ĐÁNH GIÁ ỨNG XỬ CỦA THÁP ĂNG TEN CÓ HÌNH DẠNH TIẾT DIỆN KHÁC NHAU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ TẤN THANH CHƢƠNG

ĐÁNH GIÁ ỨNG XỬ CỦA THÁP ĂNG TEN
CĨ HÌNH DẠNH TIẾT DIỆN KHÁC NHAU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP

Đà Nẵng - Năm 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ TẤN THANH CHƢƠNG

ĐÁNH GIÁ ỨNG XỬ CỦA THÁP ĂNG TEN
CĨ HÌNH DẠNH TIẾT DIỆN KHÁC NHAU

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình DD&CN
Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. LÊ ANH TUẤN

Đà Nẵng - Năm 2018

i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.Các số liệu, kết quả nêu
trong luận văn do tơi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực và khách quan và chưa
từng được ai công bố trong bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào khác.
Tác giả luận văn

Lê Tấn Thanh Chƣơng


ii

ĐÁNH GIÁ ỨNG XỬ CỦA THÁP ĂNGTEN CĨ HÌNH DẠNG
TIẾT DIỆN KHÁC NHAU
Học viên: Lê Tấn Thanh Chương Chuyên ngành: Kỹ thuật XDCT DD&CN
Mã ngành: 60.58.02.08Khóa: K32 Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng
Tóm tắt –Ngày nay, các cơng trình tháp Ăng ten được thiết kế có nhiều hình dạng và chiều
cao khác nhau để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và thẩm mỹ kiến trúc của cơng trình. Các cơng
trình tháp thép trên thế giới cũng như việt nam ngày càng nhiều, quy mô về chiều cao ngày
càng lớn. Nhưng các tiêu chuẩn Việt Nam, EUROCODES, ACI... cũng chưa đề cập cụ thể về
việc lựa chọn hình dạng tiết diện mặt cắt ngang của tháp phù hợp với từng độ cao khác
nhau.Ngoài ra, tải trọng tác dụng vào tháp đặc biệt là tải trọng ngang (gió, động đất...) cũng
ảnh hưởng đáng kể. Việc nghiên cứu đánh giá ứng xử các dạng kết cấu tháp này nhằm cung
cấp cho người thiết kế có cái nhìn tổng quan hơn và đưa ra lựa chọn thiết kế hình dạng mặt
cắt ngang tháp phù hợp.
Từ khóa – Tháp Ăng ten, mặt cắt ngang tháp, tải trọng gió, tải trọng động đất, kết cấu tháp.

ASSESSING OF BEHAVIOR ANTENNA TOWERS ARE DIFFERENT CROSS
SECTION SHAPES
Abstract– Nowadays, antenna towers are designed in various shapes and heights to ensure
technical requirements and architectural aesthetics of buildings. There are more and more
steel tower projects in the words as well as in Viet Nam with is scale of greater height.But the
standards of Vietnam, EUROCODE, ACI ... have not mentioned in details how to choose the
cross section shape of tower suiting each different height. In addition, the load acting on
towers, particularly the horizontal load (wind, earthquake, etc.), also significantly affects.
Studying and assessing of these towers structure are to provide designers with a better holistic
view and choices of the right design of cross section shapes of towers.
Keywords– Antenna towers, cross section towers, wind load, earthquake load, tower
structure.


iii

MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... i
MỤC LỤC .................................................................................................................... iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................... v
DANH MỤC HÌNH ẢNH ...........................................................................................vii
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ....................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu đề tài .................................................................................. 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................... 2
4. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................. 3
6. Cấu trúc của luận văn .......................................................................................... 3
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU THÁP ĂNG TEN VÀ CÁC VẤN

ĐỀ LIÊN QUAN ............................................................................................................ 4
1.1. Tổng quan về kết cấu tháp ....................................................................................... 4
1.1.1. Hình dạng của tháp ........................................................................................ 4
1.1.2. Tiết diện mặt cắt ngang tháp.......................................................................... 5
1.1.3. Cấu tạo các hệ thanh của tháp ....................................................................... 5
1.2. Tải trọng tác dụng .................................................................................................... 7
1.2.1. Tỉnh tải ........................................................................................................... 7
1.2.2. Hoạt tải........................................................................................................... 8
1.2.3. Tải trọng gió .................................................................................................. 9
1.2.4. Tải trọng động đất........................................................................................ 16
1.2.5. Tải trọng do các ăng ten Parabol đặt lệch tâm trục ..................................... 25
1.2.6. Tổ hợp tải trọng ........................................................................................... 26
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH VÀ KHẢ NĂNG
CHỊU LỰC CỦA THÁP ĂNG TEN .......................................................................... 27
2.1. Cơ sở lý thuyết ....................................................................................................... 27
2.1.1. Vật liệu......................................................................................................... 27
2.1.2. Đặc trưng tiết diện hình học ........................................................................ 28
2.1.3. Chiều dài tính toán và độ mảnh của các thanh. ........................................... 29
2.1.4. Biến dạng của tháp ...................................................................................... 31
2.2. Tính tốn cấu kiện nhanh....................................................................................... 32
2.2.1. Thanh chịu nén ............................................................................................ 32


