Một số vấn đề về kết cấu tháp cao tầng bằng thép

Like và chia sẻ bài viết
Tháp cao bằng thép là một loại kết cấu đặc thù được sử dụng rộng rãi trong nhiều thể loại công trình xây dựng.
Trong xây dựng kiến trúc, kết cấu tháp cao thường dùng để làm giá đỡ cẩu lắp và vận chuyển thẳng đứng như các loại cần cẩu tháp, giá nâng lên cao.
Trong công nghiệp, các giá đỡ dàn khoan, ống khí động, tháp nước làm lạnh, cũng như tháp cấp nước trong dân dụng đều sử dụng phổ biến kết cấu tháp cao bằng thép.

Trong các ngành hàng hải và hàng không, các sân vận động lớn và các công trình công cộng đồ sộ, các cột đèn tín hiệu và chiếu sáng, các tháp nhảy dù, người ta cũng sử dụng tháp cao bằng thép.
Trong các nhà máy thuỷ điện và nhiệt điện, các tuyến điện cao áp cũng đòi hỏi giá đỡ dạng tháp làm bằng kim loại hoặc bê tông cốt thép. Đặc biệt là khi đường dây điện cao áp phải vượt qua sông lớn, núi cao, tháp dây dẫn điện khi đó là những kết cấu tháp cỡ lớn chiều cao lên tới 100m hoặc hơn nữa.
Công tác trắc đạc hiện đại đòi hỏi các tháp đo đạc và tháp mốc đo đạc rất cao. Các thiết bị ra đa trong quan trắc thiên văn hiện đại cũng đòi hỏi phải có tháp cao gánh đỡ.
Do kỹ thuật phát thanh, truyền thông, truyền hình hiện đại phát triển nhanh chóng đã đặt ra những yêu cầu mới đối với việc áp dụng và phát triển kết cấu tháp cao, mở ra con đường rộng lớn cho tương lai của nó. Ngày nay, trong xây dựng ăng ten vô tuyến, một trong những công dụng chủ yếu của kết cấu tháp cao chính là phục vụ cho sự nghiệp truyền thông, truyền hình hiện đại.
Sau đây xin giới thiệu một số ví dụ về dạng tháp cao bằng thép.
Cần lưu ý rằng với đặc thù có độ cao đáng kể, tháp cao còn được dùng trong mục đích tạo công trình tham quan, thưởng ngoạn của con người ở các điểm du lịch thích hợp.
I. Lựa chọn cấu tạo hình dáng của tháp

A. Hình thức tiết diện mặt bằng của tháp

Dạng mặt bằng của tháp thông thường có các loại tam giác cân, hình vuông, hình lục giác đều hoặc bát giác đều (xem hình 4). 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 của nó.
Theo những tư liệu mà chúng tôi có được, khi số cạnh biên của tháp càng nhiều, thì hao phí sắt thép của nó càng tăng. Dạng tháp có tiết diện mặt bằng hình tam giác được chế tạo với hao phí về sắt thép nhỏ nhất. Ví dụ tháp có cùng một chiều cao và đỡ cùng loại thiết bị, thì kết cấu tháp có mặt bằng hình bát giác so với kết cấu tháp có mặt bằng hình tam giác, hao phí sắt thép lớn hơn trên 30%.Lượng sắt thép dùng nhiều đối với tháp dạng mặt bằng hình đa giác là do những nguyên nhân chủ yếu sau:
1. Tải trọng mà tháp cao phải gánh chịu chủ yếu là tải trọng gió. Dưới tác động của tải trọng gió, trạng thái chịu lực của tháp giống như một thanh công son (ngàm ở đầu mút dưới). Do đó trong tháp có mặt bằng dạng hình đa giác, các cột tháp cách trọng tâm mặt bằng thân tháp một khoảng cách càng gần thì càng không thể phát huy tác dụng của vật liệu như hình 5a và hình 5b biểu thị.
2. Tuy số lượng các thanh được gia tăng có thể làm giảm bớt kích thước tiết diện các thanh, nhưng khi số lượng thanh tăng thêm sẽ làm tăng một số vật liệu liên kết và diện tích chắn gió của kết cấu. Điều đó dẫn đến hậu quả nếu số cạnh biên của tháp càng nhiều thì tải trọng tác động lên tháp sẽ càng lớn.
3. Số lượng cạnh biên của tháp càng nhiều, vật liệu làm các vách cứng ngang để bảo đảm ổn định hình học của tiết diện mặt bằng của tháp sẽ càng nhiều. Tháp có dạng mặt bằng hình tam giác không đòi hỏi vật liệu làm vách cứng ngang.

