מדוע כבלי סיבים סטנדרטיים נכשלים בקרקעות שחורות.

בעוד שהנדסת תקשורת מתעדפת בדרך כלל קיבולת רשת, רוחב פס ואובדן אופטי, הישרדותו האולטימטיבית של השכבה הפיזית תלויה ביציבות גיאוטכנית. עבור בעלי רשתות הבונים נכסי תשתית לעשרות שנים, האיום העיקרי אינו, באופן מפתיע, הקיבולת. במקום זאת, זוהי התנודתיות המכנית של “האזור הפעיל”, שהוא השכבה העליונה של הקרקע הנתונה לתנודות לחות עונתיות אינטנסיביות.

בעת בניית תשתית רשת קריטית, כמו נתיבי עורף (backhaul) שכל הפסקה בהם עלולה להיות בעלת השפעה עצומה, מומלץ לשקול את יכולתם של כבלי סיבים אופטיים לעמוד בתנאי קרקע.

באזורים רבים בעולם, הקרקע מתנהגת כמכונה דינמית, המפעילה כוחות וקטוריים מרובים שיכולים בקלות לחרוג מהסבילות הפיזית של כבלי סיבים אופטיים סטנדרטיים. כדי למתן סיכון זה, בעלי רשתות זהירים עוברים למערכות מיוחדות בעלות חוזק גבוה, כגון תכנוני החוזק הגבוה של ScaleFibre, כדי להבטיח הגנה על הנכסים.

הגיאוטכניקה של קרקעות “תגובתיות”

האנטגוניסט המכני העיקרי לתשתית קבורה הוא סוג קרקע המכונה ורטוסולים (Vertosols), המכונה בדרך כלל “קרקעות שחורות”. אלו מוגדרות על ידי ריכוזים גבוהים של מינרלי חימר מתרחבים שעוברים שינויים נפחיים דרמטיים במהלך מחזורי הרטבה וייבוש.

מה קורה בקרקע?

התנהגות ורטוסול מוכתבת על ידי הרכבו המינרלוגי, ובמיוחד נוכחותם של מינרלים ספציפיים. מינרלים אלו כוללים מבנה סריג של 2:1 – בעצם “כריך” מולקולרי מיקרוסקופי של שכבות חימר שונות.

הקשרים בין שכבות אלו חלשים יחסית. במהלך הידרציה, מולקולות מים נמשכות אל המרווח הבין-שכבתי (בין השכבות), ודוחפות את השכבות זו מזו. בקנה מידה מקרוסקופי, התרחבות מולקולרית זו גורמת לנפח הקרקע לזנק, ויוצרת לחצי התנפחות עצומים. מצד שני, בתקופות יבשות, אובדן המים גורם לקריסת הסריג, וכתוצאה מכך להתכווצות הקרקע וליצירת סדקים עמוקים או “סדקי התכווצות” שיכולים להתרחב למספר מטרים לתוך תת-הקרקע.

אזורים גלובליים בסיכון

אזורים גיאולוגיים תנודתיים אלו הם בעלי משמעות אסטרטגית ונפוצים באופן נרחב. קרקעות תזוזתיות ומתרחבות מציבות אתגרים ברחבי העולם. אין ספק שראיתם זאת בבניינים, בהם קירות נסדקים ויסודות זזים עקב תנועת קרקע תת-קרקעית. קרקעות בעייתיות מופיעות במקומות רבים, אך כמה אזורים ספציפיים ידועים היטב.

צפון אמריקה

מספר אזורים כוללים קרקעות תזוזתיות, כולל “הוסטון בלאק” הידועה לשמצה, השולטת במסדרון טקסס. קרקעות אלו ידועות ב-Coefficient of Linear Extensibility (COLE) הגבוה שלהן, ולעתים קרובות מרימות יסודות וחותכות תעלות בכוח מספיק כדי לשבור צינורות שירות מסורתיים. נזק עצום מתרחש מדי שנה כתוצאה מקרקעות “הוסטון בלאק” המתפשטות.

אירופה

באזור אקסטרמדורה בספרד, באזור המכונה טיירה דה בארוס, ורטוסולים פליים עוברים שקיעה קיצונית. בבריטניה, חימרי קבוצת ליאס הם אזורים בסיכון גבוה לכשל תשתית וגזירה הנגרמת ממפולות, לעיתים קרובות לאורך זכויות קדימה של תחבורה נפוצות. למעשה, בבריטניה, קרקעות מתרחבות הן סיכון הקרקע הטבעי מספר 1, ויכולות לגזור כבלים ותשתיות אחרות, ולגרום להפסקות נרחבות, דליפות ופיצוצים.