iv

2.2.2. Thanh chịu kéo ............................................................................................ 32
2.2.3. Ổn định tổng thể .......................................................................................... 32
2.3. Các phương pháp và giả thuyết tính tốn .............................................................. 33
2.3.1. Sơ đồ côngxon ............................................................................................. 33
2.3.2. Sơ đồ giàn phẳng ......................................................................................... 34

2.3.3. Sơ đồ không gian ......................................................................................... 34
CHƢƠNG 3. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ỨNG XỬ CỦA THÁP ĂNG TEN
CĨ HÌNH DẠNG TIẾT DIỆN KHÁC NHAU ......................................................... 35
3.1. Giả thiết điều kiện tính tốn .................................................................................. 35
3.2. Tháp có kích thước tiết diện không thay đổi theo chiều cao (0-75m) ................... 35
3.2.1. Sơ đồ tính và tiết diện các thanh .................................................................. 35
3.2.2. Tải trọng tính tốn ....................................................................................... 37
3.2.3. Kết quả phân tích ......................................................................................... 45
3.2.4. Nhận xét kết quả .......................................................................................... 48
3.3. Tháp có kích thước tiết diện thay đổi theo chiều cao (75-150m) .......................... 49
3.3.1. Sơ đồ tính và tiết diện các thanh .................................................................. 49
3.3.2. Tải trọng tác dụng ........................................................................................ 50
3.3.3. Kết quả phân tích ......................................................................................... 53
3.3.4. Nhận xét kết quả .......................................................................................... 59
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 62
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)


v

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Số hiệu

Tên bảng

Trang

1.1.

Giá trị giới hạn của tần số dao động riêng fL

12

1.2.

Hệ số tương quan không gian áp lực động ν của tải trọng gió.

13

bảng

1.3.

Các quan niệm thiết kế, cấp dẻo kết cấu, giới hạn trên của hệ
số ứng xử q

18

1.4.

Bảng phân loại đất nền theo TCVN 9386-2012.

1.5.

Giá trị các tham số biểu diễn phổ phản ứng dàn hồi của nền đất 20

1.6.

Giá trị giới hạn trên của hệ số ứng xử cho hệ kết cấu thông

thường

1.7.

Các yêu cầu về phân loại tiết diện thép của cấu kiện có khả
năng tiêu tán năng lượng theo cấp dẻo kết cấu và hệ số ứng xử

18

21
22

2.1.

Cường độ tính toán của thép cán và thép ống

27

2.2.

Cường độ tiêu chuẩn fy, fu cường độ tính tốn f của thép các
bon

27

2.3.

Cường độ tiêu chuẩn fy, fu vàcường độ tính tốn f của thép hợp
kim thấp

28

2.4.

Chiều dài tính tốn thanh trong hệ dàn khơng gian dùng thép
góc đơn

29

2.5.

Chiều dài quy ước của thanh xiên

30

2.6.

Hệ số chiều dài tính tốn của thanh xiên μd

30

2.7.

Độ mảnh giới hạn của thanh

31

3.1.

Chọn sơ bộ tiết diện thanh của tháp

35

3.2.

Bảng tra hệ số k0

39

3.3.

Bảng kết quả thành phần gió tĩnh của tháp hình vng

41

3.4.

Bảng kết quả thành phần gió tĩnh của tháp hình tam giác

41

3.5.

Bảng kết quả thành phần gió tĩnh của tháp hình lục giác

42

3.6.

Chu kỳ và tần số các dạng dao động của tháp

42

3.7.

Bảng tính tốn thành phần động của tải trọng gió Mode 2

43

3.8.

Bảng tính tốn thành phần động của tải trọng gió Mode 1

44

3.9.

Bảng kết quả tổ hợp tải trọng gió tháp hình vng

44

3.10.

Bảng kết quả tổ hợp tải trọng gió tháp hình tam giác

44

3.11.

Bảng kết quả tổ hợp tải trọng gió tháp hình lục giác

45


vi

Số hiệu

Tên bảng

Trang

3.12.

Kết quả kiểm tra ứng suất thanh cánh

45

3.13.

Kết quả kiểm tra ứng suất thanh xiên

46

3.14.

Kết quả ứng suất thanh, chuyển vị đỉnh, trọng lượng của các
tháp

47

3.15.

Bảng chọn sơ bộ tiết diện thanh tháp cao 100m

49

3.16.