4. Số lượng cạnh biên của mặt bằng tháp càng nhiều, số lượng các nút liên kết càng nhiều, vật liệu dùng để chế tạo bản mắt cũng càng nhiều.
So sánh theo giác độ độ tin cậy của kết cấu thì tháp có số cạnh biên càng nhiều có độ tin cậy càng lớn so với tháp có số cạnh biên ít hơn. Phải nói rằng, tuy chiều rộng của vành đĩa đáy của tháp không có ảnh hưởng rõ rệt tới lượng hao phí sắt thép của bản thân tháp; nhưng nó lại có ảnh hưởng khá lớn tới chuyển vị nằm ngang của tháp, chu kỳ dao động riêng của bản thân tháp và tình hình chịu lực của móng tháp dưới tác động của tải trọng gió. Nói chung khi tháp có chiều rộng vành đĩa đáy tương đối lớn thì chuyển vị nằm ngang, chu kỳ dao động riêng và sự chịu lực của móng tương đối nhỏ.
Độ lớn của chuyển vị nằm ngang và chu kỳ dao động riêng ảnh hưởng trực tiếp tới việc sử dụng của tháp. Không kể là tháp được sử dụng với mục đích gì, người ta luôn mong cho chuyển vị nằm ngang càng nhỏ càng tốt. Trong vô tuyến truyền hình, thông tin vi ba và những truyền thông vô tuyến khác, chuyển vị nằm ngang quá lớn của tháp sẽ ảnh hưởng tới chất lượng của truyền hình và truyền thông. Trong các công trình dành cho du lịch tham quan và thưởng ngoạn, chuyển vị nằm ngang quá lớn của tháp sẽ không thể thoả mãn được yêu cầu cảm giác dễ chịu đối với khách du lãm.
Trong những tháp cỡ lớn, đại lượng chịu lực của móng tháp là một yếu tố quan trọng của toàn bộ công trình. Bởi lẽ, khi chiều rộng của vành đĩa đáy của tháp nhỏ, mà móng lại chịu lực quá lớn, thì không những điều đó có nghĩa là sẽ làm gia tăng vật liệu làm móng, mà còn gây nên tốn kém rất đáng kể trong quá trình thi công móng tháp và xử lý nền thiên nhiên.

Rõ ràng là yếu tố quyết định đối với chu kỳ dao động riêng của tháp, chuyển vị nằm ngang của nó và tình hình chịu lực của móng tháp không chỉ có chiều rộng vành đĩa đáy mà thôi, mà còn cả hình dạng mặt đứng của tháp, hệ thanh bụng của tháp cũng như dạng cấu tạo của các bộ phận khác của tháp nữa. Nhưng cần nói rằng, trong những yếu tố nói trên, chiều rộng của vành đĩa đáy đóng vai trò tác động chủ yếu.
Hình thức tiết diện mặt bằng của tháp và chiều rộng của vành đĩa đáy phải được lựa chọn trên cơ sở công năng sử dụng, thẩm mỹ kiến trúc và điều kiện địa chất địa hình cụ thể.
Tháp có dạng mặt bằng hình tam giác thường được dùng để làm tháp phát xạ sóng trung và tháp truyền hình.
Tháp có dạng mặt bằng hình tứ giác thường được dùng để làm tháp vô tuyến điện, tháp vi ba, tháp truyền hình, tháp bể nước, tháp đỡ ống khí động, tháp giá nâng, tháp đèn tín hiệu, tháp đỡ cáp tải điện, rất rộng rãi. Đặc biệt là có một số tháp vô tuyến điện, tháp vi ba thích hợp nhất với việc sử dụng loại hình tháp cao có mặt bằng hình tứ giác.

Tháp có mặt bằng hình đa giác thường được dùng để làm các công trình có yêu cầu cao về mặt thẩm mỹ. Ví dụ như những tháp truyền hình trong các thành phố lớn, bản thân sự thẩm mỹ của nó đã có ảnh hưởng khá lớn đến môi trường không gian của khu vực lân cận thậm chí đến cả môi trường không gian của toàn thành phố. Cần nhấn mạnh rằng mỹ quan tạo hình của tháp cao không chỉ là vấn đề hình thức tiết diện nằm ngang của nó mà càng quan trọng hơn lại là hình thức mặt đứng và vị trí điểm đặt của tháp.
Xét theo giác độ gia công và lắp đặt, tháp có chiều cao khá lớn, nếu có dạng mặt bằng đa giác thì được coi là thích hợp hơn cả. Bởi lẽ khi chiều cao tháp lớn thì đương nhiên sẽ có chiều rộng vành đĩa đáy to. Như vậy, nếu sử dụng dạng kết cấu có ít cạnh biên sẽ dẫn đến tình trạng cấu kiện bên dưới của thân tháp quá dài, quá lớn, không thuận tiện cho việc gia công, vận chuyển và lắp đặt.

