷載高于其原設計荷載，可靠度略低于原設計要求，但對承載功能無明顯影響，設備間無需調(diào)整或加固；
可靠性評級為“C”和“D”。設備安裝后，荷載效應**超過原設計要求，**影響承載功能，存在安全隱患，需整改。整改后，能夠達到“A”或“B”標準的基站可以按照整改后的設備布局進行安裝；對整改達不到“A”或“B”標準的，要搬遷擴建。
以下是鑒定標準規(guī)范：的具體要求。
建筑領域要求的民用建筑可靠性評估可分為兩部分：安全性評估和正常使用性評估。
圖1顯示了建筑結構組件的基本功能要求。從該圖可以看出，可靠性鑒定的“安全鑒定”部分是面向圖中的“安全”要求；“正常可用性評估”部分面對圖中“適用性”和“耐久性”的要求。
安全鑒定。
安全評估檢查結構構件的四個方面，如承載力、結構以及不適合繼續(xù)承載的位移(或變形)和裂縫。對于鋼結構構件，只需要考慮**個方面。
在承載力方面，通過計算結構的抗力系數(shù)R并與作用在結構上的荷載效應S進行比較，結合結構重要系數(shù)0，對結構的安全等級進行評估。結構方面，根據(jù)連接節(jié)點和受力預埋件的完好程度和工作狀態(tài)進行評定，應排除連接方式不當和結構存在嚴重缺陷導致焊縫或螺栓出現(xiàn)明顯變形、滑移、局部拉脫、剪切或裂紋的情況。而位移是評價桁架(屋架和支架)等受彎構件的撓度或施工偏差以及柱頂水平位移(或傾斜度)等引起的側向彎曲。當在限值內(nèi)時，可認為滿足安全要求。在裂縫方面，評估了主筋處的彎曲(包括一般彎曲和剪切)裂縫和軸向拉伸裂縫的寬度，以及集中荷載下支座附近或深梁中的對角壓縮裂縫的寬度。當它們在極限內(nèi)時，可以認為它們滿足安全要求。
評價和評級標準。
民用建筑安全鑒定等級的分級標準按GB 50292-2015 《民用建筑可靠性鑒定標準》表3.3.1執(zhí)行。
根據(jù)承載力評定混凝土結構構件的安全等級時，各驗算項目的等級應按標準表5.2.2的規(guī)定評定，**等級作為構件承載力的安全等級?；炷羶A覆、滑移和疲勞的驗算應按現(xiàn)行國家相關規(guī)范進行。
3承重計算實例。
(1)方法1。
案例：如圖2所示，UPS的電池室設置在工業(yè)廠房的辦公區(qū)，地板結構為單向板。房間寬3m，長6m，內(nèi)放置一組山特城堡C12V系列C12-100的40節(jié)100Ah電池，每節(jié)電池重28kG，電池柜采用山特SBC系列SBC-40100，電池柜尺寸為950 880 1190mm，假設地板活載為2kN/m2，地板厚度為100mm，詢問地板荷載是否滿足安裝要求。
計算過程見公式(1)。
其中，l為3m.b，為上部荷載的有效分布寬度，按《建筑結構荷載規(guī)范》gb5009-2012附錄C.0.5確定；經(jīng)計算，3.08m.Mmax為簡支單向板的****彎矩，按設備*不利布置確定。*不利布置在樓板中間，按6.24 kn計算。MQE=8， 6.243.0832=1.82 kn/m2，小于樓面設計活荷載。
結論電池組等效活載小于地板設計活載，可隨意放置。
案例擴展：客戶需要兩套電池放在這個房間，能滿足承重要求嗎？參見圖3。其中，l為3m.b，為上部荷載的有效分布寬度，按GB50009-2012附錄C.0.5確定；按3.52m計算，Mmax為簡支單向板的****彎矩，按設備*不利布置確定。*不利布置在樓層中間，計算為12.66 kn。MQE=8， 12.663.5232=3.19 kn/m2，大于樓面設計活荷載。結論：電池組等效活載大于樓板設計活載，電池組不滿足承載要求，需要優(yōu)化。
經(jīng)計算，當散流器尺寸為2.51.5m時，qe=2kN/m2=樓板設計活載。
結論：增加一個散熱架(2.51.5m)后，可以滿足電池組的承載要求。如圖4所示。
(2)方法2。
(1)案例：某工業(yè)廠房辦公區(qū)設置UPS的一個電池室，樓層結構為雙向板。房間寬5米，長6米。它裝有一組40節(jié)山特城堡C12V系列C12-100的100Ah電池，每節(jié)重28公斤。電池柜采用山特， SBC系列SBC-40100，電池柜尺寸為9508801190mm。假設樓板活荷載為2kN/m2，樓板厚度為100mm，詢問樓板承載力是否滿足要求。
