CSDL Ngành điện

Tối ưu hóa móng cột khung thép chữ H: Phương pháp tiếp cận sáng tạo của Ameren về độ sâu chôn cột điện

02/07/2025 10:38 Số lượt xem: 3

Thử nghiệm tải trọng toàn phần cột thép chôn trực tiếp chứng minh tư duy sáng tạo (Ảnh st)

Trong hơn một thế kỷ, người ta đã dùng các kết cấu cột gỗ để đỡ đường dây điện trên không. Theo thời gian, cùng với sự phát triển của ngành điện, kết cấu cột điện cũng từng bước cải tiến để đáp ứng yêu cầu công nghệ và tải trọng ngày càng lớn. Tuy nhiên, nhiều nguyên tắc thiết kế truyền thống vẫn tiếp tục duy trì và áp dụng rộng rãi cho đến ngày nay, thể hiện tính bền vững và hợp lý trong tư duy kỹ thuật qua các thời kỳ. Một trong những nguyên tắc thiết kế cho đến nay là quy định về độ sâu chôn cột khi sử dụng đá để lấp móng: Việc xác định độ sâu chôn cột tuân theo một tỷ lệ phần trăm chiều dài tổng thể của cột, cộng thêm một hằng số cố định, thường là 0,6 mét. Người ta vẫn áp dụng quy tắc này trong thiết kế và thi công để đảm bảo kết cấu ổn định và an toàn.

Trong nhiều thập kỷ, quy tắc này đã phát huy tác dụng tốt trong các điều kiện đất thông thường, nhưng ngành điện đang thay đổi. Khi tải trọng ngày càng tăng và việc đưa vào sử dụng nhiều vật liệu mới như thép, ngành điện buộc phải triển khai những kết cấu lớn hơn để đỡ các dây dẫn có kích thước và tải trọng lớn hơn. Điều này đòi hỏi phải điều chỉnh các quy tắc thiết kế truyền thống nhằm đảm bảo kết cấu và móng cột đáp ứng được yêu cầu chịu lực ngày càng khắt khe. Phần cột chôn dưới đất đóng vai trò then chốt trong việc chịu lực và phân phối toàn bộ các tải trọng xuống nền đất xung quanh. Một quy tắc đã tồn tại từ hàng thế kỷ trước không chỉ đơn thuần là quy tắc thiết kế, mà còn là yêu cầu bắt buộc phải có bằng chứng cho thấy các móng cột mới và móng cột hiện có đều có khả năng chịu được các tải trọng trong tương lai.

Tải trọng bên ngoài và phản ứng của móng cột kết cấu khung chữ H (Ảnh st)

Một bí ẩn chưa có lời giải

Công ty Ameren (Mỹ) đã nhận dạng một số dự án đường dây truyền tải đòi hỏi phải sử dụng các kết cấu khung thép chữ H với các móng cột chôn trực tiếp truyền thống sử dụng đá nghiền để lấp. Công ty lựa chọn các kết cấu kiểu khung thép chữ H để tăng độ tin cậy và chịu được sự gia tăng tải trọng trong tương lai trên toàn hệ thống Ameren. Kiểu kết cấu này vẫn còn tương đối mới và ngành công nghiệp điện lực, kể cả Ameren, thiếu nhiều thập kỷ kinh nghiệm mà các cột gỗ thông thường mang theo, đặc biệt là về tính năng móng cột.

Mối quan ngại gia tăng tại Ameren xoay quanh việc tuân theo các độ sâu thiết lập truyền thống đối với các khung chữ H với lớp đất lấp truyền thống áp dụng cho kết cấu khung chữ H bằng thép. Liệu có an toàn khi cho rằng các kết cấu thép sẽ có tính năng móng cột giống như gỗ không? Kết cấu khung chữ H bằng thép của Ameren tuân theo cùng cấu hình và các khung như kết cấu gỗ của họ. Tuy nhiên, thép đương nhiên có khả năng chịu tải lớn hơn.

