Yêu cầu về khả năng chịu tải của các tháp điện là gì?

Các tải trọng kết cấu chính tác động lên tháp điện

Tải trọng trọng lực: Trọng lượng dây dẫn, phụ kiện và trọng lượng bản thân tháp

Các tải trọng trọng lực hoặc tải trọng chết tác động lên các tháp truyền tải bao gồm trọng lượng của dây dẫn, cách điện, các chi tiết phụ kiện khác nhau, cũng như trọng lượng của bản thân tháp. Những lực hướng xuống không đổi này thường chiếm khoảng 60–70% tổng tải trọng vận hành bình thường mà các kỹ sư tính toán cho các kết cấu này. Việc xác định chính xác trọng lượng thực tế và các đặc tính vật liệu ngay từ giai đoạn thiết kế ban đầu là rất quan trọng, bởi những sai sót ở bước này có thể dẫn đến các vấn đề về sau như biến dạng uốn dần của vật liệu, lún nền móng hoặc các bộ phận bị mài mòn nhanh hơn so với dự kiến. Khi các nhà thiết kế đánh giá thấp trọng lượng cơ bản này, sẽ phát sinh các sự cố nghiêm trọng về sau — đặc biệt khi các ứng suất liên quan đến thời tiết cũng đồng thời xuất hiện.

Tải trọng ngang: Áp suất gió, gió giật động và hiệu ứng xoáy.

Gió mạnh tác động áp lực ngang đáng kể lên các tháp và dây cáp đỡ của chúng. Các cơn gió giật đột ngột có thể tạo ra các đỉnh áp lực bất ngờ, và khi luồng gió chảy quanh các yếu tố kết cấu sẽ hình thành hiện tượng gọi là 'tách xoáy' (vortex shedding). Mô hình dao động này thực tế khiến các kết cấu rung ở tần số riêng của chúng, dẫn đến việc xuất hiện các vết nứt do chu kỳ ứng suất lặp đi lặp lại trong thời gian dài. Theo tiêu chuẩn do ASCE 7-22 quy định, mọi thiết kế được xây dựng tại các khu vực thường xuyên chịu ảnh hưởng của gió mạnh đều phải đảm bảo khả năng chịu đựng điều kiện bão có chu kỳ lặp lại 50 năm. Hệ thanh chống chéo không chỉ là một tính năng bổ sung mang tính dự phòng — mà hoàn toàn thiết yếu để phân bố tải trọng đúng cách. Nếu thiếu những thanh chống chéo này, các lực gió không được kiểm soát sẽ làm suy giảm nhanh chóng độ bền của các mối nối và cuối cùng làm mất ổn định toàn bộ kết cấu.

Khuếch đại do yếu tố môi trường: Sự tích tụ băng và hiệu ứng khuếch đại tải trọng phi tuyến

Khi băng tích tụ trên các đường dây điện, lực hấp dẫn thông thường và áp lực gió sẽ biến thành những vấn đề nghiêm trọng, không dễ dàng tính toán một cách trực tiếp. Chỉ cần một lớp băng dày 1 cm bao quanh dây dẫn đã làm tăng trọng lượng của dây lên khoảng 15 kilôgam mỗi mét, đồng thời làm diện tích bề mặt chịu tác động của gió tăng thêm khoảng 30 phần trăm. Sự kết hợp này thực tế có thể làm tải trọng cơ học mà đường dây phải chịu đựng tăng gấp ba lần trong một số điều kiện bão mùa đông nhất định. Điều khiến tình hình trở nên tồi tệ hơn nữa là khi băng hình thành không đều trên các phần khác nhau của đường dây — hiện tượng này tạo ra các lực xoắn và ứng suất uốn mà hầu hết các thiết kế tiêu chuẩn hiện nay vốn không được xây dựng để chịu đựng. Nhìn về tương lai, các dự báo khí hậu mới nhất của NOAA cho thấy đến năm 2040, tần suất các trận bão băng lớn và bão cấp 4 có khả năng tăng lên 30 phần trăm. Trước xu hướng này, các kỹ sư cần chấm dứt việc xem các hệ số an toàn theo vùng như những yếu tố tùy chọn bổ sung, mà thay vào đó phải tích hợp chúng một cách trực tiếp ngay từ giai đoạn thiết kế nếu chúng ta muốn hệ thống lưới điện duy trì độ tin cậy trước những hiện tượng thời tiết ngày càng cực đoan.

Lề an toàn và tiêu chuẩn quy định về khả năng chịu tải cho các tháp điện

Yêu cầu của ASCE 7-22 và NESC 2023: hệ số tải danh định từ 1,5× đến 2,5×

Tiêu chuẩn ASCE 7-22 cùng với các quy định mới hơn của NESC 2023 quy định các biên độ an toàn bắt buộc nhằm tính đến các yếu tố bất định trong mô hình hóa, sự biến thiên của vật liệu và dung sai thi công vốn không thể tránh khỏi. Theo các quy phạm này, kỹ sư cần nhân các tổ hợp tải trọng với các hệ số khác nhau tùy theo tình huống cụ thể. Các tải trọng thường xuyên bao gồm tải trọng tĩnh và tải trọng hoạt động được nhân lên khoảng 1,5 lần, trong khi các tình huống cực đoan liên quan đến gió và băng đòi hỏi hệ số khuếch đại lên tới 2,5 lần. Một số tình huống thiết kế đặc biệt quan trọng bao gồm: tính toán áp lực gió cực đại tác động lên dây dẫn, xác định lượng băng bám theo Bảng 250-1 của NESC đối với từng vùng cụ thể, và xử lý các lực hấp dẫn tổng hợp khi nhiều điều kiện cực đoan xảy ra đồng thời. Lấy ví dụ về các cột tháp giàn (lattice towers): một tháp được thiết kế để chịu lực căng dây dẫn bình thường ở mức 200 kN thực tế cần có khả năng chịu lực từ 300 đến 500 kN sau khi áp dụng đầy đủ các hệ số an toàn. Dự phòng nội tại này giúp đảm bảo độ bền cấu trúc, đồng thời vẫn giữ chi phí ở mức hợp lý cho phần lớn các dự án.

Cuộc tranh luận về khả năng thích ứng với biến đổi khí hậu: Đánh giá lại các khoảng cách an toàn tối thiểu giữa bối cảnh các hiện tượng gió/băng ngày càng gia tăng

Gần đây, chúng ta đang chứng kiến các hiện tượng thời tiết kép xảy ra thường xuyên hơn và cường độ mạnh hơn, đặc biệt là những hiện tượng kết hợp giữa gió và băng. Các hệ số an toàn truyền thống giờ đây đã không còn đủ hiệu lực. Những hệ số nhân truyền thống bằng 1,5 lần hoàn toàn bỏ qua thực tế là tình hình có thể trở nên mất kiểm soát như thế nào khi ngay cả những lớp băng mỏng cũng gặp phải gió mạnh. Trên thực tế, chúng ta đã ghi nhận các phép đo tải tăng vọt hơn ba lần so với mức dự kiến trong một số trường hợp. Các tổ chức như Viện Điện lực Edison (Edison Electric Institute) cùng nhóm chuyên gia về Độ bền của lưới điện thuộc Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST's Grid Resilience folks) đang thúc đẩy việc áp dụng các hệ số nhân mới, trong đó tính đến các điểm yếu do biến đổi khí hậu gây ra. Họ mong muốn những thay đổi này được triển khai đặc biệt tại các khu vực có nguy cơ cao hơn, ví dụ như vành đai băng ở Trung Tây Hoa Kỳ (Midwest ice belt) hoặc vùng bờ Vịnh (Gulf Coast), nơi thường xuyên chịu ảnh hưởng của bão. Hiện có kế hoạch cập nhật tiêu chuẩn ASCE 7 bằng cách tích hợp dữ liệu khí hậu địa phương, nhằm thiết lập các yêu cầu tối thiểu cao hơn hai lần so với mức hiện hành ở bất kỳ khu vực nào mà dữ liệu lịch sử cho thấy nguy cơ ngày càng gia tăng. Cách tiếp cận này nhằm tìm ra điểm cân bằng lý tưởng giữa việc chi tiêu hợp lý và thực sự giảm thiểu những rủi ro mà chúng ta đã biết là tồn tại.

Khả năng chịu tải dưới các kịch bản thất bại cực đoan và mất cân bằng

Đứt dây dẫn: Việc dỡ tải đột ngột và sự phân bố lại lực căng không đối xứng

Khi các dây dẫn bị hỏng do các nguyên nhân như mỏi kim loại, rung động đung đưa (galloping), hoặc hư hại do bão mạnh, điều này dẫn đến việc mất đột ngột lực căng trong hệ thống. Những tổn thất này tạo ra sự mất cân bằng, lan truyền sang các nhịp lân cận và các trụ đỡ. Điều gì xảy ra tiếp theo? Ứng suất dư thừa có thể gây ra các vấn đề kết cấu như hiện tượng mất ổn định (buckling) ở các phần chịu nén hoặc làm các bu-lông neo vượt quá giới hạn phá hủy. Hiện nay, các kỹ sư thiết kế trụ với những đặc điểm đặc biệt nhằm nâng cao khả năng chịu đựng các lực bất ngờ này. Họ sử dụng các phương pháp phân tích tiên tiến để đánh giá cách tải trọng lan truyền qua kết cấu và tích hợp các hệ thống hỗ trợ dự phòng nhằm đảm bảo toàn bộ hệ thống duy trì ổn định ngay cả khi một dây dẫn bị đứt. Theo kết quả thử nghiệm thực địa, các trụ được xây dựng theo tiêu chuẩn mới nhất về tải động trong Phụ lục B của Tiêu chuẩn Quốc gia về An toàn Điện (NESC) đã giảm khoảng hai phần ba số vụ hỏng dây chuyền so với các phương pháp thiết kế tĩnh truyền thống.

Tải băng không đối xứng: Xoắn do mất đối xứng, uốn cong và nguy cơ sụp đổ từng bước

Khi băng tích tụ không đều trên tháp hoặc hệ thống dây dẫn, nó tạo ra các lực xoắn và các điểm uốn lệch tâm vượt xa khả năng chịu đựng mà các thiết kế tiêu chuẩn thường tính đến. Loại mất cân bằng này thực tế là nguyên nhân chủ yếu gây ra các vụ sập dần dần trong các hệ thống cơ sở hạ tầng cũ, đặc biệt khi các bộ phận kim loại đã bị ăn mòn theo thời gian hoặc từng chịu tổn thương trước đó làm suy yếu các điểm nối then chốt. Để khắc phục vấn đề này, các kỹ sư cần tập trung không chỉ vào độ bền của vật liệu mà còn vào khả năng uốn cong mà không gãy và khả năng chống lại các lực xoắn. Thực tiễn cũng cung cấp nhiều bài học — hãy xem xét những gì đã xảy ra trong đợt đóng băng nghiêm trọng tại Texas năm 2021. Các tháp được trang bị hệ giằng chéo đúng cách trên mọi mặt và làm từ thép có khả năng giãn nở thay vì gãy vỡ đã đứng vững hoàn toàn, ngay cả khi lớp băng dày hơn 2 cm hình thành ở phía đón gió của dây dẫn.

Tăng cường kết cấu và thiết kế móng nhằm tối ưu hóa khả năng chịu tải của tháp

Hệ thống gia cường: Hiệu quả chéo trong việc chống lại hiện tượng mất ổn định do uốn dọc, xoắn và dao động ngang

Giằng chéo sử dụng các tam giác để chuyển các lực tác động theo phương ngang và các mô-men xoắn thành các lực dọc trục, nhờ đó giúp vật liệu làm việc hiệu quả hơn đồng thời hạn chế tối đa hiện tượng uốn cong. Khi xử lý các thanh chịu nén, việc bố trí góc đặt giằng hợp lý sẽ ngăn chặn hiện tượng mất ổn định (buckling) dưới tải trọng bằng cách rút ngắn chiều dài tính toán hiệu dụng của thanh. Để chống lại hiện tượng xoay do gió hoặc sự tích tụ băng không đều, các kỹ sư thường lắp đặt hệ giằng chéo vuông góc nhằm tạo thành các khung kết cấu vững chắc, có khả năng kháng xoay cao. Các góc thực tế nơi các thanh giằng được bố trí cần được tính toán cẩn thận để đảm bảo công trình duy trì độ ổn định trong suốt các chuyển động (ví dụ như rung động hoặc lún lệch), đồng thời vẫn cho phép giãn nở bình thường khi nhiệt độ thay đổi. Các nghiên cứu đăng trên các tạp chí chuyên ngành chỉ ra rằng hệ thống giằng chất lượng có thể nâng cao khả năng chịu tải lên khoảng 40% so với các công trình không sử dụng giải pháp giằng tương tự. Việc gia cường theo cách này vẫn là một trong những lựa chọn mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất, bất kể khi xây mới hay nâng cấp các công trình hiện hữu.

Giải pháp nền móng: Cọc khoan nhồi so với móng đơn chịu lực lật đổ và tải trọng đất

Loại móng được sử dụng quyết định việc tháp có thể đứng vững trước các lực như lật đổ, nâng lên và lún lệch hay không. Các cọc khoan (còn gọi là cọc ống chìm) được hạ xuống độ sâu khoảng 15–30 mét vào các lớp đất chắc. Giải pháp này đặc biệt hiệu quả trong các loại đất dính và ở những khu vực có gió mạnh, bởi vì nó tận dụng cả lực ma sát dọc thân cọc lẫn khả năng chịu tải tại mũi cọc. So với các phương án khác, cọc khoan cung cấp khả năng chống nâng và chống lật tốt hơn đồng thời sử dụng tổng lượng bê tông ít hơn. Ngược lại, móng độc lập (móng bản) hoạt động theo một nguyên lý khác: chúng yêu cầu diện tích đáy rộng, thường lớn gấp bốn đến tám lần diện tích đáy thực tế của tháp. Loại móng này thường phát huy hiệu quả tốt nhất khi được đặt trên nền đất cát hoặc sỏi đã được đầm chặt—những loại đất có khả năng chịu tải trọng lớn mà không bị lún đáng kể. Tuy nhiên, nhược điểm là để đạt được mức độ ổn định tương đương với cọc khoan trong điều kiện động đất hoặc khi đất bị ngậm nước, móng bản cần sử dụng lượng bê tông nhiều hơn khoảng 60%. Dẫu vậy, trước khi đưa ra bất kỳ quyết định nào, việc thu thập thông tin chi tiết về điều kiện địa chất thực tế dưới lòng đất thông qua các xét nghiệm địa chất chuyên sâu là hoàn toàn thiết yếu. Việc lựa chọn giải pháp móng dựa trên các quy tắc nhanh thay vì dựa trên điều kiện thực tế tại hiện trường chính là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến hầu hết các sự cố tháp bị sụp đổ trong thực tế.

Câu hỏi thường gặp

Tải trọng hấp dẫn lên các cột điện là gì?

Tải trọng hấp dẫn bao gồm trọng lượng của dây dẫn, cách điện, các chi tiết phụ kiện và bản thân cột điện, chiếm khoảng 60 đến 70 phần trăm tổng tải trọng trong điều kiện vận hành bình thường.

Tại sao cần xem xét tải trọng ngang trong thiết kế cột điện?

Tải trọng ngang do gió có thể khiến kết cấu rung động và nứt gãy theo thời gian. Hệ thanh chéo (cross bracing) giúp phân bố các lực này nhằm duy trì độ ổn định.

Sự tích tụ băng tuyết ảnh hưởng như thế nào đến các cột điện?

Sự tích tụ băng tuyết làm tăng trọng lượng và diện tích bề mặt, từ đó gia tăng ứng suất cơ học trong các cơn bão và có thể dẫn đến hiện tượng xoắn và uốn nghiêm trọng hơn.

Các tiêu chuẩn an toàn đối với cột điện là gì?

ASCE 7-22 và NESC 2023 quy định các hệ số tải từ 1,5 đến 2,5 nhằm tính đến các yếu tố bất định cũng như các điều kiện cực đoan như gió và băng tuyết.