Kết quả tải trọng gió phần tĩnh của tháp vng

51

3.17.

Kết quả tải trọng gió phần tĩnh của tháp tam giác

51

3.18.

Kết quả tải trọng gió phần tĩnh của tháp lục giác

52

3.19.

Bảng kết quả tổ hợp tải trọng gió tĩnh và động tháp vng

52

3.20.

Bảng kết quả tổ hợp tải trọng gió tĩnh và động tháp tam giác

53

3.21.

Bảng kết quả tổ hợp tải trọng gió tĩnh và động tháp lục giác

53

3.22.

Kết quả kiểm tra ứng suất thanh cánh tháp vuông

55

3.23.

Kết quả kiểm tra ứng suất thanh cánh tháp tam giác

55

3.24.

Kết quả kiểm tra ứng suất thanh cánh tháp lục giác

56

3.25.

Kết quả kiểm tra ứng suất thanh xiên tháp vuông

56

3.26.

Kết quả kiểm tra ứng suất thanh xiên tháp tam giác

57

3.27.

Kết quả kiểm tra ứng suất thanh xiên tháp lục giác

57

3.28.

Kết quả ứng suất thanh, chuyển vị đỉnh, trọng lượng của các
tháp

58

bảng


vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Số hiệu
hình

Tên hình

Trang

1.1.

a) Tháp dạng đứng; b) Tháp dạng thon; c) Tháp dạng thon đổi
độ dốc một số lần

4

1.2.

a) Tiết diện tam giác; b) Tiết diện hình vuông; c) Tiết diện lục
giác đều

5

1.3.

Các dạng liên kt thanh bụng.

7

1.4.

Các dạng vách cứng ngang.

7

1.5.

Biểu đồ xác định hệ số Cx∞.

10

1.6.

Hệ tọa độ khi xác định hệ số tương quan không gian ν

13

1.7.

Hệ số động lực ξ

15

1.8.

Phổ phản ứng đàn hồi cho các loại nền đất từ A đến E (độ cản 5
%).

20

1.9.

Các giá trị cơ bản của hệ số ứng xử q cho các hệ thanh bằng

22

1.10.

Sơ dồ hệ thanh của vách cứng ngang của tháp thép, sử dụng q ≥
3.5

23

2.1.

Các tiết diện thanh thường dùng cho tháp Ăng ten

28

2.2.

Chiều dài tính tốn các thanh trong hệ khơng gian

29

3.1.

Mơ phỏng sơ đồ tính tốn của tháp

36

3.2.

Sơ đồ các dạng tháp tính tốn

37

3.3.

Ví dụ sơ đồ tính gió một đoạn chia tháp

38

3.4.

Tải trọng gió tác dụng lên chảo Parabol

40

3.5.

Biểu đồ lực dọc các thanh của tháp có kích thước tiết diện hình
vng, tam giác, lục giác khơng thay đổi theo chiều cao

46

3.6.

Biểu đồ so sánh trọng lượng toàn tháp

47

3.7.

Biểu đồ so sánh lực dọc lớn nhất trong thanh

47

3.8.

Biểu đồ so sánh ứng suất lớn nhất trong thanh

48

3.9.

Biểu đồ so sánh chuyển vị đỉnh

48

3.10.

Sơ đồ các dạng tháp tính tốn

50

3.11.

Biểu đồ lực dọc các thanh của tháp có kích thước tiết diện hình
vng, tam giác, lục giác thay đổi theo chiều cao

54

3.12.

Biểu đồ so sánh trọng lượng thép

58

3.13.

Biểu đồ so sánh lực dọc trục lớn nhất

58


viii

Số hiệu
hình

Tên hình

Trang

3.14.

Biểu đồ so sánh ứng suất lớn nhất

59

3.15.

Biểu đồ so sánh chuyển vị đỉnh

59


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Do kỹ thuật phát thanh, truyền thơng, 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
là điều tất yếu.Chính vì sự phát triển khơng ngừng của các kết cấu tháp thép cao nên
yêu cầu việc tính toán thiết kế kết cấu này phải đảm bảo khả năng chịu lực, ổn định,
tính thẩm mỹ và hiệu quả kinh tế nhất.
Tháp ăng ten truyền thơng 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 thơng thường có dạng tam giác cân, hình vng, hình lục giác đều, hình bác giác
đều, hình trụ trịn 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.

