Tính toán thiết kế chân cột đơn thân theo tiêu chuẩn mỹ (luận văn thạc sĩ)

MỞ ĐẦU * Lý do chọn đề tài Hiện nay cùng với sự phát triển của nền kinh tế và nhất là sự phát triển của ngành điện lực và ngành viễn thông, nhu cầu sử dụng ngày càng nhiều các trạm thu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

-

ĐẶNG VĂN DŨNG

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHÂN CỘT ĐƠN THÂN

THEO TIÊU CHUẨN MỸ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Hà Nội - 2019

-

ĐẶNG VĂN DŨNG KHÓA: 2017 - 2019

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHÂN CỘT ĐƠN THÂN

THEO TIÊU CHUẨN MỸ

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS TS VŨ QUỐC ANH

XÁC NHẬN CỦA CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN

Hà Nội - 2019

LỜI 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 môn Kết cấu thép – gỗ

đã có những ý kiến đóng góp quý báu cho bản thảo luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Vũ Quốc Anh – Trường đại học Kiến trúc

Hà Nội, Bộ Xây dựng đã tận tình giúp đỡ, huớng 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 … tháng … năm 2019

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Đặng Văn Dũng

LỜI 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

Đặng Văn Dũng

MỤC LỤC

Lời cảm ơn

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục các bảng, biểu

Danh mục các hình vẽ

MỞ ĐẦU

* Lý do chọn đề tài 1

* Mục đích nghiên cứu 1

* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

* Phương pháp nghiên cứu 2

* Cấu trúc luận văn 2

NỘI DUNG LUẬN VĂN 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CỘT ĐƠN THÂN 3

1.1 Giới thiệu cột đơn thân 3

1.2 Các công trình cột đơn thân 4

1.2.1 Cột đường dây tải điện 4

1.2.2 Cột đèn chiếu sáng 7

1.2.3 Cột viễn thông đơn thân 8

1.3 Cấu tạo chân cột và các kiểu liên kết chân cột vào móng 17

1.3.1 Cấu tạo chân cột 17

1.3.2 Liên kết chân cột với móng 18

1.4 Các phương pháp tính toán cột đơn thân và liên kết chân cột 20

1.5 Nhận xét 21

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN CHÂN CỘT ĐƠN THÂN THEO TIÊU CHUẨN MỸ 22 2.1 Quy trình tính toán cột viễn thông đơn thân 22

2.1.1 Xác định yêu cầu thiết kế 22

2.1.2 Lựa chọn xác định hình dáng cột, lựa chọn kích thước sơ bộ đốt cột, vật liệu thép kết cấu, lập sơ đồ tính 23

2.1.3 Xác định tải trọng tác dụng lên cột, tổ hợp tải trọng 30

2.1.4 Phân tích kết cấu và xuất kết quả 46

2.1.5 Tính toán cấu kiện, tính toán liên kết 46

2.2 Tính toán thân cột theo tiêu chuẩn Mỹ 49

2.2.1 Đặc trưng tiết diện: 49

2.2.2 Cấu kiện chịu nén - tiết diện đa giác 52

2.2.3 Cấu kiện chịu cắt 53

2.2.4 Cấu kiện chịu uốn 54

2.2.5 Cấu kiện chịu ứng suất kết hợp 55

2.3 Tính toán chân cột theo tiêu chuẩn Mỹ 56

2.3.1 Tính toán bản đế trường hợp sử dụng tấm đế tròn 56

2.3.2 Tính toán bản đế trường hợp sử dụng tấm đế vuông 59

2.3.3 Tính toán bu lông neo 63

CHƯƠNG 3 CÁC VÍ DỤ TÍNH TOÁN CỘT ĐƠN THÂN THEO TIÊU CHUẨN MỸ 65

3.1 Tính toán thân cột và xác định nội lực chân cột viễn thông đơn thân 65

3.2.1 Tính toán bản đế 80

3.2.2 Tính toán bu lông neo 87

3.3 Tính toán bản đế chân cột trường hợp sử dụng tấm đế vuông 88

3.3.1 Tính toán bản đế 88

3.3.2 Tính toán bu lông neo 92

3.4 So sánh kết quả 93

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

DANH MỤC BẢNG, BIỂU

Bảng 2.3 Cường độ tính toán của thép cán và thép ống 24 Bảng 2.4 Cường độ tiêu chuẩn fy, fu cường độ tính toán f của

Bảng 2.5 Cường độ tiêu chuẩn fy, fu và cường độ tính toán f của thép hợp kim thấp 25 Bảng 2.6 Bảng chỉ tiêu cơ học của một số thép theo ASTM 26

Bảng 2.8 Cường độ kéo đứt tiêu chuẩn fwun và cường độ tính toán fwf của kim loại hàn trong mối hàn góc 28 Bảng 2.9 Cường độ tính toán của liên kết một bulông 29 Bảng 2.10 Cường độ tính toán chịu cắt và kéo của bulông 29 Bảng 2.11 Cường độ tính toán chịu ép mặt của bulông fcb 30 Bảng 2.12 Thông tin về phân loại dạng địa hình theo các tiêu

Bảng 2.13 So sánh phân loại địa hình theo 2 tiêu chuẩn

Bảng 2.15 Thông số xác định vận tốc gió cơ sở theo các tiêu chuẩn: 35

Bảng 2.17 Bảng hệ số theo hướng gió, Kd [11] 39 Bảng 2.18 Bảng hệ số tầm quan trọng của công trình, I [11] 39