Móng cột cần phải đủ chắc chắn để chống lại sự chuyển động và xoay. Nếu kết cấu bên trên mặt đất có thể chịu được tải trọng lớn hơn nhiều so với gỗ, vậy thì phải sửa đổi móng cột để cũng chịu được những tải trọng đó. Các bề mặt thép cũng có lực ma sát bên đối với đất thấp hơn so với các bề mặt gỗ, điều này khiến móng cột thép ở thế bất lợi. Sự liên kết giữa gỗ và đá lấp tạo ra lợi thế so với thép. Ameren không có ý định từ bỏ việc sử dụng đá lấp truyền thống. Công ty hầu như không xem xét đến các vật liệu thay thế, kể cả bê tông, trong quá trình thiết kế và thi công. Phương pháp tiếp cận này nhằm duy trì kết cấu tương tự như cột gỗ, để việc lắp đặt móng cột, kết cấu và các thiết bị đường dây có thể thực hiện theo cùng quy trình như các dự án sử dụng khung chữ H bằng gỗ.

Thay vì dựa vào các thực hành tốt nhất về điện lực truyền thống hoặc cố gắng nâng cao độ sâu đặt cột để đáp ứng thiết kế mới hơn, Ameren đã quyết định thử nghiệm các kết cấu này. Mục tiêu của thử nghiệm là hiểu rõ hơn về tính năng của móng cột và cuối cùng là một giải pháp tiết kiệm chi phí cho độ sâu đặt cột. Mục tiêu là tìm ra độ sâu đặt cột phù hợp cho các kết cấu thép và thử nghiệm các thực hành lịch sử của các kết cấu gỗ.

Một trong những dự án đầu tiên của Ameren yêu cầu triển khai các khung thép chữ H và đặt mục tiêu khởi công trong vòng 18 tháng. Mốc thời gian ngắn này buộc nhóm thực hiện phải nhanh chóng xây dựng kế hoạch thử nghiệm, triển khai các thử nghiệm tải trọng và thiết lập cơ sở thiết kế cho toàn bộ hệ thống. Với một lịch trình táo bạo và một ngân sách đã tính toán, Ameren quyết định thử nghiệm bốn kết cấu khung chữ H hoàn chỉnh để phát triển một cơ sở thiết kế và hiểu rõ hơn về độ sâu đặt cột.

Ameren đã chọn thử nghiệm ba kết cấu khung chữ H bằng thép và một kết cấu khung chữ H bằng gỗ. Các cấu hình kết cấu được chọn để thử nghiệm nằm trong khoảng 24,4m với một thanh giằng chữ X và 25,9m với hai thanh giằng chữ X. Nhóm này đã quyết định thử nghiệm một dải các độ sâu đặt móng cột, 10% + 0,6m và 10% + 1,2m.

Sơ đồ thiết lập thử nghiệm tải trọng (Ảnh st)

Việc áp dụng độ sâu móng cột sâu hơn công thức 10% chiều dài +1,2m chỉ diễn ra nếu hai thử nghiệm tải trọng ban đầu chứng minh được sự cần thiết. Ba thử nghiệm với kết cấu thép sẽ cung cấp đủ bằng chứng để phát triển các tham số thiết kế trong khi kết cấu gỗ đóng vai trò là biến kiểm soát và cung cấp cơ hội để thử nghiệm quy tắc đã có từ hàng thế kỷ.

Thiết lập thử nghiệm

Các kết cấu khung hoặc các kết cấu khung chữ H có độ ổn định theo chiều dọc trục sẽ gặp phải mối đe dọa lớn nhất khi chịu tải theo chiều ngang trục. Các tải trọng lớn theo chiều ngang lớn như gió, tác động vuông góc với kết cấu đỡ và các dây cố định có thể khiến khung quay và thậm chí lật đổ móng cột ra khỏi mặt đất. Cột đón gió trên một kết cấu khung chữ H có khả năng nhổ ra khỏi mặt đất nếu móng cột không đặt đủ sâu hoặc đất xung quanh quá yếu.

Quy phạm An toàn Điện Quốc gia (NESC) là cơ quan quản lý bao gồm thiết kế và chi tiết hóa các kết cấu truyền tải. NESC cung cấp các sự kiện thời tiết cực đoan mà thiết kế của các kết cấu và dây kim loại phải ứng phó, có thể bao gồm gió cực đoan không có băng hoặc gió cực đoan có băng bám vào dây kim loại. Áp suất gió cực đoan không có băng bám vào các dây và các kết cấu kim loại được phát hiện là có thể kiểm soát tải trọng trên kết cấu khung chữ H tiêu chuẩn.