Hình 1. Tháp Ăng ten có mặt cắt ngang hình vng và hình tam giác


2

Hình 2. Tháp Ăng ten có mặt cắt ngang hình vng và hình trịn
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.
2. 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.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
 Tháp ăng ten có kích thước mặt cắt ngang không thay đổi theo chiều cao từ 075m (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).
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
 Phương pháp lý thuyết: nghiên cứu quy trình thiết kế tháp ăng ten theo tiêu


3
chuẩn Việt Nam, Eurocodes, ACI.
 Phương pháp mô phỏng số.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
 Đề xuất phương pháp tính tốn 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.
6. Cấu trúc của luận văn

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 tốn ổn định và khả năng chịu lực của tháp Ăng ten
2.1. Cơ sở lý thuyết
2.2. Tính tốn cấu kiện thanh
2.3. Các phương pháp và giả thiết tính tốn
Chương 3: Mơ phỏng và đánh giá ứng xử tháp ăng ten có hình dạng tiết diện
khác nhau
3.1. Giả thiết điều kiện tính tốn
3.2. Tháp có kích thước tiết diện khơng 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


4

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU THÁP ĂNG TEN VÀ CÁC VẤN ĐỀ
LIÊN QUAN
1.1. Tổng quan về kết cấu tháp
1.1.1. Hình dạng của tháp
Tháp thép nói chung và tháp Ăng ten được sữ dụng trong kỹ thuật phát thanh,
truyền hình, truyền thơng nói riêng là cơng trình có chiều cao lớn hơn nhiều lần kích
thước cịn lại của cơng trình (tỉ số H/B lớn), do đó cơng trình có độ thanh mảnh lớn.
Đây là loại cơng 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).
Tháp Ăng ten thường có dạng dàn là một hệ thanh thép không gian được liết kết
với nhau bằng liên kết bulong hoặc hàn. Tháp thường có hình dạng ba mặt bên, bốn
mặt bên và nhiều mặt bên… tùy vào yêu cầu kiến trúc, khả năng chịu lực, yêu cầu
công nghệ, khả năng thi công….
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 cịn
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 khơng nên bé hơn 0.75 lần đường kính D của
chảo Ăng ten đỉnh tháp.

a)
b)
c)
Hình 1.1: a) Tháp dạng đứng; b) Tháp dạng thon; c) Tháp dạng thon đổi độ dốc một
số lần


5
1.1.2. Tiết diện mặt cắt ngang tháp
Dạng mặt bằng của tháp thơng thường có các loại tam giác cân, hình vng,
hình lục giác đều hoặc bát giác đều (hình 1.2), trong trường hợp đặc biệt, có khi người
ta cịn 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 vng 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 1.2:a) Tiết diện tam giác; b) Tiết diện hình vng; c) Tiết diện lục giác đều
1.1.3. Cấu tạo các hệ thanh của tháp
a) Thanh cánh.
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 trịn rỗng, hoặc thép góc chữ L.
b) 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 tốn và tránh uốn cục bộ cho thanh cánh . Có rất nhiều các bố trí
thanh bụng; việc chọn phương án cho hệ thanh bụng không chỉ ảnh hưởng đến tính
chất chịu lực của tồn tháp mà cịn bị chi phối với khả năng thi công, yêu cầu sữ dụng
khơng gian và phương án bố trí vách cứng ngang. Các phương án thường dùng là:
Đối với tháp nhỏ và chiều dài thanh bụng không lớn thường dùng hệ thanh
bụng xiên (hình 1.3a) hoặc hệ thanh bụng tam giác (hình 1.3b). Hệ thanh bụng này có
số thanh hội tụ tại nút liên kết với thanh cánh ít nên cấu tạo đơn giản nhưng ổn định
của thanh bụng khi chịu nén không cao. Với hệ thanh bụng xiên khi tải trọng ngang
đổi chiều thì các thanh xiên hồn tồn chịu kéo đổi thành hồn tồn chịu nén,do đó ổn
định của tháp kém hơn. Bậc siêu tĩnh của tồn hệ khơng cao khi tháp có hệ thanh bụng


6
xiên và hệ thanh bụng tam giác.
Hệ thanh bụng chữ thập (hình 1.3c) có số thanh bụng quy tụ vào nút liên kết với