אוסטרליה

המכילה את המגוון הרחב ביותר של חימרים מתפצחים בעולם, ורטוסולים אוסטרליים יוצרים סדקים עמוקים על פני השטח המאפשרים חדירת מים מהירה לתת-הקרקע, מה שמפעיל התנפחות אלימה מקומית שיכולה להזיז כבלים קבורים באופן משמעותי בעונה אחת. ספקי תקשורת ברחבי אוסטרליה מתמודדים עם אתגרים עצומים מקרקעות אלו באזורים רבים במדינה מדי שנה. במקרים מסוימים, הקרקעות השחורות זזות כל כך הרבה שהן יוצרות תהומות גדולות באדמה.

מצבי כשל של כבלי סיבים קבורים

תנועת קרקע גיאוטכנית תוקפת נכס קבור באמצעות שלושה גורמי לחץ מכניים נפרדים. כבל סטנדרטי יגיע בסופו של דבר לגבול האלסטי שלו באמצעות אחד או יותר מאלה ויכשל.

1. מתיחה אורכית (Tension)

כאשר הקרקע מתייבשת, האדמה המתכווצת מפעילה חיכוך גבוה על מעטפת הכבל, ומושכת אותו משני קצותיו. לרוב הסיבים האופטיים יש סבילות מתיחה מקסימלית של כ-0.2% לפני שאובדני כיפוף מיקרוסקופיים מחלישים את האות או כיפוף מקרוסקופי מוביל לשבר זכוכית.

2. מעיכה רדיאלית (לחץ התנפחות)

הידרציה מחדש מפעילה עלייה מהירה בנפח, וכתוצאה מכך עומס מעיכה רדיאלי. לחץ התנפחות זה יכול להפעיל כוחות עצומים על מעטפת הכבל, הפועלים כמו מלחציים הידראוליים. כבלים סטנדרטיים עם מעטפות מינימליות מציעים עמידות מועטה, ומאפשרים לצינורות החיץ להתעוות וללחוץ את הסיבים אל דפנות הצינור, מה שגורם להחלשה גבוהה.

3. דחיסה צירית (Buckling)

זהו מצב הכשל הקריטי והבלתי נחשב ביותר בסביבות מתרחבות. כאשר הקרקע מתרחבת, היא לעיתים קרובות דוחפת צירית לאורך הכבל לכיוון נקודות יציבות יותר. כבלים רבים כוללים חברי חיזוק מוגבלים, שתוכננו בעיקר למשיכה במהלך ההתקנה. חלקם מחוזקים בחוטי ארמיד (כמו קבלר), המציעים חוזק מתיחה מצוין אך אפס חוזק לחיצה. הם למעשה חבלים שמתרככים תחת לחץ.

תחת עומסי דחיסה ציריים, כבלים סטנדרטיים מתעקמים ומתקפלים. זה מאלץ את סיבי הזכוכית לרדיוס כיפוף צר מ-30 מ"מ, מה שגורם לאובדן אופטי קטסטרופלי או כשל פיזי מוחלט.

פתרון הנדסי

השימוש בכבלים “רגילים” מסורתיים בקרקעות שחורות או מתרחבות נוטה לעיתים קרובות לבעיות. כבלים אלה פשוט אינם מתוכננים להתמודד עם הכוחות שקרקעות שחורות מפעילות עליהם, ולכן נכשלים במהירות לאחר תזוזות קרקע מתונות בלבד. ScaleFibre תכננה את קו כבלי הסיבים בעלי החוזק הגבוה שלה כדי לספק חוזק נוסף העמיד יותר לכוחות סביבתיים מאשר כבלי סיבים אופטיים סטנדרטיים. קיימים שני תכנונים רחבים - ה-כבל סיבים אופטיים בעל חוזק גבוה (6kN), עם צינור רופף, ללא שריון (מדורג בחוזק מתיחה של 6kN), וה-כבל סיבים אופטיים בעל חוזק גבוה (20kN), עם שריון לא-מתכתי (מדורג ב-20kN). הראשון מספק כמעט פי שלושה מחוזק המתיחה של כבלי צינור רופף מסורתיים, בעוד שהאחרון מספק כמעט פי עשרה מחוזק המתיחה (ובנוסף מגביר משמעותית את יכולת הכבל לעמוד בפני נזקי מכרסמים).

