1 CHƯƠNG: MỞ ĐẦU Tên đề tài: “Nghiên cứu áp dụng tiêu chuẩn Mỹ TIA-222-G trong tính toán tháp viễn thông tự đứng tại Việt Nam”.. Ngoài ra, việc tính toán xác định tải trọng gió lên t
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
TẠI VIỆT NAM
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN
Mã số: 60.58.02.08
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DD&CN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1.TS NGUYỄN ĐẠI MINH
2 TS VŨ THÀNH TRUNG
Hà Nội – 2015
Trang 3LỜI CẢM ƠN
Trước hết tôi xin bày tỏ tình cảm biết ơn chân thành tới tất cả các thầy, cô trong khoa Sau đại học – Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội vì những chỉ dẫn
và giúp đỡ trong quá trình học tập cũng như tiến hành làm luận văn
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong Bộ mon Kết cấu thép –
gỗ đã có những ý kiến đóng góp quý báu cho bản thảo luận văn
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn khoa học 1: TS Nguyễn Đại Minh – Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng, Bộ Xây dựng và thầy hướng dẫn khoa học 2: TS Vũ Thành Trung - Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng,
Bộ Xây dựng đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp hưosng dẫn, cũng như tạo điều kiện thuận lợi, cung cấp tài liệu và động viên tôi trong quá trình hoàn thành luận văn
Tôi xin chân thành cảm ơn tới gia đình, bạn bè và anh chị em đồng nghiệp
đã có những đóng góp giúp đỡ để tôi hoàn thành luận văn này
Tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp của thầy cô và bạn đọc
Hà Nội, ngày 28 tháng 5 năm 2015
Tác giả
Nguyễn Trọng Hoàng
Trang 4LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ này là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của Luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng
TÁC GIẢ LUẬN VĂN
Nguyễn Trọng Hoàng
Trang 5MỤC LỤC
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục hình minh họa
Danh mục bảng, biểu
Trang
MỞ ĐẦU……… 1
Tên đề tài: ……….……….…….….1
Lý do chọn đề tài: ……….……….…… 1
Mục đích nghiên cứu:……….……… ……2
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:……….………2
Phương pháp nghiên cứu:……….……….3
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài……… 3
Cấu trúc luận văn……….……… 3
NỘI DUNG LUẬN VĂN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÁP THÉP VIỄN TH ÔNG TỰ ĐỨNG……… ……… ………… ………… ……… …….5
1.1 Giới thiệu về tháp thép viễn thông tự đứng ………… ……… 5
1.2 Các công trình tháp thép viễn thông tự đứng ……… ……… …… 10
1.3 Các phương pháp tính toán tháp thép viễn thông tự đứng ………….… 19
1.4 Nhận xét……….……… 20
CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH THÁP THÉP VIỄN THÔNG TỰ ĐỨNG ………… ………22
2.1 Tính toán tháp thép viễn thông tự đứng theo Tiêu chuẩn Việt Nam…….22
2.1.1 Tải trọng……….………22
2.1.2 Tính toán thiết kế… ……….……… ……… 29
Trang 62.1.3 Kiểm tra các trạng thái đặc biệt……….……….37
2.2 Tính toán tháp thép viễn thông tự đứng theo Tiêu chuẩn Mỹ TIA-222-G.………40
2.2.1 Tải trọng… ……… ….………40
2.2.2 Tính toán thiết kế……….……… 55
2.2.3 Các trạng thái đặc biệt cần kiểm tra……….……… 72
2.3 Quy trình tính toán tháp thép viễn thông tự đứng ………72
2.4 Nhận xét ……….……… 77
CHƯƠNG 3: VÍ DỤ TÍNH TOÁN……….………79
3.1 Nhiệm vụ thiết kế…….……….79
3.2 Lựa chọn các thông số cơ bản của tháp………81
3.3 Tính toán theo tiêu chuẩn Việt Nam………… ………84
3.3.1 Tải trọng……….……… ……….84
3.3.2 Tính toán thiết kế……….……… 84
3.3.3 Kiểm tra các trạng thái đặc biệt……… 92
3.4 Tính toán theo tiêu chuẩn Mỹ TIA-222-G……… 93
3.4.1 Tải trọng……….93
3.4.2 Tính toán thiết kế……….……… 97
