如何解决UPS电源及电池承重问题

UPS电源系统因其为精密仪器设备供高质量和持续的供电保障,被广泛应用在数据机房、医疗设备、工业等场景。不过UPS电源及配套铅酸蓄电池重量密度均较大,安装的房间或楼层是否能够承受重量一直困扰着广大UPS电源从业人员和电力工程商,安第斯电源高级UPS电源工程师依照国家标准《数据中心设计规范》、《建筑结构荷载规范》和《民用建筑可靠性鉴定标准》相关规范,推荐几种在UPS电源系统设计和实施中对楼板的承重能力是否满足要求的预算方法。
 

UPS电源电池散力架
UPS电源电池散力架

一、UPS电源及电池承重验算的情况

1、当房间或者楼板在建筑时是按照实际的使用用途建造的,可以不用对此房间或者楼板进行承重验算,比如《数据中心设计规范》中对UPS电源室和UPS电源电池室的活荷载要求分别为:8~10kN/m2和16kN/m2。凡是满足此要求的设备间,房间内的设备可以自由布置在其中的任何位置而不受限制。

2、大多数情况都是利用现有的办公楼的房间做电源室,根据《建筑结构荷载规范》对办公楼的设计要求,办公楼的活荷载要求为:2kN/m2,相比《数据中心设计规范》对UPS电源室和UPS电源电池室的要求小了近4~8倍,所以为了安全,必须对房间或楼板的承重能力进行验算。如果不能满足承重需要,就需要进行优化,比如增加散力架、设备布局进行调整、楼板加固等办法。

二、UPS电源及电池承重验算方法

1、等效均布荷载法

根据《建筑结构荷载规范》,建筑楼面在生产使用或安装检修时,由设备、管道、运输工具及可能拆移的隔墙产生的局部荷载,均应按实际情况考虑。可采用等效均布活荷载代替。在实际工作中,可以根据这个规定,进行简化等效均布荷载法分析。

确定楼面等效均布活荷载的方法规定如下:

  • 楼面(板、次梁及主梁)的等效均布活荷载,应在其设计控制部位上,根据需要按内力、变形及裂缝的等值要求来确定。在一般情况下,可仅按内力的等值来确定。
  • 连续梁、板的等效均布活荷载,可按单跨简支计算;但计算内力时,仍应按连续考虑。
  • 由于生产、检修、安装工艺以及结构布置的不同,楼面活荷载差别较大时,应划分区域分别确定等效均布活荷载。
  • 单向板上局部荷载(包括集中荷载)的等效均布活荷载可按下列规定计算:等效均布活荷载qe为
等效均布活荷载
等效均布活荷载

l——板的跨度 b——板上荷载的有效分布宽度 Mmax——简支单向板的绝对最大弯矩,按设备的最不利布置确定。计算Mmax时,设备荷载应乘以动力系数,并扣去设备在该板跨内所占面积上由操作荷载引起的弯矩。 具体参数要求请参考《建筑结构荷载规范》GB50009-2012附录C的要求。

2、可靠性鉴定
根据《民用建筑可靠性鉴定标准》规定:建筑物改变用途或使用条件时,应该进行可靠性鉴定。在计算出原设计楼面活荷载作用下的结构构件的弯矩值与机房设备布置情况下的弯矩值后,结合结构重要性系数γ0可以求出比值R/(γ0S),根据该比值并进行等级判断即可确认基站的可靠性等级。
可靠性评级为“a”级,表示安装设备后,结构的使用荷载仍能达到原设计的要求,机房不需进行调整设备或加固。
可靠性评级为“b”级,表示安装设备后,结构的现有使用荷载比其原设计荷载要高出一些,可靠度比原设计的要求略有降低,但不显著影响承载功能,机房不需进行调整设备或加固;
可靠性评级为“c”、“d”级,安装设备后,产生的荷载效应较大幅度超过了原设计要求,显著影响承载功能,存在安全隐患,需要进行整改。经整改后,能够达到“a”级或“b”级标准的基站,可按整改后的设备布置图进行设备安装;对于无法通过整改达到“a”级或“b”级标准的,应进行搬迁、扩大等处理。

