TỔNG QUAN VỀ CHIẾU SÁNG
CÁC ĐỊNH LUẬT QUANG HỌC VÀ ỨNG DỤNG TRONG KỸ THUẬT CHIẾU SÁNG
Hiện tượng phản xạ ánh sáng tuân theo định luật quang hình, trong đó góc tới bằng góc phản xạ Sự phản xạ này được đặc trưng bởi hệ số phản xạ đều ρ pxđ.
Quang thông phản xạ đều và quang thông rọi tới diện tích bề mặt được ký hiệu là Фpxđ và Фi, với điều kiện pxd i < 1 Sự phản xạ đều là hiện tượng lý tưởng xảy ra trên các vật liệu mịn và nhẵn tuyệt đối Hiện tượng này được ứng dụng trong nghiên cứu chế tạo tấm phản quang và tính toán độ chói bề mặt của các vật liệu mịn, phẳng có khả năng phản xạ đều.
* Sự phản xạ khuyếch tán
Hiện tượng phản xạ khuyếch tán không tuân theo định luật quang hình, đặc trưng bởi việc các tia sáng chiếu lên bề mặt phản xạ phân bố theo nhiều hướng khác nhau Các vectơ cường độ sáng phản xạ tạo thành một mặt cong, và sự phản xạ này được đặc trưng bởi hệ số n r i, với i = r n I n.
Phản xạ khuyếch tán là hiện tượng xảy ra khi ánh sáng chiếu vào bề mặt vật liệu, với hệ số phản xạ hỗn hợp được định nghĩa là tổng của phản xạ đều và phản xạ khuyếch tán Cụ thể, hệ số phản xạ hỗn hợp ρpx = ρpxđ + ρpxkt, trong đó ρpxđ là quang thông phản xạ đều và ρpxkt là quang thông phản xạ khuyếch tán Trong thực tế, cả hai hiện tượng này đều diễn ra đồng thời trên bề mặt các vật liệu.
Phản xạ khuyếch tán đều là hiện tượng mà các vectơ cường độ sáng phản xạ nằm trên một mặt cầu tiếp xúc với bề mặt phản xạ, với tâm nằm trên đường vuông góc của mặt phản xạ Hiện tượng này tuân theo định luật Lambert và có ứng dụng quan trọng trong kỹ thuật chiếu sáng.
Phản xạ khuyếch tán kiểu hỗn hợp là hiện tượng mà các vectơ cường độ sáng phản xạ được tạo thành từ sự kết hợp giữa phản xạ đều và phản xạ khuyếch tán đều.
Phản xạ khuyếch tán kiểu phân tán xảy ra khi các vectơ cường độ sáng phản xạ nằm trên một mặt cong với hình dạng ngẫu nhiên Loại phản xạ này thường gặp trong thực tế và được nghiên cứu nhằm tính toán độ chói của mặt đường và mặt sàn.
Hiện tượng này không tuân theo định luật quang hình trong giáo trình Vật lý đại cương, với lưu ý rằng tia sáng ra khỏi tấm đồng thì song song với tia tới Sự truyền xạ đều được đặc trưng bởi hệ số truyền xạ ρtxd = txd i < 1, trong đó Фtxđ và Фi lần lượt là quang thông truyền xạ đều và quang thông rọi tới bề mặt Ứng dụng của hiện tượng này bao gồm nghiên cứu chế tạo kính bảo vệ phẳng cho bộ đèn và bóng đèn bằng thủy tinh rong suốt như bóng đèn sợi đốt và ống phóng điện.
* Sự truyền xạ khuyếch tán:
Hiện tượng truyền xạ khuyếch tán không tuân theo định luật quang hình, với đặc điểm là tia sáng chiếu tới bề mặt phát ra ánh sáng theo nhiều hướng khác nhau Các vectơ cường độ sáng truyền xạ nằm trên một mặt cong, và được đặc trưng bởi hệ số truyền xạ khuyếch tán ρ txkt = txkt i < 1, trong đó Фtxkt và Фi lần lượt là quang thông truyền xạ khuyếch tán và quang thông rọi tới bề mặt Trên thực tế, bề mặt vật liệu thường xảy ra đồng thời hai hiện tượng truyền xạ đều và khuyếch tán, dẫn đến định nghĩa hệ số truyền xạ hỗn hợp ρtx = ρ txđ + ρtxkt < 1.
Truyền xạ khuyếch tán đều xảy ra khi các vectơ cường độ sáng nằm trên một mặt cầu tiếp xúc với bề mặt truyền xạ, với tâm của mặt cầu nằm trên đường vuông góc với bề mặt đó Hiện tượng này tuân theo định luật Lambert và có ứng dụng quan trọng trong kỹ thuật chiếu sáng.
Truyền xạ khuyếch tán kiểu hỗn hợp là hiện tượng mà các vectơ cường độ sáng được hình thành từ sự kết hợp giữa truyền xạ đều và truyền xạ khuyếch tán đều.
Truyền xạ khuyếch tán kiểu phân tán xảy ra khi các vectơ cường độ sáng nằm trên một mặt cong có hình dạng bất kỳ Hiện tượng này được nghiên cứu để chế tạo kính bảo vệ cho đèn ánh sáng khuyếch tán, giúp giảm độ chói cho người quan sát, cũng như phát triển các loại đèn mờ như đèn tuyp và đèn sơn mờ.
