ĐÁNH GIÁ ỨNG XỬ CỦA THÁP ĂNG TEN CÓ HÌNH DẠNG TIẾT DIỆN KHÁC NHAU
Tháp ăng ten truyền thông nói chung thường được làm bằng vật liệu thép, các thanh thép ống ,thanh dẹt, chữ L, chữ I… được liên kết với nhau bằng liên kết hàn hoặc bulong .Tùy theo yêu cầu về kỹ thuật , thẩm mỹ kiến trúc và yếu tố khai thác du dịch… mà tháp có hình dạng mặt cắt ngang và độ cao khác nhau. Mặt cắt ngang của tháp thông thường có dạng tam giác cân, hình vuông, hình lục giác đều, hình bác giác đều, hình trụ tròn hoặc kết cấu dạng lưới thép đặc biệt dẫn đến việc lựa chọn mặt cắt ngang phù hợp cho thiết kế kết cấu tháp là khó khăn.
Thực tế trong các quy phạm , tiêu chuẩn thiết kế như: Việt Nam, EuroCodes, ACI,…. cũng chưa quan tâm, đề cập cụ thể đến việc sữ dụng các tiết diện hình dạng mặt cắt ngang cho các kết cấu tháp ăng ten theo từng độ cao khác nhau.Ngoài các tải trọng bản thân, hoạt tải ..thì phần tải trọng ngang (gió,động đất…) là tải trọng quang trọng và quyết định đến hình dáng cũng như tiết diện hình dáng mặt cắt ngang của tháp. Vì vậy việc đánh giá ứng xử của tháp Ăng ten có hình dạng tiết diện khác nhau để người thiết kế đánh giá vàlựa chọn phù hợp với yêu cầu thiết kế kết cấu tháp Ăng ten.
- Mục tiêu nghiên cứu đề tài
- So sánh khả năng chịu lực, ổn định của từng loại hình dạng mặt cắt ngang của tháp ăng ten.
- Đưa ra kiến nghị lựa chọn hình dạng mặt cắt ngang phù hợp theo khả năng chịu lực, ổn định ứng chiều cao yêu cầu thiết kế của tháp ăng ten.
- Tháp ăng ten có kích thước mặt cắt ngang không thay đổi theo chiều cao từ 0-75m (mặt cắt ngang tháp hình tam giác, hình chữ nhật, hình lục giác).
- Tháp ăng ten có kích thước mặt cắt ngang thay đổi theo chiều cao từ 75-150m (mặt cắt ngang tháp hình tam giác, hình chữ nhật, hình lục giác).
- Phương pháp lý thuyết: nghiên cứu quy trình thiết kế tháp ăng ten theo tiêu chuẩn Việt Nam, Eurocodes, ACI.
- Phương pháp mô phỏng số.
- Đề xuất phương pháp tính toán khả năng chịu lực, ổn định của kết cấu tháp.
- Kết quả nghiên cứu nhằm đưa ra kiến nghị lựa chọn hình dạng mặt cắt ngang phù hợp với kết cấu tháp có từng độ cao khác nhau.
I. Phần mục lục
II. Phần mở đầu
III. Phần nội dung
Chương 1: Tổng quan về kết cấu tháp Ăng ten và các vấn đề liên quan
1.1 Tổng quan về kết cấu tháp
1.2 Tải trọng tác dụng
Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán ổn định và khả năng chịu lực của tháp Ăng ten
2.1. Cơ sở lý thuyết
2.2. Tính toán cấu kiện thanh
2.3. Các phương pháp và giả thiết tính toán
Chương 3: Mô phỏng và đánh giá ứng xử tháp ăng ten có hình dạng tiết diện khác nhau
3.1. Giả thiết điều kiện tính toán
3.2. Tháp có kích thước tiết diện không thay đổi theo chiều cao (0-75m)
3.3. Tháp có kích thước tết diện thay đổi theo chiều cao (75-150m)
IV. Phần kết luận, kiến nghị
V. Tài liệu tham khảo
TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU THÁP ĂNG TEN VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN
Tháp thép nói chung và tháp Ăng ten được sữ dụng trong kỹ thuật phát thanh, truyền hình, truyền thông nói riêng là công trình có chiều cao lớn hơn nhiều lần kích thước còn lại của công trình (tỉ số H/B lớn), do đó công trình có độ thanh mảnh lớn. Đây là loại công trình tự đứng được nhờ và chính kết cấu của bản thân. Tùy vào mục đích, yêu cầu sử dụng mà chiều cao của và hình dạng tiết diện tháp khác nhau. Chiều cao tháp có thể từ hàng chục mét đến vài trăm mét. Hình dạng tháp thường được thiết kế theo dạng đứng , dạng thon, dạng thon đổi độ dốc một số lần (hình 1.1).
