KẾT CẤU THÉP-THÁP THÉP

Những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành thông tin viễn thông, điện lực…hàng loạt công trình cao dạng tháp, đặc biệt là tháp thép hệ thanh có chiều cao trên 100mét đã được xây dựng trên khắp mội miền đất nước. Qua khảo sát các công trình đã được xây dựng và xem xét các công trình đã và đang thiết kế nhaän thấy một số vấn đề lưu ý:



1. Việc định dạng ban đầu cho mỗi tháp thép:

Liên quan đến khá nhiều yếu tố, có các quan hệ , ràng buộc khá chặt chẽ: 

- Thông thường việc quyết định chiều cao cụ thể cho một tháp thép phụ thuộc vào công năng mà nó phải đảm trách, quy cách của thiết bị mà tháp phải mang trên mình. Chiều cao xây dựng của tháp có thể được hạ thấp nếu đế của nó được đặt ở một cao độ lớn. Đơn vị thiết kế cần tư vấn cho chủ đầu tư ngay từ giai đoạn lập dự án để chọn điểm đặt hợp lý cho tháp.

Việc định dạng cho phần đỉnh của tháp phụ thuộc phần lớn vào yêu cầu chống xoắn cục bộ, vào quy cách và biện pháp treo buộc ăng ten. Để thoả mãn các yêu cầu này, bề rộng đỉnh tháp nên chọn trong khoảng 0,5 – 1m; với các tháp có mang ăng ten chảo trên đỉnh thì bề rộng đỉnh không nên nhỏ hơn 2/3 đường kính chảo.

Chiều rộng của tháp liên quan đến khá nhiều yếu tố: chiều cao tháp, tải trọng lên tháp, diện tích đất xây dựng, đặc điểm của nền đất, cấu tạo và khả năng chế tạo thanh cánh chân tháp.

Với chiều cao và tải trọng xác định, khi bề rộng chân đế lớn sẽ cho nội lực thanh cánh bé, phản lực tại nút chân bé. Giải pháp này tạo cho tháp có hình dáng kiến trúc đẹp, thuận lợi cho việc khai thác tiết diện thanh cánh (đặc biệt là lại chế tạo trong nước, loại thép ống hoặc thép góc có tiết diện lớn là khá hiếm). Đồng thời do phản lực lên móng bé sẽ làm hệ móng nhẹ nhàng hơn và khá tiện lợi khi xây dựng trong vùng đất yếu, đất có độ xốp lớn. Tuy nhiên, nếu chọn bề rộng chân quá lớn sẽ làm mặt bằng xây dựng rộng, tốn đất xây dựng (trong khá nhiều trường hợp là không thể), mặt khác nó cũng làm lãng phí hệ thanh bụng vốn chịu lực ít lại bị quá dài. Vì vậy, kết hợp hài hoà các yếu tố trên thì với tháp thép hệ thanh, bề rộng chân tháp chỉ nên nằm trong khoảng (1/5-1/8) chiều cao. Các tháp hệ thanh điển hình trên thế giới (Eiffel, Tokyo) và khá nhiều tháp trong nước cũng đã áp dụng tỷ lệ này. Một số công trình khác có thể có chiều rộng chân đế bé hơn (Tôronto – Canada, 553m; Đồng Phương Minh Châu - Thượng Hải, 486m…) nhưng kèm theo đó thì các thanh cánh được ứng lực trước; điều kiện này chưa thể khả thi ở nước ta.

- Việc chọn dạng hệ thanh bụng cho mặt bên của tháp cũng là công việc cần được cân nhắc từ ban đầu. Thanh bụng chủ yếu dùng để chịu lực cắt khi tháp chịu nén uốn, cùng với thanh cánh chịu xoắn. Về mặt cấu tạo thì thanh bụng làm giảm chiều dài tính toán cho thanh cánh và giữ cho khoảng cách các thanh cánh không đổi khi chịu tải. Thông thường, nội lực thanh bụng khá bé, vì vậy nên chọn dạng thanh bụng có số thanh ít nhất, số mắt và cấu tạo mắt đơn giản nhất. Hệ thanh bụng hình thoi và hệ thanh bụng tam giác thích ứng được với tiêu chí này; tuy nhiên do có tính đối xứng nên hệ hình thoi thường được sử dụng nhiều hơn.

- Nhằm tăng khả năng chống xoắn cho tháp và cố định các mặt bên trong quá trình chịu lực, yêu cầu cấu tạo cần phải theo là khoảng cách các vách cứng ngang không lớn hơn 3 lần bề rộng trung bình của tiết diện thân tháp. Lưu ý rằng các vách chỉ được gọi là cứng khi hệ thanh của vách phải đủ và bố trí hợp lý để có thể coi vách là một miếng cứng bất biến hình. Đồng thời, lưu ý đến các nguyên nhân khả dĩ có thể xảy ra trong quá trình thi công, có thể gây xoắn cục bộ từng phần, thì mỗi đoạn lắp ghép nên có ít nhất một vách cứng.

Tháp thép hệ thanh là một hệ không gian gồm nhiều thanh mà mỗi thanh được quy ước là khớp. Tương tự như các giả thiết với dàn phẳng, chỗ tụ của các thanh bụng nằm trên trục thanh cánh, được coi là khớp. Vì vậy mọi dàn phẳng tạo nên dàn không gian phải đảm bảo điều kiện bất biến hình. Khi các vách ngang, vách xiên không đủ cứng, khả năng chống xoắn của tháp rất thấp. Có thể dễ dàng nhận thấy điều này ngay khi giải bài toán dao động riêng. Trong khá nhiều thiết kế, các vách xiên (vách chéo) đã không được quan tâm đúng mức do không đủ các thanh xiên.

Đã có vài tháp thép, mà người thiết kế vì một lý do nào đó đã không lưu tâm đến tính bất biến hình của vách ngang và vách xiên; hậu quả là khi tháp vừa lắp dựng xong, chưa hề chịu tải đã bị văn, làm tâm tiết diện đáy và tâm tiết diện đỉnh tháp bị lệch nhau đến hàng mét, phải tháo xuống, phải thay thanh và lắp dựng lại.

2. Về mặt tính toán tải trọng và nội lực:

Đã có nhiều tài liệu hướng dẫn quan tâm đến vấn đề này, thiết nghĩ cũng cần có đôi điều cần nhấn mạnh.

- Khác nhau cơ bản về tải trọng giữa công trình tháp với các công trình xây dựng thông thường là thành phần động của tải trọng. Tự cấu tạo bản thân và tính thanh mảnh của tháp gây nên những thay đổi về đặc tính và giá trị của thành phần này. Và do vậy, để xác định được chính xác thành phần động cần phải xác định chính xác các đặc trưng của bài toán dao động riêng: chu kỳ, tần số, biên độ và hướng của dao động.Các đại lượng này bị chi phối bởi giá trị và cách phân bố khối lượng lên công trình. Sự nhầm lẫn giữa khối lượng và trọng lượng, sẽ làm dao động riêng lớn hơn; sự bỏ sót phần khối lượng tương đương (quy đổi từ hoạt tải dài hạn) lại làm cho dao động bị bé hơn so với thực tế.

- Trong một số công trình chúng tôi cũng lưu ý đến việc nhận dạng dao động riêng nhằm loại bớt những dao động ngoại lai (do xoắn cục bộ, do biến dạng cục bộ một số ít bộ phận); đồng thời với việc cần lấy kèm theo dấu của biên độ dao động riêng. Khối lượng là một đại lượng vô hướng nên phương, chiều của thành phần động ở mỗi điểm đặt khối lượng sẽ theo phương và chiều của biên độ dao động. Bài toán nội lực cần được giải riêng cho từng thành phần: tĩnh, động dạng 1, động dạng 2…Nghĩa là với mỗi phương tác dụng của tải trọng gió cần phải giải (1+s) bài toán nội lực nếu phải xét s dạng dao động, rồi sau đó mới cộng nội lực của phần tử theo công thức:

Xj = X

Trong đó, đặc biệt lưu ý là dấu của số hạng thứ 2 lấy theo dấu của số hạng thứ nhất

Trên đây chỉ là nội lực của một trường hợp tác dụng của tải trọng gió, hoặc động đất (tải trọng có thành phần động). Sẽ còn các giá trị nội lực của thanh do các trường hợp tác dụng khác của gió, do các tải trọng khác nữa gây nên, người thiết kế cần phải thống kê và tổ hợp để tìm ra tổ hợp tải trọng gây bất lợi cho thanh, đó mới là nội lực tính toán.

- Không nên quá lạm dụng các tính toán bằng máy, cần có các tính toán sơ bộ cần thiết, để chọn tiết diện ban đầu để kiểm tra các số liệu vào ra của máy. Ngày xưa khi chưa có máy, chúng ta đã tính tay các tháp trên các sơ đồ công xôn, sơ đồ dàn phẳng; đã giả thiết hệ số động bằng một hệ số lớn hơn 1, rồi bằng một công thức số học có liên quan đến chu kỳ dao động. Ngày nay, các tính toán bằng máy có thể cho ta con số chính xác về một đại lượng của một hệ nhiều thành phần nhưng các phương pháp và công thức cổ điển vẫn còn rất đắc dụng cho việc kiểm tra này.

3. Việc chọn dạng và mở rộng tiết diện thanh. 

Cơ sở để chọn và kiểm tra tiết diện thanh là nội lực và độ mảnh của thanh. Không chỉ bị ảnh hưởng bởi chiều dài mà hình dạng tiết diện và cách liên kết dấu thanh ảnh hưởng đến độ mảnh của thanh. 

Thép ống có diện tích và bán kính quán tính lớn, lại có hệ số khí động khi chắn gió bé, diện tích cần sơn mạ bé, nên rất thích hợp cho tiết diện của thanh tháp. Nhược điểm chính là khi dùng thép ống cần phải bịt kín đầu ống, đặc biệt nếu dùng cho các thanh bụng thì cần phải chế tạo thêm bộ phần đầu thanh để liên kết với nút. 

Thép góc có 2 mặt phẳng, dễ liên kết với các thanh khác mà không cần bản mắt, nhưng diện tích tiết diện và bề rộng cấn đều bé nên không sử dụng cho các thanh có nội lực lớn. Với những nút lớn, cần hội tụ nhiều thanh thì diện tích bản mắt và số lượng bu lông sẽ rất nhiều. Thép góc còn có nhược điểm là diện tích sơn mạ lớn và rất khó liên kết các vách xiên. 

Vì những lý do trên, thông thường các thanh cánh và thanh bụng chính của tháp được làm bằng thép ống, các thanh khác, có tiết diện là thép góc (đơn hoặc ghép đôi). 

Trường hợp thanh cánh tháp có tiết diện bằng thép góc đơn, lại không thể khai thác được tiết diện lớn hoặc khi cần phải gia cố tiết diện thì phải hợp lý nhất là hàn thêm một sườn dọc tại sống thanh, sườn này tạo thành góc 120o so với các cánh của thép góc cánh. Tiết diện mới có hiệu quả tố: diện tích tiết diện và bán kính quán tính lớn, lại có dạng hoàn toàn hở, dễ bảo quản sơn, mạ; lại không ảnh hưởng đến việc liên kết các thanh bụng ở hai mặt bên. 

Không thể mở rộng tiết diện theo cách ghép hai thép thành hộp, giải pháp này tạo nên một tiết diện đẹp nhưng khi chế tạo rất khó giữ cho thanh ghép thẳng khi hàn hai đường hàn ghép vào mép hai cánh mỏng, đặc biệt là tiết diện tạo thành không hoàn toàn kín (tại khe hàn, tại lỗ khoan bu lông, tại đầu thanh), không thể sơn mạ cho mặt trong, và vì vậy rất chóng xuống cấp do đọng ẩm, rỉ từ mặt trong. 

Cũng không nên gia cường tiết diện theo cách úp thìa ( vát bớt đi một sống rồi úp bụng thép góc này với lưng thép góc kia). Giải pháp này có được một tiết diện lớn hơn về diện tích nhưng bán kính quán tính thì tăng không đáng kể; rất khó khăn khi liên kết thanh bụng ở hai mặt tháp và do không thể mạ, sơn được mặt tiếp xúc của các cánh chồng nên rất dễ rỉ từ bên trong. 

- Khi dùng tiết diện một thép góc để chê tạo thanh bụng, độ mảnh và chiều dài tính toán của nó phụ thuộc không chỉ vào khoang mắt mà còn phụ thuộc vào số lượng bu lông ở mỗi đầu thanh, phụ thuộc vào vách mà đầu thanh tựa vào có được coi là cứng hay không, phụ thuộc vào dấu và giá trị nội lực của thanh cùng tụ vào một mắt với thanh xét. Điều này đã được lưu ý trong các quy định của TCVN 5575-91, tuy nhiên thường hay bị sót hoặc quên theo thói quen, lấy bằng chiều dài khoang mắt. Cách làm này, với một số thanh có thể là thiên về an toàn, nhưng với một số thanh khác nó lại thiên về nguy hiểm (ví dụ như với thanh bụng chính của hệ tam giác chồng). 

Khi xác định độ mảnh của thanh bụng trong dàn tiết diện một thép góc, cần lưu ý là thanh bụng sẽ bị mất ổn định theo trục có bán kính quán tính bé nhất (trục chéo), và hệ số điều kiện làm việc lấy = 0,75 để kể đến sự lệch tâm giữa trục lực và trục thanh. 

4. Về chế tạo và lắp dựng: 

Các tháp thép hệ thanh được sản xuất trong nước hiện nay chủ yếu theo phương pháp thủ công, hàn điện bằng tay, chế tạo riêng từng thanh. 

Thanh cánh tháp có khá nhiều bản mắt được hàn vào, lại ở cùng một phía nên rất dễ bị cong vênh. Nhà sản xuất cần phải tuân thủ quy trình hàn và phải có biện pháp cố định thanh trước khi hàn để chống biến hình hàn. Ngay cả với những thanh ống có đường kính lớn, nếu không có các gông cố định, thì sau khi hàn xong các thanh cũng bị cong vênh. Khi hàn mặt bích đầu thanh vào thanh ống, do khối lượng đường hàn vòng nhiều, mặt bích dễ bị vồng lên. Do vậy, trước khi hàn cần tận dụng các mặt bích sẵn có liên kết chặt thành một khối cứng hơn nhiều lần, cách làm này giảm được biến dạng cho bích cần hàn và đã tỏ ra khá hữu hiệu. 

Nhà chế tạo cũng cần lưu ý đến tính đối xứng mặt gương, tính lắp lẫn cho các cấu kiện cùng loại. Để tránh nhầm lẫn và thuận lợi cho việc lắp dựng, thì mọi chi tiết cần được đánh số chìm (bằng dấu khắc hoặc bằng con tu) ở giai đạn chế tạo cơ; và được đánh số mã hoá theo đoạn, theo tên thanh bằng sơn sau khi sơn mạ. 

Có khá nhiều cách để lắp dựng một tháp thép. Cách đây nhiều năm, chúng ta đã lắp dựng cột điện Chèm, tháp truyền hình Tam Đảo theo các phương pháp kinh điển. Ưu điểm chính của các phương pháp này là hạn chế được đến mức tối đa các lao động trên cao, nhưng cũng đòi hỏi độ chính xác trong căng, kéo kích…rất lớn, đặc biệt là đòi hỏi mặt bằng thi công lớn. Thực tế xây dựng ở nước ta hiện nay không cho phép tiến hành theo phương pháp này, và do vậy các tháp thép chủ yếu được lắp dựng theo cách thủ công hoặc kết hợp chút ít với một phần cơ giới. Thông thường, một hoặc một vài đoạn tháp bên dưới được lắp thủ công ở bên ngoài mặt bằng, rồi dùng cần cẩu để đặt vào đỉnh móng. Các đoạn còn lại bên trên được lắp 

thủ công từng thanh thông qua sự trợ giúp của một vài đòn cẩu leo dọc theo thanh cánh của đoạn dưới. Sau khi đã lắp được thanh cánh, tiếp theo là lắp từng thanh ngang, thanh xiên chính, thanh vách ngang. Các thanh bụng phụ, thanh chia nhỏ được lắp cuối cùng. 

Cần lưu ý là, nhằm cố định tiết diện mặt bên, tăng khả nắng chống xoắn trong thi công, nhằm cố định tim cốt cho chân của mỗi đoạn thì việc tiếp tục lắp đoạn trên chỉ được thực hiện sau khi vách ngang của đoạn dưới đã đủ cứng, tim trùng nhau và cốt đỉnh của các thanh cánh thăng bằng. 

Cũng cần tuân thủ các quy định an toàn phòng chống sét ngay trong giai đoạn thi công. Cần nối ngay hệ thống chống sét thân tháp với hệ tiếp địa (đã được thi công ngay sau khi thi công móng, trước khi lắp dựng thân), và có chiều cao tạm thời khi lắp dựng. 

Phương pháp lắp dựng hiện tại chỉ nên coi là chấp nhận, khả dĩ với những thép hệ thanh có chiều cao trên dưới 150m. chièu cao đó tạm coi là thích ứng với sức khoẻ của công nghân xây dựng có tay nghề cao, thuần thục, có sức khoẻ tốt. Nó cũng đòi hỏi độ chính xác cao trong chế tạo cấu kiện, vì vậy mọi chi tiết chế tạo đều cần gọn nhẹ nhất, và phải được lắp thử 100% dưới mặt đất, rồi mới tháo ra để lắp dựng từng thanh ở trên cao. Đó cũng là hạn chế về phương pháp lắp dựng hiện nay ở nước ta; mà khi muốn xây dựng một tháp lớn hơn, về phương diện cần được các nhà chuyên môn cân nhắc thận trọng. 

Do những đặc điểm rất riêng về chiều cao và độ thanh mảnh nên việc thiết kế, chế tạo, thi công các công trình tháp thép hệ thanh là một công việc khó và phức tạp. Rất cần được các chuyên gia ở nhiều ngành quy hoạch, kiến trúc, xây dựng, cơ khí, môi trường…quan tâm.


(Nguồn: Tài liệu Hội thảo khoa học về Kết cấu thép trong xây dựng)