Khúc xạ là hiện tượng thay đổi hướng của các tia sáng liên tiếp qua các tiết diện lăng kính
Trong kỹ thuật chiếu sáng, kính bảo vệ các bộ đèn thường có dạng phẳng, nhưng một số bộ đèn lại sử dụng kính bảo vệ dạng răng cưa ở mặt trong để phân tán ánh sáng và giảm độ chói Góc ở đỉnh của răng cưa được nghiên cứu kỹ lưỡng nhằm khúc xạ ánh sáng theo mục đích cụ thể Khi góc ở đỉnh đạt 90 độ, bộ đèn được gọi là “hình tổ ong”.
Góc i1 được xác định là góc giữa pháp tuyến mặt trong và tia tới, với giả định tia tới vuông góc với mặt ngoài Góc i4 là góc giữa pháp tuyến mặt ngoài và tia ra khỏi kính đèn Chiết suất của vật liệu làm kính được ký hiệu là n, trong khi α là góc đỉnh Các mối quan hệ giữa các góc được thể hiện qua công thức i = r n i r n i r.
Phân tán Hình 1.9: Hiện tƣợng truyền xạ
Ta có quan hệ giữa góc tới và góc của tia ra là sini4 = n.cos cos 2 arcsin
Với n = 1,6 (thuỷ tinh), khi α = 30 0 thì i4 = 80 0 α = 90 0 thì i4 = 30 0 α = 150 0 thì i4 = 09 0
Như vậy góc đỉnh sẽ cho phép điều chỉnh hướng của tia sáng
Bộ phận che chụp của đèn chiếu sáng thường được làm từ vật liệu màu đen hoặc mờ để ngăn chặn ánh sáng trực tiếp gây loá mắt Ngoài ra, nó còn có tác dụng chống ẩm và ngăn chặn các vật lạ xâm nhập vào bên trong đèn Phạm vi che chắn được xác định bởi góc giữa đường thẳng đứng qua tâm nguồn sáng và hướng mà mắt người không bị loá mắt khi nhìn.
CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CHIẾU SÁNG
SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ CÁC PHƯƠNG PHÁP, TRÌNH TỰ THIẾT KẾ
Thiết kế hệ thống chiếu sáng công cộng là một lĩnh vực chuyên sâu của chiếu sáng nhân tạo ngoài trời Qua thời gian, với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, phương pháp và nội dung thiết kế đã có những thay đổi đáng kể Các thiết bị chiếu sáng ngày càng hiện đại, cùng với các phương pháp tính toán và thiết kế ngày càng chính xác, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về chất lượng chiếu sáng.
Khi đèn điện lần đầu được phát minh, hệ thống chiếu sáng chủ yếu nhằm mục đích xua tan bóng tối, do đó thiết kế lúc bấy giờ chỉ tập trung vào độ rọi của nguồn sáng trên bề mặt đường.
Sự phát triển của khoa học - kỹ thuật và tốc độ lưu thông ngày càng tăng đặt ra thách thức cho thiết kế chiếu sáng an toàn giao thông Để giải quyết vấn đề này, CIE đã giới thiệu phương pháp tỉ số R vào năm 1965, xem xét các yếu tố như độ chói trung bình, hệ số phản xạ của mặt đường và độ tương phản ánh sáng Phương pháp tỉ số R giúp cải thiện tri giác nhìn của người lái xe, đảm bảo an toàn hơn trong điều kiện giao thông hiện đại.
Với sự phát triển không ngừng của khoa học - kỹ thuật, đặc biệt là công nghệ thông tin, việc thiết kế chiếu sáng ngày càng yêu cầu độ chính xác cao Từ năm 1975, nhờ vào sự hỗ trợ của máy tính, phương pháp "độ chói điểm" đã được áp dụng để tính toán độ chói theo từng điểm một cách hiệu quả.
Phương pháp tỉ số R trong thiết kế hệ thống chiếu sáng đường cho phép người thiết kế xây dựng phương án bố trí ban đầu với độ chính xác cao Phương pháp này được sử dụng để xác định các yếu tố như quang thông, công suất, số lượng và cách bố trí đèn Sau khi thiết kế sơ bộ, cần áp dụng phương pháp độ chói điểm để kiểm tra xem giải pháp thiết kế đã đạt yêu cầu hay chưa.
PHƯƠNG PHÁP TỶ SỐ R
Phương pháp tỉ số R về bản chất cũng tính toán dựa trên độ rọi nhưng có xét tới độ chói của mặt đường thông qua tỉ số R :
E tb : Độ rọi trung bình
Ltb: Độ chói trung bình
Bằng thực nghiệm người ta nhận thấy R là hằng số đối với mỗi loại đường như sau:
Bảng 2.1: Tỷ số R đối với một số loại đường
Bê tông Lớp phủ mặt đường nhựa Hè đường Sạch Bẩn Sáng Trung bình Tối
Mỗi loại đường có chỉ số R đặc trưng riêng, và dựa vào tiêu chuẩn độ chói trung bình trong TCXDVN259:2001 cho từng cấp đường, ta có thể suy ra độ rọi trung bình E Quá trình tính toán thiết kế chiếu sáng bắt nguồn từ giá trị E này, cho thấy bản chất của phương pháp thiết kế chiếu sáng là dựa trên độ rọi.