thanh cánh nhiều hơn nên cấu tạo nút phức tạp hơn, bậc siêu tĩnh của tháp cao hơn.
Khi tải trọng ngang đổi chiều thì vẫn có một nửa số thanh bụng chịu kéo, khi tính tốn
giả thiết bỏ qua sự làm việc của các thanh bụng chịu nén thì hệ vẫn đảm bảo bất biến
hình, do đó ổn định của tháp cao hơn trường hợp thanh bụng xiên và tam giác. Tuy
nhiên tháp có hệ thanh bụng chữ thập thì thanh cánh thường có chiều dài tính toán lớn,
để khắc phục nhược điểm này dùng hệ thanh bụng có thanh ngang tại vị trí giao nhau
của hai thanh xiên (hình 1.3d).
Khi hệ thanh bụng chữ thập bỏ đi thanh ngang sẽ trở thành hệ thanh bụng quả
trám (hình 1.3e). Khi đó số thanh bụng quy tụ vào nút liên kết với thanh cánh là hai
thanh nên cấu tạo nút đơn giản. Khi tải trọng ngang đổi chiều thì vẫn đảm bảo một nửa
số thanh xiên chịu kéo, với giả thiết bỏ qua sự làm việc của các thanh bụng chịu nén
thì hệ vẫn đảm bảo bất biến hình. Để làm giảm chiều dài tính tốn của thanh cánh và
làm thanh đỡ cho sàn công tác hoặc bố trí vách cứng thì tại vị trí giao của hai thanh
xiên bố trí thêm thanh ngang (hình 1.3f).
Với tháp có tiết diện mặt cắt ngang lớn thì chiều dài thanh bụng xiên và thanh
ngang lớn, khơng có lợi về mặt chịu lực. Để khắc phục điều này dùng hệ thanh bụng
nửa xiên (hình 1.3g). Phương án này vẫn đảm bảo nút liên kết thanh bụng với thanh
cánh đơn giản, chiều dài tính tốn thanh bụng xiên và thanh ngang giảm đi nhiều,
nhưng nút liên kết các thanh bụng với nhau lại phức tạp hơn.Trường hợp chiều dài tính
tốn thanh bụng, thanh cánh lớn quá hoặc có yêu cầu cao về mặt thẩm mỹ thì dùng hệ
thanh bụng phân nhỏ. Số lượng nút tăng lên, cấu tạo nút của tháp phức tạp hơn các
phương án trên nhưng bậc siêu tĩnh của hệ cao hơn, khả năng chịu lực tốt hơn, phương
án này áp dụng cho tháp có chiều cao lớn.
c) Vách cứng ngang.
Vách cứng ngang (hình 1.4a, 1.4b, 1.4c, 1.4d) định hình cố định khoản cách
khơng gian cho các thanh cánh, định dạng tháp trong quá trình chịu lực. 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 tốn

tháp. Vách cứng ngang làm tăng độ cứng chống xoắn của tháp, phân đều mômen xoắn
cho các dàn biên và làm giảm chiều dài tính tốn của thanh ngang. Mỗi tháp phải bố trí
ít nhất hai vách cứng ngang, khoảng cách vách cứng ngang Lv<= 3Bz, với Bz là chiều
rộng trung bình thân tháp tại vị trí bố trí vách. Thơng thường khoảng cách giữa các


7
vách cứng ngang vào khoảng 9-10 m. Trên mỗi đoạn lắp dựng phải có ít nhất một vách
cứng ngang đảm bảo cho đoạn khơng bị biến hình khi lắp ghép.

Hình 1.3: Các dạng liên kt thanh bụng.

Hình 1.4: Các dạng vách cứng ngang.
1.2. Tải trọng tác dụng
Tháp Ăng ten là cơng trình tháp có chiều cao lớn nhiều lần so với vệ rộng tháp
có thể tự đứng được mà khơng 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 cịn phụ thuộc vào bản thân cơng trình (Độ cứng, khối lượng,
vào cách phân bố khối lượng, dao động bản thân…) .
1.2.1. Tỉnh tải
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 hồn thành thiết kế xong. Trong giai đoạn thiết kê sơ bộ hoặc thiết kê phương


8
án đại lượng này chỉ xác định một cách gần đúng.
Theo PGS.TS Phạm Văn Hội và CTV,1998.Kết cấu thép 2 cơng trình dân dụng
và cơng nghiệp. Hà Nội. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật.

Với các phép tính sơ bộ ban đầu, trọng lượng bản thân của toàn tháp (hoặc trung bình
1m chiều cao tháp) có thể xác định dựa vào công thức kinh nhiệm sau:
Gi  G0  K w  K H3 ,

kG hoặc kG/m,

Trong đó:
Gi : trọng lượng toàn tháp (hoặc của 1m cao) là đại lượng đang cần tìm;
G0 : trọng lượng tồn tháp (hoặc của 1m cao) của tháp đã biết theo một tài liệu
nào đó;
Kw = wi/w0 - tỉ số tải trọng gió khu vực của tháp đang xét và tháp đã biết;
KH = Hi/H0 - tỉ số chiều cao của tháp đang xét và tháp đã biết;
Cũng có thể xác định trọng lượng bản thân dựa trên cơ sở đã có chiều dài thanh,
đã giả thiết trước kích thước tiết diện thanh.
Trọng lượng tiêu chuẩn của thanh thứ I nào đó, có chiều dài L j (m) và diện tích
tiết diện Ạj (m2) xác định theo công thức:
G j  L j  Aj   0 ,

kG

Trọng lượng của toàn tháp (hoặc một đoạn thứ k nào đó) xác định gần đúng
theo công thức :
r

G  1.15 L j  Aj   0 , kG
j 1

Trong đó:
 0 : trọng lượng riêng của vật liệu thanh, với thép  0 =7.85 T/m3 ;
r : tổng số thanh j của toàn tháp (hoặc đoạn thứ k) ;

1.15 : hệ số tăng trọng lượng, kể đến trọng lượng của bản mắt và các chi tiết

khác : bu lông, đường hàn, thang, sàn cơng tác.. làm tăng trọng lượng chung
của tồn tháp (hoặc một đoạn).
Sau khi thiết kê chi tiết cần tính tốn lại chính xác trọng lượng của tháp nếu sai
lệch trọng lượng của hai lần tính nhỏ hơn 10 - 15%. Thì chấp nhận trọng lượng
giả thiết là đúng mà khơng cần phải tính lại.
1.2.2. Hoạt tải
Hoạt tải của tháp Ăng ten chủ yếu là hoạt tải sửa chữa bảo trì tháp,ngồi ra cịn
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.


9
1.2.3. Tải trọng gió
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
dịng thổi của gió tác dụng lên các vật cản là bề mặt chung của cơng trình. Thành phần
động (WP) của gió là do lục va đập (mạch động) hoặc lực quán tính sinh ra do khối
lượng cơng trình bị dao động bởi gió. Vậy tác động của tải trọng gió lên cơng trình là
tổng tác động của hai thành phần:
W  Wo  Wp

a) 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:
W=W0  k  c

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.
Khí gió thổi vào cơng trình theo một hướng xác định nào đó, nhưng mỗi bề mặt
cơng trình đều có đặc trưng khí động c riêng biệt, nên bề mặt của cơng trình, bao gồm
mặt đón gió (mặt trước) và mặt khuất gió (mặt sau), mặt mái và các mặt bên (mặt hồi)
đều chịu tác động của tải trọng gió với các định lượng khác nhau. Với mỗi mặt tham
chiếu mặt khảo sát này giá trị tiêu chuẩn của tải trọng gió coi như phân bố đều theo
phương vng góc với bề mặt cản gió; có chiều đập vào mặt đón gió, khi c mang dấu
dương; có chiều hương ra khoi mặt hút, khi c mang dấu âm. Trong bài toán thiết kế ,
tùy theo từng trường hợp cụ thể có thể đưa w về dải lực phân bố ngang ( hoặc lực tập
trung) đặt ở mức các vách ngang hoặc các dải phân bố dọc theo chiều cao, với giá trị
tăng dần theo quy luật của hệ số địa hình k.
+ Một cấu kiện j (hoặc phần cơng trình, thanh thép thứ j), nằm ở độ cao z trong
không gian gió thổi thì tổng giá trị tiêu chuẩn của thành phần tĩnh của tải trọng gió lên
phần thứ j này là một lực tập trung W0j đặt tại trọng tâm của nó, theo hướng gió, xác
định theo cơng thức
W0 j  W0  k  cx  Aj

Trong đó:
Aj: diện tích hình chiếu lên phương vng góc với luồng gió của phần đón gió


10
vào hút gió của phần cơng trình thứ j, m2;
K: hệ số địa hình;
cx: hệ số khí động (cịn gọi là hệ số cản chính diện) tương ứng với các mặt đón
gió và hút gió của phần cơng trình thứ j; ta có cx = 1.4 với thép hình khi mặt đón gió

của thanh vng góc với phương gió;cx = 1.2 với dây điện và dây cáp; cx = k0cx∞ với
thép trịn thép ống khi trục thanh vng góc vói phương gió hệ số k0 được xác định
theo bảng 6.1, ở sơ đồ 34 trong bảng 6 , TCVN 2737-1995; cx∞ xác định theo biểu đồ
ở hình 1.5 phụ thuộc vào tỉ số Reynodds Re và ∆/d, ∆ là độ xù xì của về bề mặt (∆ =
0.001 m đối với kêt cấu thép) d là đường kính ngồi.
d
Re 
 0.88d W0 k 105

Trong đó:
w0 : áp lực gió tiêu chuẩn, daN/m2;
υ: vận tốc tính tốn của gió, m/s;
ν: độ nhớt động của khơng khí ( ở điều kiện nhiệt độ và áp suất khơng khí tiêu
chuẩn ν = 0.145.10-4 m2/s);
γ: hệ số tín cậy của tải trọng gió, γ=1.2.

