Đăng ký thành viên

Hiện đại hóa lưới điện: Nhìn lại một thế kỷ thiết kế kết cấu truyền tải

Tại sao nâng cấp lưới điện không có nghĩa là thay thế mọi thứ cũ (Ảnh st)

Bạn có ngạc nhiên khi biết rằng các kết cấu thép thanh giàn ban đầu không hề thiết kế theo tiêu chuẩn quốc gia không? Vào những ngày đầu, mỗi công ty kỹ thuật đều tuân theo phương pháp thiết kế độc đáo của riêng mình, tương tự như cách các nhà chế tạo điện thoại đã từng sử dụng các cổng sạc khác nhau cho đến khi USB-C nổi lên như một tiêu chuẩn vạn năng. Sự thiếu nhất quán này dẫn đến việc chế tạo các kết cấu theo các tiêu chí khác nhau, tạo ra những thách thức đáng kể trong quá trình phân tích mà chúng ta vẫn đang phải đối mặt cho đến ngày nay.

Phần lớn cơ sở hạ tầng truyền tải ở Mỹ đã xây dựng trước những năm 1960 và tiếp tục hỗ trợ lưới điện cho đến ngày nay. Nhu cầu điện tiếp tục tăng khiến lưới điện phải được hiện đại hóa. Quá trình này thường bao gồm việc lắp đặt các dây dẫn lớn hơn hoặc tăng độ căng của dây dẫn để cải thiện khoảng cách điện. Những thay đổi này làm tăng tải trọng lên kết cấu, đôi khi vượt quá sức chịu đựng thiết kế của các kết cấu ban đầu.

Thách thức chính trong việc đánh giá các kết cấu lão hóa là xác định xem chúng có còn đáp ứng các yêu cầu về độ bền theo quy định của quy phạm hiện hành hay không. Hãy cùng khám phá những thách thức trong việc phân tích các kết cấu truyền tải cũ hơn và tóm tắt các phương pháp khác nhau dùng để phân tích các kết cấu trước đây.

Nguồn gốc: Các phương pháp thiết kế có một không hai trước đây

Để hiểu cách xác định ban đầu của những kết cấu đang lão hóa này ra sao, điều quan trọng là nhìn lại các thực hành thiết kế sử dụng trong thế kỷ qua. Có một số cách tiếp cận thú vị minh họa những tiến bộ đạt được qua năm tháng. Đầu những năm 1900, chưa có tiêu chuẩn nào áp dụng cho việc thiết kế các trụ điện kiểu thanh giàn. Trong thời gian này, Công ty American Bridge Company (Mỹ) là nhà cung cấp các trụ điện kiểu thanh giàn hàng đầu.

Một số kết cấu của họ, bao gồm các trụ điện cao vượt sông vẫn còn sử dụng cho đến ngày nay. Ấn phẩm “Trụ điện truyền tải” năm 1925 đã công bố phương pháp thiết kế của các kết cấu này và sau đó các công trình nghiên cứu tiếp theo đã dùng nó làm tài liệu tham khảo. Trong khi đó, khoa học vật liệu và các công nghệ kỹ thuật không ngừng phát triển và tiến bộ .

Đến những năm 1960, thực hành thiết kế kết cấu đã có nhiều bước tiến và “Tiêu chuẩn thiết kế số 10” đã trình bày phương pháp tiếp cận mới. Ấn phẩm này do Cục Khai hoang thuộc Bộ Nội vụ Mỹ xuất bản. Đây là một trong những phương pháp mà các kỹ sư đã áp dụng để thiết kế trụ điện kiểu thanh giàn. Nghiên cứu này cũng tham khảo phương pháp đó. Tuy nhiên, thiết kế kết cấu vẫn tiếp tục phát triển không ngừng sau thời điểm đó.

Hiệp hội các Kỹ sư Xây dựng Mỹ (ASCE) công bố các tiêu chuẩn thiết kế nhiều kết cấu khác nhau. Việc công bố văn bản “Hướng dẫn thiết kế trụ điện truyền tải bằng thép” vào năm 1971 là nỗ lực đầu tiên của ASCE hướng tới tiêu chuẩn thiết kế chính thức. Phần lớn các yêu cầu thiết kế mà chúng ta tìm thấy trong tiêu chuẩn hiện tại “Thiết kế các kết cấu thép truyền tải thanh giàn” (ASCE 10-15) đều bắt nguồn từ ấn phẩm năm 1971 này. Tiêu chuẩn ASCE 10-15 này dùng để thể hiện phương pháp thiết kế hiện tại trong bài viết này.

Sự tiến hóa của các thực hành và tiêu chuẩn thiết kế

Khi các tiêu chuẩn hiện đại ra đời, những khác biệt trong cách tính toán năng lực kết cấu bắt đầu xuất hiện. Các kỹ sư nhận thấy khả năng chịu lực căng của một mặt cắt góc, tính theo tiêu chuẩn ASCE 10-15 hiện hành, thấp hơn so với năng lực mà ấn phẩm “Trụ điện truyền tải” năm 1925 đưa ra. Nguyên nhân là ASCE 10-15 đã quy định giảm 10% lực căng cho góc kết nối trên một chân trụ, trong khi các kết cấu lịch sử không áp dụng cách giảm này. Vì vậy, khi phân tích một kết cấu lịch sử theo tiêu chuẩn hiện hành, kết quả có thể cho thấy độ bền của thành phần kết cấu thực tế vượt quá năng lực thiết kế theo tiêu chuẩn mới.

Nhiều kết cấu thực tế trong lịch sử không đáp ứng được các yêu cầu về năng lực chịu kéo đứt kết nối theo tiêu chuẩn ASCE 10 ban hành năm 1990, vì các kỹ sư trước đây chưa áp dụng yêu cầu này khi thiết kế. Để tuân thủ tiêu chuẩn hiện hành, cần kiểm tra và đảm bảo các kết cấu này đáp ứng yêu cầu về năng lực chịu lực kéo đứt theo quy định mới.

Một lĩnh vực quan trọng khác mà các phương pháp thiết kế đã phát triển đáng kể chính là tính toán cường độ chịu nén. Nhờ các nghiên cứu kỹ thuật ngày càng tiến bộ, các công thức tính cường độ chịu nén của các thanh kết cấu đã liên tục cải thiện trong suốt thế kỷ qua. Khi so sánh ứng suất chịu nén của các đoạn không có thanh giàn (tùy theo tỷ lệ mảnh) giữa công thức từ đầu những năm 1900, những năm 1960 và tiêu chuẩn hiện hành, kết quả cho thấy tiêu chuẩn hiện hành giúp các thành phần đạt năng lực chịu lực cao hơn. Hình minh họa bên dưới cho thấy các thanh chân thiết kế từ đầu những năm 1900 chỉ sử dụng khoảng 79% khả năng chịu lực tối đa của chúng.

Trước đây, các kỹ sư thiết kế kết cấu truyền tải chủ yếu tính toán thủ công mà không dùng đến bàn tính hoặc máy tính. Khác với khi các kỹ sư phân tích hàng trăm tổ hợp tải trọng như hiện nay, các kết cấu cũ chỉ trải qua kiểm tra với một vài tổ hợp tải trọng, thường chỉ ba tổ hợp chính. Dù tiêu chuẩn thiết kế lúc đó ít nghiêm ngặt hơn, nhiều kết cấu lịch sử đã tồn tại bền vững qua thời gian, vì thiết kế không khai thác hết năng lực tối đa của vật liệu và kết cấu. Ngoài ra, các kỹ sư đã sử dụng thử nghiệm quy mô lớn để kiểm chứng khả năng chịu tải trọng theo thiết kế.

Các công thức nén từ ASCE 10-15 thiết kế cho các kết nối có độ lệch khung thông thường. Điều này có nghĩa là tâm của mẫu bu lông phải nằm giữa gót góc và đường tâm của trụ kết nối. Tuy nhiên, nhiều kết cấu lịch sử có thật không đáp ứng tiêu chí này và có các kết nối lệch tâm. Đối với các trường hợp này, cần phân tích bổ sung để đánh giá ứng suất uốn thường nằm ngoài phần mềm phân tích trụ thông thường.

Mạ kẽm chịu thời tiết. Kẽm vẫn còn nguyên vẹn bên dưới lớp nhuộm màu nâu đỏ (Ảnh st)

Phát huy lợi thế công nghệ trong phân tích kết cấu

Những thách thức trong việc phân tích các kết cấu lịch sử có thật không chỉ dừng lại ở việc hiểu các tiêu chuẩn và quy phạm thiết kế cũ. Một thách thức lớn khác nằm ở tính khả dụng hoặc độ chính xác của các bản vẽ kết cấu. Đối với các kết cấu cũ hơn, các hồ sơ này thường thiếu, không đầy đủ hoặc khó diễn giải. Khi điều này xảy ra, các kỹ sư dựa vào thanh tra hiện trường để thu thập dữ liệu cần thiết, chẳng hạn như các kích thước kết cấu, các kích cỡ thanh và số lượng bu lông. Các công nghệ hiện đại như chụp ảnh bằng máy bay không người lái và Phát hiện và Đo khoảng cách bằng Ánh sáng (LiDAR) giúp quá trình này dễ dàng hơn và an toàn hơn.

LiDAR đặc biệt hữu ích để chụp các kích thước tổng thể của một trụ điện. Trong một số trường hợp, nó phát hiện các khác biệt giữa kết cấu hiện tại và bản vẽ gốc. Ảnh chụp từ máy bay không người lái có độ phân giải cao cũng có thể cung cấp góc nhìn cận cảnh về các kết nối phức tạp hoặc các khu vực bị hư hại mà không cần phải trèo lên kết cấu. Mặc dù các công nghệ này có nhiều ưu điểm, nhưng chỉ có thể nhận dạng một số vấn đề như hỏng kết nối do chịu lực từ bu lông thông qua việc thanh tra trực tiếp trên cấu trúc.

Sự cố đứt gãy kết nối của một thanh góc (Ảnh st)

Sự tiến hóa trong khoa học vật liệu

Độ bền của bu lông và thép đã tiến hóa theo sự phát triển của khoa học vật liệu. Ví dụ như, khả năng chịu cắt của bu lông đường kính 15,9mm xuyên qua phần ren đã tăng từ khoảng 4 kips (11,8 kilo pound) vào đầu những năm 1900 lên 15 kips (16,6 kilo pound) ngày nay. Tuy nhiên, trong các kết cấu cũ hơn, cấp độ và độ bền của các thành phần thép hoặc bu lông sử dụng có thể không phải lúc nào cũng có ghi chép lại. Trong những tình huống này, các kỹ sư có thể ước tính độ bền dựa trên thời đại xây dựng kết cấu. Ngoài ra, có thể tháo một thành phần hoặc bu lông ra khỏi kết cấu đang xét để thử nghiệm độ bền của nó trong phòng thí nghiệm. Nếu đề xuất tháo một thành phần ra để thử nghiệm, các kỹ sư cần cẩn thận để đảm bảo cột điện vẫn ổn định khi không có thành phần đó bằng cách sử dụng phân tích máy tính chuyên dụng và thay thế các thành phần bị thiếu trên kết cấu.

Hãy cân nhắc các bu lông cấp ASTM A394 hoặc tương tự. Cột truyền tải điện đã áp dụng riêng chúng từ năm 1955. Các bu lông này có đầu nhỏ hơn và cho phép kết nối chặt hơn. Sự thay đổi lớn tiếp theo về độ bền cắt của bu lông xảy ra khi phiên bản năm 1984 của tiêu chuẩn A394 đưa vào áp dụng bốn loại phẩm cấp bu lông (Loại 0 và Loại 1, 2 và 3).

Năng lực chịu kéo của các bu lông mới này vượt quá năng lực chịu kéo của thép thành phần, và năng lực chịu lực của vật liệu bu lông không chi phối trong thiết kế các kết nối. Đối với các bu lông cũ hơn, cần cân nhắc khả năng chịu lực của vật liệu bu lông trong quá trình phân tích.

Một số hình dạng kết cấu dùng trong các kết cấu lịch sử đã bị ngừng sử dụng. Các đặc tính thành phần lịch sử có thể tìm thấy trong cơ sở dữ liệu thành phần lịch sử của AISC hoặc có thể tính toán bằng chương trình phần mềm. Khi so sánh các đặc tính mặt cắt tùy chỉnh trong phiên bản năm 1925 của “Cột điện truyền tải” với các đặc tính từ các tính toán phần mềm, sự khác biệt là không đáng kể.

Chỉ nhìn thấy chịu lực của các lỗ bu lông sau khi tháo các đai ốc (Ảnh st)

Đánh giá vật lý

Ngoài thiết kế và các đặc tính vật liệu, tình trạng vật lý của các kết cấu sau nhiều năm dịch vụ cũng là một yếu tố quan trọng khác. Tất cả các phân tích về kết cấu đều giả định rằng kết cấu còn nguyên vẹn và năng lực chịu lực của kết cấu vẫn như lúc mới lắp đặt lần đầu. Mặc dù nhìn chung là đúng, nhưng kết cấu có thể bị hư hại theo thời gian dịch vụ ăn mòn.

Đối với các kết cấu cũ, ăn mòn là vấn đề phổ biến nhất dẫn đến việc giảm năng lực chịu lực. Ăn mòn làm giảm diện tích mặt cắt ngang của các thành phần và làm suy yếu sức bền của chúng. Nếu các thành phần trụ điện bị hư hỏng do ăn mòn, cần phân tích các thành phần này bằng cách sử dụng diện tích mặt cắt ngang giảm để tính đến sự mất mát vật liệu và sức bền. Các bề mặt bị ăn mòn có màu đỏ tươi và có bề mặt rỗ.

Tuy nhiên, các thành phần có vẻ bị ăn mòn có thể do lớp mạ kẽm bị phong hóa, khi sắt trong các lớp hợp kim kẽm-sắt bị oxy hóa, tạo thành màu nâu đỏ.

Rỉ sét thực tế chỉ hình thành nếu không có kẽm ở nơi có khiếm khuyết. Nếu chỉ có vết ố màu nâu đỏ, thì thép nền không bị gỉ sét. Khi kỹ thuật viên phun cát trên bề mặt thành phần, có thể nhìn thấy lớp mạ kẽm còn lại. Điều quan trọng khi thanh tra các kết cấu cũ là phải hiểu được sự khác biệt giữa gỉ sét và mạ kẽm bị phong hóa và sử dụng các biện pháp thực hành tốt nhất trong quá trình phân tích sao cho năng lực chịu lực của kết cấu không bị giảm một cách không chính xác.

Các tiêu chí thiết kế và tiêu chuẩn vật liệu đã thay đổi đáng kể, nên nhiều kết cấu lịch sử không còn phù hợp với các yêu cầu trong quy chuẩn hiện hành. Khi đánh giá các thiết kế cũ, kỹ sư cần so sánh rõ phương pháp thiết kế ban đầu với tiêu chuẩn hiện tại để xác định chính xác năng lực của kết cấu. Kỹ sư cần vận dụng bài học kinh nghiệm trong quá khứ, kết hợp với công cụ và công nghệ kỹ thuật hiện đại, nhằm duy trì độ tin cậy của các kết cấu và đáp ứng tốt yêu cầu hạ tầng ngày nay.

Biên dịch: Hồ Văn Minh

Theo “T&D world ”, tháng 2/2025