Phương pháp tỉ số R là một phương pháp thiết kế sơ bộ, cần kiểm tra bằng phương pháp độ chói điểm sau khi hoàn thành Nếu không yêu cầu độ chính xác cao, phương pháp này có thể coi là giải pháp thiết kế hoàn chỉnh Ưu điểm của nó là cho phép tính toán tương đối chính xác mà không cần số liệu cụ thể về đèn và bộ đèn chiếu sáng Sau khi tính toán quang thông, người dùng có thể tra cứu catalogue để chọn đèn và bộ đèn phù hợp.
Trình tự thiết kế sơ bộ theo phương pháp tỷ số R 5 :
Để thiết kế hệ thống chiếu sáng hiệu quả, bước đầu tiên là xác định kích thước hình học của khu vực, bao gồm chiều rộng và chiều dài của lòng đường, vỉa hè Tiếp theo, cần xem xét cấp chiếu sáng, độ phủ mặt đường và các thông số như Lyc, tỉ số R Cuối cùng, căn cứ vào bảng tiêu chuẩn để chọn lựa cấp chiếu sáng phù hợp.
Bước 2 trong việc bố trí đèn là xác định phương án lắp đặt phù hợp, bao gồm việc chọn bộ đèn, chiều cao cột, và tầm nhô của cần đèn Cần xem xét các phương án chiếu sáng khác nhau để so sánh và tính toán, từ đó lựa chọn phương án tối ưu nhất cho không gian cần chiếu sáng.
- Bước 3: Xác định khoảng cách giữa các cột (bước cột) theo bảng lmax, h, và kiểu bộ đèn theo bảng
- Bước 4: Tính hệ số sử dụng fu, rồi tính Фtt của bộ đèn cần lắp theo công thức đã có
-Bước 5: Căn cứ vào Фtt để chọn loại bóng đèn phù hợp Sau khi chọn cần hiệu chỉnh và cân nhắc lại bước cột và Lyc
- Bước 6: Kiểm tra chỉ số tiện nghi chói loá Tính hàm G -> để so sánh
Bước 7 trong quá trình thiết kế chiếu sáng là tính toán chiếu sáng cho vỉa hè, gọi là chiếu sáng tăng cường Việc này bao gồm tính toán bổ sung quang thông còn thiếu sau khi đã nhận nguồn từ hệ thống chiếu sáng đường, nhằm đảm bảo độ rọi cần thiết cho vỉa hè.
2.2.1 Các thông số hình học bố trí đèn
Các thông số hình học liên quan đến phân bố ánh sáng khi lắp đặt đèn cần tuân thủ quy tắc trong TCXDVN 259: 2001 để đảm bảo hiệu quả chiếu sáng đạt yêu cầu.
R là hằng số đặc trưng cho từng loại đường, trong khi h đại diện cho chiều cao treo đèn Chiều rộng lòng đường được ký hiệu là l, và e là khoảng cách giữa hai cột đèn liên tiếp Độ vươn của cần đèn, ký hiệu s, thường có các giá trị thực tế như 1,2m, 1,5m, 2,4m và 3m Khoảng cách hình chiếu của đèn đến mép đường được ký hiệu là a, và α là góc nghiêng của cần đèn Các yếu tố a, s, α, e, h và l đều ảnh hưởng đến việc thiết kế hệ thống chiếu sáng đường phố.
Hình 2.1 : Các thông số hình học bố trí đèn
Góc nghiêng α của cần đèn nên được thiết kế trong khoảng 5° đến 15° để đảm bảo hiệu quả chiếu sáng tốt nhất Việc mở rộng góc nghiêng lớn hơn 15° có thể làm tăng khoảng cách đến điểm cần chiếu sáng, dẫn đến giảm độ rọi và tăng độ chói cho người lái xe Cần lưu ý rằng góc chiếu của bộ đèn không hoàn toàn tương đương với góc nghiêng của cần đèn, do cấu tạo vị trí lắp bóng đèn cho phép điều chỉnh góc chiếu, nhưng phạm vi điều chỉnh này khá hạn chế.
Khoảng cách cột (e) và chiều cao treo đèn (h) cần được điều chỉnh hợp lý để đảm bảo độ đồng đều ánh sáng dọc trục U 1 khi sử dụng các loại chóa đèn khác nhau.
Bảng 2.2: Khoảng cách cột và chiều cao treo đèn
Loại choá đèn Phương pháp bố trí đèn Max e h
Ghi chú Choá kiểu rộng
- Một bên, hai bên đối xứng, trên dải phân cách
- Một bên, hai bên đối xứng, trên dải phân cách
- Một bên, hai bên đối xứng, trên dải phân cách
Trong quá trình thiết kế và nghiên cứu thực nghiệm, người ta đã xác định được độ cao treo đèn thông thường cho các loại đường khác nhau Bảng thông tin này chỉ mang tính chất tham khảo và không bắt buộc phải áp dụng.