以下是鉴定标准规范具体要求:
建筑领域中所要求的民用建筑可靠性鉴定,可分为安全性鉴定和正常使用性鉴定两个组成部分。

建筑领域中所要求的民用建筑可靠性鉴定
建筑领域中所要求的民用建筑可靠性鉴定

图1表示建筑结构构件的基本功能要求,由此图可见,可靠性鉴定中的“安全性鉴定”部分,面向的是图中的“安全性”要求;“正常使用性鉴定”部分则面向图中的“适用性”和“耐久性”要求

  • 安全性鉴定
    安全性鉴定考察的是结构构件的承载能力、构造以及不适于继续承载的位移(或变形)和裂缝等四个方面,对于钢结构构件只需要考虑前三个方面。
    承载能力方面是通过计算结构抗力R与结构上作用的荷载效应S进行比较,结合结构重要性系数γ0,评定结构的安全等级。构造方面是根据连接节点和受力预埋件的完好程度和工作状态进行评定,应排除连接方式不当,构造有严重缺陷,已导致焊缝或螺栓等发生明显变形、滑移、局部拉脱、剪坏或裂缝等情况。
    位移和变形方面是对桁架(屋架、托架)及其他受弯构件的挠度或施工偏差造成的侧向弯曲以及柱顶的水平位移(或倾斜)等方面进行评定,当其在限值之内时可以认为满足安全要求。裂缝方面是对受力主筋处的弯曲(含一般弯剪)裂缝和轴拉裂缝宽度斜拉裂缝以及集中荷载靠近支座处出现的或深梁中出现的斜压裂缝宽度进行评定,当其在限值之内时可以认为满足安全要求。
  • 鉴定评级标准
    民用建筑安全性鉴定评级的各层次分级标准,应按《民用建筑可靠性鉴定标准》GB50292-2015的表3.3.1的规定采用。
    当按承载能力评定混凝土结构构件的安全性等级时,应按该标准表5.2.2的规定分别评定每一验算项目的等级,并应取其中最低等级作为该构件承载能力的安全性等级。混凝土结构倾覆、滑移、疲劳的验算,应按国家现行相关规范进行。
《民用建筑可靠性鉴定标准》GB50292-2015的表3.3.1的规定
《民用建筑可靠性鉴定标准》GB50292-2015的表3.3.1的规定

三、UPS电源及电池承重验算举例说明

1、等效均布荷载法举例

在工业厂房办公区的房间里设置UPS电源的电池室,楼板结构为单向板。房间宽为3m、长为6m,放置1组安第斯12V/100AH的40块100AH铅酸蓄电池,单只电池重量为28kG,电池柜尺寸为950×880×1190mm。假设楼板活荷载为2kN/m2,楼板厚为100mm,问楼板承重是否满足安装要求?

等效均布荷载法举例
等效均布荷载法举例

l为3m;b为上荷载的有效分布宽度,按《建筑结构荷载规范》GB50009-2012附录C.0.5确定;经过计算为3.08m。Mmax为简支单向板的绝对最大弯矩,按设备的最不利布置确定。最不利的布置就是放置在楼板中间,经过计算为6.24kN.mqe=8×6.24÷3.08÷32=1.82kN/m2<楼板设计活荷载。

由于电池组的等效活荷载小于楼板设计活荷载,所以电池组可以任意放置。

案例拓展:客户需要两组电池放置在该房间,是否可以满足承重要求?

1)计算:
l为3m;b为上荷载的有效分布宽度,按GB50009-2012附录C.0.5确定;经过计算为3.52m。Mmax为简支单向板的绝对最大弯矩,按设备的最不利布置确定。最不利的布置就是放置在楼板中间,经过计算为12.66kN.mqe=8×12.66÷3.52÷32=3.19kN/m2>楼板设计活荷载。

等效均布荷载法拓展举例
等效均布荷载法拓展举例

2)结论:由于电池组的等效活荷载大于楼板设计活荷载,所以电池组不满足承重要求,需要进行优化。

3)优化:增加散力架经过测算,当散力架尺寸为2.5×1.5m时,qe=2kN/m2=楼板设计活荷载。增加散力架(2.5×1.5m)后,满足电池组的承重要求。

2、可靠性鉴定举例

在工业厂房办公区的房间里设置UPS电源电池室,楼板结构为双向板。房间宽为5m,长为6m,放置1组山特安第斯12V/100AH的40块100Ah电池,单只电池重量为28kG,电池柜尺寸为950×880×1190mm。假设楼板活荷载为2kN/m2,楼板厚为100mm,问楼板承重是否满足要求?