רמה 1: חוזק גבוה (6kN)

רמת ה-6kN High Strength מספקת שדרוג משמעותי לעומת מגבלת המתיחה הסטנדרטית בתעשייה של 2kN, ותוכננה במיוחד כדי להתמודד עם עומסי התקנה וסביבה מוגברים. עיצוב כבל זה מנצל מעטפת פוליאתילן (PE) מיוחדת המשולבת עם שיפורים קנייניים המגבירים באופן דרמטי את עמידותו המכנית ללא צורך בשכבות נוספות. תוך שמירה על פרופיל יעיל, עיצוב זה מתמקד במקסום קיבולת המתיחה ועמידות המעיכה של הכבל, ומספק עמידות גבוהה בתוך מבנה מעטפת יחידה. זה הופך אותו לבחירה יעילה עבור סוגים אלו של התקנות בעלות עומס גבוה שבהן כבלים סטנדרטיים אינם מספיקים.

כבל זה אינו מספק שריון, ולכן עמידותו בפני מכרסמים זהה לזו של כבלים לא משוריינים מסורתיים.

Featured Solution

כבל סיב אופטי חיצוני בצינור רופף בעל חוזק גבוה

כבל צינור רופף בעל חוזק גבוה ועמידות, עבור נתיבי רשת קריטיים, מתוכנן לעמידות במקומות שבהם תנועת קרקע או תנאים קשים מאיימים על רציפות השירות.

צפה בפרטי המוצר

רמה 2: NMA חוזק גבוה (20kN)

העיצוב בעל החוזק הגבוה עם שריון לא-מתכתי לוקח את הגנת הכבלים צעד קדימה. אידיאלי עבור כבלים קריטיים בסביבות קרקע בסיכון גבוה, גרסה זו משתמשת במוטות FRP (פלסטיק מחוזק בסיבים) מוצקים ממוסמרים. זה שונה מסוגי השריון הנפוצים יותר בסגנון חוטי זכוכית, ויש לו את היתרון הנוסף של מתן קשיחות מבנית משמעותית. הוא מספק הגנה משמעותית יותר מפני מכרסמים ונזקים דומים אחרים, שכן מוטות ה-FRP עבים וחזקים יותר ומספקים כיסוי רב יותר מאשר “שריון” בסגנון חוטים.

מוטות מוצקים אלו מספקים עמידות לדחיסה צירית (ACR). הם פועלים כקורות השומרות על שלמות הכבל הליניארית, ומונעים ביעילות נזקים מדחיסה והתקמטות הפוגעים בכבלים סטנדרטיים.

Featured Solution

כבל סיבים חיצוניים משוריין בעל חוזק גבוה

צינור משוריין רופף בעל חוזק גבוה במיוחד עבור רשתות קריטיות לשימוש במקומות בהם תנועות קרקע או תנאים קשים מאיימים על המשכיות השירות.

צפה בפרטי המוצר

היתרון הדיאלקטרי

שלא כמו אפשרויות כבלים משוריינים מתכתיים, אשר בדרך כלל אינן מוסיפות חוזק מספק ליישומי קרקע שחורה, העיצוב הדיאלקטרי כולו (ללא מתכת) של שני כבלי ScaleFibre בעלי החוזק הגבוה מספק יתרונות תפעוליים חיוניים עבור עורקי תקשורת למרחקים ארוכים:

חסינות אלקטרומגנטית

נתיבים למרחקים ארוכים עוברים לעיתים קרובות במקביל לקווי מתח גבוה. כבלים דיאלקטריים אינם מוליכים, ומגנים על הרשת מפני זרמים מושרים ומכות ברק שעלולים להמיס באופן קטסטרופלי חלופות משוריינות מתכתיות.

יעילות תפעולית

בניגוד לשריון מתכתי, דיאלקטרי אינו דורש הארקה או חיבור בנקודות כניסה, מה שמפחית משמעותית את עבודת השטח ואת רשימת החומרים (BoM). בתחומי שיפוט רבים הם יכולים גם לחלוק צינורות או תעלות חשמל קיימים, כאשר כבלים מתכתיים אסורים.

יציבות כימית

מוטות FRP הם אינרטיים כימית וחסינים בפני קורוזיה. זה נפוץ בכבלים מתכתיים בקרקעות רטובות וחומציות, מה שישפיע לרעה על חיי מערכת הכבלים. קורוזיה לא רק מפחיתה את עמידות השריון המתכתי בפני מכרסמים, אלא גם מפחיתה את חוזק הכבל.

מסקנה

בניית עורק דיגיטלי בר קיימא דרך קרקע תגובתית דורשת פילוסופיה הנדסית המתחשבת בהשפעות גיאוטכניות. הסתמכות על כבלים סטנדרטיים לא משוריינים או משורייני חוטים בסביבות אלו מובילה למחזור של תחזוקה וכשל סופי. ארכיטקטורת המוטות המוצקים של ScaleFibre מייצגת את ההבדל בין אחריות עתירת תחזוקה לנכס תשתית קבוע.