Hình 1.5: Biểu đồ xác định hệ số Cx∞.
+ Lực gió tác động lên một dàn không gian từ ba mặt trở lên (các mặt này là các
mặt phẳng giống nhau). Những thanh dàn ở mặt khuất gió nhận được tác động nhỏ hơn
so với mặt đón gió, do có sự cản trở của dàn đón gió. Đối với mặt đón gió vng góc
với phương gió của dàn khơng gian, áp lực gió quy trên một đơn vị diện tích bề mặt
dàn là:
w1  W0 k 

Đặt c x  

cxi Ai
A

cxi Ai

, gọi là hệ số cản chính diện của dàn.
A

Ta có: w1  W0 kcx ,


11
Trong đó:
cxi: là hệ số khí động của thanh dàn thứ i;
Ai: diện tích chắn gió của thanh dàn thứ I;
A: diện tích giới hạn đường bao ngồi của dàn.
Tương tự nhự vậy ta có áp lực gió quy trên một đơn vị diện tích hình bao của
mặt dàn phía khuất gió là:
w 2  W0cx

Trong đó η: hệ số kể đến sự giảm tải gió vào dàn phía khuất gió do có sự cản
trở của dàn trực tiếp đón gió. Với dàn làm bằng thép ống có Re ≥ 4.105 thì η = 0.95.
Với dàn thép hình thì η phụ thuộc vào b/h và tỉ số ϕ (b là khoảng cách giữa dàn khuất
gió và dàn đón gió, h là bề cao (kích thước bé hơn) của dàn; ϕ = ∑Ai/A) được quy
định ở sơ đồ 38, bảng 6 TCVN 2737-1995; với tháp tiết diện vuông 4 mặt: (b /h) = 1.
Như vậy tổng áp lực gió trên diện tích hình bao Ak của dàn khơng gian hoặc
đoạn giàn không gian thứ k là:
Wok  (w1  w 2 ) Ak k1  W0 kcx (1   ) Ak k1

Trong đó: k1 hệ số tính đến tường hợp khi mặt dàn khơng gian vng góc với
phương gió, hiện tượng gió xốy trong lịng dàn làm thay đổi hệ số khí động cx.
k1 = 1, đối với dàn khơng gian bốn mặt khi phương gió vng góc với mặt dàn;
k1 = 0.9, đối với dàn không gian ba mặt khi phương gió vng góc với mặt dàn;
k1 = 1.1, đối với dàn không gian bốn mặt làm bằng các thanh thép đơn khi gió
thổi theo đường chéo của tiết diện dàn;

k1 = 1.3, đối với dàn không gian bốn mặt làm bằng các thanh gỗ tổ hợp khi gió
thổi theo đường chéo của tiết diện dàn;
k1 = 1.2, đối với dàn khơng gian bốn mặt khi gió thổi theo đường chéo của tiết
diện dàn; trừ hai trường hợp trên.
Đặt ct = k1(1+η)cx gọi là hệ số cản chính diện của dàn khơng gian; ta có tổng áp
lực gió trên diện tích hình bao Ak của dàn khơng gian là:
Wok  W0 kct Ak

b) Thành phần động của gió.
Bản chất của thành phần gió động gồm: “xung của vận tốc gió” và “lực qn
tính của cơng trình” gây ra. Các thành phần này làm tăng thêm tác dụng của tải trọng
gió lên cơng trình do dao động, xét đến ảnh hưởng của lực quán tính sinh ra do khối
lượng tập trung của cơng trình khi dao động bởi các xung của luồng gió.
Tùy vào mức độ nhạy cảm của cơng trình đối với tác dụng động lực của tải


12
trọng gió mà thành phần động của tải trọng gió chỉ cần kể đến tác động do thành phần
xung của vận tốc gió hoặc với cả lực qn tính của cơng trình.
Mức độ nhạy cảm được đánh giá qua tương quan giữa giá trị các tần số dao
động riêng cơ bản của cơng trình, đặc biệt là tần số dao động riêng thứ nhất với tần số
giới hạn fL (Bảng 9, TCVN 2737-1995).
Bảng 1.1. Giá trị giới hạn của tần số dao động riêng fL
Vùng áp lực gió

fL (Hz)

(Việt Nam)

δ=0.3

δ=0.15

I

1.1

3.4

II

1.3

4.1

III

1.6

5.0

IV

1.7

5.6

V

1.9

5.9

Đối với cơng trình tháp ăng tên bằng thép ta có: độ giảm loga δ = 0.15 và tần số
giới hạn fL = 5.0.
Với các cơng trình khơng mảnh lắm, có tần số dao động riêng đầu tiên f1> fL ;
thành phần động của tải trọng gió lên mỗi phần chia, mỗi đoạn tháp, trụ chỉ là sự mạch
động do dòng khí va đập vào bề mặt cơng trình, xác định theo công thức:
Wp 0  W0

Với trường hợp này, tải trọng gió tiêu chuẩn là tổng của 2 thành phần (tĩnh +
mạch động).
W  W0 (1   )

Trong đó:
W0: là thành phần tĩnh của tại trọng gió lên mỗi đoạn;
ζ: hệ số áp lực của tải trọng giọ phụ thuộc vào dạng địa hình và độ cao xác định
tải trọng gió lấy theo bảng 8, TCVN 2737-1995.
ν: là hệ số tương quan không gian áp lực động của tải trọng gió được lấy theo
bề mặt tính tốn của cơng trình trên đó xác định các tương quan động xác định theo
bảng 1.2.