Bảng 2.3: Độ cao treo đèn thông thường đối với các loại đường Độ cao treo đèn thông thường Phạm vi ứng dụng Bề rộng lòng đường
5 – 6,5 (m) Khu dân cư, các đường phụ 3 – 5m
12 – 15 (m) Đường cao tốc, đường có dải phân cách ở giữa
Ngoài ra đối với đường có cấp chiếu sáng C và D thì TCXDVN 259:
2001 còn quy định độ cao treo đèn tối thiểu bắt buộc phải áp dụng nhƣ sau:
Bảng 2.4: Độ cao treo đèn tối thiểu bắt buộc đối với đường có cấp chiếu sáng C, D
Tổng quang thông lớn nhất của các bóng đèn đƣợc treo trên 1 cột (lm) Độ cao treo đèn thấp nhất (m)
1 Đèn nấm tán xạ ánh sáng
2 Đèn phân bố ánh sáng bán rộng
3 Đèn phân bố ánh sáng rộng
Căn cứ vào các yêu cầu trên người ta đề xuất các phương án bố trí đèn nhƣ sau:
2.2.2 Các phương án bố trí đèn
* Bố trí đèn 1 bên đường
Phương án này được áp dụng khi bề rộng lòng đường hẹp (l ≤ 7,5m) hoặc khi có hàng cây một bên hoặc đường cong để dẫn hướng Để đảm bảo ánh sáng phân bố đều theo chiều ngang, điều kiện cần thiết là chiều cao cột (h) phải lớn hơn hoặc bằng chiều rộng đường (l) Đây là yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn chiều cao cột và chiều rộng đường.
Bố trí đèn hai bên so le là phương pháp hiệu quả cho các tuyến đường đôi có lưu thông 2 chiều, đặc biệt là ở những khu vực nhiều cây xanh Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là tính dẫn hướng thấp và độ đồng đều của độ rọi không cao, đồng thời chi phí xây dựng cũng lớn Để đảm bảo hệ số đồng đều của độ rọi, cần tuân thủ các điều kiện như 1,5h ≥ l ≥ h hoặc l ≥ h ≥ 2/3l.
Hình 2.2: bố trí đèn một bên đường
Bố trí đèn chiếu sáng hai bên đối diện là phương pháp hiệu quả cho những con đường rộng với nhiều làn xe hoặc khi cần lắp đặt đèn ở độ cao lớn Để đảm bảo độ đồng đều của ánh sáng, chiều dài đường nên lớn hơn 1,5 lần chiều cao lắp đặt đèn Phương pháp này không chỉ giúp dẫn hướng tốt mà còn thuận tiện cho việc trang trí chiếu sáng và kết hợp với ánh sáng vỉa hè.
Nhƣợc điểm: chi phí lắp đặt cao
Bố trí đèn trên dải phân cách trung tâm được áp dụng cho các trục đường có nhiều cây, với chiều rộng dải phân cách từ 1,5 m đến 6 m Ưu điểm của phương pháp này là khả năng dẫn hướng tốt, hệ số sử dụng cao và chi phí xây dựng thấp Tuy nhiên, nhược điểm là ánh sáng phân bố không đều và hạn chế chiếu sáng cho vỉa hè.
Hình 2.3: Bố trí đèn hai bên so le
Hình 2.4: Bố trí đèn hai bên đối diện Điều kiện đảm bảo độ rọi đồng đều là l ≤ h, trong đó l là bề rộng dải phân cách
Một số quốc gia như Pháp và các nước Bắc Âu sử dụng kiểu đèn treo trên dây cáp Trên dải phân cách, các cột đỡ được bố trí xa nhau và dây cáp được lắp đặt trên những cột này để treo đèn dọc theo dải phân cách.
2.2.3 Xác định khoảng cách cực đại giữa các đèn
Tính đồng đều của độ chói theo chiều dọc con đường quyết định sự lựa chọn khoảng cách giữa 2 bộ đèn liên tiếp và nó phụ thuộc vào:
Khoảng cách cực đại của các đèn emax có thể xác định theo tỷ số (e/h) max theo bảng sau:
Bảng 2.5 : Khoảng cách cực đại giữa các đèn (emax)
Kiểu bố trí đèn (e/h)max theo kiểu đèn
Che hoàn toàn Nửa che
Hình 2.5: Bố trí đèn trên dải phân cách trung tâm
Từ bảng trên, biết độ cao treo đèn ta xác định đƣợc khoảng cách cực đại giữa các đèn emax ax m e h h
2.2.4 Hệ số sử dung fu, quang thông của bộ đèn Фtt
PHƯƠNG PHÁP ĐỘ CHÓI ĐIỂM
Phương pháp tỉ số R mới chỉ tính đến độ rọi trung bình trên mặt đường mà chưa xem xét độ chói tại từng điểm trong tầm nhìn của người lái xe Độ chói này cần đáp ứng tiêu chuẩn về độ đồng đều chung và độ đồng đều dọc trục đường Do đó, tỉ số R chủ yếu được sử dụng trong thiết kế sơ bộ để bố trí đèn ban đầu Để khắc phục nhược điểm này và kiểm tra giải pháp thiết kế theo phương pháp tỉ số R, cần áp dụng phương pháp độ chói điểm và sử dụng máy tính do khối lượng tính toán lớn.
Hình 2.10: Độ rọi vỉa hè do chiếu sáng lòng đường cấp γ
Hình 2 11: Xác định độ chói 1 điểm trên mặt đường do 1 đèn gây ra
2.3.1 Độ chói của một điểm trên mặt đường
Lớp phủ mặt đường không phản xạ khuyếch tán đều theo định luật Lambert, mà có tính chất phản xạ hỗn hợp, dẫn đến độ chói nhìn thấy khác nhau ở các hướng khác nhau.
Điểm P trên mặt đường, nằm trong tầm quan sát của người lái xe, được chiếu sáng bởi một đèn như hình 2.10 Hệ số phản xạ tại điểm này phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau.