計算說明：由于雙向板彎矩計算復雜，建議使用計算機軟件《理正工具箱》輔助計算。采用計算機軟件，不僅可以計算單個設備，還可以計算多個設備。根據(jù)我的計算，手工計算的等效均布活荷載的計算結果與計算機軟件的計算結果大致相同。由于UPS的員工不是建筑結構方面的專業(yè)人員，所以不需要一個準確的數(shù)值作為參考。因此，采用該軟件后，難度**降低。
計算過程。
計算結構構件在原設計樓板活載下的彎矩值；
計算電池組布置時的彎矩；
根據(jù)比值和等級判斷，可以確定基站的可靠性等級。如圖5所示。
原設計樓板的跨中彎矩，水平彎矩Mxmax為7.84，垂直彎矩Mymax為10.37；
電池組放置時地板的跨中彎矩，水平彎矩Mxmax為7.05，垂直彎矩Mymax為8.37；
Mxmax/"mxmax=1.11，安全等級為a；my max/“my max=1.23，安全等級為a。
結論：評定為甲級，滿足承載要求。電池組可以放在房間的任何地方。根據(jù)方法一，的計算方法采用《建筑結構荷載設計手冊》上雙向板樓板特殊效應荷載的計算方法，水平和垂直方向的等效荷載分別為：1.46kn/m2和1.81kn/m2。
結論經(jīng)復檢，結果與計算機軟件結果一致，滿足承載要求。
Case Extension :客戶部分房間需要放置兩套電池。它們能滿足承載要求嗎？
計算過程如下(圖6)。
原設計樓板跨度內(nèi)的彎矩，水平彎矩Mxmax為7.84，垂直彎矩Mymax為10.37；兩組電池組放置時地板跨中彎矩，水平彎矩“Mxmax”為8.47，垂直彎矩“Mymax”為10.91；
Mxmax/"mxmax=0.92安全等級為b，mymax/"mymax=0.95安全等級為b。
結論：鑒定為B類，該樓蓋結構現(xiàn)有使用荷載高于其原設計荷載，可靠度略低于原設計要求，但對承載功能影響不大，無需按規(guī)范調(diào)整設備或加固。
根據(jù)方法一，的計算方法采用《建筑結構荷載設計手冊》上雙向板樓板特殊效應荷載的計算方法，水平和垂直方向的等效荷載分別為：2.61kN/m2和2.58kN/m2。
結論：略大于承載要求，與計算機軟件結果一致?？梢詢?yōu)化，也可以不處理。
4常見承載驗算方法分析。
目前UPS員工常用的承重檢查方法有兩種。
(1)房間面積估算方法：房間總面積：活載的80%設備總重量；
(2)設備重量底部面積活載。
利用上述案例的數(shù)據(jù)(放置在36房間的電池組對比)進行分析比較。
第一種方法，供電間面積為36=18m2，總負荷為181.6=28.8kN=2938kG，電池總重量為2400kG。估計結果是可以放在房間里。使用兩套電池時，如果電池放在地板中間，地板的承重能力不夠。因此，這種方法沒有充分考慮設備的布局位置。雖然考慮了安全系數(shù)(80%)，但放在地板中間會造成**性損傷。
第二種方法，設備重量為12000.836=1435kg/m214kn/m2，大于2kN/m2的活載，因此設備需要將力分散架的面積增加到7m2。在上述情況下，我們計算過，當使用一組電池時，房間負荷符合要求，可以隨意放置。放置兩組電池組，使散熱架面積增加3.75m2，用這種方法計算出的力耗散架大約是實際的兩倍大。兩組放置時，力耗散框架接近整個房間面積。因此，在現(xiàn)場應用中，這種方法只適用于重量較小的設備。
通過比較發(fā)現(xiàn)，上述兩種方法在設計和實現(xiàn)上都存在不足。而且當設備數(shù)量多，設備布局復雜時，是無法估計的。
5結束語
上海UPS不間斷電源從事從業(yè)十余年，在UPS系統(tǒng)的設計、安裝和實施方面有著豐富的實踐經(jīng)驗。在設計安裝過程中，采用了大家常用的兩種方法。雖然我心里經(jīng)常打鼓，但沒有發(fā)現(xiàn)地板有任何塌陷。在了解了結構力學的知識后，我發(fā)現(xiàn)地板的損壞并不是坍塌的標準。當樓板超重時，墻體和承重梁會出現(xiàn)裂縫，整個建筑的壽命會降低。如果建筑的設計壽命是50年，那么超重后就會損壞。建筑物的壽命會被破壞。在研究了相關國家規(guī)范和建筑結構設計手冊后，參考相關的承載力驗算文件，總結出兩種比常用估算方法更為準確的驗算方法。與UPS行業(yè)從業(yè)者分享，便于在UPS設計和實施過程中參考。如果你對這種計算方法有異議，歡迎大家一起討論，如果您有更好的計算方法也可以共同分享。