13

Hình 1.6: Hệ tọa độ khi xác định hệ số tương quan không gian ν
Bảng 1.2 Hệ số tương quan khơng gian áp lực động ν của tải trọng gió.
ρ, m

Hệ số v khi χ (m) bằng

5

10

20

40

80

160

350

0,1

0,95

0,92

0,88

0,83

0,76

0,67

0,56

5

89

0,87

0,84

0,80

0,73

0,65

0,54

10

0,85

0,84

0,81

0,77

0,71

0,64

0,53

20

0,80

0,78

0,76

0,73

0,68

0,61

0,51

40

0,72

0,72

0,70

0,67

0,63

0,57

0,48

80

0,63

0,63

0,61

0,59

0,56

0,51

0,44

160

0,53

0,53

0,52

0,50

0,47

0,44

0,38

Mặt phẳng tọa độ cơ bản song
song với bề mặt tính tốn, khi quy
ước hướng gió trùng với trục y

các tham số ρ và χ
ρ

χ

zox

b

h

zoy

0.4a

h

xoy

b

a

Với cơng trình cao, độ mảnh lớn dể xác định thành phần động của tải trọng gió
gần đúng chia cơng trình thành nhiêu đoạn theo chiều cao (j = 1,…j,k…n) có các khối
lượng tương ứng M1,….,Mj,Mk,…Mn phân bố dọc theo chiều cao. Khối lượng của mỗi
đoạn đặt tại trọng tâm đoạn (hoặc gần đúng tại vách cứng ngang của đoạn).
Giải bài toán dao động riêng, sẽ cho kết quả la một số tần số có đặc điểm f 1< f2
<. ….fs < fL< fs+1 . Trong đó f1, f2,. ….fs, fs+1 là các tần số dao động riêng cơ bản ở
dạng dao động thứ 1, thứ 2,….thứ s, thứ (s+1) của cơng trình.
Trường hợp này cần phải:
- Xác định giá trị của s thành phần động tương ứng với s dạn dao động đầu tiên,


14
có các tần số tương ứng là f1, f2,. ….fs, fs+1 .
-

Xác định riêng lẽ từng giá trị của thành phần động, tương ứng với mỗi dạng dao

-

động I ≤ s, tác dụng lên phần thứ k (hoặc tầng thứ k) của cơng trình.
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:
i

Wpk
 M k i i yki

Trong đó:
Mk: khối lượng phần cơng 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 :
10 w 0
940 fi

i 

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 cơng trình;
yik : biên độ dao động ngang, ở dạng dao động riêng thứ i của cơng trình;
ψi: hệ số, ứng với dao động thứ I, xác định với các phần chia n, theo công thức:
n

i 

W
j 1
n

M
j 1

p0 j

j

y ij

( y ij ) 2

với:
Mj: khối lượng của phần cơng trình thứ j;
Wp0j: thành phần động của tải trọng gió lên phần thứ j của cơng trình, khi chỉ kể
đến sự mạch động, lực tập trung trùng với phương gió thổi được xác định theo
cơng thức:
Wp 0 j  Woj y  (w o ckAj ) y

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 cơng trình;
νy: hệ số tương quan khơng gian, tương ứng với hướng gió trùng với trục y.


15

Hình 1.7: Hệ số động lực ξ
Đường cong 1: đối với cơng trình bê tơng cốt thép và gạch đá kể cả các cơng trình
bằng khung thép có kêt câu bao che (δ = 0.3).
Đường cong 2: Các tháp, trụ thép, ống khói, các thiết bị dạng cột có bệ bằng bê tông
cốt thép (δ = 0.15).
c) Tổ hợp hệ quả các thành phần tác dụng của tải trọng gió

- Trường hợp gió thổi theo hướng trục y.
Sau khi xác định được các thành phần tác dụng của tải trọng gió (tĩnh và động)
ở mõi dạng dao động ; cần tiến hành đặt các thành phần tác dụng này vào hệ để giải
bài tốn phân tích kết cấu. Thơng thường, các thành phần này được quy về các thành
phần tập trung nằm ngang theo các hướng dao động y và x và đặt tại nút phần tử ,
ngang với mức trọng tâm (hoặc ngang với vách cứng).
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 Q yk được xác định theo cơng
thức:
Qky  Qoky 

s1

 (Q
i 1

y 2
pkj

)

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 cơng 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.