B. Hình thức mặt đứng của tháp
Dạng mặt đứng của tháp có ảnh hưởng quan trọng đến tính hợp lý về mặt chịu lực của kết cấu và tính thẩm mỹ tạo hình của tháp.
Ngoài hình thức kết cấu của sàn đỡ phẳng và sự phối hợp giữa sàn đỡ phẳng với thân tháp ra, mà chỉ nói riêng về kết cấu cơ bản của thân tháp thôi, thì hình thức mặt đứng của tháp có thể phân thành 2 loại: một loại là độ dốc của cột tháp biến thiên theo chiều cao tháp, loại thứ hai là độ dốc của cột tháp không biến thiên theo chiều cao tháp (xem hình 6 biểu thị).
Ngoài trường hợp đặc biệt đòi hỏi phải sử dụng ra, nói chung người ta không dùng loại tháp không có độ đốc của cột mà mặt cắt ngang của tháp không biến đổi theo suốt chiều cao tháp.

Tháp có dạng đường parabon có độ dốc của cột tháp tại nhiều điểm biến thiên dọc theo chiều cao tháp, sự thay đổi của độ dốc tương đối điều hoà và đều đặn khiến cho hình thức đường biên của thân tháp xấp xỉ đường cong parabon (xem hình 6a).
Tháp có dạng đường biên gẫy khúc tương tự như tháp có dạng đường parabon. Điều khác nhau chỉ ở chỗ, điểm biến thiên độ dốc cột tháp dọc theo chiều cao tháp tương đối ít hơn và biến thiên của độ dốc đó tương đối rõ nét. Ta có thể nhìn thấy điều này một cách rõ ràng các điểm gẫy khúc của cột tháp (xem hình 6b, c).
Tháp có dạng đường biên gẫy khúc mà phần bên dưới có biến thiên độ dốc cột tháp tương đối lớn mang đặc điểm chủ yếu như sau: tại nơi gần mặt đất, chiều rộng vành đĩa đáy tương đối lớn, kích thước mặt cắt nằm ngang của thân tháp biến thiên đột ngột dọc theo chiều cao, còn ở phần giữa và phần bên trên thân tháp, kích thước mặt bằng nằm ngang biến thiên không lớn (xem hình 6c). Khi độ dốc của cột tháp không biến đổi theo chiều cao thân tháp thì tháp có đường mép biên là đường thẳng (xem hình 6d). Tháp có bệ đáy dạng hình vòm cũng là một dạng tháp thường được sử dụng (hình 6e).

Việc bố trí và
thiết kế hệ thanh bụng của tháp cũng tạo nên một phần của hình thức mặt đứng của tháp. Những loại thanh bụng cứng, thanh bụng dạng chữ K, thanh bụng dạng dàn tổ hợp, thanh bụng mềm, thanh bụng căng ứng suất trước sẽ tạo ra những hình thức mặt đứng khác nhau.
Chúng tôi sẽ trình bày về sự bố trí và lựa chọn hệ thanh bụng kỹ hơn ở mục sau.
Việc lựa chọn hình thức mặt đứng của tháp phải phù hợp với những nguyên tắc: trước tiên phải thoả mãn yêu cầu an toàn về sử dụng. Căn cứ vào tính hợp lý về chịu lực của tháp, tải trọng mà tháp phải gánh chịu, ngoài trọng lượng bản thân, trọng lượng thiết bị và các tải trọng khác theo phương thẳng đứng ra, còn có tác động của tải trọng nằm ngang nữa. Có 3 loại tải trọng nằm ngang chủ yếu: thứ nhất là tải trọng nằm ngang phân bố, thứ hai là tải trọng nằm ngang tập trung, thứ ba là tải trọng xoắn.
Dựa theo mục đích sử dụng của tháp, các thiết bị đặt trên nó và cấu tạo của tháp để quyết định độ lớn của ba loại tải trọng nói trên.
Có tháp chịu tác động của tải trọng nằm ngang phân bố là chủ yếu; có tháp chịu tác động của tải trọng nằm ngang tập trung là chủ yếu. Thông thường, tải trọng xoắn ít khi xuất hiện, tính chất của nó tương tự như tải trọng nằm ngang tập trung.
Dưới tác động của tải trọng nằm ngang, tình hình chịu lực của tháp tương tự như một thanh công son thẳng đứng ngàm vào trong đất tại một đầu mút là chân tháp.
Do đó, thiết kế kết cấu tháp thường tiến hành theo cách thiết kế dàn không gian công son.
Dưới tác động của tải trọng nằm ngang phân bố, như trong hình 7 biểu thị - biểu đồ mômen của thân tháp là loại đường parabon bậc 3.
Ta có biểu thức sau:

Trong đó: Z: Trục toạ độ đi qua trục thân thápMz: Mônen uốn tại nơi có toạ độ Zq(z): Hàm tải trọngH: Tổng chiều cao của tháp Trong ứng dụng thực tế, tải trọng phân bố có thể xem gần đúng như tải trọng phân bố đều từng đoạn.
Ta cần lưu ý tới một sự thực là áp lực gió ở phần bên dưới của thân tháp tương đối nhỏ, diện tích mặt chắn gió tại phần đó lại lớn; còn ở phần bên trên của thân tháp, áp lực gió lớn hơn nhưng diện tích mặt chắn gió tại phần này lại nhỏ. Như vậy, có thể cho rằng tải trọng gió ở phần bên trên và phần bên dưới chênh nhau không rõ rệt


Dưới tác động của tải trọng phân bố, biểu đồ mô men uốn của tháp đã là một đường cong parabon, thì độ cứng của tiết diện thân tháp chống lại mô men uốn đó biến thiên dọc theo trục Z cũng phải là đường cong parabon mới là hợp lý nhất (xem hình 7).
Muốn làm cho biến thiên của độ cứng của tiết diện thân tháp theo trục Z biểu thị dưới dạng đường parabon, có hai cách: cách thứ nhất là làm cho dáng hình học của thân tháp có dạng đường parabon, cách thứ hai là làm cho biến thiên của diện tích tiết diện nằm ngang của thân tháp dọc theo chiều cao của tháp mang dạng đường parabon. Thông thường người ta sử dụng phương pháp có hiệu quả nhất là làm cho dáng hình học của thân tháp có dạng đường parabon. Trong thực tiễn xây dựng, không nhất thiết phải làm cho dáng hình học của thân tháp giống hệt như biểu đồ mômen uốn mà chỉ cần làm cho chúng tương tự xấp xỉ như nhau hoặc tạo nên một hình dạng có độ dốc nghiêng tương tự là được.
Nếu sự lựa chọn độ dốc của cột tháp được tiến hành thoả đáng, ta có thể làm cho việc chịu lực của thanh chéo giảm tới mức độ cực tiểu. Về điều này, bạn đọc có thể theo dõi tỷ mỷ ở những bài viết sau. Muốn tìm ra độ dốc lý tưởng của cột tháp, điều chủ yếu là ta phải làm cho giao điểm 0 của các trục cột tháp ở trên cùng một tiết diện phẳng nằm trên cao trình cận kề với trọng tâm 0q của biểu đồ tải trọng trên cùng một tiết diện ngang đó (xem hình 8).
Khi tải trọng mặt bên của tháp bao gồm nhiều tải trọng tập trung, biểu đồ mômen uốn có hình gẫy khúc. Nếu số lượng tải trọng tập trung đó càng nhiều, sự phân bố của chúng càng đều, thì biểu đồ mômen uốn càng xấp xỉ đường parabon. Đối với tháp chịu tác động của nhiều tải trọng tập trung, nên sử dụng đường gẫy khúc xấp xỉ với biểu đồ mômen vì như vậy sẽ dẫn tới kết quả hợp lý.
Khi ở trên đỉnh tháp, chỉ có một tải trọng tập trung tác động, biểu đồ mômen uốn có dạng hình tam giác. Trong trường hợp đó, hình thức thân tháp hợp lý nhất là dạng đường thẳng (xem hình 9).
Cần lưu ý rằng, trạng thái chịu lực thực tế của tháp không đơn thuần thuộc về những trường hợp vừa nêu ở trên đây. Có loại tháp chỉ chịu tác động của tải trọng phân bố thôi ví dụ như là tháp truyền hình không mang các thiết bị khác và những tháp không có các diện tích chắn gió tập trung lớn trên nó đều là những loại tháp chỉ chịu tải trọng phân bố mà thôi. Còn loại tháp chỉ chịu tác động của nhiều tải trọng tập trung và ở trên đỉnh tháp, chỉ chịu một tải trọng tập trung thôi thì không có bởi lẽ, bản thân thân tháp, tải trọng gió gây nên do có cản gió thuộc loại tải trọng phân bố. Vì vậy, tải trọng tập trung luôn luôn sinh ra đồng thời với tải trọng phân bố.