1)计算

由于双向板的弯矩计算复杂,建议采用计算机软件《理正工具箱》帮助计算。采用了计算机软件后,不仅对单个设备可以计算,对于多个设备也可以快算计算。经过本人测算,采用手算的等效均布荷载和计算机软件的计算结果大体相同,由于UPS电源的从业人员不是建筑结构专业人士,不需要一个精确的数值进行参考。所以采用软件后难度大大降低。

2)计算过程

  • 计算出原设计楼面活荷载作用下的结构构件的弯矩值;
  • 计算电池组布置情况下的弯矩值;
  • 根据该比值并进行等级判断即可确认基站的可靠性等级。
  • 原设计楼板跨中弯矩,水平弯矩Mxmax为7.84,垂直弯矩“Mymax为10.37;
  • 放置电池组时的楼板跨中弯矩,水平弯矩Mxmax为7.05,垂直弯矩”Mymax为8.37;
  • Mxmax/”Mxmax=1.11,安全等级为A;Mymax/”Mymax=1.23,安全等级为A。
可靠性鉴定举例
可靠性鉴定举例

 

鉴定为A级,满足承重要求,电池组可以放置房间里任意位置。按方法一验算评估:计算方法采用《建筑结构荷载设计手册》上的双向板楼面特效荷载计算方式,查表法得出水平和垂直方向等效荷载分别为:1.46kN/m2,1.81kN/m2。

3)结论:复验后,和计算机软件结果一致,满足承重要求。

案例拓展:客户需要2组电池放置在些房间,是否可以满足承重要求?

1)计算

  • 原设计楼板跨中弯矩,水平弯矩Mxmax为7.84,垂直弯矩Mymax为10.37;
  • 放置2组电池组时的楼板跨中弯矩,水平弯矩”Mxmax为8.47,垂直弯矩”Mymax为10.91;
  • Mxmax/”Mxmax=0.92安全等级为B,Mymax/”Mymax=0.95安全等级为B。
可靠性鉴定举例2
可靠性鉴定举例2

鉴定为B级,楼板结构的现有使用荷载比其原设计荷载要高出一些,可靠度比原设计的要求略有降低,但不显著影响承载功能,按照规范可以不需要进行调整设备或加固。按方法一验算评估:计算方法采用《建筑结构荷载设计手册》上的双向板楼面特效荷载计算方式,查表法得出水平和垂直方向等效荷载分别为:2.61kN/m2和2.58kN/m2。

2)结论:略大于承重要求,和计算机软件结果一致,可以进行优化,也可以不做处理。

四、UPS电源及电池常用承重验算方式分析

  

目前UPS电源工程商常用的两种承重验算方法:
1.房间面积估算法:房间的总面积×活荷载的80%≤设备的总重量;
2.设备重量÷底面积≤活荷载。

用上面案例(3×6房间放置电池组对比)数据进行分析对比。

第一种方法:电源间面积为3×6=18m2,总荷载为18×1.6=28.8kN=2938kG,电池总重量为2400kG,估算结果是可以放置到房间里。当采用2组电池时,如果电池放置到楼板中间,楼板承重已经不满足了。所以此种方法没有充分考虑设备的布局位置。虽然考虑了安全系数(80%),但是放置楼板中间后,将会造成永久的损坏。

第二种方法设备重量1200÷0.836=1435kG/m2≈14kN/m2>活荷载2kN/m2,所以设备需要增加散力架面积为7m2,上面案例我们已经计算出当采用一组电池时,房间承重满足要求,可以任意放置。放置2组电池组增加散力架面积为3.75m2。采用这种方式计算的散力架是实际的约2倍,当放置2组时散力架已接近整个房间面积。所以现场应用中,这种方法只适合重量较小设备。

经过对比发现,在设计和实施应用中,采用以上两种方法均会出现弊端。而且当设备数量较多,设备布局复杂时,就无法进行估算。

 

安第斯电源拥有17年的UPS电源系统设计、安装及实施经验,当楼板超重后,墙体和承重梁会出现裂纹等现象,整体建筑的寿命会减少,假如建筑设计寿命是50年,那么超重后出现了损坏,建筑寿命会折损。本文结合相关的国家规范及建筑结构设计标准,并参考相关承重验算文件,总结出两种相比常用的UPS电源及电池承重估算方法较为精确的验算方法。分享给UPS电源从业人士,方便大家在UPS设计和实施过程有所参考。

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