- Góc nhìn của người lái xe α
- Góc lệch khi quan sát β
- Góc tia sáng tới điểm P là γ (tức là góc kinh tuyến của bộ đèn)
Công thức định luật Lambert cho phản xạ khuyếch tán đều là L = E nhưng mặt đường không tuân theo định luật này nên mối quan hệ giữa độ
Tầm nhìn của người lái xe 60 - 170m tương ứng với góc quan sát α = 1,4 0 -
0,5 0 , do đó có thể coi tầm quan sát trung bình α ≈1 0 = const, nhƣ vậy q = q(β, γ)
Theo định luật tỉ lệ nghịch bình phương ta có độ rọi tại điểm P là
Do đó độ chói tại điểm P do 1 đèn gây ra là :
Hệ số R(β, γ) = q(β, γ)cos 3 γ là hệ số độ chói quy đổi, được xác định qua thực nghiệm và phụ thuộc vào tính chất của mặt đường Giá trị này được lập thành bảng để tiện sử dụng Bài viết sẽ xem xét tính chất quang học của các lớp phủ mặt đường khác nhau.
2.3.2 Phân loại các lớp phủ mặt đường
Tính chất phản xạ ánh sáng của mặt đường phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố nhƣ:
- Chất kết dính (nhựa đường, bêtông, bêtông atphal,…)
- Cấp phối mặt đường (tỷ lệ vật liệu cấu thành)
- Kích thước hạt và màu của các loại vật liệu
- Công nghệ thi công lớp phủ (thủ công, trải thảm, …)
- Sự mài mòn của xe cộ đi trên đường, bụi phủ mặt đường
- Các điều kiện khí hậu (nhiệt độ, độ ẩm không khí trên mặt đường,…)
Mặt đường phụ thuộc vào nhiều yếu tố quang học có tính dao động lớn, làm cho việc tính toán độ chói trở nên phức tạp Để đơn giản hóa quá trình này, CIE đã phân loại các lớp phủ mặt đường thành 4 loại tiêu chuẩn, ký hiệu từ R1 đến R4, dựa trên hai chỉ tiêu chính là độ nhìn rõ Q0 và các hệ số sử dụng S1, S2 Bài viết này sẽ trình bày chi tiết về các hệ số này, trong khi giá trị của các lớp phủ R1 đến R4 đã được tổng hợp trong bảng để dễ dàng tra cứu khi thiết kế.
Q 0 là giá trị trung bình của hệ số độ chói:
Q0 = d q d Lấy tích phân bán cầu trên với mỗi điểm tính toán trên toàn bộ ô lưới
Q0 đặc trưng cho khả năng phản xạ trung bình của mặt đường, có gía trị từ 0,05 (mặt đường tối) đến 0,11 (mặt đường sáng) b Các hệ số sử dụng S 1 , S 2 :
S1 là tỷ số giữa hệ số độ chói R tại điểm cách hình chiếu của đèn bằng 2 lần chiều cao và tại điểm hình chiếu của đèn, với giá trị S1 = 0,2.
R Như vậy S1 càng lớn thì mặt đường càng sáng
R chỉ là hệ số trung gian để xác định giá trị S1
R(0,0) ứng với điểm P là hình chiếu của đèn
R(0,2) ứng với điểm P nằm trên đường vuông góc với trục đường, đi qua trụ đèn và cách hình chiếu đèn 2 lần chiều cao
Trong cả 2 trường hợp trên, hướng quan sát nằm trên phương độ vươn cần đèn c Các lớp phủ mặt đưòng
Căn cứ trên các chỉ tiêu Q 0 , S 1 , S 2 , bằng thực nghiệm CIE phân cấp các lớp phủ mặt đường như sau :
Bảng 2.7: Phân cấp các lớp phủ mặt đường
Cấp S 1 S 1 điển hình Q 0 điển hình
Mô tả cấu tạo các lớp phủ mặt đường :
+ Đường có bitum < 15% vật liệu nhân tạo màu sáng hoặc 30% đá rất sáng
+ Các viên sỏi đa số màu trắng hoặc 100% đá mà rất sáng
+ Đường có bitum từ 10 - 15% mà trắng nhân tạo, nhiều hạt kích thước
+ Nhựa đường đang ở trạng thái còn mới sau khi thi công
- R 3 : Bitum nguội có hạt < 10mm với kết cấu chắc
- R 4 : Đường nhựa sau nhiều tháng sử dụng
2.3.3 Tính toán độ chói và độ rọi điểm
Mạng lưới tính toán là một cấu trúc hình chữ nhật được đặt giữa hai cột liền kề dọc theo trục đường, với cạnh đầu tiên của hình chữ nhật nằm ngang hàng với cột đèn thứ nhất.
Khi bố trí hai bên so le, các cột liền kề sẽ được tính cả các cột ở hai bên Mắt lưới được xác định theo phương trục đường, bắt đầu từ cột gần vị trí quan sát nhất (ví dụ, cột đèn số 3 trong hình 2.12), với bề rộng ô lưới khoảng 3 - 5m Theo phương ngang, bề rộng ô lưới sẽ bằng 1/3 bề rộng của mỗi làn đường.