Độ võng của cột thép tại mặt đất do tác động của lực tổng hợp (Ảnh st)

Nhóm Ameren đã phải tái tạo sự kiện gió cực đoan này trong một môi trường có kiểm soát bằng cách chỉ lắp đặt kết cấu hoàn chỉnh mà không có bất kỳ nhịp dây kim loại nào. Để thực hiện điều này, Ameren tính toán các tải trọng điểm tối đa theo chiều ngang và theo chiều dọc bằng các tham số thiết kế đường dây dự kiến như chiều dài nhịp, kích cỡ dây kim loại, áp suất gió và trọng lượng dây kim loại. Công ty đặt các tải trọng điểm theo chiều ngang và dọc vào các vị trí cố định dây lên kết cấu thử nghiệm, cố gắng đáp ứng hoặc vượt quá tải trọng thiết kế dự kiến trong quá trình thử nghiệm tải trọng.

Các tải trọng theo chiều dọc cần đặt vào từng điểm cố định bằng các vật nặng không đổi, thể hiện trọng lượng cáp trần. Các tải trọng theo chiều ngang cần đặt vào bằng một cáp được kiểm soát bởi một tời xe tải; một cáp vào vị trí xà ngang dây chống sét và cáp còn lại vào vị trí xà ngang dây dẫn. Các vị trí cố định dây kim loại trên kết cấu thử nghiệm nằm cách mặt đất hơn 15,24m. Nhóm dự án cần một giải pháp kỹ thuật để đặt một cách an toàn các tải trọng ngang này trong môi trường được kiểm soát.

Để tạo ra một tải trọng ngang thuần túy, trong đó gió đặt tải lên các dây kim loại, nhóm này đã quyết định sử dụng một kết cấu chống đỡ bằng gỗ để chuyển hướng dây kim loại từ tời lên kết cấu thử nghiệm. Tại kết cấu chống đỡ, một ròng rọc dây đung đưa đã đỡ cáp để tạo ra lực căng bằng nhau ở cả hai bên của kết cấu chống đỡ. Cáp sẽ rời khỏi kết cấu chống đỡ ở một góc so với tời và cũng sẽ rời khỏi kết cấu chống đỡ theo chiều ngang so với kết cấu thử nghiệm. Các tải trọng cáp đặt vào đã được đo tại tời xe tải. Nhà thầu của Ameren đã khảo sát kết cấu tại các đỉnh cột và mặt đất để đo độ dịch chuyển của cột điện mỗi khi tăng tải trọng.

Để thực hiện thử nghiệm tải trọng này, trước tiên Ameren đã phải tìm một khu đất đủ lớn để có thể thực hiện thử nghiệm và có các đặc tính địa kỹ thuật lý tưởng. Ameren mới đây đã mua 4,05ha đất ở miền trung nam bang Illinois để xây dựng một trạm biến áp trong tương lai; thời điểm này không thể tốt hơn. Thông tin về đất tại địa điểm này là lý tưởng, đại diện cho các loại đất phổ biến trên toàn bộ địa bàn dịch vụ của Ameren. Nhóm Ameren đã chọn sử dụng địa điểm này để thử nghiệm và lên kế hoạch thực hiện thử nghiệm đầu tiên vào tháng 12 năm 2019.

Thành công với qui tắc vàng

Nhóm dự án chỉ có một cơ hội để làm đúng điều này và xác định một thiết kế hiệu quả cho các dự án khung chữ H bằng thép để đảm bảo đúng tiến độ. Nhóm đã thừa nhận rằng nên lắp đặt và thử nghiệm cùng lúc. Điều này đã đảm bảo rằng những thay đổi hoặc sửa đổi đối với các thử nghiệm còn lại có thể thực hiện với các thiết lập thử nghiệm, độ sâu đặt móng cột và các tải trọng đặt vào. Ameren đã lắp đặt kết cấu đầu tiên và bắt đầu thử nghiệm trên một trong các kết cấu khung chữ H bằng thép với sự có mặt của nhóm để theo dõi. Khi tải trọng cuối cùng đã đặt vào, kết cấu vẫn giữ nguyên, hầu như không di chuyển ra khỏi mặt đất. Kết cấu đầu tiên đã thành công rực rỡ, chứng minh rằng có thể đạt được độ sâu đặt hợp lý cho các kết cấu khung chữ H bằng thép lấp bằng đá nghiền.