Bảng 2.20 Bảng hệ số điều kiện địa hình [11] 41 Bảng 2.21 Hệ số lực (Cf) cho kết cấu trụ [11] 42 Bảng 2.22 Hệ số lực (Ca) cho phụ kiện [11] 44

Bảng 3.3 Thiết bị treo trên cột 66 Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật tiết diện cột thép 66

Bảng 3.7 Tải trọng gió tác dụng lên thân cột 71

Hình 1.4 Hình ảnh cột đơn thân ngụy trang cây dừa đặt

Hình 1.5 Hình ảnh cột đơn thân ngụy trang cây cách điệu

Hình 1.6 Hình ảnh cột đơn thân ngụy trang cây cách điệu đặt

Hình 3.3 Sơ đồ gán tĩnh tải tác dụng lên cột 74

Hình 3.5 Mặt cắt ngang tiết diện chân cột kết cấu thép 77

MỞ ĐẦU

* Lý do chọn đề tài

Hiện nay cùng với sự phát triển của nền kinh tế và nhất là sự phát triển của ngành điện lực và ngành viễn thông, nhu cầu sử dụng ngày càng nhiều các trạm thu phát sóng, đặc biệt là các cột anten thân thiện đặt trong thành phố, việc sử dụng cột đơn thân là thiết yếu nhằm phục vụ mục đích sản xuất và góp phần làm đẹp cảnh quan, làm tăng giá trị mỹ quan tự nhiên của khu vực hay quần thể xung quanh Cột đơn thân

có kết cấu chịu lực chính là thân cột, chiều cao lớn và trên đỉnh cột treo nhiều thiết bị viễn thông nên việc lựa chọn và tính toán để cột đảm bảo khả năng làm việc bình thường được đề cao

Trong tính toán kết cấu cột đơn thân thì chân cột là bộ phận rất quan trọng Chân cột đóng vai trò tiếp nhận và truyền lực từ kết cấu phần thân xuống móng Sơ đồ tính chân cột liên kết với móng có thể quan niệm là khớp, ngàm, ngàm đàn hồi Tuy nhiên

về sự phân bố ứng suất dưới bản đế chân cột hiện có một số quan điểm tính toán khác nhau dẫn đến việc tính toán chân cột và bản đế chân cột có những sự khác nhau nhất định Đề tài này đề cập đến sự phân bố ứng suất dưới bản đế chân cột khi chịu lực nén đúng tâm hoặc lệch tâm và phương pháp tính toán bản đế chân cột theo tiêu chuẩn

Mỹ

* Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu về cách thức, phương pháp tính toán chân cột theo các tiêu chuẩn Mỹ Hiện nay, cột đơn thân đang dược sử dụng ngày càng nhiều, việc tính toán thiết kế cột đơn thân cũng như bản đế chân cột đơn thân ở Việt Nam chưa có tiêu chuẩn thiết

kế cụ thể, luận văn này đưa ra quy trình tính toán cột đơn thân và phương pháp tính toán chân cột đơn thân theo tiêu chuẩn Mỹ

Kết luận, kiến nghị, đề xuất phương pháp áp dụng tiêu chuẩn Mỹ khi tính toán thiết kế chân cột đơn thân ở Việt Nam

* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Cột đơn thân làm bằng kết cấu thép, đặc biệt là bản đế chân cột liên kết với móng Cụ thể tính toán cột viễn thông đơn thân cao 28m, xây dựng tại Hà Nội

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu và tính toán cột viễn thông đơn thân bằng thép

chịu tải trọng gió theo tiêu chuẩn Mỹ TIA-222-G

* Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết tính toán bản đế chân cột theo tiêu chuẩn, quy phạm Mỹ Vận dụng vào tính toán cho các ví dụ cụ thể

Đưa ra được quy trình tính cột viễn thông đơn thân bằng thép và rút ra những kết luận, kiến nghị và khuyến cáo việc áp dụng tiêu chuẩn Mỹ TIA-222-G [11] trong tính toán

cột viễn thông đơn thân ở Việt Nam

* Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị, tài liệu tham khảo, luận văn bao gồm 3 chương như sau:

Chương 1 Tổng quan về cột đơn thân

- Giới thiệu cột đơn thân

- Các công trình cột đơn thân

- Cấu tạo chân cột và các kiểu liên kết chân cột vào móng

- Các phương pháp tính toán cột đơn thân và liên kết chân cột

Chương 2 Tính toán chân cột đơn thân theo tiêu chuẩn mỹ

- Quy trình tính toán cột viễn thông đơn thân

- Tính toán thân cột theo tiêu chuẩn Mỹ

- Tính toán chân cột theo tiêu chuẩn Mỹ

Chương 3 Các ví dụ tính toán cột đơn thân theo tiêu chuẩn Mỹ

- Tính toán thân cột và xác định nội lực chân cột viễn thông đơn thân

- Tính toán chân cột theo tiêu chuẩn Mỹ trường hợp sử dụng tấm đế tròn

- Tính toán chân cột theo tiêu chuẩn Mỹ trường hợp sử dụng tấm đế vuông

NỘI DUNG LUẬN VĂN

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CỘT ĐƠN THÂN

- Cột đơn thân (monopole) là công trình xây dựng có chiều cao lớn, phục vụ công tác lắp đặt đường dây điện trung thế, lắp đặt thiết bị thu phát sóng viễn thông hoặc lắp đặt thiết bị đèn chiếu sáng, camera an ninh Kết cấu thân cột liên kết với móng cột và đứng độc lập, không có kết cấu phụ như thanh chống hoặc dây neo Cột đơn thân sử dụng phổ biến trong ngành điện lực và viễn thông hiện này là cột bê tông cốt thép dự ứng lực hoặc cột thép Đặc điểm ưu việt của sản phẩm này là có tính thẩm

mỹ cao, tiết kiệm diện tích xây dựng, ngoài ra sản phẩm được thiết kế theo module lắp ghép, cấu trúc ít phần tử nên dễ dàng quản lý chất lượng, thời gian lắp đặt nhanh, kết cấu móng đơn giản