Các thông số quan trọng quyết định chiều rộng chân tháp và đỉnh tháp là chiều cao của tháp và tải trọng tác dụng vào tháp. Thông thường chiều rộng chân tháp thường lấy B=(1/8-1/20)H, với H là chiều cao tháp. Ngoài ra bề rộng chân tháp B còn phụ thuộc vào các yếu tố khác như kích thước thanh cánh chân tháp, sức chịu tải đất nền, diện tích đất được phép sử dụng cũng như yêu cầu về thẩm mỹ. Chiều rộng đỉnh tháp Ăng ten vào khoảng 0.9-1.5m và không nên bé hơn 0.75 lần đường kính D của chảo Ăng ten đỉnh tháp.
Dạng mặt bằng của tháp thông thường có các loại tam giác cân, hình vuông, hình lục giác đều hoặc bát giác đều (hình 1.2), trong trường hợp đặc biệt, có khi người ta còn sử dụng kết cấu dạng lưới. Hình thức mặt bằng nằm ngang của tháp có quan hệ đến hiệu quả kinh tế và thẩm mỹ tạo hình . Thường thi tiết diện loại tam giác được sữ dụng đối với các loại tháp thấp đơn giản dễ chế tạo và thi công. Phổ biến thường là các dạng tiết diện hình vuông được sữ dụng đối với các loại tháp cao chịu được tải trọng lớn, tính ổn định cao và kiến trúc thẩm mỹ. Các loại tháp có tiết diện lục giác hay bác giác ít được sữ dụng.
a) b) c)
Hình 1.1:a) Tiết diện tam giác; b) Tiết diện hình vuông;
c) Tiết diện lục giác đều
Hình dạn và số lượng thanh cánh sẽ quyết định chung toàn bộ hình dạng chung của tháp. Chiều dài thanh cánh được quyết định do nhu cầu sữ dụng. Tiết diện thanh cánh thường là tiết diện thép ống tròn rỗng, hoặc thép góc chữ L.
- Thanh bụng.
Giống như trong dàn mái , hệ thanh bụng trong các thép dạng dàn làm nhiệm vụ định hình cho các thanh cánh tháp ( cố định dạng cho các dàng biên khi chịu tải, làm giảm chiều dài tính toán và tránh uốn cục bộ cho thanh cánh .
- Vách cứng ngang.
Vách cứng ngang bao gồm hệ thanh xiên kết hợp với thanh ngang của các mặt bên tháp cùng với bản phủ phía trên bằng bê tông hoặc thép tấm tạo thành miếng cứng bất biến hình trong mặt phẳng tiết diện cắt ngang thân tháp. Vách cứng ngang đảm bảo cho mặt cắt ngang thân tháp không đổi khi chịu lực phù hợp với giả thiết ban đầu khi tính toán tháp.
- Tải trọng tác dụng
Tháp Ăng ten là công trình tháp có chiều cao lớn nhiều lần so với vệ rộng tháp có thể tự đứng được mà không cần dầy neo trợ lực. Về mặt tổng thể có thể coi tháp làm việc như dạng consol ngàm chặt vào móng. Tháp chịu tải trọng chủ yếu là tải trọng ngang do gió và động đất gây ra. Các ứng xử của tháp không chỉ phụ thuộc vào tải trọng tác dụng ma còn phụ thuộc vào bản thân công trình (Độ cứng, khối lượng, vào cách phân bố khối lượng, dao động bản thân…) .
Tỉnh tải tác dụng lên tháp chủ yếu là tải trọng bản thân tháp gồm các hệ thanh cánh, thanh bụng, các liêt kết hàn hoặc bulong. Tải trọng này được xác định chính xác khi đã hoàn thành thiết kế xong.
Hoạt tải của tháp Ăng ten chủ yếu là hoạt tải sửa chữa bảo trì tháp,ngoài ra còn có các tải trọng của các thiết bị được lắp dựng trên tháp bao gồm tải trọng đứng và momen do tải trọng gió gây ra cho thiết bị.
Tải trọng gió là loại tải trọng ngang mang tính chất động lực. Tải trọng gió bao gồm hai thành phần là phần tĩnh và phần động. Thành phần tĩnh (Wo) của gió là do dòng thổi của gió tác dụng lên các vật cản là bề mặt chung của công trình.
- Thành phần tĩnh của gió.
Theo TCVN 2737-1995, Tải trọng tác động – Tiêu chuẩn thiết kế.
Giá trị tiêu chuẩn phần tĩnh của tải trọng gió ở độ cao z, ký hiệu là w; được xác định theo công thức:
Trong đó:
W0 : giá trị của áp lực gió lấy theo bảng đồ phân vùng phụ lục D và điều 6.4
k: hệ số tính đến sự thay đổi của áp lực gió theo độ cao lây theo bảng 5.
c: hế số khí động lấy theo bảng 6.
γ hệ số tin cậy của tải trọng gió lấy bằng 1.2.
- Thành phần động của gió.
Thành phần động ở dạng dao động thứ I, tác dụng lên phần thứ k, là một lực ngang đặt tại tâm khối lượng của phần thứ k, theo chiều chuyển vị của tâm khối lượng phần thứ k. Giá trị xác định theo công thức:
Trong đó:
Mk: khối lượng phần công trình thứ k, trọng tâm của nó ở độ cao zk (so với mặt móng);
ξi: hệ số động lực với dạng dao động thứ i, xác định theo đồ thị hình 1.7, hoặc điều 6.13.2 – TCVN 2737-1995, phụ thuộc vào thông số εi :
với:
γ: hệ số tin cậy của tải trọng gió, γ = 1.2 ;
w0: áp lực gió tiêu chuẩn, daN/m2 , tương ứng với địa điểm xây dựng;
fi: tần số (đơn vị Hz hoặc s-1 ) của dạng dao động riêng thứ i của công trình;
yik : biên độ dao động ngang, ở dạng dao động riêng thứ i của công trình;
ψi: hệ số, ứng với dao động thứ I, xác định với các phần chia n, theo công thức:
với:
Mj: khối lượng của phần công trình thứ j;
Wp0j: thành phần động của tải trọng gió lên phần thứ j của công trình, khi chỉ kể đến sự mạch động, lực tập trung trùng với phương gió thổi được xác định theo công thức:
Aj: diện tích đón gió và hút gió của phần thứ j (gồm cả mặt trước và mặt sau), m2 ;
c: hệ số khí động, ứng với cả hai mặt, mặt đón gió và hút gió ;
n: tổng số phần chia công trình;
νy: hệ số tương quan không gian, tương ứng với hướng gió trùng với trục y.
Trường hợp gió thổi theo hướng trục y.
Ký hiệu Qyk: là giá trị nội lực (lực cắt, lực dọc, momen uốn, momen lật) hoặc chuyển vị (chuyện vị thẳng, góc xoay), gọi tắt là hệ quả tác động của tiết diện k nào đó, do tải trọng gây ra, khi gió thổi theo hướng trục y, thì Qyk được xác định theo công thức:
Trong đó:
Qyok: giá trị của tiết diện k của đại lượng Qyk , do thành phần tĩnh của tải trọng gió thổi theo hướng trục y gây ra;
Qypki: giá trị của tiết diện k của đại lượng Qyk , do thành phần động của tải trọng gió gây ra, khi công trình dao động ở dạng thứ i, tương ứng với hướng gió là trục y ( phải tính với s1 dạng dao động đầu tiên).
– Trường hợp gió thổi theo hướng trục x.
Khi hướng gió thay đổi (xét hướng gió dọc theo trục x), cần tiến hành tương tự.
Trong đó:
Qxok: giá trị của tiết diện k của đại lượng Qxk , do thành phần tĩnh của tải trọng gió thổi theo hướng trục y gây ra;
Qxpki: giá trị của tiết diện k của đại lượng Qxk , do thành phần động của tải trọng gió gây ra, khi công trình dao động ở dạng thứ i, tương ứng với hướng gió là trục x ( phải tính với s2 dạng dao động đầu tiên,s2 ≠ s1).
– Trường hợp gió thổi theo phương chéo của mặt bằng
Cách tiến hành tương tự như khi gió thổi theo phương trục x,y; nhưng véc tơ của tải trọng gió ban đầu (theo phương đường chéo của mặt bằng) được chiếu xuống theo phương trục x, và trục y.
Trong đó:
W: là áp lực gió daN/m2,
Α: là góc tạo thành bởi đường chéo của mặt bằng và trục x.
hệ số 1.1 là hệ số kể đến hiện tượng gió xoáy trong lòng tháp khi thổi chéo qua làm tăng áp lực gió w0.
Các nhà thép chịu động đất cần được thiết kế theo một trong hai quan niệm sau:
- Kết cấu có khả năng tiêu tán năng lượng thấp (quan niệm a);
- Kết cấu có khả năng tiêu tán năng lượng (quan niệm b);
- Nhận dạng điều kiện nền theo tác dụng của động đất
Các loại nền đất A, B, C, D và E được mô tả bằng các mặt cắt địa tầng, các tham số cho trong Bảng 3.1 và được mô tả dưới đây, có thể được sử dụng để kể đến ảnh hưởng của điều kiện nền đất tới tác động động đất.
- Đỉnh gia tốc nền tham chiếu, gia tốc nền thiết kế.
Giá trị agR lấy theo Bản đồ phân vùng gia tốc nền lãnh thổ Việt Nam, tỷ lệ 1 :1 000 000 (phiên bản thu nhỏ cho trong Phụ lục G, Phần 1) hoặc Bảng phân vùng gia tốc nền theo địa danh hành chính cho trong Phụ lục H, Phần 1 (giá trị gia tốc nền agR cho trong bảng được xem là giá trị đại diện cho cả vùng địa danh).
- Phổ đàn hồi và phổ thiết kế
Theo TCVN 9386-2012 sử dụng phổ phản ứng theo dạng dao động để xác định phản ứng lớn nhất của công trình chịu động đất theo cách tổ hợp các phản ứng lớn nhất của các dạng dao động chính.
- Hệ số ứng xử q của kết cấu công trình bằng thép
Hệ số ứng xử q, là hệ số xét đến khả năng tiêu tán năng lượng của kết cấu. Đối với hệ kết cấu đều đặn thì hệ số ứng xử q được lấy theo các giới hạn trên của giá trị tham chiếu.
- Xác định tác động của động đất lên công trình
- Phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương.
- Phương pháp phân tích phổ phản ứng.
Khi gió thổi vào ăng ten sẽ gây ra moomen xoắn cho tháp và giá trị này được xác định theo công thức:
Trong đó:
x: là khoảng cách từ tâm ăng ten đến tâm tháp;
Px: lực ngang do gió gây ra;
γ: hệ sô tin cậy của gió lấy bằng 1.2;
Cx, Sa, φ: là các hệ số khí động diện tích bao và hệ số choán của ăng ten được tra theo quy cách thiết bị;
CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH VÀ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA THÁP ĂNG TEN
Thanh chịu nén đúng tâm tính toán về bền theo công thức:
Trong đó:
N là lực nén đúng tâm tính toán;
A là diện tích tiết diện nguyên của cấu kiện;
γc là hệ số điều kiện làm việc;
f là cường độ tính toán của thép;
φ là hệ số uốn dọc của thanh nén phụ thuộc vào độ mãnh qui ước
- Thanh chịu kéo
Thanh chịu kéo đúng tâm tính toán về bền theo công thức:
Trong đó:
N là lực kéo đúng tâm tính toán;
An là diện tích tiết diện thực của cấu kiện.Diện tích tiết diện thực bằng diện tích tiết diện nguyên trừ đi diện tích giảm yếu. Diện tích giảm yếu là diện tích bị mất đi do yêu cầu chế tạo;
γc là hệ số điều kiện làm việc;
f là cường độ tính toán của thép;
F:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\LY LUAN VA PHUONG PHAP DẠY HOC VAT LY\XAY DUNG CONG TRINH DD&DN\LE TAN THANH CHUONG\TOM TAT