Sau khi hoàn thành kết cấu đầu tiên, Ameren đã lắp đặt khung gỗ đơn và thử nghiệm theo quy tắc vàng là 10% + 0,6m. Trong quá trình thử nghiệm tải trọng khung gỗ chữ H, nhóm nghiên cứu đã tăng dần các tải trọng đặt vào theo từng bước trong khi kết cấu móng cột vẫn nằm trong lòng đất, hầu như không có bất kỳ chuyển động nào. Kết cấu bị hỏng ở thanh giằng chữ X chịu nén, như đã dự đoán trước.

Thử nghiệm khung gỗ chữ H đã thành công theo quy tắc vàng và các tải trọng đặt vào; các kết quả này thừa nhận nhiều thập kỷ lắp đặt khung gỗ thành công đồng thời cung cấp một con đường tiến về phía trước cho các dự án kết cấu gỗ trong tương lai. Công ty sau đó đã lắp đặt và thử nghiệm hai kết cấu khung thép chữ H còn lại, với các kết quả củng cố hai thử nghiệm ban đầu và cung cấp các điểm dữ liệu nhất quán cho nghiên cứu này.

Kết cấu khung thép chữ H chịu tải trong quá trình thử nghiệm (Ảnh st)

Thời đại mới

Ameren đã may mắn khi có thể thử nghiệm bốn kết cấu khác nhau để xác định tác động từ độ sâu thiết lập khác nhau, vật liệu kết cấu và số lượng thanh giằng chữ X. Có lẽ sự so sánh quan trọng nhất từ nghiên cứu này xoay quanh sự khác biệt giữa các kết cấu thử nghiệm một và ba.

Với hai thử nghiệm này, Ameren đã nghiên cứu tác động trực tiếp của việc đặt một cột sâu hơn 0,6m so với quy tắc vàng là 10% + 0,6m. Dưới cùng các tải trọng đặt vào, 0,6m chôn thêm cho thấy sự giảm khoảng 60% dịch chuyển ngang của đường tiếp đất. Ngoài ra, 0,6m chôn thêm cho thấy sự giảm khoảng 50% chuyển động nâng thẳng đứng trên cột đón gió.

Các kết quả này có ý nghĩa quan trọng, vì không chỉ cả hai kết cấu đều đáp ứng các tiêu chí móng cột ở tải trọng tối đa mà việc chôn sâu hơn 0,6m còn mang lại sự linh hoạt và thay đổi trong thiết kế. Các kết quả này đã cung cấp kiến thức cho nhóm dự án để xác định một cơ sở thiết kế mới cho các dự án trong tương lai, đồng thời tạo ra một thiết kế hiệu quả về mặt chi phí nhưng vẫn mang lại một số linh hoạt nào đó cho các rủi ro của dự án.

Các thử nghiệm tải trọng quy mô đầy đủ không chỉ thành công mà còn vượt quá mong đợi của Ameren. Nhóm Ameren đã có nhiều tiên đoán về cách thức hoạt động của từng kết cấu, liệu quy tắc vàng 10% + 0,6m có giữ nguyên hay cần phải đào sâu hơn nữa.

Các kết quả này gợi ý rằng việc lắp đặt khung thép chữ H chôn trực tiếp ở độ sâu chôn 10% + 1,2m có hiệu quả trong điều kiện đất, đất lấp và điều kiện tải trọng tương tự. Nó cũng mang lại sự linh hoạt trong tính năng kết cấu. Tương tự như vậy, các kết cấu khung gỗ chữ H có hiệu quả ở độ sâu chôn 10% + 0,6m trong cùng một kết luận. Các kết cấu khung thép chữ H sẽ là thiết kế của tương lai; chúng cung cấp độ tin cậy tăng cao, mang lại lợi ích cho kết cấu đường dây và có thể chịu được nhu cầu tăng tải trọng trong tương lai.