- Kết cấu thân cột thể hiện ưu điểm tuyệt đối trong xây dựng cột viễn thông cũng như lắp đặt đường dây tải điện bởi có thể đạt chiều cao lớn, hình dáng kiến trúc đẹp, diện đón gió nhỏ Một số cột viễn thông còn có thể ngụy trang tạo điểm nhấn trong không gian đô thị và tạo nét thân thiện với môi trường

- Cột đơn thân được tổ hợp từ các đoạn cột thép hoặc bê tông cốt thép dự ứng lực, dễ dàng liên kết để đạt chiều cao thích hợp Các đốt cột thường có dạng hình trụ hoặc hình côn thu liên kết với nhau thông qua mặt bích – bu lông hoặc được nối lồng đối với các đột cột thép

- Mặt cắt ngang thân cột có dạng hình tròn, hình vuông hoặc đa giác đều, mặt cắt đứng cột thường hình chữ nhật hoặc hình thang

- Hiện nay, với nhu cầu sử dụng ngày càng nhiều kết cấu thân cột gọn nhẹ cùng với sự kết hợp nhiều công năng trên thân cột đã đặt ra yêu cầu mới đối với việc áp dụng và phát triển kết cấu cột đơn thân, mở ra con đường rộng lớn cho tương lai của

nó

1.2 Các công trình cột đơn thân

1.2.1 Cột đường dây tải điện

- Hiện nay, đối với các đường dây cao thế cấp điện từ 110kV trở lên, khi đi qua các khu vực dân cư, thành phố, thị xã… việc tìm vị trí xây dựng móng và cột là rất khó khăn, do giá cả đền bù đất thấp, diện tích xây dựng không đủ lớn để trồng các cột thép hình thông dụng hoặc chiếm hết vỉa hè và mặt tiền kinh doanh của người dân Cột thép đơn thân là giải pháp tối ưu dành cho những khu vực nêu trên Thân cột là các đoạn ống đa giác côn ghép lồng nhau để đạt được chiều cao mong muốn Độ dài của các đoạn ống được thiết kế tối ưu nhằm đảm bảo cho số mối ghép lồng là ít nhất Các tay xà được lắp với thân cột bởi liên kết mặt bích bu lông

So sánh với các loại cột thông dụng dùng cho đường dây tải điện cao, trung và hạ thế như cột bê tông, cột gỗ và cột thép thanh giằng, thì cột thép điện lực thân đơn là sản phẩm công nghệ mới có rất nhiều ưu điểm vượt trội Đặc biệt đối với lưới điện trung cao thế trong thành phố thì cột thép điện lực thân đơn là sản phẩm duy nhất đáp ứng

được tính thẩm mỹ cao và chiếm diện tích nhỏ nhất

- Trên thế giới, cột đơn thân đã được sử dụng rộng rãi, đặc biệt là ở các nước phát triển Nó đã dần dần thay thế cho các loại cột truyền thống như cột thép dạng tháp, cột bê tông ly tâm nhờ vào những ưu điểm nổi bật như:

+ Giảm thiểu diện tích chiếm đất của cột và móng, giảm hành lang tuyến Điều này đặc biệt quan trọng, quyết định đến khả thi của nhiều dự án trong khu đô thị, thành phố;

+ Có tính thẩm mỹ cao, góp phần làm đẹp cảnh quan xung quanh, đây là điều kiện bắt buộc mà cột tháp sắt và bê tông ly tâm không có được tính năng này;

+ Cho phép bố trí nhiều loại đường dây trên cùng một cột, điều này dùng cột thép dạng tháp bố trí sẽ rất khó khăn, không hài hòa;

+ Thi công lắp dựng thuận tiện, nhanh chóng;

+ Kết cấu đơn giản, ít chi tiết và tăng tuổi thọ đường dây…v.v

Tuy nhiên, bên cạnh những lợi ích và thuận lợi nêu trên, việc dùng cột đơn thân sẽ làm tăng giá trị cho công trình Do giá thép của cột đơn thân cao gấp 2-3 lần so với

thép hình thông thường và cột đơn thân luôn có khối lượng cao hơn cột thép dạng tháp (gấp 1,5-2 lần)

Với những phân tích trên, nhưng đối với các trường hợp đặc biệt bắt buộc phải sử dụng cột đơn thân để giải quyết các khó khăn về mặt bằng Tại Việt Nam, cũng đang dần sử dụng cột đơn thân thay cho các cột thép dạng tháp thông thường, đặc biệt các thành phố lớn như Hà Nội, TP HCM…v.v Hiện nay, đối với Tổng công ty Điện lực miền Nam đã đầu tư nhiều công trình có sử dụng trụ đơn thân nêu trên và đã được Công ty Tư vấn điện miền Nam thiết kế, điển hình: Các lộ ra 110kV trạm biến áp 220kV Đức Trọng, tỉnh Lâm Đồng; trạm 110kV khu công nghiệp VSIP II MR1 và đường dây đấu nối tỉnh Bình Dương; xây dựng mới đường dây 2 mạch kết nối Dệt May – Nhơn Trạch 6 – Nhơn Trạch 3 – Long Thành, tỉnh Đồng Nai; trạm 110kV khu công nghiệp Bến Lức và đường dây đấu nối [8]…