Trong TCXDVN259: 2001 có hướng dẫn cách chia mạng lưới theo chiều dọc nhƣ sau :
+ Khi e ≤ 18m thì lấy 3 điểm với khoảng cách lưới ≤ e/3
+ Khi 18 < e ≤ 36m thì lấy 6 điểm với khoảng cách lưới ≤ e/6
+ Khi 36 < e ≤ 54m thì lấy 6 điểm với khoảng cách lưới ≤ e/9
Quy định này xác định độ rộng tối đa của ô lưới, và để đạt được độ chính xác cao hơn, cần chia ô lưới thành các phần nhỏ hơn Mỗi mạng lưới tính toán có thể có một cột đèn nếu phép chia chiều dài e cho bề rộng ô lưới không cho kết quả là số nguyên (ví dụ: 31m/5m = 6 điểm còn dư 1), hoặc hai cột đèn nếu phép chia cho kết quả là số nguyên (ví dụ: 35m/5m = 7 điểm).
Vị trí quan sát được xác định theo phương trục đường, cách cột đèn đầu tiên 60m trong tầm nhìn của lái xe, và theo phương ngang, cách mép đường 1/4 bề rộng toàn bộ lòng đường, có thể nằm bên trái hoặc bên phải Tại vị trí này, người lái xe có thể quan sát toàn bộ các điểm trong mạng lưới Độ rọi tại điểm P do ba đèn gây ra được xác định theo công thức.
E 3 = I 3 2 h cos 3 γ Độ rọi tại diểm P do 3 đèn gây ra xác định theo công thức:
Giá trị R được xác định dựa trên bảng theo loại đường, trong khi h là độ cao treo đèn đã biết Đối với giá trị I3, nhà chế tạo cung cấp dưới dạng bảng tra hoặc có thể tính toán từ đường cong trắc quang I3 là hàm số của hai biến số I3(ϕ, γ), với γ là góc kinh tuyến và ϕ là góc vĩ tuyến l/4 60m γ e h.
Làn số 1 l Đèn 1 Đèn 2 Đèn 3
Độ rọi (hoặc độ chói) tại bất kỳ điểm nào trong ô lưới được tính bằng tổng độ rọi từ tất cả các đèn trong mạng lưới cộng với độ rọi từ các đèn nằm trước và sau mạng lưới có ảnh hưởng đến điểm đó Khi bố trí đèn hai bên đường, cần xem xét cả hai hàng đèn Để xác định ảnh hưởng của đèn bên ngoài mạng lưới, ta phải tính độ rọi do đèn đó chiếu đến; nếu giá trị này rất nhỏ và không ảnh hưởng đến kết quả, có thể bỏ qua.
Trong hình 2.12, điểm 8 có đèn 3 nằm trong mạng lưới, với giả thiết rằng các đèn 1, 2 và 4 ảnh hưởng đến điểm 8, trong khi các đèn còn lại không có tác động Do đó, độ chói tổng tại điểm 8 sẽ được xác định dựa trên sự ảnh hưởng của các đèn này.
L 8 = L 8 (đèn1) + L 8 (đèn2) + L 8 (đèn3) + L 8 (đèn4) và độ rọi tổng là:
Sử dụng máy tính để tính toán độ chói và độ rọi tại các điểm trong ô lưới giúp tiết kiệm thời gian và công sức, khắc phục những khó khăn khi thực hiện bằng tay.
THIẾT KẾ CHIẾU SÁNG CẦU BÍNH – HẢI PHÒNG
THIẾT KẾ LẮP ĐẶT ĐÈN TRÊN GIẢI PHÂN CÁCH TRUNG TÂM (PHƯƠNG ÁN 1) 47 3.2 THIẾT KẾ LẮP ĐẶT ĐÈN HAI BÊN ĐƯỜNG ĐỐI DIỆN (PHƯƠNG ÁN 2)
* Các thông số hình học của mặt bằng thiết kế
- Chiều dài mặt đường hai bên chân cầu:
- Lớp phủ mặt đường nhựa: Trung bình
- Tính toán thiết kế đèn chân cầu bên Hải Phòng :
- Ta chọn độ vươn cần đèn: S = 1,2 m
- Xác định thông số hình học bố trí theo tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam (TCXDVN)259: 2001
Theo tiêu chuẩn TCXDVN 259: 2001, đối với đường cấp A với lưu lượng xe từ 1000 đến 3000 xe/h, độ chói yêu cầu là Ltb = 1,2 (cd/m²) Điều kiện độ cao treo đèn cực đại là 15m và h ≤ 3,5m nhằm đảm bảo độ đồng đều, trong đó l là bề rộng dải phân cách.
- Do đường đỏi hỏi mĩ quan nên độ cao treo đèn tối thiểu: h = 10 m
- Do tính chất đối xứng ta chỉ xét một bên phải, kết quả tính đƣợc áp dụng cho bên trái
- Xác định thông số hình học bố trí theo TCXDVN 259: 2001, theo độ cao treo đèn cực đại ta có: emax = 3,5.h = 3,5.10 = 35 (m)
- Số cột đèn cần lắp là: 700
+ Tính toán hệ số sử dụng :
Hình 3.2: Bố trí đèn trên giải phân cách
Do đề bài không cung cấp đường cong hệ số sử dụng để tra hệ số KA và KB, chúng ta sẽ áp dụng công thức gần đúng theo TCXDVN259:2001.