3.4.3 Các trạng thái đặc biệt cần kiểm tra……… ………107
CHƯƠNG 4: SO SÁNH, KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……… 109
4.1 So sánh……….……… 109
4.2 Kếtluận……….…….……… 112
4.3 Kiến nghị ……….……….114 TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
Phụ lục I: Tính toán tải trọng gió tĩnh theo tiêu chuẩn Việt Nam
Phụ lục II: Tọa độ trọng tâm và chuyển vị của các đốt tháp
Trang 7Phụ lục III: Tính toán thành phần động của tải trọng gió theo tiêu chuẩn Việt Nam
Phụ lục IV: Sơ đồ tính toán tháp bằng phần mềm theo tiêu chuẩn Việt Nam Phụ lục V: Kết quả phân tích nội lực của cấu kiện, kiểm tra tiết diện theo tiêu chuẩn Việt Nam
Phụ lục VI: Kết quả phân tích nội lực của cấu kiện, kiểm tra tiết diện theo tiêu chuẩn TIA-222-G
Phụ lục VII: Kết quả phân tích nội lực của cấu kiện, kiểm tra tiết diện theo tiêu chuẩn TIA-222-G
Trang 8DANH MỤC HÌNH MINH HỌA
Hình 1.1 Một số tháp viễn thông cao nhất thế giới
Hình 1.2 Tháp Tokyo SkyTree có mặt cắt ngang hình tam giác
Hình 1.3 Tháp Tokyo và tháp Eiffel có cột tháp dạng đường
cong
Hình 1.4 Tháp truyền hình Hà Nội tại Mễ Trì có dạng đường
biên gãy khúc Hình 1.5 Tháp truyền hình – đài truyền hình Việt Nam
Hình 1.6 Cột tháp truyền hình Mễ Trì cao 250 m
Hình 1.7 Tháp truyền hình Tam Đảo
Hình 1.8 Tháp truyền hình đài truyền hình thành phố Hồ Chí
Minh Hình 1.9 Tháp truyền hình Nam Định
Hình 1.10 Tháp truyền hình Nam Định bị đổ
Hình 1.11 Tháp Đồng Hới bị đổ sập
Hình 1.12 Quy trình xây dựng tháp Eiffel
Hình 1.13 Tháp Eiffel
Hình 1.14 Tháp Tokyo Sky Tree
Hình 1.15 Tháp Canton Quảng Châu
Hình 2.1 Xác định mặt cao trình Z 0 khi 0,3 < i < 2
Hình 2.2 Xác định mặt cao trình Z 0 khi i ≥ 2
Hình 2.3 Sơ đồ khối quy trình tính toán kết cấu tháp viễn
thông tự đứng Hình 3.1 Hình dạng mặt đứng, các mặt cắt ngang và các thiết
Trang 9bị của tháp Hình 3.2 Sơ đồ tính tháp dựng bằng phần mềm Hình 3.3 Chi tiết nút 99
Hình 3.4 Biểu đồ quy đổi vận tốc gió theo vùng gió Hình 3.5 Chi tiết đốt No.20-(SPX) (đốt D02)
Hình 3.6 Chi tiết nút 134
Trang 10DANH MỤC BẢNG, BIỂU
Số hiệu
bảng, biểu Tên bảng, biểu
Bảng 2.1 Bảng phân loại công trình
Bảng 2.2 Bảng hệ số tầm quan trọng của công trình
Bảng 2.3 Bảng hệ số hướng gió
Bảng 2.4 Bảng hằng số điều kiện địa hình
Bảng 2.5 Bảng hệ số điều kiện địa hình
Bảng 2.6 Bảng hệ số hướng gió
Bảng 2.7 Bảng hệ số lực cho kết cấu trụ ( )
Bảng 2.8 Bảng hệ số lực cho thiết bị ( )
Bảng 2.9 Bảng hệ số chuyển đổi tương đương áp lực gió
Bảng 2.10 Bảng so sánh quy trình tính toán tháp theo 2 tiêu chuẩn Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật ăng ten lắp trên tháp
Bảng 3.2 Bảng chiều cao các đốt tháp
Bảng 3.3 Bảng ký hiệu các loại thanh
Bảng 4.1 Bảng so sánh kết quả tính toán tháp giữa hai tiêu chuẩn Bảng 4.2 Bảng so sánh các hệ số tải trọng theo 2 tiêu chuẩn
Trang 111
CHƯƠNG:
MỞ ĐẦU Tên đề tài:
“Nghiên cứu áp dụng tiêu chuẩn Mỹ TIA-222-G trong tính toán
tháp viễn thông tự đứng tại Việt Nam”
+ Lý do chọn đề tài:
Thời đại thông tin di động, internet, phát thanh và truyền hình bùng nổ với sự phổ biến ngày càng rộng của các phương tiện phát sóng và truyền thông vô tuyến và hữu tuyến. Vì vậy, các tháp viễn thông với chiều cao lớn ngày càng được xây dựng nhiều để đáp ứng yêu cầu của các ngành thông tin di động, công nghệ thông tin, viễn thông, phát thanh và truyền hình, tiêu biểu như cột phát sóng Đài Phát thanh Truyền hình Hà Nội cao 250 m đã xây dựng tại Mễ Trì, quận Nam Từ Liêm, và sắp tới là tháp phát sóng Đài Truyền hình Việt Nam tại khu đô thị Tây Hồ Tây, Hà Nội.
Việt Nam là nước nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, chịu bão mạnh, theo Quyết định 1857/QĐ-BTNMT [1] thì số lượng, tần suất, cường độ bão và chiều cao nước biển dâng do bão cho vùng ven biển Việt Nam đều được tăng lên so với quy định trong TCVN 2737:1995 “Tải trọng và tác động –Tiêu chuẩn thiết kế” [2], QCVN 02:2009 [10] và các quy chuẩn, tiêu chuẩn liên quan khác.
Các công trình kết cấu tháp thép cao từ 100 m trở lên là kết cấu mảnh, nhạy cảm với tải trọng gió, nguy hiểm khi có bão. Vài năm trở lại đây, có một số công trình tháp viễn thông có chiều cao lớn bị đổ do bão (tháp phát sóng cao
180 m của Đài Phát thanh Truyền hình Nam Định ngày 28/10/2012, cột phát sóng Đài Tiếng nói Việt Nam tại thành phố Đồng Hới tỉnh Quảng Bình ngày 30/9/2013).
Trang 122
Việc tính toán tháp thép viễn thông theo Tiêu chuẩn Việt Nam hiện chỉ áp dụng theo TCVN 2737:1995, TCXD 229:1999 “Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió theo TCVN 2737:1995” [4], TCVN 5575:2014 ‘Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế” [3] và các tiêu chuẩn liên quan khác, không có tiêu chuẩn riêng cho tính toán kết cấu tháp thép. Ngoài ra, việc tính toán xác định tải trọng gió lên từng thanh dàn của tháp thép theo Tiêu chuẩn Việt Nam
Vì vậy, việc nghiên cứu một tiêu chuẩn TIA-222-G để áp dụng tính toán tháp thép viễn thông tự đứng có xét đến điều kiện thực tế ở Việt Nam là cần thiết,
+ Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Trang 133
- Đối tượng nghiên cứu: Tháp viễn thông tự đứng làm bằng kết cấu thép, có
chiều cao lớn, chịu tải trọng gió, xây dựng tại Việt Nam – Cụ thể: Tính toán
lại tháp truyền hình Nam Định cao 180 m, xây dựng tại Nam Định.
- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu và tính toán tháp thép viễn thông tự đứng
bằng thép chịu tải trọng gió theo tiêu chuẩn Mỹ TIA-222-G và tiêu chuẩn Việt Nam.
+ Phương pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu lý thuyết tính toán tháp viễn thông bằng thép theo tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn Mỹ TIA-222-G.
Vận dụng vào tính toán cho ví dụ cụ thể.
Đưa ra được quy trình tính toán tháp viễn thông bằng thép và rút ra những kết luận, kiến nghị và khuyến cáo việc áp dụng tiêu chuẩn Mỹ TIA-222-G [12]
trong tính toán tháp viễn thông tự đứng ở Việt Nam
Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong quá trình thực hiện luận văn là phương pháp thu thập, tổng hợp, phân tích tài liệu, phương pháp lý luận biện chứng. Ngoài ra còn sử dụng mô hình phần tử hữu hạn và các phần mềm phân tích kết cấu để tính toán và so sánh kết cấu tháp viễn thông chịu tải trọng gió
theo các tiêu chuẩn nêu trên
+ Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Nghiên cứu áp dụng tiêu chuẩn Mỹ TIA-222-G trong tính toán thiết kế tháp thép viễn thông tự đứng xây dựng tại Việt Nam.
So sánh kết quả tính toán tháp thép chịu tải trọng gió theo tiêu chuẩn mỹ và
tiêu chuẩn Việt Nam
+ Cấu trúc luận văn
Luận văn gồm phần mở đầu, 4 chương, tài liệu tham khảo và các phụ lục. Trong đó, nội dung các chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về tháp thép viễn thông tự đứng:
Trang 144
Trang 15THÔNG BÁO
Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội
Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội
Email: digilib.hau@gmail.com
TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN
Trang 16109
Tính toán tháp theo tiêu chuẩn TIA-222-G
Sơ đồ tính
Hệ dàn không gian nhiều bậc siêu tĩnh, liên kết đầu thanh
là liên kết khớp.
Hệ dàn không gian nhiều bậc siêu tĩnh, liên kết đầu thanh là liên kết khớp.
Tải trọng
bản thân
Được tính toán dựa trên kích thước cấu kiện.
Được tính toán dựa trên kích thước cấu kiện.
Tải trọng
gió
Bao gồm hai thành phần:
Tải gió tĩnh: tính thông qua vận tốc gió 3 giây, chu kỳ lặp 20 năm. Hệ số an toàn của tải trọng gió là 1,2.
Tải gió động: phụ thuộc vào chu kỳ dao động, khối lượng phân bố của công trình, được tính thông qua tải trọng gió tĩnh, có thể phải tính với nhiều chu kỳ dao động khác nhau.
Với đốt No.20-(SPX) (đốt D02), theo phương vuông góc, tải trọng gió tĩnh tác
Được tính đơn giản thông qua vận tốc gió 3 giây, chu kỳ lặp
50 năm.
Tải gió được tính cho từng đốt tháp và phân phối đều cho các liên kết chân đốt.
Thành phần áp lực gió và xung áp lực gió được tính gộp trong cùng 1 công thức, đảm bảo việc tính toán dễ dàng, ít nhầm lẫn.
Với đốt No.20-(SPX) (đốt D02), theo phương vuông góc, tải trọng gió tác dụng lên đốt
là 25,831 (kN), theo phương
Trang 17110
dụng lên đốt là 15,75 (kN), thành phần động tính cho 5 chu kỳ dao động đầu tiên là 11,62 (kN)
cơ bản 2 (tĩnh tải và nhiều tải ngắn hạn) có xét tới hệ số xuất hiện không đồng thời của các tải trọng ngắn hạn.
Tiêu chuẩn TIA-222-G đưa ra hai tổ hợp tải trọng cho tháp viễn thông, có xét tới trường hợp giảm tải trọng tĩnh tải. Khi tính tải trọng, TIA-222-G không đưa hệ số vượt tải vào tính toán, nhưng bổ xung hệ số khi tổ hợp tải trọng.
Trang 18111
toán theo TIA-222-G lớn hơn nội lực khi tính theo tiêu chuẩn Việt Nam
Tính toán
cấu kiện
Theo tiêu chuẩn Việt Nam, trong tháp viễn thông tự đứng, phần tử thanh đều được xét như nhau, bao gồm trường hợp chịu kéo và trường hợp chịu nén.
Ứng suất giới hạn của vật liệu không thay đổi trong các công thức kiểm tra khả năng chịu lực.
- Cấu kiện 5259 Tiết diện CHS355,6x9,5
- Cấu kiện 5408 Tiết diện CHS139,7x5,4
- Cấu kiện 5706 Tiết diện CHS273,1,3x9,3
- Cấu kiện 2763 Tiết diện CHS48,3x3,2
Theo tiêu chuẩn TIA-222-G, phần tử thanh trong tháp viễn thông được chia thành phần tử giằng và phẩn tử chân, thanh chia nhỏ, …., trong đó lại phân chia thành các trường hợp chịu tải khác nhau, hình dáng mặt cắt cấu kiện khác nhau
Ứng suất giới hạn của vật liệu trong mỗi cấu kiện thay đổi theo hình dáng mặt cắt (độ mảnh của tiết diện).
- Cấu kiện 5259 Tiết diện CHS355,6x12,7
- Cấu kiện 5408 Tiết diện CHS139,7x6,4
- Cấu kiện 5706 Tiết diện CHS273,1x14,0
- Cấu kiện 2763 Tiết diện CHS48,3x4,5
Kiểm tra
ổn định
Tiêu chuẩn Việt Nam không
có quy định riêng cho công trình tháp viễn thông tự
Tiêu chuẩn TIA-222-G quy định cụ thể điều kiện ổn định của tháp bao gồm điều kiện về
Trang 19112
đứng, nên khi xét điều kiện
ổn định tổng thể của tháp, chỉ xét tới điều kiện độ mảnh tổng thể, điều kiện ổn định gió động, không có giới hạn
về góc xoay và chuyển vị đỉnh tháp.
chuyển vị đỉnh tháp, góc xoay tương đối lớn nhất của tháp. Các điều kiện này có thể được kiểm tra dễ dàng thông qua kết quả phân tích kết cấu.
4.2 Kết luận
- Tải trọng gió theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737:1995 xác định căn
cứ vào vận tốc gió 3 giây, tại độ cao 10 m tính từ mặt đất, địa hình dạng B, chu kỳ lặp 20 năm, khác với tiêu chuẩn TIA-222-G tính với vận tốc gió 3 giây, độ cao 10 m, địa hình tương đương dạng B theo tiêu chuẩn Việt Nam, chu kỳ lặp 50 năm.
- Tính toán tải trọng gió tác dụng lên tháp viễn thông tự đứng bằng thép theo tiêu chuẩn Việt Nam phải trải qua nhiều bước tính phức tạp, phụ thuộc vào chu kỳ dao động riêng, phải xét tới nhiều dạng dao động khác nhau, tải trọng gió được gán vào mô hình và tổ hợp rất khó khăn, mất nhiều thời gian, nên dễ phát sinh nhầm lẫn khó kiểm soát trong quá trình phân tích kết cấu tháp bằng phần mềm ứng dụng (do không có phần mềm chuyên dụng).
- Vận tốc gió đưa vào tính toán theo TIA-222-G lớn hơn, nhưng tải trọng gió tính theo TIA-222-G (không nhân với hệ số tổ hợp 1,6) lại nhỏ hơn (gần bằng) tải trọng gió khi tính theo tiêu chuẩn Việt Nam (khi không nhân với hệ
số độ tin cậy 1,2). Khi tính toán thiết kế tháp thép, các hệ số độ tin cậy, hệ số
tổ hợp của tiêu chuẩn Mỹ và tiêu chuẩn Việt Nam được cho và so sánh trong bảng 4.2 dưới đây.
Trang 20
113
Bảng 4.2 – Bảng so sánh các hệ số tải trọng theo 2 tiêu chuẩn
Tiêu chuẩn Trường hợp Tĩnh tải Tải trọng gió
- Kết quả nội lực tính theo TIA-222-G (đã nhân với hệ số tổ hợp 1,6, xem bảng 4.2) lớn hơn theo tiêu chuẩn Việt Nam (đã nhân với hệ sốt ổ hợp 1,2).
- Tính toán kiểm tra khả năng chịu lực đối với từng cấu kiện theo tiêu chuẩn Việt Nam có thể đơn giản hơn so với tính toán khả năng chịu lực khi sử dụng TIA-222-G. Tuy nhiên, tính toán theo tiêu chuẩn Việt Nam không kể đến đặc tính làm việc khác nhau của các cấu kiện thanh trong tháp viễn thông
tự đứng, không xét tới ảnh hưởng của kích thước tiết diện tới ứng suất giới hạn thay đổi khi làm việc chịu nén (điều kiện ổn định cục bộ) mà chỉ xét tới khả năng mất ổn định tổng thể của thanh. Tiêu chuẩn TIA-222-G có xét đến những yếu tố này.
- Kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể của tháp theo TIA-222-G đơn giản hơn so với kiểm tra ổn định theo tiêu chuẩn Việt Nam do có thể sử dụng kết quả từ phân tích kết cấu bằng phần mềm chuyên dụng cho tháp thép. Ngoài