Hình 1.1 - Cột điện đơn thân sử dụng làm đường dây tải điện

Hình 1.2 - Cột điện đơn thân trên vỉa hè khu công nghiệp

1.2.2 Cột đèn chiếu sáng

Hình 1.3 - Hình ảnh cột đèn chiếu sáng

Cùng với sự phát triển của ngành giao thông thì cột đèn chiều sáng hiện hữu ngày càng nhiều, với nhu cầu đó thì việc thiết kế, sản xuất, lắp dựng cột đèn chiếu sáng rất được quan tâm

- Cấu trúc thân cột

Thân cột là ống thép côn liên tục không cho phép có mối hàn nối ngang thân Mặt cắt ngang của ống bao gồm nhiều loại theo yêu cầu như hình tròn, bát giác, đa giác Các loại cột cao được thiết kế theo bởi các đoạn ống thép côn lồng nhau sao cho số đoạn lồng là ít nhất

- Vật liệu chế tạo

Vật liệu chính dùng để chế tạo thân cột là tôn thép cuộn cán nóng SS400 có chiều dày

từ 3mm đến 8mm phù hợp với tiêu chuẩn JIS 3101 hoặc tương đương

- Mối hàn sườn

Mối hàn dọc theo thân cột được thực hiện bởi công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc bảo vệ theo tiêu chuẩn AWD 1.1 trên máy bóp hàn tự động

- Xử lý bề mặt

Tất cả các sản phẩm tiêu chuẩn sau khi chế tạo đều được mạ nhúng kẽm nóng phù hợp theo tiêu chuẩn ASTM-A123 Các yêu cầu thêm về sơn phủ bề mặt ngoài sản phẩm để tăng độ bền và đảm bảo tính thẩm mỹ đều được đáp ứng

1.2.3 Cột viễn thông đơn thân

- Hiện nay, tốc độ phát triển chóng mặt của ngành viễn thông, đặc biệt là nhu cầu sử dụng sóng di động Tương ứng với sự chuyển dịch của thị trường thiết bị di dộng, các nhà mạng cũng bước vào đua giành thị phần người dùng sử dụng 4G Bộ Thông tin

và Truyền thông đã cấp phép cho 4 nhà mạng được cung cấp dịch vụ 4G trên băng tần 1.800 MHz Theo đó các bên đang đều chú trọng nâng cao năng lực cạnh tranh của mình

- Trong cuộc đua 4G, số lượng trạm phát sóng là một trong những yếu tố quan trọng hàng đầu Theo thống kê của Mobifone, dự kiến trong năm nay, công ty này sẽ hoàn thành xây dựng 30.000 trạm và phủ sóng 4G toàn quốc Hai đối thủ lớn còn lại tại Việt Nam là Viettel và Vinaphone cũng không hề tỏ ra kém cạnh trong cuộc đua với 36.000 và 21.000 trạm

- Để xây dựng được số lượng lớn các trạm phát sóng kể trên là thì vấn đề đặt ra là thiết kế loại cột phù hợp với cả thành thị, nông thôn và miền núi Đặc biệt là khu vực thành thị với nhu cầu sử dụng lớn các dịch vụ viễn thông Với sự quy hoạch của thành phố thì quỹ đất để xây dựng những trạm phát sóng là rất khó khăn, chỉ có cột đơn thân là đáp ứng được diện tích nhỏ trên hành lang vỉa vè, đảo giao thông, phù hợp cảnh quan đô thị

Hình 1.4 - Hình ảnh cột đơn thân ngụy trang cây dừa đặt tại đảo giao thông

Hình 1.5 - Hình ảnh cột đơn thân ngụy trang cây cách điệu đặt tại đảo giao thông

- Cột viễn thông đơn thân kết cấu thép: Cấu trúc thân cột chính là các đoạn ống thép

đa giác côn ghép lồng nhau, được thiết kế đẹp và dễ dàng lắp ghép các thiết bị truyền

thông lên cột dùng làm trạm thu phát sóng, như Ăng-ten trạm BTS, trạm thu phát Camera, trạm thu phát Radio Các bộ phận chính của cột bao gồm:

+ Thân cột: được thiết kế bởi các đoạn ống thép đa giác côn ghép lồng nhau đạt chiều cao của trụ mong muốn Chiều dài của mỗi đoạn ống được chọn tối ưu sao cho số đoạn lồng nhau là ít nhất và đảm bảo điều kiện thi công lắp dựng, vận chuyển thực tế tại vị trí xây dựng Đoạn ống gốc cột được hàn với bản đế chân cột loại có sườn hoặc không có sườn, chân cột liên kết với móng bê tông cốt thép thông qua cụm bu lông được định vị sẵn trong móng

+ Thang trèo: được thiết kế bởi các bậc thang bên ngoài có các đai vòng bảo vệ đảm bảo an toàn tuyệt đối Thang kết cấu thành từng đoạn ngắn được lắp vào thân cột bởi liên kết bu lông Kết cấu bao gồm kiểu thang treo liên tục hoặc thang trèo ngắt quãng

có bậc dừng nghỉ tuỳ theo yêu cầu cụ thể

+ Máng cáp đứng: bao gồm các thanh dẫn ngắn được lắp dọc theo thân cột hoặc đi trong lòng cột để tăng tính mỹ quan, hệ thống đảm bảo an toàn cho việc dễ dàng lắp đặt và bảo vệ cáp an toàn

+ Chiếu nghỉ: lắp Ăng-ten cấu trúc bằng thép mạ nhúng kẽm nóng, tổ hợp lắp ghép bởi bu lông tại hiện trường lắp đặt Có nhiều loại chiếu nghỉ như loại tam giác, loại tròn, loại đa giác và có thể được lắp trên đỉnh cột hoặc quãng lưng chừng thân cột tuỳ theo từng yêu cầu thiết kế cụ thể

+ Máng cáp ngang: để bảo vệ cáp lắp từ thân cột đến nhà trạm đặt thiết bị Cấu trúc thành module từng đoạn ngắn, kết cấu cứng vững dễ lắp đặt có nắp che bảo vệ và được bắt vào thân cột hoặc đi trực tiếp trong lòng cột

+ Hệ thống chống sét: được thiết kế bởi hệ thống giá lắp tiêu chuẩn chờ lắp thiết bị chống sét theo yêu cầu

+ Hệ thống tiếp địa: tuỳ theo điều kiện cụ thể của nơi lắp dựng một số lượng các cọc tiếp địa được đóng xuống để đảm bảo điện trở tiếp đất cho phép, dây dẫn từ các cọc tiếp địa được kết nối liên hoàn và lắp vào thân cột bởi các tai bắt hàn phía trong thân cột, hệ thống tổ đất có thể là điện cực nông hoặc điện cực sâu tùy vào địa điểm xây dựng, đảm bảo giá trị điện trở của hệ thống tiếp đất nhỏ hơn giá trị yêu cầu

+ Đèn báo không: được gắn lên đỉnh cột bởi các giá bắt đèn tiêu chuẩn với mục đích phát sang vào ban đêm để cảnh báo tín hiệu

+ Giá lắp Ăng-ten: được thiết kế tổ hợp tiêu chuẩn bởi các tay đòn và vòng ôm lắp ghép bằng bu lông, thao tác dễ dàng thuận tiện, cho phép lắp chỉnh Ăng-ten theo nhiều vị trí và hướng khác nhau

Hình 1.6 - Hình ảnh cột đơn thân ngụy trang cây cách điệu đặt tại vỉa hè

Hình 1.7 – Bản vẽ cấu tạo cột đơn thân bằng thép cao 28m 3 đốt

Hình 1.8 – Bản vẽ cấu tạo cột đơn thân cao bằng thép cao 28m 6 đốt

Hình 1.9 - Hình ảnh cột đơn thân ngụy trang cây dừa đặt tại vỉa hè

- Cột viễn thông đơn thân bằng bê tông ly tâm dự ứng lực

+ Bê tông có cường độ cao và dẻo dai khi chịu nén nhưng lại có cường độ thấp và giòn khi chịu kéo nên, để cải thiện sự làm việc của nó, người ta sử dụng biện pháp nén trước những vùng bê tông sẽ chịu kéo dưới các tác động bên ngoài Việc nén trước bê tông như vậy đã tạo ra một dạng kết cấu bê tông mới – kết cấu bê tông dự ứng lực.

+ Cấu trúc của cột viễn thông đơn thân sử dụng bê tông ly tâm dự ứng lực gồm các

bộ phận tương tự như cột viễn thông đơn thân bằng thép Tuy nhiên, điểm khác biệt

là thân cột được làm bằng bê tông ly tâm dự ứng lực có độ bền cao, được chia thành các đoạn phù hợp với điều kiện sản xuất Đoạn phía trên cùng của cột được làm bằng ống thép kết cấu, giúp cho việc ghép nối các thiết bị phụ kiện được dễ dàng

+ Cột có cấu trúc đơn giản, ít phần tử, điều này giúp cho việc tính toán trở nên đơn giản hơn

Hình 1.10 - Cột viễn thông đơn thân bê tông cốt thép ly tâm dự ứng lực

- Nhiều chuyên gia quy hoạch đô thị đều cho rằng các trụ anten trạm phát sóng di động kiểu đơn điệu như phổ biến hiện nay là góp phần làm ô nhiễm cảnh quan, làm giảm giá trị mỹ quan tự nhiên của khu vực hay quần thể xung quanh Điều này dễ nhận thấy nhất là tại các khu du lịch, sân golf, resort hay công viên, việc xuất hiện các trụ sắt này sẽ làm phá hỏng hình ảnh đẹp đẽ của tổng thể cả khu vực

Để giải quyết vấn đề mỹ quan, các giải pháp ngụy trang hoặc thiết kế mỹ thuật cho cột anten đã được đưa ra từ năm 1992 tại Mỹ Theo đó các cột anten đã được hóa trang thành nhiều hình dạng khác nhau: cột cờ, cột thánh giá, tháp chuông, ống khói, cột đồng hồ… Phổ biến nhất là được ngụy trang thành những cây xanh đủ loại tùy môi trường xung quanh: cây cọ, cây dừa, cây tùng

Việc ngụy trang, làm đẹp cho cột sẽ có lợi không chỉ cho người dân và cảnh quan nói chung mà còn cho chính các mạng nữa Người dân không còn thấy bóng anten chĩa vào mình, cảm giác của họ sẽ thấy an toàn hơn Giúp giảm đi những khiếu nại sóng

di động ảnh hưởng đến sức khỏe người dân và các tranh chấp liên quan đến trạm thu phát sóng di động

Ở nước ta, ý tưởng về ngụy trang trụ anten trạm thu phát sóng di động để tăng tính

mỹ quan cho khu vực nơi mà nó được lắp đặt rõ ràng là không phải quá khó để nghĩ

ra Tuy nhiên, một mặt là do yêu cầu của người dân và chính quyền chưa quá khắc khe về vấn đề này, mặt khác có thể các nhà mạng lo ngại việc ngụy trang làm đẹp cột anten sẽ làm gia tăng lớn chi phí đầu tư

- Hiện nay, Ban quản lý dự án hạ tầng 1 – Chi nhánh tổng công ty viễn thông Mobifone đã đầu tư nhiều công trình có sử dụng trụ đơn thân nêu trên và được Công

ty Cổ phần Tư vấn Đầu tư và Xây dưng An Thành thiết kế, điển hình là các trạm phát sóng thân thiện đặt trong các khu đô thị và vỉa hè trên địa bàn thành phố Hà Nội…

1.3 Cấu tạo chân cột và các kiểu liên kết chân cột vào móng

1.3.1 Cấu tạo chân cột

- Cấu tạo chân cột phải đảm bảo được nhiệm vụ truyền tải trọng từ cột lên móng, phù hợp với sơ đồ tính là ngàm hoặc khớp và thuận tiện cho việc lắp dựng

Chân cột chỉ có bản đế là loại đơn giản nhất Loại này chỉ dùng cho chân cột khớp với móng

- Chân cột thông dụng là loại cấu tạo gồm các bộ phận: bản đế, dầm đế và các sườn dùng cho chân cột khớp với móng và thân cột ngàm với móng Các dầm đế và sườn phân phối tải trọng từ thân cột ra bản đế, đồng thời là gối đỡ cho bản đế chịu uốn do phản lực từ móng lên và làm tăng độ cứng cho bản đế cũng như toàn chân cột Nhờ

có các dầm đế và sườn mà bản đế làm việc nhẹ nhàng hơn, mỏng hơn và tải trọng phân bố lên móng được đều đặn hơn so với khi chỉ có bản đế Các dầm đế và sườn được hàn và thân cột Bản đế được hàn vào dầm đế, sườn và thân cột

- Bản đế của chân cột dù có hay không có các dầm đế và sườn, do yêu cầu cấu tạo lấy chiều dày không nhở hơn 20mm và không quá dày, khi có sườn và dầm đế không nên lấy bản đế dày hơn 40mm, khi chỉ có bản đế không được lấy nó dày quá 60-80mm

[9]

1.3.2 Liên kết chân cột với móng

Hình 1.11 - Hình ảnh chân cột viễn thông đơn thân

Hình 1.12 - Hình ảnh chân cột viễn thông đơn thân

Hình 1.13 - Hình ảnh cột viễn thông đơn thân bị hư hỏng

- Chân cột liên kết vào móng bằng bu lông neo Với chân cột liên kết khớp với móng,

bu lông neo được bắt trực tiếp vào bản đế Nhờ có tính dễ uốn của bản đế mà đảm bảo được tính khớp cần thiết của liên kết (phù hợp với chân cột có góc xoay tính toán nhỏ) Bu lông neo đặt theo cấu tạo, 2 hoặc 4 cái, đường kính 20 : 25mm Để dễ lắp dựng, lỗ bu lông trên bản đế có đường kính bằng 1,5 : 2 lần đường kính bu lông neo

Lỗ này được phủ kín bằng bản thép đệm ê cu dày 16 : 20mm và khoét lỗ rộng hơn đường kính bu lông 3mm Sau khi điều chỉnh cột đúng vị trí thiết kế, xiết chặt ê cu rồi hàn miếng đệm với bản đế

- Với chân cột ngàm vào móng, bu lông neo được bắt chặt vào các chi tiết đỡ trên các dầm đế hoặc sườn Biến dạng uốn của chi tiết đỡn, dầm đế hoặc sườn rất bé và các

bu lông neo được chọn có ứng suất kéo lớn nhất luôn luôn nhỏ hơn cường độ tính toán của nó nên góc xoay của chân cột được xem là không có, đáp ứng được tính ngàm giữa cột với móng

- Liên kết ngàm dùng ít nhất là bốn bu lông neo có d=20 : 36mm cho chân cột chịu nén đúng tâm và chân cột nén lệch tâm không có tổ hợp nội lực (M, N) gây kéo cho

bu lông neo Còn trường hợp cột nén lệch tâm sinh ra lực kéo trong các bu lông neo, thì các bu lông này được xác định theo lực kéo lớn nhất sinh ra trong nó, và đường kính của nó không nên chọn nhỏ hơn 24mm [4]

1.4 Các phương pháp tính toán cột đơn thân và liên kết chân cột

- Cột đơn thân là công trình đứng tự do, bản mã chân cột liên kết với móng thông qua

bu lông neo đặt sẵn trong móng Ở Việt Nam thì việc thiết kế cột đơn thân chưa có tiêu chuẩn riêng Khi tính toán tải trọng tải trọng tác dụng lên cột phải đồng thời áp dụng TCVN 2737:1995 [1], TCVN 229:1999 [2] và các tiêu chuẩn khác có liên quan Việc áp dụng 2 tiêu chuẩn này trong tính toán thiết kế cột đơn thân là rất phức tạp