Khi tháp đồng thời chịu tác động của tải trọng phân bố và tải trọng tập trung, sự lựa chọn hình thức mặt đứng của tháp phải dựa vào tỷ lệ của hai loại tải trọng và những nguyên tắc khác để tiến hành.
Khi tải trọng phân bố là chủ yếu, ta chọn dạng gần đúng với đường cong parabon.
Khi tải trọng tập trung hoặc tải trọng tập trung trên đỉnh tháp là chủ yếu, ta chọn đường gần đúng với đường gẫy khúc hoặc đường thẳng.
Khi sự phân biệt giữa tác động của hai loại tải trọng không rõ rệt ta có thể dựa vào những nguyên tắc khác để lựa chọn.
Trên đây, chúng tôi đã nêu những phương pháp thông thường để lựa chọn hình thức mặt đứng của tháp cao dựa theo tính chất hợp lý về chịu lực của tháp để tiến hành. Đương nhiên, việc xác định đúng đắn hình thức mặt đứng của tháp, không thể chỉ dựa vào tính chất hợp lý về chịu lực là đủ. Việc xác định cuối cùng dạng hình học của thân tháp phải căn cứ vào việc xem xét toàn diện những điều kiện cụ thể khác nữa.
Trong thực tế, tháp chịu tác động của tải trọng phân bố rất ít khi được thiết kế hoàn toàn theo đường parabon. Vì cứng nhắc như vậy thì hình thức cấu tạo của các mắt khung của tháp sẽ rất nhiều chủng loại; từ đó dẫn tới nhiều hậu quả bất tiện trong công đoạn gia công kết cấu thép.
Hình thức thân tháp chỉ chịu tải trọng phân bố hoặc chịu tác động cộng đồng của tải trọng phân bố và tải trọng tập trung, thông thường mang dạng đường gẫy khúc. Xuất phát từ mục đích thuận tiện cho việc gia công kết cấu thép, điểm gẫy khúc của cốt thép càng ít càng tốt.
Vị trí và số lượng của điểm uốn gẫy cột thân tháp được quyết định bởi tình hình chịu lực thực tế của tháp và yêu cầu thẩm mỹ về mặt kiến trúc của tháp.
Đôi khi có một số tháp, tuy phải chịu tác động của nhiều tải trọng tập trung được phân bố đại thể là đều, nhưng xét về mặt yêu cầu sử dụng nếu ta chọn dạng tháp có dạng đường thẳng lại là hợp lý ví dụ như tháp vô tuyến điện vi ba chẳng hạn. Tháp vi ba mà trên đỉnh có lắp đặt tương đối nhiều ăng ten vi ba, tải trọng nằm ngang chủ yếu là tải trọng tập trung trên đỉnh tháp; do đó dạng mặt đứng của thân tháp vi ba phần lớn cũng có dạng đường thẳng.
Trên thế giới, các loại tháp mà đế tháp được thiết kế theo dạng chân vòm, trong quá khứ cũng như hiện tại như tháp Eiffen ở Paris, tháp truyền hình Tokyo và một số tháp khác là những ví dụ cụ thể (xem hình 3).
Đặc điểm chủ yếu của kết cấu vòm là ở chỗ nó có thể loại trừ hoặc hạn chế tới mức tối đa ứng suất uốn trong kết cấu. Do đó, mục đích sử dụng dạng chân vòm là nhằm gia tăng khẩu độ của kết cấu và tận dụng một cách đầy đủ tính năng đặc biệt của vật liệu dòn có cường độ chịu lực cao. Mục đích sử dụng đế tháp có dạng chân vòm là để gia tăng chiều rộng của vành đĩa đáy của tháp, giảm bớt tải trọng tác động lên đất nền, đồng thời dễ thoả mãn nhu cầu bố cục và thẩm mỹ về mặt kiến trúc.
Xét về mặt kinh tế, phải nói rằng đế tháp có dạng chân vòm bằng thép là không kinh tế nên ít khi được sử dụng.
Tổng hội xây dựng
Viết và chia sẻ bình luận: Like để cập nhật các bài viết qua facebook. Cảm ơn bạn đã ghé thăm, ủng hộ!

About Tứ Đoàn Ngọc

Đoàn Ngọc Tứ chào mừng bạn tới với website và cảm ơn bạn đã ủng hộ trang này.