- Với cách bố trí đèn nhƣ trên ta có :
- Với đèn A chỉ có nhánh K2 ảnh hưởng đến tuyến đường bên phải L’2A = 11,25 + 1,2 – 0,5 = 11,95 (m)
- Ta chọn đèn sodium áp suất cao vỏ thuỷ tinh mờ, độ nghiêng 15 0 Theo TCXDVN 259: 2001 với l h = 0,5 thì K = 0,2 l h = 0,1 thì K = 0,25
Bằng cách nội suy ta có :
- Đèn B có cả nhánh K1 và K2 đều ảnh hưởng đến tuyến đường bên phải
10 = 0,07 Bằng phương pháp nội suy ta có :
Tra bảng với mặt đường nhựa trung bình, đèn bán rộng có R = 14
Quang thông của đèn là: Ф = l e L R tb
0,9.0,5155 = 14258 lm Tra phụ lục ta chọn đèn cao áp bầu dục hình trụ có công suất: 150W –
14000 lm Quang thông tính toán lớn hơn quang thông của đèn không đáng kể nên ta có thể bỏ qua
Số lƣợng cột trên 1 km là : p = 1000/35 + 1 = 30
Kiểm tra tỷ số tiện nghi G :
Tính độ rọi trung bình
11, 25.35 = 16,5 lx Công suất trên đoạn chân cầu phía bên Hải Phòng: Công suất mỗi bộ đèn 160W (gồm đèn sodium cao áp 150W, chấn lưu 10 W)
Đối với việc lắp đặt đèn trên dải phân cách trung tâm của cầu và chân cầu phía bên Thuỷ Nguyên, các thông số cần thiết được xác định như sau:
- Lắp đặt đèn trên cầu Bính:
+ Sử dụng đèn cao áp sodium bầu dục hình trụ có công suất 150w –
14000 lm Chiều cao treo đèn 10 (m)
+ Số lƣợng cột đèn cần lắp đặt là: 1300
- Lắp đặt đèn chân cầu bên Thuỷ Nguyên:
+ Sử dụng đèn cao áp sodium bầu dục hình trụ có công suất 150w –
14000 lm Chiều cao treo đèn 10 (m)
+ Số lƣợng cột đèn cần lắp đặt là: 600
3.2 THIẾT KẾ LẮP ĐẶT ĐÈN HAI BÊN ĐƯỜNG ĐỐI DIỆN (PHƯƠNG ÁN 2)
Các thông số mặt bằng thiết kế tương tự như phần trên
- Tính toán thiết kế đèn chân cầu bên Hải Phòng:
- Ta chọn độ vươn cần đèn S = 2,4 m
- Xác định thông số hình học bố trí theo tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam (TCXDVN)259: 2001
- Tra bảng độ chói yêu cầu của TCXDVN 259: 2001 với đường cấp A, lưu lượng xe từ 1000 ÷ 3000(xe/ h) thì : L tb =1,2 (cd / m 2 )
+ e h = 3,5 : Điều kiện độ cao treo đèn cực đại
+ l >1,5h : Điều kiện đảm bảo độ đồng đều
Với điều kiện đảm bảo độ đồng đều: h < l 23,5 = 15,67 (m)
Ta chọn h = 15 m để phù hợp với loại hiện có trên thị trường Do đó e max = 3,5h = 3,5 15 = 52,5 (m) Ta chọn e = 50 (m)
Số cột đèn cần lắp đặt là: 700
Để nâng cao hệ số sử dụng của bộ đèn 50 + 1 = 15 đèn, cần bố trí cột đèn trên vỉa hè cách mép đường 0,3m Việc này đảm bảo rằng hình chiếu của đèn sẽ nằm trên mặt đường, góp phần tối ưu hóa hiệu quả chiếu sáng.
Vì hai đèn là đối xứng nên: K = 2KA = 2(K1A + K2A)
Hình chiếu của đèn nằm trên mặt đường nên cả nhánh K1A và K2A đều ảnh hưởng xuống nền đường l1A = 23,5 – (2,4 – 0,3) = 21,4 (m)
Bố trí đèn hai bên đối diện
Ta chọn đèn sodium áp suất cao vỏ thuỷ tinh mờ, độ nghiêng 15 0 Theo TCXDVN 259: 2001 với l h = 0,5 thì K = 0,2 l h = 0,1 thì K = 0,25 Bằng phương pháp nội suy ta có :
- Tra bảng với mặt đường trung bình, đèn bán rộng có R = 14
Quang thông của đèn là: Ф = l e L R tb
0,9.0,91 = 24103 lm Tra phụ lục đèn có áp sodium bầu dục hình trụ có công suất 250 W -
25000 lm Quang thông tính toán lớn hơn quang thông của đèn không đáng kể nên ta có thể bỏ qua
Số lƣợng cột trên 1 km là : p = 1000/50 + 1 = 21
Kiểm tra tỷ số tiện nghi G :
G = SIL + 0,97lgL tb + 4,41lgh’ – 1,46lgp 1
Tính độ rọi trung bình
23,5.50 = 17,4 lx Công suất trên đoạn chân cầu phía bên Hải Phòng: Công suất mỗi bộ
Với cách bố trí đèn hai bên đối diện đối với cầu và chân cầu phía bên Thuỷ Nguyên ta có các thông số lắp đặt đèn nhƣ sau :
- Lắp đặt đèn trên cầu Bính:
+ Sử dụng đèn cao áp sodium bầu dục hình trụ có công suất 250W –