- Ở Mỹ, cột viễn thông đơn thân có riêng tiêu chuẩn tính toán là ANSI/TIA-222 với các phiên bản khác nhau Tiêu chuẩn này đã được nhiều nước trên thế giới công nhận

áp dụng trực tiếp, độ tin cậy và tính an toàn cao

- Hiện nay có rất nhiều phần mềm thiết kế để tính ra nội lực và thiết kế cấu kiện theo tiêu chuẩn thiết kế kết cấu Trong phạm vi luận văn, tác giả sử dụng phần mềm SAP

2000 để mô hình không gian thân cột, gắn các tải trọng tác dụng lên cột, tổ hợp tải trọng, sau đó xuất nội lực của từng cấu kiện để phục vụ tính toán cấu kiện

- Các nút, các chi tiết liên kết của cột có cấu tạo phức tạp, việc tính toán thiết kế và gia công chế tạo đòi hỏi độ chính xác cao, đặc biệt là liên kết chân cột, bộ phần chịu tải chính để truyền xuống móng

- Phương pháp thiết kế thường là theo trạng thái giới hạn hoặc là ứng suất cho phép Với kết cấu thép còn có cả phương pháp hệ số tải trọng và hệ số độ bền

1.5 Nhận xét

Tuy cột đơn thân thể hiện được nhiều đặc tính ưu việt về công năng sử dụng và hình dáng thiết kế như kết cấu nhỏ gọn, thân thiện và diện tích chiếm đất nhỏ; quá trình thi công, duy tu bảo trì nhanh chóng, thân cột có tính mô đun, sản xuất lắp đựng toàn bộ được cơ giới hóa thì vẫn tồn lại một số nhược điểm như trọng lượng lớn hơn những kết cấu dạng tháp thanh giằng và trụ neo có cùng chiều cao Nhưng với sự phát triển nhanh chóng của các dịch vụ thông tin di động đòi hỏi mật độ cột an ten ngày càng cao và để hướng tới mục đích sử dụng nhiều trong thành phố, các khu đô thị, xét tới tính thẩm mỹ, tạo cảm giác thân thiện và diện tích chiếm chỗ nhỏ thì phương

án cột đơn thân là thiết yếu Vì thế, tôi lựa chọn đề tài nghiên cứu là: “Tính toán thiết

kế chân cột đơn thân theo tiêu chuẩn Mỹ”

Trong chương này có sử dụng một số hình ảnh và số liệu tham khảo từ một số trang mạng như www.litec.com.vn, vietnamplus.vn, vietvuong-telecom.vn

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN CHÂN CỘT ĐƠN THÂN THEO TIÊU CHUẨN

MỸ

2.1.1 Xác định yêu cầu thiết kế

- Loại cột: Cột đơn thân (Monopol)

- Chiều cao cột anten: H (m)

- Dạng thiết bị, số lượng thiết bị, chủng loại thiết bị

Bảng 2.1 - Bảng thông số anten thường dùng

STT Loại anten Kích thước

(mm)

Trọng lượng/cái (kg)

- Địa điểm xây dựng, vùng gió: Tra theo khu vực xây dựng

- Tiểu chuẩn thiết kế, tài liệu tham khảo

+ Tiêu chuẩn thiết kế

TIA-222-G: Structural Standard for Antenna Supporting Structures and Antennas ASCE/SEI 48-11: Design of Steel Transmission Pole Structures

+ Tài liệu tham khảo

QCVN 02-2009/BXD: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng

TCVN 2737-1995: Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế

TCVN 5575-2012: Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế

TCVN 5574:2012: Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế TCVN 1651-1 2008: Thép cốt bê tông

TCVN 8071-2009: Công trình viễn thông - Quy tắc thực hành chống sét và tiếp đất

2.1.2 Lựa chọn xác định hình dáng cột, lựa chọn kích thước sơ bộ đốt cột, vật liệu

thép kết cấu, lập sơ đồ tính

- Cột có dạng hình côn, mặt cắt ngang thân cột thường có tiết diện hình tròn hoặc

đa giác nhiều cạnh (16 hoặc 18 cạnh, dùng thép cán nóng), đốt cột được lựa chọn với các thông số được cho ở bẳng dưới đây:

Bảng 2.2 - Bảng thông số đốt cột đơn thân

STT Chiều dài

đoạn

Đường kính chân đoạn

Đường kính đỉnh đoạn Bề dày đoạn

- Vật liệu thép dùng trong kết cấu [4]

Vật liệu thép dùng trong kết cấu phải được lựa chọn thích hợp tùy theo tính chất quan trọng của công trình, điều kiện làm việc của kết cấu, đặc trưng của tải trọng và phương pháp liên kết, v.v…

Thép dùng làm kết cấu chịu lực cần chọn loại thép lò Mactanh hoặc lò quay thổi oxy, rót sôi hoặc nữa tĩnh và tĩnh, có mác tương đương với các mác thép CCT34, CCT38 (hay CCT38Mn), CCT42, theo TCVN 1765:1975 [5] và các mác tương ứng

của TCVN 5709:2009 [7] các mác thép hợp kim thấp theo TCVN 3104:1979 [6]

Thép phải được đảm bảo phù hợp với các tiêu chuẩn nêu trên về tính năng cơ học và

cả về thành phần hóa học

Không dùng thép sôi cho các kết cấu hàn làm việc trong điều kiện nặng hoặc trực tiếp chịu tải trọng động lực như dầm cầu trục chế độ nặng, dầm sát đặt máy, kết cấu hành lang băng tải, cột vượt của đường dây tải điện cao trên 60 mét, v.v… Cường độ tính toán của vật liệu thép cán và thép ống đối với các trạng thái ứng suất khác nhau được tính theo các công thức của Bảng 2.3 Trong bảng này, fy và fu

là cường độ tiêu chuẩn lấy theo giới hạn chảy của thép và cường độ tiêu chuẩn của thép theo sức bền kéo đứt, được đảm bảo bởi tiêu chuẩn sản xuất thép và được lấy là cường độ tiêu chuẩn của thép; M là hệ số độ tin cậy về vật liệu, lấy bằng 1,05 cho mọi mác thép

Cường độ tiêu chuẩn fy, fu và cường độ tính toán f của thép cácbon và thép hợp kim thấp cho trong Bảng 2.4 và Bảng 2.5 (với các giá trị lấy tròn tới 5 MPa)

Đối với các loại thép không nêu tên trong Tiêu chuẩn này và các loại thép của nước ngoài được phép sử dụng trong Bảng 2.4, lấy fy là cường độ tiêu chuẩn lấy theo giới hạn chảy nhỏ nhất và fu là cường độ tiêu chuẩn theo sức bền kéo đứt nhỏ nhất được đảm bảo của thép M là hệ số độ tin cậy về vật liệu, lấy bằng 1,1 cho mọi mác thép

Với các loại vật liệu kim loại khác như dây cáp, khối gang đúc, v.v…phải sử dụng các loại tiêu chuẩn riêng tương ứng

Bảng 2.3 - Cường độ tính toán của thép cán và thép ống

Ép mặt lên đầu mút (khi tì sát) fc fc = fu /M

Trạng thái làm việc Ký hiệu Cường độ tính toán

Ép mặt trong khớp trụ khi tiếp xúc

chặt

fcc fcc = 0,5 fu /M

Ép mặt theo đường kính của con lăn f cd fcd = 0,025 fu /M

Bảng 2.4 - Cường độ tiêu chuẩn fy, fu cường độ tính toán f của thép các bon (Mpa)

fu không phụ thuộc

CHÚ THÍCH: * Hệ số M đối với trường hợp này là 1,1; bề dày tối đa là 40 mm

Bảng 2.6 - Bảng chỉ tiêu cơ học của một số thép theo ASTM

Nước Ký hiệu

thép Loại thép

Ứng suất giới hạn nhỏ nhất, N/mm2

A514 Thép hợp kim nhiệt

- Vật liệu thép dùng trong liên kết [4]

Kim loại hàn dùng cho kết cấu thép phải phù hợp với các yêu cầu sau:

Que hàn khi hàn tay lấy theo TCVN 3223:1994 Kim loại que hàn phải có cường độ kéo đứt tức thời không nhỏ hơn trị số tương ứng của thép được hàn

Dây hàn và thuốc hàn dùng trong hàn tự động và bán tự động phải phù hợp với mác thép được hàn Trong mọi trường hợp, cường độ của mối hàn không được thấp hơn cường độ của que hàn tương ứng

Cường độ tính toán của mối hàn trong các dạng liên kết và trạng thái làm việc khác nhau được tính theo các công thức trong Bảng 2.7

Trong liên kết đối đầu hai loại thép khác nhau thì dùng trị số cường độ tiêu chuẩn nhỏ hơn

Chiều dài tính toán của mối hàn góc của một số loại que hàn cho trong Bảng 2.8

Bảng 2.7 - Cường độ tính toán của mối hàn

Dạng liên

Ký hiệu

Cường độ tính toán

Hàn đối

đầu

Nén, kéo và uốn khi kiểm tra chất lượng đường hàn bằng các phương pháp vật lý

Theo giới hạn chảy fw fw = f

Theo sức bền kéo đứt

chảy

fws fws = 0,45

fu

Dạng liên

Ký hiệu

Cường độ tính toán

CHÚ THÍCH 1: f v và fv là cường độ tính toán chịu kéo và cắt của thép được hàn;

fu và f wun là ứng suất kéo đứt tức thời theo tiêu chuẩn sản phẩm (cường độ kéo đứt tiêu chuẩn) của thép được hàn và của kim loại hàn

CHÚ THÍCH 2: Hệ số độ tin cậy về cường độ của mối hàn M lấy bằng 1,25 khi

fwun ≤ 490 Mpa và bằng 1,35 khi f wun  590 Mpa

Bảng 2.8 - Cường độ kéo đứt tiêu chuẩn fwun và cường độ tính toán fwf của kim loại

hàn trong mối hàn góc (Mpa)

Loại que hàn theo TCVN

Bảng 2.9 - Cường độ tính toán của liên kết một bulông

Trạng

thái làm

việc

Ký hiệu

Cường độ chịu cắt và kéo của bulông

ép mặt của cấu kiện thép có giới hạn chảy dưới

440 MPa

Cắt fvb fvb = 0,38 fub fvb = 0,4 fub f vb = 0,4 fub 

Kéo ftb ftb = 0,42 fub ftb = 0,4 fub ftb = 0,5 fub 