25000 lm Chiều cao treo đèn 15 (m)
+ Số lƣợng cột đèn cần lắp đặt là: 1300
- Lắp đặt đèn chân cầu bên Thuỷ Nguyên:
+ Sử dụng đèn cao áp sodium bầu dục hình trụ có công suất 250W –
25000 lm Chiều cao treo đèn 15 (m)
+ Số lƣợng cột đèn cần lắp đặt là: 600
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN LẮP ĐẶT ĐÈN
- Lắp đặt đèn trên giải phân cách trung tâm:
+ Sử dụng loại bộ đèn sodium cao áp, bầu dục hình trụ có công suất
+ Số lƣợng cột đèn cần lắp đặt: 77 cột
+ Khoảng cách giữa các cột đèn liên tiếp: 35m
+ Độ vươn cần đèn: S = 1,2 m, độ nghêng 15 0
+ Tổng công suất của các bộ đèn S 1 = 24,64 KW
- Lắp đặt đèn hai bên đường đối diện:
+ Sử dụng loại bộ đèn sodium cao áp, bầu dục hình trụ có công suất
+ Số lƣợng cột đèn cần lắp đặt: 110 cột
+ Khoảng cách giữa các cột đèn liên tiếp: 50 m
+ Độ vươn cần đèn: S = 2,4 m, độ nghêng 15 0
+ Tổng công suất của các bộ đèn S 2 = 29,7 KW
Để đảm bảo tính kinh tế, tiết kiệm năng lượng và thẩm mỹ trong thiết kế chiếu sáng, việc bố trí đèn cần được thực hiện hợp lý Trên cầu, nơi yêu cầu mỹ quan cao, nên chọn phương pháp bố trí đèn hai bên đối diện Trong khi đó, hai bên chân cầu có nhiều cây cối và không cần yêu cầu thẩm mỹ cao, vì vậy có thể lắp đặt đèn trên giải phân cách trung tâm để tiết kiệm chi phí lắp đặt và điện năng tiêu thụ.
LỰA CHỌN MÁY BIẾN ÁP VÀ TIẾT DIỆN DÂY DẪN
3.4.1 Lựa chọn máy biến áp
Với phương pháp bố trí đèn như trên, tổng công suất của các bộ đèn:
Vì hệ số công suất của bóng đèn tương đối cao nên ta chọn cosφ 0.95 Ta có công suất toàn phần:
Máy biến áp ba pha loại TM 30/6, do Liên Xô sản xuất, có công suất định mức 30 KVA và điện áp thứ cấp 0,4 KV (400 V) Theo quy đổi, 0,95 tương ứng với 28,5 KVA.
BA 10 /0,4 KV Đuờng dây trên không 10kV
3.4.2 Lựa chọn tiết diện dây dẫn
Mạch cung cấp điện cho hệ thống chiếu sáng là mạch ba pha hình sao có dây trung tính, với các đèn được phân bố đều trên từng pha Để đảm bảo điện áp rơi đến đèn cuối nhỏ hơn giá trị cho phép, máy biến áp được bố trí tại chân cầu phía bên Hải Phòng Sơ đồ mạng chiếu sáng được thiết lập như sau: Tiết diện dây dẫn đoạn chân cầu bên Hải Phòng (đoạn AB).
Dòng điện đầu đường dây:
3.400.0, 95 = 10,2 A Điện áp rơi trên đoạn AB: ΔU = 3
Với ΔU = 2,5%U = 10 V và ρ = 22 Ω/km/mm 2 ta tính đƣợc tiết diện:
10 2 = 13,6 mm 2 , chọn FAB = 14 mm 2 b Tiết diện dây dẫn của đoạn cung cấp cho cầu (đoạn AC)
Dòng điện đầu đường dây:
3.400.0, 95 = 22 A Điện áp rơi trên đoạn AC: ΔU = 3 AC l AC
Hình 3.4: Sơ đồ mạng chiếu sáng
10 2 = 54 mm 2 , chọn F AC = 60 mm 2 c Tiết diện dây dẫn của đoạn cung cấp cho chân cầu bên Thủy Nguyên (đoạn AD)
Dòng điện đầu đường dây:
3.400.0, 95 = 8,75 A Điện áp rơi trên đoạn AC: ΔU = 3
Với ΔU = 2,5%U = 10 V và ρ = 22 Ω/ km/ mm 2 ta tính đƣợc tiết diện:
=> Để các tiết diện không chênh lệch ta chọn FAB = FAC = FAD = 60mm 2 Tiến hành kiểm tra ΔU trên từng đoạn Điện áp rơi ΔU không đƣợc vƣợt quá 2,5%U đm = 10V ΔU AB = 3
Các ΔU đều thỏa mãn nên ta chọ tiết diện dây dẫn F = 60 mm 2
PHÂN PHA
Mạch cung cấp là mạch ba pha hình sao có dây trung tính, các bóng đèn đựợc phân bố đều cho từng pha
Đoạn AB có 21 cột đèn được bố trí trên giải phân cách trung tâm, với mỗi cột đèn có 2 đèn đối xứng nhau Các cặp đèn được chia đều cho các pha, đảm bảo sự đồng nhất trong thiết kế chiếu sáng.
+ Đoạn AC: Bố trí đèn hai bên đối diện Với 2 đèn đối diện nhau đấu nối vào 1 pha Sơ đồ phân pha nhƣ sau:
+ Đoạn AD: Tương tự đoạn AB ta có:
Bố trí đèn trên sơ đồ mặt bằng nhƣ sau: