Luận án tiến sĩ nghiên cứu xác định tải trọng gió lên nhà cao tầng có kết cấu khung giằng

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ABL Asmospheric Boundary Layer – Lớp biên không khí AIJ Architectural Institute of Japan – Viện kiến trúc Nhật Bản ANCOVA Analysis of Covariance – Ph

Trang 1

***********

BÙI THIÊN LAM

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG GIÓ

LÊN NHÀ CAO TẦNG CÓ KẾT CẤU KHUNG GIẰNG

Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật

Mã số: 62 52 01 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng / 2018

Trang 2

***********

BÙI THIÊN LAM

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG GIÓ

LÊN NHÀ CAO TẦNG CÓ KẾT CẤU KHUNG GIẰNG

Chuyên ngành : Cơ kỹ thuật

Mã số: 62 52 01 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:

1 GS.TS PHAN QUANG MINH

2 PGS.TS LÊ CUNG

Đà Nẵng / 2018

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan Luận án tiến sĩ này là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu và kết quả trong Luận án là trung thực và chưa được các tác giả nào công bố trong các nghiên cứu khoa học khác

Đà Nẵng, ngày 18 tháng 01 năm 2018

Nghiên cứu sinh

Bùi Thiên Lam

Trang 4

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan i

Mục lục ii

Danh mục các bảng biểu v

Danh mục các hình vẽ và đồ thị iix

Danh mục các chữ viết tắt xii

MỞ ĐẦU

1

1 Mục tiêu nghiên cứu 3

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

3 Nội dung nghiên cứu 3

4 Phương pháp nghiên cứu 4

5 Những kết quả đạt được của luận án 4

6 Cấu trúc luận án 5

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Gió và tác động của gió lên công trình 6

1.1.1 Khái niệm về gió, bão, lốc xoáy 6

1.1.2 Tác dụng của gió lên công trình 7

1.1.3 Cấu trúc và các tham số đặc trưng ảnh hưởng đến tác dụng của tải trọng gió 9

1.1.3.1 Cấu trúc của gió 9

1.1.3.2 Phân loại các tham số đặc trưng ảnh hưởng đến tác dụng của gió 10

1.1.4 Khảo sát các tham số ảnh hưởng đến việc tính toán tác dụng của 10

tải trọng gió lên công trình 1.1.4.1 Khái niệm chung về vận tốc gió 10

1.1.4.2 Vận tốc gió cơ sở 11

1.1.4.3 Quy đổi vận tốc gió cơ sở 13

Trang 5

1.1.4.4 Hệ số độ cao 15

1.1.4.5 Hệ số xung áp lực động  17

1.1.4.6 Hệ số tương quan không gian 19

1.1.4.7 Hệ số khí động C 20

1.1.4.8 Dạng địa hình 20

1.2 Tổng quan các nghiên cứu về tải trọng gió 21

1.2.1 Các nghiên cứu ở nước ngoài 22

1.2.2 Các nghiên cứu ở trong nước 35

1.3 Xác định tải trọng gió theo một số một số tiêu chuẩn 38

1.3.1 Theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ ASCE/SEI 7-2010 38

1.3.1.1 Áp lực gió đơn vị 38

1.3.3.2 Áp lực gió thiết kế 38

1.3.2 Theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1991-1.4 (2005) 39

1.3.2.1 Vận tốc gió cơ sở Vb 39

1.3.2.2 Vận tốc gió hiệu dụng theo độ cao Vm(z) 40

1.3.2.3 Áp lực gió theo độ cao qp(z) 40

1.3.2.4 Áp lực gió lên bề mặt công trình 41

1.3.2.5 Tải trọng gió 41

1.3.3 Xác định tải trọng gió theo TCVN 2737:1995 42

1.3.3.1 Thành phần gió tĩnh 43

1.3.3.2 Thành phần gió động 43

1.4 Nhận xét chương 1 45

Chương 2 THÀNH PHẦN GIÓ ĐỘNG CHO NHÀ

CÓ SƠ ĐỒ KHUNG GIẰNG BỐ TRÍ ĐỐI XỨNG 47

2.1 Sự làm việc của hệ kết cấu khung giằng 47

2.1.1 Sự tương tác trong hệ kết cấu khung giằng chịu tải trọng phân bố 49

2.1.2 Phân tích hệ khung giằng 52

Trang 6

2.1.2.1 Phương trình vi phân cơ bản của kết cấu khung giằng chịu tải trọng ngang 52 2.1.2.2 Trường hợp chịu tải trọng ngang phân bố đều 54 2.1.2.3 Trường hợp chịu tải trọng ngang phân bố tam giác 58

2.2.2 Hoàn thiện công thức tính gần đúng thành phần gió động 66

2.2.2.2 Thiết lập công thức tính thành phần gió động theo biểu thức 68

Chương 3 XÁC ĐỊNH HỆ SỐ GIÓ GIẬT CHO HỆ KẾT CẤU 87 KHUNG GIẰNG NHÀ CAO TẦNG Ở TP ĐÀ NẴNG

3.2 Đề xuất công thức tính hệ số gió giật theo TCVN 2737:1995 90

3.2.1 Đối với công trình và các bộ phận kết cấu có tần số dao động cơ bản ( ) 90 lớn hơn tần số dao động riêng ( )

3.2.2 Khi công trình có mặt bằng đối xứng, khối lượng và bề rộng mặt đón gió 91

Trang 7

không đổi theo chiều cao

3.3.3.3 Xây dựng công thức gần đúng tính hệ số gió giật 93

Danh mục các công trình đã công bố liên quan đến luận án 125

Trang 8

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thời gian lấy vận tốc trung bình của một số Tiêu chuẩn thiết kế 12 Bảng 1.2 Các dạng địa hình gió theo một số tiêu chuẩn 13 Bảng 1.3 Hệ số chuyển đổi gió 3s từ chu kì 20 năm sang các chu kỳ khác 14 Bảng 1.4 Chiều cao gradient zg; số mũ m và thời gian lấy trung bình vận tốc 16 gió của một số Tiêu chuẩn thiết kế

Bảng 2.1 Kích thước các bộ phận kết cấu công trình 20 tầng 61

Bảng 2.3 So sánh thành phần gió động theo công thức (1.52) và (1.50) 63 với công trình 20 tầng

Bảng 2.4 Kích thước các bộ phận kết cấu công trình 30 tầng 65

Bảng 2.6 So sánh thành phần gió động theo công thức (1.52) và (1.50) 65 với công trình 30 tầng

Bảng 2.7 Giá trị K1 tính theo công thức (2.24) và (2.25) 67

Trang 9

Bảng 2.17 So sánh lực cắt đáy thành phần gió động theo các công thức 85

tính của 4 dạng nhà cao 30 tầng Bảng 3.1 Độ cao Gradient zβ và hệ số α 92

Bảng 3.2 Chu kỳ dao động riêng cơ bản của công trình theo kiến nghị 95

của một số tác giả Bảng 3.3 Các hệ số f , ε , ξ 97

Bảng 3.4 So sánh lực cắt đáy tính theo TCVN và theo công thức đề xuất, 104 nhà cao 20 tầng Bảng 3.5 So sánh lực cắt đáy tính theo TCVN và theo công thức đề xuất, 105 nhà cao 30 tầng Bảng 3.6 Số liệu nhà dạng 1a, cao 20 tầng, vách dày 200, 250 và 300 106

Bảng 3.7 Số liệu nhà dạng 1a, cao 30 tầng, vách dày 250, 300 và 350 106

Bảng 3.8 Số liệu nhà dạng 2a, cao 20 tầng vách dày 200, 250 và 300 107

Bảng 3.9 Số liệu nhà dạng 2a, cao 30 tầng, vách dày 250, 300 và 350 107

Bảng 3.10 Số liệu nhà dạng 3a, cao 20 tầng, vách dày 200, 250 và 300 107 Bảng 3.11 Số liệu nhà dạng 3a, cao 30 tầng, vách dày 250, 300 và 350 108 Bảng 3.12 So sánh lực cắt đáy tính theo TCVN và theo công thức đề xuất, 109

nhà cao 20 tầng, dạng 1a, 2a, 3a Bảng 3.13 So sánh lực cắt đáy tính theo TCVN và theo công thức đề xuất, 110

nhà cao 30 tầng, dạng 1a, 2a, 3a Bảng 3.14 Số liệu các dạng nhà 4, 5 và 6 112 Bảng 3.15 Thành phần gió động nhà dạng 4 tính theo TCVN và theo 113

hệ số đề xuất, 20 tầng Bảng 3.16 Thành phần gió động nhà dạng 5 tính theo TCVN và theo 114

hệ số đề xuất, 25 tầng Bảng 3.17 Thành phần gió động nhà dạng 6 tính theo TCVN và theo 115

hệ số đề xuất, 30 tầng

Trang 10

Bảng 3.18 So sánh tải trọng gió tính theo TCVN (1.50) và theo hệ 116

số đề xuất (3.27) nhà dạng 4, 5, 6

Bảng 3.19 Số liệu công trình Đà Nẵng Plaza và Cục Hải Quan TP Đà Nẵng 117 Bảng 3.20 Thành phần gió động công trình Đà Nẵng Plaza tính theo TCVN 118

và theo công thức đề xuất

Bảng 3.21 Thành phần gió động công trình Cục Hải Quan TP Đà Nẵng 119 tính theo TCVN và theo công thức đề xuất

Bảng 3.22 So sánh tải trọng gió tính theo TCVN (1.50) và theo hệ số 120

đề xuất (3.27)

Trang 11

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Quan hệ vận tốc gió theo thời gian 9

Hình 1.2 Vận tốc gió tại cao trình z 11

Hình 1.3 Tỷ số giữa vận tốc gió trung bình trong t giây (Vt) với vận tốc gió 14

trung bình trong 1 giờ (ASCE/SEI 7-10) Hình 2.1 Hệ kết cấu khung giằng 46

Hình 2.2 (a) Vách chịu tải trọng ngang phân bố đều 49

(b) Khung chịu tải trọng ngang (c) Sự tương tác khung-vách Hình 2.3 Hình dạng chuyển vị ngang, momen, lực cắt điển hình của kết cấu 50

khung-vách chịu tải trọng ngang Hình 2.4 (a) Kết cấu khung-vách phẳng 52

(b) Phân tích liên tục cho kết cấu khung-vách (c) Sơ đồ tự do cho khung và vách Hình 2.5 Thanh công xôn chịu tải trọng ngang 56

Hình 2.6 Hệ số K1, khi chịu tải trọng ngang phân bố đều 57

Hình 2.7 Hệ số K1, khi chịu tải trọng ngang phân bố tam giác 58

Hình 2.8 Mặt bằng kết cấu công trình 20 tầng 60

Hình 2.9 Mặt bằng kết cấu công trình 30 tầng 63

Hình 2.10 Biểu đồ K1 tính theo công thức (2.24) và (2.25) 67

Hình 2.11 Mặt bằng kết cấu nhà dạng 1 70

Hình 2.12 Thành phần gió động, nhà dạng 1, cao 20 tầng, vách dày 200 72

Trang 12

Hình 3.1 Xác định hệ số gió giật 87

Hình 3.2 Vận tốc gió trung bình ở các độ cao 88

Hình 3.3 Biểu đồ xác định hệ số động lực  93

Hình 3.4 Hệ tọa độ khi xác định hệ số tương quan  95

Hình 3.15 Nhà dạng 1a 105

Hình 3.16 Nhà dạng 2a 106

Trang 13

Hình 3.17 Nhà dạng 3a 107 Hình 3.18 Nhà dạng 4: a- Mặt bằng b- Sơ đồ 3D 110 Hình 3.19 Nhà dạng 5: a- Mặt bằng b- Sơ đồ 3D 110 Hình 3.20 Nhà dạng 6: a- Mặt bằng b- Sơ đồ 3D 111 Hình 3.21 Sơ đồ kết cấu công trình Đà Nẵng Plaza 115 Hình 3.22 Sơ đồ kết cấu công trình Cục hải quan TP ĐN 116

Trang 14

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ABL Asmospheric Boundary Layer – Lớp biên không khí

AIJ Architectural Institute of Japan – Viện kiến trúc Nhật Bản

ANCOVA Analysis of Covariance – Phân tích hiệp biến

AR Autoregressive – Tự động hồi qui

ASP Average Speed Profile – Biên dạng vận tốc trung bình

AS/NZS Australian and New Zealand Standard - Tiêu chuẩn Úc và Niu Di Lân ASCE American Society of Civil Engineers – Hiệp hội kỹ sư dân dụng Hoa

Kỳ

BS British Standard - Tiêu chuẩn Anh

EAM Elastic Asmospheric Model – Mô hình khí đàn hồi

EN Eropean Standard – Tiêu chuẩn Châu Âu

ESWL Equivalent static wind load – Lực gió tĩnh tương đương

GLF Gust Loading Factor – Hệ số tải trọng giật

HFFB High Frefrence Force Balance – Cân bằng lực tầng số cao

QCVN Qui chuẩn Việt Nam

RMS Root Mean Square – Trung bình quân phương

SPAN Synchronous Pressure Acquisition Network – Hệ thống thu nhận áp

lực đồng bộ

SWR Spectral Wind Response – Phổ phản ứng gió

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

TCXDVN Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam

Trang 15

Cùng với sự gia tăng dân số, gia tăng giá đất, xây dựng nhà cao tầng luôn là mối quan tâm của các nhà qui hoạch, quản lí đô thị Ở Việt Nam nói chung và ở Đà Nẵng nói riêng hàng loạt các cao ốc văn phòng, khách sạn, chung cư cao tầng đã và đang được thiết kế, xây dựng, làm thay đổi đáng kể cảnh quan đô thị Trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng, ảnh hưởng do tác dụng của tải trọng ngang do gió và động đất

là rất lớn Khi tính toán tải trọng gió đối với nhà cao tầng cần hiểu và xác định đúng giá trị các thông số đầu vào để thiết kế vì sự ứng xử của nhà cao tầng với tải trọng ngang là nổi trội so với tải trọng thẳng đứng Chi phí cho hệ kết cấu để chịu tải trọng thẳng đứng (trọng lượng bản thân và hoạt tải sử dụng) tỉ lệ bậc nhất với chiều cao nhà Trong khi đó chi phí cho hệ kết cấu để chịu tải trọng ngang tăng nhanh hơn nhiều khi chiều cao nhà tăng lên

Theo các tiêu chuẩn thiết kế các nước trên Thế giới, có ba phương pháp xác định tải trọng gió tác dụng lên công trình: phương pháp đơn giản (simplified procedure), phương pháp giải tích hay còn gọi phương pháp chi tiết (analytical procedure) và phương pháp ống thổi khí động (wind tunnel procedure) Tiêu chuẩn Việt nam TCVN 2737:1995 [13] được biên soạn theo tiêu chuẩn Nga SNiP 2.01.07-85* [48] chưa đề cập đến phương pháp ống thổi khí động

Đối với các công trình nhà cao tầng có mặt bằng đối xứng, ảnh hưởng của dạng dao động thứ nhất đến giá trị thành phần gió động là chủ yếu, các dạng dao động cao hơn thường chỉ ảnh hưởng đến giá trị gia tốc đỉnh [14] Việc sử dụng công thức gần đúng tính toán thành phần động của tải trọng gió với dạng dao động thứ

Trang 16

nhất rất có ý nghĩa thực tiễn nên tiêu chuẩn của hầu hết các nước tiên tiến như Hoa

Kỳ ASCE/SEI 7-16 [16], Úc AS/NZS 1170.2:2011 [56], Châu Âu EN 1991-1-4 [29], Nhật Bản AIJ-2004 [36] đều đưa ra phương pháp gần đúng để áp dụng cho các công trình này Theo đó, tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng theo phương dọc luồng gió được tính từ thành phần gió tĩnh tương đương nhân với hệ số gió giật (Gust Loading Factor- GLF) Phương pháp GLF được Alan Garnett Davenport (Canada) [24] giới thiệu và áp dụng lần đầu tiên trong ngành xây dựng vào năm

Phương pháp gần đúng để tính toán thành phần động của tải trọng gió theo TCVN 2737:1995 áp dụng cho nhà cao tầng có độ cứng, khối lượng và bề rộng mặt đón gió không đổi theo chiều cao cho kết quả thành phần động của tải trọng gió biến đổi theo quy luật bậc nhất theo cao độ z Công thức này đơn giản, dễ sử dụng Tuy nhiên, công thức này chỉ phù hợp với các công trình có chuyển vị ngang trên các tầng ở dạng dao động riêng thứ nhất xem gần đúng tuân theo quy luật bậc nhất theo cao độ z Trong thực tế số công trình nhà cao tầng đáp ứng được điều kiện này

là rất ít do khống chế từ việc đảm bảo các yêu cầu về kiến trúc và hiệu quả kinh tế Việc không quy định rõ phạm vi áp dụng của công thức này có thể dẫn đến các sai

số lớn, nhất là đối với công trình cao tầng có sơ đồ kết cấu khung giằng (khung và vách cùng chịu tải trọng ngang) Việc hoàn thiện phương pháp gần đúng để tính toán thành phần động của tải trọng gió theo TCVN 2737:1995 áp dụng cho các công trình có độ cứng không lớn là có ý nghĩa thực tiễn Bên cạnh đó, quy trình tính toán tải trọng gió hiện nay theo TCVN 2737:1995 là khá phức tạp, nên kỹ sư thiết kế khó

tự đánh giá kết quả phân tích, tính toán tải trọng gió

Trang 17

Với ý nghĩa như vậy, việc hoàn thiện quy trình tính toán thành phần gió động lên công trình cao tầng phù hợp với tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành, tiếp cận theo tiêu chuẩn các nước tiên tiến là cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn

1 Mục tiêu nghiên cứu

- Xây dựng công thức gần đúng tính toán thành phần động của tải trọng gió trong TCVN 2737:1995 [13] để tính toán thành phần gió động tác dụng lên nhà cao tầng có mặt bằng kết cấu đối xứng, sử dụng hệ kết cấu khung giằng với các dạng địa hình khác nhau

- Đề xuất công thức đơn giản tính toán thành phần động của tải trọng gió theo phương pháp hệ số gió giật (GLF) cho các công trình bê tông cốt thép cao đến

35 tầng, có mặt bằng kết cấu đối xứng và sử dụng hệ kết cấu khung giằng

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Đối tượng nghiên cứu: Thành phần động của tải trọng gió tác dụng lên nhà

cao tầng

- Phạm vi nghiên cứu: Nhà cao tầng bê tông cốt thép đến 35 tầng có mặt bằng kết cấu đối xứng và sử dụng hệ kết cấu khung giằng

3 Nội dung nghiên cứu

- Tìm hiểu lý thuyết xác định chuyển vị ngang kết cấu nhà cao tầng có sơ đồ khung giằng

- Đánh giá sai số và làm rõ phạm vi áp dụng của công thức gần đúng xác định thành phần gió động trong TCVN 2737:1995

- Xây dựng công thức gần đúng tính toán thành phần gió động cho kết cấu nhà cao tầng Công thức có cấu trúc đơn giản tương tự như công thức gần đúng của TCVN 2737:1995 với độ sai số cho phép khi áp dụng cho hệ kết cấu có sơ đồ khung giằng với các dạng địa hình khác nhau

- Trên cơ sở của TCVN 2737:1995, hệ thống hoá các công thức của tiêu chuẩn để xác định hệ số gió giật G theo Davenport tương ứng với các hệ kết cấu có

độ cứng khác nhau, từ đó có các kiến nghị ứng dụng

Trang 18

- Đề xuất công thức tính toán tải trọng gió đơn giản theo phương pháp GLF cho các công trình cao đến 35 tầng ở vùng gió IIB, có mặt bằng kết cấu đối xứng và

sử dụng hệ kết cấu khung giằng

- Khảo sát số một số công trình từ 15 đến 35 tầng chịu tải trọng gió ở Đà Nẵng và các khu vực có vùng gió tương tự để đánh giá độ tin cậy của các công thức

đề xuất

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu mô hình tính toán lý thuyết tải trọng gió và khảo sát số bằng các phần mềm ứng dụng để so sánh, đánh giá kết quả

5 Những kết quả đạt được của luận án

- Đánh giá sai số và làm rõ được phạm vi áp dụng của công thức gần đúng tính toán thành phần gió động trong TCVN 2737:1995

- Đề xuất được công thức gần đúng tính toán thành phần gió động phù hợp với công trình cao tầng có sơ đồ khung giằng theo TCVN 2737:1995 với các dạng địa hình khác nhau

- Trên cơ sở của TCVN 2737:1995 và kết quả nghiên cứu, đã hệ thống hoá các công thức của tiêu chuẩn để xác định hệ số gió giật G theo Davenport tương ứng với các hệ kết cấu chịu tải trọng ngang khác nhau

- Đề xuất được công thức tính toán thành phần gió động theo hệ số gió giật

G với độ chính xác xấp xỉ phương pháp giải tích của TCVN 2737:1995 cho các công trình cao đến 35 tầng, có mặt bằng đối xứng với bề rộng mặt đón gió không quá 50m, xây dựng trên địa bàn Thành phố Đà Nẵng và các địa hình tương tự Công thức gần đúng xác định hệ số gió giật G có cấu trúc khá đơn giản, dễ sử dụng

6 Cấu trúc của luận án

Ngoài các phần mục lục, danh mục các tài liệu tham khảo, các công trình khoa học đã công bố, các phụ lục, hình vẽ, bảng biểu, luận án trình bày 123 trang,

bố cục như sau:

Mở đầu (5 trang)

Trang 19

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu (41 trang)

Chương 2: Tính toán thành phần gió động cho nhà có sơ đồ khung giằng bố trí đối xứng (40 trang)

Chương 3: Xác định hệ số gió giật cho nhà cao tầng có sơ đồ kết cấu khung giằng bố trí đối xứng theo Tiêu chuẩn Việt Nam (35 trang)

Kết luận - Kiến nghị (2 trang)

Trang 20

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Gió và tác động của gió lên công trình

1.1.1 Khái niệm về gió, bão, lốc xoáy

Gió là sự chuyển động của dòng khí chảy rối trong khí quyển từ vùng có áp suất cao về vùng có áp suất thấp Gió phát sinh chủ yếu do phân bố không đều độ chiếu nắng của mặt trời trên bề mặt trái đất và do sự quay của trái đất quanh trục bản thân của nó Đặc tính chủ yếu của gió là vận tốc thay đổi liên tục và không đều theo cả không gian và thời gian

Bão là một xoáy thuận nhiệt đới có sức gió mạnh nhất từ cấp 8 trở lên và có thể có gió giật Bão từ cấp 10 đến cấp 11 được gọi là bão mạnh; từ cấp 12 trở lên được gọi là bão rất mạnh [12] Bão xuất hiện khi nước bốc hơi mạnh, thường ở nhiệt độ từ 27oC trở lên và ở ngoài biển, sự bốc hơi này hình thành dòng khí bốc ngược thẳng đứng, cộng với chuyển động xoay của trái đất quay quanh trục bản thân để tạo thành dòng xoáy ngang, từ đó cơn bão được hình thành Vận tốc tiếp tuyến của dòng xoáy ngang chính là vận tốc gió bão, có thể đạt đến 150km/h hoặc lớn hơn

Lốc xoáy là một hiện tượng khí tượng đặc biệt, là luồng gió xoáy có vận tốc

lớn được hình thành trong phạm vi hẹp và tan đi trong thời gian ngắn [12] Sức gió

ở vùng xa tâm thì nhỏ nhưng càng vào trong càng mạnh lên và ở giữa thì hình thành một cái lõi Phạm vi hoạt động của lốc nhỏ hơn của bão nhưng sức gió thì mạnh hơn

rõ rệt, có thể đến 250 - 290km/h Lốc thường xuất hiện bất ngờ và có thể xuất hiện

ở mọi nơi

Tác động của gió thông thường với những điều kiện khí tượng thuận lợi, đã

có nhiều khảo sát, nghiên cứu và thu được những số liệu khá chuẩn xác Nhưng những nghiên cứu về bão, lốc trên thế giới còn ít, qui luật và tác động của nó nhiều diễn biến phức tạp Vì vậy bão luôn là vấn đề quan tâm của các nhà khoa học, của

Trang 21

nhiều quốc gia mà các nghiên cứu chỉ là để tiệm cận được, nhằm chấp nhận những

số liệu nội suy trên cơ sở của một số kinh nghiệm để đưa vào tính toán công trình

1.1.2 Tác dụng của gió lên công trình

Gió là sự vận động của luồng khí trong không gian, tác dụng của gió lên công trình là do sự va đập của luồng khí khi gặp vật cản trên đường đi của nó Mặt khác, theo thời gian tốc độ của gió luôn luôn thay đổi Hai nguyên nhân này gây nên

sự mạch động của luồng gió

Khi dòng thổi của gió vượt qua một công trình thì tất cả các vùng của ngôi nhà đó đều chiụ một áp lực nhất định Vị trí của các vùng và đường định biên của các giá trị tác dụng tuân theo những quy luật và có thể xác định được bằng lý thuyết hoặc thực nghiệm, mặt trước công trình phía đón gió xuất hiện áp lực dương, gây gió đẩy; ở sau công trình, phía khuất gió và ở hai mặt bên của công trình xuất hiện

áp lực âm do gió hút

Trạng thái biến đổi của dòng thổi qua ngôi nhà phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ các kích thước các mặt của ngôi nhà, vào thể loại ngôi nhà, vào hình dạng mái và loại kết cấu bao che Thí dụ với những nhà mái dốc, khi góc dốc tương đối nhỏ thì đường định biên xuất hiện ở mái dốc phía đón gió, nhưng khi góc dốc rất nhỏ thì toàn bộ mái xuất hiện áp lực hút, còn khi góc dốc khá lớn thì toàn bộ mái phía trước chịu áp lực dương, toàn bộ mái phía sau chịu áp lực âm

Trạng thái dòng thổi còn phụ thuộc vị trí tương đối của ngôi nhà so với các công trình lân cận và cảnh quan khu vực (bờ cao, sườn dốc, núi đồi, thung lũng ) Góc tới của dòng thổi có thể bị biến đổi và làm ảnh hưởng tới cả định tính, định lượng của áp lực gió lên công trình

Áp lực và phân bố tải trọng

Tải trọng gió được phân loại và xác định tuỳ theo trạng thái dòng thổi tác động lên công trình Với tường và mái có độ dốc lớn, ở phía đón gió chịu tác dụng của áp lực dương - ép vào bề mặt đón gió, các phần còn lại chịu áp lực hút Giá trị

Trang 22

của áp lực hút có thể đạt tới hoặc lớn hơn so với giá trị áp lực ép vào, đặc biệt là ở vùng biên tiếp giáp giữa mặt cản đón gió với vùng thoát gió hoặc hút gió Tại các vùng này, gió có thể đến từ mọi phía với thời gian và góc chuyển lập hướng bất kỳ tạo thành các dải hút cục bộ, đột biến rất lớn

Áp lực trong tác dụng lên tất cả các tấm tường và mái như nhau Áp lực ngoài do gió tác động lên công trình bao gồm áp lực ép, áp lực hút vuông góc lên bề mặt và áp lực tiếp tuyến Giá trị của áp lực tiếp tuyến phụ thuộc vào mật độ của không khí và ứng suất tiếp lớp biên Bề mặt càng gồ ghề, thô nhám thì lớp biên càng rối và ứng suất tiếp càng lớn

Tải trọng gió tác động lên công trình được xác định bằng tổng các tải trọng tác động lên tất cả các bề mặt của nó Khi công trình được coi là hoàn toàn kín thì chỉ có gió mặt ngoài, khi công trình hở hoàn toàn thì chỉ có gió lên mái; còn khi công trình chỉ có hở một phần thì làm giảm tỷ lệ giữa áp lực trong và áp lực ngoài cho toàn bộ nhưng sẽ làm tăng cục bộ ở một số bộ phận và có thể dẫn đến nguyên nhân phá hoại cục bộ công trình Thông thường, các tác động này được phân tích theo các trục, các hướng và thông qua các thí nghiệm khí động học để xác định các

hệ hố khí động, các tham số ảnh hưởng tương ứng với các hướng này

Dưới tác dụng của tải trọng gió, các công trình cao, mềm, độ thanh mảnh lớn

sẽ có dao động Tuỳ theo phân bố độ cứng của công trình mà dao động này có thể theo phương bất kỳ trong không gian Thông thường chúng được phân tích thành hai phương chính: phương dọc và phương ngang luồng gió, trong đó dao động theo phương dọc luồng gió là chủ yếu Với các công trình thấp, dao động này là không đáng kể, nhưng với các công trình cao khi dao động sẽ phát sinh lực quán tính làm tăng thêm tác dụng bình thường của tải trọng gió Như vậy, tác dụng theo phương luồng gió của tải trọng gió lên công trình cao bao gồm hai thành phần: thành phần tĩnh gây nên bởi áp lực gió lên công trình có bề mặt cản gió và thành phần động tạo thành bởi xung mạch động của tải trọng gió và lực quán tính sinh ra khi công trình

có khối lượng bị dao động do gió thổi

Trang 23

1.1.3 Cấu trúc và các tham số đặc trưng ảnh hưởng đến tác dụng của tải trọng gió

1.1.3.1 Cấu trúc

Gió được hình thành bởi hai yếu tố chủ yếu:

- Sự chênh lệch áp suất tạo nên sự chuyển động của luồng khí tạo thành gió

- Sự thay đổi địa hình bề mặt trái đất trên đường đi của dòng khí (độ cao, độ nhám) làm thay đổi vận tốc, hướng gió

Hai yếu tố trên đây gây nên sự biến đổi liên tục vận tốc luồng gió theo không gian và thời gian nhưng ở các mức độ khác nhau Có thể coi vận tốc gió là tổng của hai thành phần:

- Thành phần trung bình của vận tốc gió, chỉ phụ thuộc toạ độ không gian ( , , )

- Thành phần xung của vận tốc gió, trị số phụ thuộc vào cả không gian và thời gian ′( , , , )

Nếu chỉ xét sự thay đổi không gian theo chiều cao z (Hình 1.1), ta có:

( , ) = ( ) + ′( , ) (1.1)

Hình 1.1 Quan hệ vận tốc gió theo thời gian

Khi đó, áp lực gió tác dụng lên công trình ở độ cao z:

Trang 24

( , ) = ( ) + ′( , ) (1.2) trong đó: ( , )- tổng áp lực do thành phần dọc của luồng gió gây ra

( )- áp lực do thành phần trung bình ( ) gây ra

′( , )- áp lực do thành phần xung ′( , ) gây ra

1.1.3.2 Phân loại các tham số đặc trưng ảnh hưởng đến tác dụng của gió

Tác dụng của gió lên công trình bị chi phối chủ yếu bởi vận tốc và hướng thổi của nó Vì vậy mọi tham số làm biến đổi hai yếu tố này sẽ làm ảnh hưởng đến trị số và hướng của tác dụng lên công trình Các thông số ảnh hưởng này có thể chia làm 3 nhóm chính sau đây:

+ Nhóm các thông số đặc trưng cho tính ngẫu nhiên của tải trọng: Vận tốc,

1.1.4 Khảo sát các tham số ảnh hưởng đến việc tính toán tác dụng của tải trọng gió lên công trình

Vận tốc gió là yếu tố quyết định đến áp lực của tải trọng gió tác dụng lên công trình Xác định vận tốc gió tại một vùng là cở sở để áp dụng các công thức tính toán trong tiêu chuẩn thiết kế nhằm xác định tải trọng gió tác dụng lên các công trình xây dựng trong vùng đó

1.1.4.1 Khái niệm chung về vận tốc gió

Vùng gần mặt đất có sự ảnh hưởng của ma sát làm ảnh hưởng đến vận tốc di chuyển của gió Càng lên cao ảnh hưởng của ma sát sẽ giảm, do đó vận tốc gió sẽ

Trang 25

tăng lên (Hình 1.2) Chiều cao mà từ đó vận tốc gió không thay đổi gọi (không còn chịu ảnh hưởng của mặt đệm) là chiều cao gradient Lớp không khí phía dưới chiều cao gradient được gọi là lớp biên

Hình 1.2 Vận tốc gió tại cao trình z

Đối với công trình nhà cửa, các tiêu chuẩn thiết kế trên thế giới (Mỹ, Châu

Âu, Nga, Anh v.v.) thường quy ước vận tốc gió đo ở độ cao 10m trên mặt đất tự nhiên ở vùng không bị che chắn Tiêu chuẩn Việt Nam cũng lấy tương tự như vậy Vận tốc gió biến đổi liên tục theo thời gian (Hình 1.1) Thời gian lấy trung bình vận tốc gió và thời gian tính chu kì lặp sẽ ảnh hưởng đến giá trị vận tốc gió trung bình Các tiêu chuẩn khác nhau đã quy định thời gian lấy vận tốc gió trung bình và chu kì lặp khác nhau để xác định vận tốc trung bình của gió, gọi là vận tốc gió cơ sở

1.1.4.2 Vận tốc gió cơ sở

Vận tốc gió thay đổi theo độ cao đo vận tốc và phụ thuộc thời gian lấy trung bình Tuỳ theo độ nhạy của thiết bị đo và yêu cầu của việc thu nhận số liệu mà thời gian lấy trung bình vận tốc ở các tiêu chuẩn là khác nhau

Với các công trình thấp, nặng nề thì thời gian lấy vận tốc có thể dài (đủ để cơn gió bao trùm toàn bộ công trình) Nhưng với công trình cao, mềm do chúng khá nhạy cảm, chỉ cần một khoảng thời gian rất ngắn, các cơn gió giật đã bao trùm và

Trang 26

nhanh chóng vượt qua công trình nên thời gian lấy trung bình thường ngắn Bảng 1.1 giới thiệu thời gian lấy trung bình vận tốc gió của một số tiêu chuẩn

Bảng 1.1 Thời gian lấy vận tốc trung bình của một số tiêu chuẩn thiết kế

Úc

Úc Anh

Mỹ Châu Âu

là vận tốc gió trung bình trong khoảng thời gian 3 giây bị vượt một lần trong vòng

20 năm, ở độ cao 10m so với mốc chuẩn, tương ứng với địa hình dạng B, là dạng địa hình tương đối trống trải, có một số vật cản thưa thớt cao không quá 10 m (vùng ngoại ô ít nhà, làng mạc, rừng thưa hoặc rừng non, vùng trồng cây thưa v.v.) (Bảng 1.2)

Tiêu chuẩn của Nga SNiP 2.01.07-85* (2011) [48] quy định: Vận tốc gió cơ

sở V0 là vận tốc gió trung bình trong khoảng thời gian 600 giây (10 phút) bị vượt một lần trong vòng 5 năm, ở độ cao 10m so với mốc chuẩn, tương ứng với địa hình dạng A Địa hình dạng A là các bờ thoáng của biển, hồ, đồng cỏ, bìa rừng, bình nguyên, vật cản phân bố cao không quá 10m (tương đương dạng địa hình B của TCVN) (Bảng 1.2)

Trang 27

Tiêu chuẩn Mỹ ASCE/SEI 7-16 [16] quy định: Vận tốc gió cơ sở V0 là vận tốc gió trung bình trong khoảng thời gian 3 giây bị vượt một lần trong vòng 50 năm,

ở độ cao 10 m so với mốc chuẩn, tương ứng với địa hình dạng C Địa hình dạng C

là vùng nông thôn, thoáng, vật cản phân bố chiều cao dưới 10m (tương đương dạng địa hình B theo TCVN) (Bảng 1.2)

Bảng 1.2 Các dạng địa hình gió theo một số tiêu chuẩn

Dạng địa hình theo

TCVN 2737:1995 thoáng, H<1.5m A che chắn, B

1.5m<H<10m

C che chắn mạnh, 10m<H Dạng địa hình theo

SNiP 2.01.07-85 *

A thoáng, H<10m 10m<H<25m B 25m<H C

Dạng địa hình theo

ASCE/SEI 7-16

D thoáng, mở, bờ biển

C nông thôn, thoáng, H<9.1m

B thành thị

Do có thể thời gian lấy vận tốc gió trung bình khác nhau, chu kì lặp khác nhau, dạng địa hình để đo vận tốc gió cơ sở theo các tiêu chuẩn khác nhau nên vận tốc gió cơ sở tại một vùng theo các tiêu chuẩn đó cũng khác nhau Vì vậy, khi áp dụng các tiêu chuẩn khác nhau để xác định tải trọng gió tác dụng lên một công trình

cụ thể cần phải quy đổi vận tốc gió cơ sở

1.1.4.3 Quy đổi vận tốc gió cơ sở

Chuyển đổi vận tốc gió: trong một cơn gió, thời gian duy trì vận tốc lớn là ngắn Vì vậy, nếu thời gian lấy trung bình vận tốc gió ngắn lại thì giá trị vận tốc gió trung bình sẽ lớn hơn Quan hệ giữa vận tốc gió trung bình trong ở các trường hợp thời gian lấy trung bình khác nhau được xác định như sau:

- Sử dụng đồ thị như hình 1.3 theo ASCE/SEI 7-16 [16] để quy đổi từ vận tốc gió trung bình trong thời gian T sang vận tốc gió trung bình trong 1 giờ (3600s)

Ví dụ:

V3s = 1,51 * V3600s

V600s = 1,07 * V3600s

Trang 28

- Từ đó, xác định được quan hệ vận tốc gió trung bình lấy trong thời gian T bất kì:

Hình 1.3 Tỷ số giữa vận tốc gió trung bình trong t giây (Vt) với vận tốc gió

trung bình trong 1 giờ (V3600) (ASCE/SEI 7-16 [16])

Chuyển đổi chu kì lặp: để chuyển đổi chu kì lặp của tải trọng gió giữa các tiêu chuẩn, có thể dùng hệ số chuyển đổi chu kỳ lặp theo QCVN 02-2009/BXD [12]

Bảng 1.3 Hệ số chuyển đổi gió 3 giây từ chu kì 20 năm sang các chu kỳ khác

Hệ số chuyển đổi áp lực gió 0.74 0.87 1.00 1.10 1.16 1.20 1.37

Hệ số chuyển đổi vận tốc gió 0.86 0.93 1.00 1.05 1.08 1.10 1.17 Theo TCVN 2737:1995 thì vận tốc gió cơ sở là số liệu vận tốc gió 3 giây chu

kì lặp 20 năm Với các công trình có tuổi thọ giả định là 20 năm thì hệ số vượt tải của tải trọng gió là 1,0 Thông thường tuổi thọ giả định của công trình là 50 năm thì

hệ số vượt tải của tải trọng gió là 1,2 Nếu giả định tuổi thọ của công trình là thời gian ngắn hơn hay dài hơn sẽ có các hệ số vượt tải khác nhau Như vậy hệ số vượt tải của tải trọng gió chính là xét đến tương quan giữa chu kì lặp của tải trọng gió và tuổi thọ của công trình Tuổi thọ của công trình liên quan đến tầm quan trọng của công trình, và do tiêu chuẩn của mỗi nước quy định

Trang 29

1.1.4.4 Hệ số độ cao

Do ảnh hưởng độ nhám của bề mặt trái đất làm vận tốc gió bị thay đổi theo

độ cao Có thể biểu diễn quy luật thay đổi này dưới dạng hàm logarit:

V = alogz + b (1.4) hoặc dưới dạng hàm mũ:

V = V ( ) (1.5) Tiêu chuẩn của Anh, Mỹ, Nhật, Nga, Trung Quốc sử dụng hàm số mũ Tiêu chuẩn Úc, Châu Âu sử dụng hàm logarit để biểu diễn quy luật thay đổi vận tốc gió theo độ cao Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737-95 chọn quy luật hàm số mũ [14] Trong đó:

VZ - vận tốc gió trung bình ở độ cao z

a, b - các hằng số, phụ thuộc độ gồ ghề của mặt đất và sự biến thiên nhiệt độ

V0 - vận tốc gió trung bình ở độ cao z0 (độ cao đặt máy đo vận tốc lấy số liệu, thông thường chọn z0=10m)

z - độ cao xác định vận tốc gió VZ

mt - hệ số, xác định từ số liệu đo đạc vận tốc gió ở lớp biên, m phụ thuộc

dạng địa hình, cấu trúc khí quyển, nhiệt độ và thời gian lấy trung bình vận tốc gió

Gọi zg là độ cao mà tại đó vận tốc gió không còn chịu ảnh hưởng của mặt đệm, ở các địa hình khác nhau, giá trị zg sẽ khác nhau

Vận tốc gió ở độ cao z có thể biểu diễn theo luật hàm số mũ [13]:

V = V ( ) (1.6) Trong đó: Vzg , Vz - vận tốc gió ở độ cao gradient và ở độ cao z

Để xác định được Vz cần phải biết 3 tham số mt, zg và Vzg Các tham số này đều phải xác định bằng thực nghiệm trên hệ thống tháp đo gió chuẩn và xử lý kết

Trang 30

quả đo theo thống kê Ở nước ta, chưa đủ các số liệu này, do vậy phải sử dụng kết quả nghiên cứu của nước ngoài (TCVN 2737-95 chọn các giá trị zg và mt của Tiêu chuẩn Úc AS/NZS 1170.2-2011 để sử dụng, còn Vzg được tính thông qua V10 với thời gian lấy trung bình vận tốc gió là 3 giây) Giá trị zg và mt cuả một số tiêu chuẩn cho theo bảng 1.4

Bảng 1.4 Chiều cao gradient z g , số mũ m t và thời gian lấy trung bình vận tốc

gió của một số tiêu chuẩn thiết kế

Số

lấy TB (giây)

0,107 0,07

0,21 0,16 0,085 0,09

0,127 0,09

0,25 0,20 0,09 0,14

0,184 0,14

Áp dụng công thức dùng hàm số mũ để tính vận tốc gió (1.6), lấy vận tốc gió

V10 (tương ứng với độ cao z=10m) ở địa hình B làm chuẩn (giá trị nầy có thể đo được thông qua các máy đo); cần tính vận tốc gió Vg tại độ cao gradient zg=300m (ứng với địa hình B)

(1.7) Mặt khác áp lực gió được xác định theo công thức [13]:

(1.8)

10

09 0

10

300

V , V

10 0,0613V

W 

Trang 31

(1.9)

Từ đó suy ra công thức xác định hệ số độ cao:

(1.10) Với z=zg ta có: (1.11) Kết hợp với (1.7) ta có : KzgB =1,3582 =1,844

Từ các công thức trên, rút ra công thức để xác định hệ số độ cao ứng với các dạng địa hình khác nhau (ký hiệu là t) là:

(1.12) Tại z=zg có

Vì vậy (1.13)

Và theo (1.6): V = V ( ) (1.14) Thay vào biểu thức Kzt, ta được :

(1.15)

Với t là dạng địa hình A, B hoặc C

Sau khi chọn độ cao gradient zg và hệ số mt, lập được bảng hệ số độ cao tương ứng với từng loại địa hình (Bảng 5 trong TCVN [13])

V

2 2

t zg

t z t

z

V

V V

V K

t zg

C zg

B zg

A

844 1

VV

m t g

zg zg zg

t z t

z

z.,z

zVV

,V

V.,

K

2 2

2

844 1

1 844 1 844

Trang 32

Nhằm kể đến ảnh hưởng của việc thay đổi vận tốc gió theo thời gian đến phản ứng của công trình Mức độ ảnh hưởng của thành phần xung dọc theo luồng gió được đặc trưng bởi cường độ dòng rối [14]:

(1.16) trong đó: (z)- cường độ dòng rối

- trung bình bình phương thành phần xung dọc vận tốc gió ở độ cao z V(z) - vận tốc trung bình của luồng gió ở độ cao z

Áp lực gió ở độ cao z là [14]:

Q(z,t)=Q(z)+ Q’ (z,t) (1.17) trong đó: Q(z,t)- áp lực do thành phần dọc luồng gió

Q(z)- áp lực do thành phần trung bình của vận tốc gió:

Từ đó suy ra:

Q’(z,t) = 2.Q(z).(z) (t) (1.21) Với phổ năng lượng Davenport, cường độ dòng rối xác định theo công thức:

) z ( V )

) t , z ( V ).

z ( Q ) t , z (

) t ( ) z ('



Trang 33

(1.22) trong đó: t- dạng địa hình A, B, C;

rt- độ nhám của mặt đệm

z- độ cao tính toán; mt- hệ số thực nghiệm (Bảng 1.4)

Hệ số xung áp lực động t xác định trên cơ sở của cường độ dòng rối , theo TCXD 229:1999 [14] xác định t theo công thức:

(1.23) Trong đó: - cường độ dòng rối, phụ thuộc dạng địa hình t

- hệ số an toàn

Dựa vào các số liệu thực nghiệm người ta đã xây dựng đồ thị quan hệ phụ thuộc giữa hệ số xung áp lực động và thời gian lấy trung bình vận tốc gió; nếu thời gian lấy trung bình càng nhỏ thì hệ số an toàn αc cũng càng nhỏ TCVN 2737-95 lấy thời gian trung bình 3 giây, αc=1,395; rA= 0,002; rB = 0,005; rC = 0,01; và ta có:

(1.24)

Sử dụng các công thức trên, theo độ cao z, tương ứng với mỗi dạng địa hình,

ta thành lập được bảng hệ số áp lực động (bảng 8 trong TCVN [13])

1.1.4.6 Hệ số tương quan không gian

Hình khối và các đặc điểm về vật liệu, về cấu tạo công trình làm thay đổi các đặc trưng dao động và cuối cùng là làm thay đổi xung vận tốc gió tác dụng lên công

t

m t

)z(t



)z( c t

t   

)z(t

c



07 0

10 303 0

10 486 0

10 684 0

Trang 34

trình Ảnh hưởng đó, được biểu thị bằng hệ số tương quan không gian, xác định theo công thức [14]:

= (1.25) trong đó: , là phản ứng của công trình khi dao động ở dạng thứ i ở điều kiện khảo sát và ở điều kiện chuẩn

Các giá trị và tìm được nhờ kết quả của việc giải bài toán dao động riêng ở các dạng dao động, theo các điều kiện tác động khác nhau Tiêu chuẩn TCVN 2737-95 thành lập bảng để tính hệ số tương quan không gian trên cơ sở xét công trình có khối lượng phân bố đều theo chiều cao và đường cong parabôn là dạng chuẩn của dao động thứ nhất Trường hợp công trình có mặt đón gió khá mảnh (B/H<0,2) thì hệ số  ngoài việc phụ thuộc vào hệ số đặc trưng cho dao động 1 chỉ phụ thuộc chiều cao; nhưng khi 0,2<B/H<0,5 thì hệ số này còn phụ thuộc cả vào chiều rộng mặt đón gió hoặc hút gió

Ở cùng 1 thời điểm, mọi mặt (trước, sau, hồi trái, hồi phải và đỉnh) công trình đều bị tác dụng của tải trọng gió Để tổng quát, TCVN đã lập bảng chung cho tất cả các hướng thông qua các hệ số , ; khi xác định tác dụng của gió trên mặt nào thì cần xác định các hệ số ,  tương ứng với mặt ấy

1.1.4.7 Hệ số khí động C

Hệ số khí động C lấy theo chỉ dẫn của bảng 6 TCVN 2737-95 [13], phụ thuộc vào bản thân công trình (hình khối, hình dạng bề mặt đón gió) Hệ số khí động C không chỉ có ở mặt đón gió mà ở mọi bề mặt của công trình

1.1.4.8 Dạng địa hình

Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737:1995 [13] chia ra 3 dạng địa hình như sau:

- Địa hình dạng A là địa hình trống trải, không có hoặc có rất ít vật cản cao không quá 1,5 m

Trang 35

- Địa hình dạng B là địa hình tương đối trống trải, có một số vật cản thưa thớt cao không quá 10 m

- Địa hình dạng C là địa hình bị che chắn mạnh, có nhiều vật cản sát nhau cao từ 10m trở lên

- Ngoài ra còn có dạng địa hình đặc biệt như sườn dốc, hẻm núi v.v

Tiêu chuẩn của Nga СНиП 2.01.07-85 (2011) [48] chia ra 3 dạng địa hình:

- Địa hình dạng A là các bờ thoáng của: biển, hồ, hồ chứa nước; các vùng nông thôn, kể cả có nhà cao dưới 10m; đồng cỏ; bìa rừng; bình nguyên

- Địa hình dạng B là vùng ngoại ô thành phố, rừng rậm và các vùng khác

có các vật cản phân bố đều cao trên 10 m

- Địa hình dạng C là trong thành phố có mật độ xây nhà lớn với nhiều nhà cao trên 25 m

Tiêu chuẩn Mỹ ASCE/SEI 7-16 [16] chia ra 3 dạng địa hình khi tính tải trọng gió:

- Địa hình dạng B là đô thị và các khu vực ngoại thành, các khu rừng hoặc địa hình khác với nhiều vật cản cách rời nhau mà khoảng cách có kích thước bằng chiều cao vật cản hoặc lớn hơn

- Địa hình dạng C là địa hình mở với vật cản rải rác có chiều cao thường ít hơn 9.1m Địa hình này bao gồm vùng đồng bằng, đồng cỏ và mặt nước tại tất cả các khu vực dễ bị gió lốc

- Địa hình dạng D là vùng đất phẳng, các khu vực không bị che chắn và bề mặt nước ngoài khu vực dễ bị gió lốc Địa hình này bao gồm các vùng đầm lầy, vùng ngập mặn và vùng bị đóng băng

1.2 Tổng quan các nghiên cứu về tải trọng gió

1.2.1 Các nghiên cứu ở nước ngoài

Nhà cao tầng có thể dao động trong cả hai hướng của gió dọc và gió ngang gây ra bởi dòng thổi của gió Tòa nhà cao tầng hiện đại tuy được thiết kế để đáp ứng

Trang 36

yêu cầu về hạn chế chuyển vị ngang, vẫn có thể dao động quá mức trong gió bão Những dao động có thể gây ra một số mối đe dọa đến các nhà cao tầng, nhà có chiều cao càng lớn càng trở nên dễ bị tổn thương hơn do dao động với gió tốc độ cao Đôi khi những dao động này có thể gây ra sự khó chịu cho những cư dân trong tòa nhà ngay khi nó không gây nguy hiểm cho các kết cấu của tòa nhà Vì vậy, đánh giá chính xác chuyển động công trình là một điều kiện tiên quyết cho sử dụng Có vài phương pháp để tìm ra những phản ứng của các nhà cao tầng chịu tải gió Một cách tiếp cận bằng phân tích đưa ra bởi Davenport [24] và được sử dụng trong nhiều tiêu chuẩn, thường chỉ áp dụng cho tòa nhà hình dạng thông thường, đối với một tòa nhà có hình dạng bất thường, đối với phản ứng chính xác của nó và sự làm việc dưới tốc độ gió cao được cung cấp từ các thử nghiệm trong đường hầm gió Trong đường hầm thử nghiệm gió, hai phương pháp được sử dụng để xác định phản ứng của bất kỳ tòa nhà cao tầng với một hình dạng bất thường hoặc thông thường theo tốc độ gió cao, phương pháp phân tích động được sử dụng để xác định tải trọng gió trên công trình mà trong đó lực cắt đáy có thể cho thiết kế kinh tế thu được từ thử nghiệm cân bằng lực tần số cao (High Freference Force Balance- HFFB), trong khi một phương pháp khác là nghiên cứu đo áp lực được sử dụng cho các thiết kế an toàn của các phần tử kết cấu riêng biệt như mái nhà và tường, và các tấm ốp bao gồm kính và sự liên kết vào nó

Giữa năm 1931 và 1936, khi tòa nhà Empire State (New York) được xây dựng, J Rathbun (1940) [47] đã thực hiện đo đạt tải trọng gió trên mô hình thật của tòa nhà đó Trước năm 1933, Dryden và Hill cũng đã tiến hành đo đạt tác động của gió trên một mô hình thu nhỏ của tòa nhà Empire State

Phản ứng gió dọc của kết cấu cao biệt lập có thể được đánh giá bằng cách sử dụng những nguyên lý cơ bản của lý thuyết dao động ngẫu nhiên kết hợp với thông tin về những đặc tính của dòng chảy tới, và các lực khí động học phát sinh trên kết cấu Ảnh hưởng của sự hỗn loạn trong không khí lên phản ứng của một cấu trúc đàn hồi được nhúng trong dòng rối lần đầu tiên được đề xuất bởi Liepmann (1952) [41]

Trang 37

Davenport (1961a) [23] đề xuất những khái niệm về xác xuất thống kê của chuỗi thời gian ổn định được sử dụng để xác định phản ứng của một kết cấu đơn giản trong một dòng rối, gió bão Điều này cho phép những ứng suất, gia tốc, độ lệch lớn nhất, v.v., được biểu diễn trong những số hạng của vận tốc gió trung bình, phổ của những trận gió bão, đặc tính cơ học và khí động lực học của kết cấu Trong

sự liên hệ này, nó được chỉ ra rằng sức kháng trong sự thay đổi dòng thổi có thể lớn hơn một cách đáng kể đối với dòng thổi ổn định, như sự phù hợp của hầu hết các thử nghiệm trong hầm gió Một biểu thức cho phổ của cơn bão gần mặt đất được đề xuất, tính đến sự thay đổi của nó với vận tốc trung bình, độ nhám của địa hình, và chiều cao so với mặt đất Sự phân bố thống kê về giá trị cao nhất trên số lượng lớn các năm liên quan đến sự phân bố thống kê về giá trị trung bình bằng cách gọi là

“hệ số gió giật” Trong sự kết hợp với hệ số gió giật, điều này cho phép dự báo tải trọng gió lớn nhất với bất kỳ tần suất cho trước để tính toán

Davenport (1963b) [25] đưa ra sự liên quan thỏa đáng tới tải trọng gió lên kết cấu do gió giật Một cách tiếp cận bằng thống kê được đề nghị dựa trên những khái niệm của việc xuất hiện chuỗi ngẫu nhiên ổn định nhằm đưa ra một giải pháp đầy triển vọng Một vài thí nghiệm để xác định đáp ứng khí động lực học của kết cấu đối với dòng rối thay đổi được mô tả Những ví dụ về cách tiếp cận xác xuất thống

kê để đánh giá tải trọng gió trên hàng loạt các kết cấu được đưa ra, trong đó cần lưu

ý những kết cấu dây văng nhịp dài, cầu treo, tháp cao và nhà chọc trời

Harris (1963) [31] đã đưa ra thảo luận những hạn chế của phương pháp hiện hành về đánh giá tải trọng gió, và kết quả của lý thuyết truyền thống cần cho phương pháp thống kê mới của thiết kế kết cấu và sau đó được giới thiệu, thảo luận

về kết quả phương pháp luận dựa vào ứng dụng của phương pháp mới Quan hệ áp lực/vận tốc được sử dụng được giải quyết bởi một phương pháp chính xác Sự cần thiết cho một quan hệ áp lực/vận tốc cải tiến được thảo luận một cách tóm tắt, và một vài thí nghiệm được thực hiện Ứng dụng phương pháp thống kê cho hệ nhiều bậc tự do được giới thiệu, và một số thí nghiệm để tìm ra bản chất cơ bản của cấu trúc gió đã được mô tả Cuối cùng, sự cần thiết cho những phương pháp thích hợp

Trang 38

cho lời giải của những bài toán phi tuyến được Harris chỉ ra

Whitbread R E (1963) [61] đã trình bày sự tính toán những tham số dòng thổi khác nhau mà yêu cầu phải phù hợp trong hầm gió và kết luận rằng quy luật trong mô hình của Jensen năm 1958 đã cung cấp những câu trả lời thỏa đáng sử dụng các thiết bị tạo nhám mặt sàn

Nghiên cứu về tải trọng gió, Davenport (1967) [24] đưa ra phương pháp tính toán tải trọng gió theo hệ số gió giật Phương pháp này lấy phương pháp xác suất và thống kê để đánh giá hiệu quả tải trọng gió cho các tòa nhà bằng các đặc tính biến đổi tạm thời và biến đổi theo không gian của vận tốc gió, đưa ra “tải trọng gió tĩnh tương đương” đem lại hiệu ứng tải trọng lớn nhất tác dụng lên công trình Nghiên cứu khác của Davenport cùng cộng sự (1999) [27] đã cũng cố và minh chứng một cách định lượng các nghiên cứu trước đó

Davenport và Isyumov (1967) [28] đã thảo luận những kỹ thuật đang có khác nhau để mô phỏng lớp biên không khí (Atmospheric Boundary Layer- ABL) trong các hầm thí nghiệm gió Kết quả nhấn mạnh những đặc trưng của dòng chảy rối hoàn toàn cho mô hình chính xác bao gồm biên dạng của vận tốc, biên dạng mật độ dòng rối/xoáy, tỷ lệ độ dài và phổ năng lượng nên được xây dựng sẵn cho gió tự nhiên Sự thay đổi theo quy luật hàm mũ của vận tốc gió được đề xuất

Vellozzi và Cohen (1968) [59] công bố một quy trình cho phản ứng gió dọc của nhà cao tầng trong đó một hệ số suy giảm được giới thiệu cho áp lực thay đổi trên mặt khuất gió của tòa nhà, có thể được hiểu như không có tương quan hoàn hảo nào giữa áp lực thay đổi trên mặt đón gió và khuất gió của tòa nhà Tuy nhiên, nó được trình bày bởi Simiu (1973a) [49] do cách thức mà trong đó hệ số này được áp dụng, quy trình của Vellozzi và Cohen đánh giá thấp các ảnh hưởng sự khuếch đại cộng hưởng

Counihan J (1969) [21] đánh giá việc sử dụng một hệ thống tạo lớp biên dạng hình elip và một hàng rào có lỗ để tạo một mô phỏng về lớp biên của tường nhám Kết quả cho thấy sự hợp lý giữa lớp biên dòng chảy được tạo ra và lớp biên không khí trung hòa nhận được

Trang 39

Fujimoto và cộng sự (1975) [30] đã thử nghiệm mô hình khí đàn hồi tỷ lệ 1/400 của của một nhà cao tầng mặt bằng hình chữ nhật (tỷ lệ kích thước 3 chiều của tòa nhà 1:1,2:3,75) trong một dòng chảy êm và hai lớp biên dòng chảy Giá trị phản ứng dọc và ngang chiều gió được trình bày theo chiều giảm của vận tốc và một quan hệ của chúng được xác định Hệ số gió giật thực nghiệm được so sánh với những kết quả nghiên cứu của Davenport (1967) [24] Một mô hình 4 bậc tự do được kiểm tra trong điều kiện gió tự nhiên, và ảnh hưởng của những dạng dao động riêng tần số cao đối với chuyển vị là không đáng kể và đối với gia tốc là khoảng 10%

Parera (1978) [45] nghiên cứu tương tác giữa dao động dọc và ngang của gió đối với những kết cấu mảnh và cao tương ứng với tỷ lệ 1:1:6,3 sử dụng mô hình khí đàn hồi một bậc tự do và hai bậc tự do Một hệ thống khớp cacđăng cho phép phát triển mô hình một bậc tự do hoặc hai bậc tự do Cermak (1977) [20] phát triển một cách đáng kể cho các mô hình trong phòng thí nghiệm về tần số dao động tự nhiên,

về biên độ dao động và mô phỏng lớp biên không khí (ABL), trong khoảng thời gian từ năm 1960 đến năm 1990 Các công việc của ông đã giải quyết nhiều mặt khác nhau của những đặc tính lớp biên không khí và mô phỏng một cách chi tiết Từ

đó tiêu chuẩn thiết kế hầm gió đã được thiết lập Tiêu chuẩn đồng dạng toán học được thảo luận và phương trình chủ đạo đã được xây dựng Sử dụng những hầm gió thử nghiệm ngắn với các thiết bị tạo dòng xoáy và song chấn đã được phát thảo Môi trường không khí trong hầm gió đã được thiết kế khép kín với trần hầm gió linh hoạt, đồng thời trang bị thiết bị điều khiển nhiệt độ môi trường

Trên cơ sở phân tích và thực nghiệm, Vickery (1971) [60] phát triển một sự cải tiến của phương pháp hệ số gió giật, như những lưu ý của Vickery, phương pháp của ông có xu hướng cho những kết quả một cách thận trọng với hệ số tỷ lệ giữa chiều dọc và chiều ngang của mặt cắt ngang tòa nhà lớn hơn 4 Vickery kết luận rằng phương pháp chính xác của ông có thể dự đoán hệ số gió giật của một tòa nhà đến độ chính xác đặc trưng là 5-10% đối với những dữ liệu cơ bản được xác định

rõ, so sánh với những phương pháp khác

Trang 40

Sự phân tích kết cấu không gian chịu tải trọng ngẫu nhiên mang lại một biểu thức của phản ứng động lực học nó phản ánh một cách rõ ràng ảnh hưởng của gió dọc tương quan chéo của tải trọng Ảnh hưởng này và sai số bao gồm sự bỏ qua hoặc đánh giá nó cao quá, sau đó được đánh giá bằng cách sử dụng các giả thuyết được chấp nhận và những kết quả thí nghiệm có sẵn trong các tài liệu nghiên cứu Một số giả thuyết đó được phân tích với mục tiêu cải tiến hơn nữa độ chính xác của

hệ số gió giật bằng các mô hình phù hợp trong các biểu thức của nó với các đặc tính vật lý của dòng chảy thực Simiu (1973a) [49] đã cho thấy rằng bằng cách kết hợp gió dọc tương quan chéo giữa phía đón và phía khuất gió, phần động của phản ứng và hệ số phản ứng gió giật bị giảm đáng kể Sau đó ông cho thấy rằng bằng cách xem xét sự thay đổi của phổ đối với chiều cao, phản ứng tiếp tục suy giảm Simiu (1976) [50] cũng cho thấy rằng phản ứng động lực học và hệ số gió giật được đánh giá bằng cách sử dụng một trong hai hoặc là Davenport (1967) [24] hoặc Vickery (1971) [60] có thể là cao bằng vài trăm phần trăm, trong khi phản ứng động lực học và hệ số gió giật đó sử dụng Vellozzi và Cohen (1968) [59] là thấp hơn Theo Simiu, đối với một tòa nhà điển hình, hệ số gió giật là 1,96, trong khi sử dụng cách tiếp cận giống Davenport là 2,83, sử dụng Vickery là 3,83 và sử dụng Vellozzi

và Cohen là 1.53 Qua đó cho thấy do cách thức mà trong đó hệ số này được áp dụng, quy trình của Vellozzi và Cohen đánh giá thấp các ảnh hưởng sự khuếch đại cộng hưởng Sau đó Simiu đã phát triển một quy trình cho việc xác định của phản ứng gió dọc tích hợp với thông số khí tượng Ông cho thấy rằng phản ứng động lực học của các kết cấu cao không gian có thể được mô tả như một tổng của sự phân bố

do áp lực trên mặt đón gió, áp lực trên mặt khuất gió, và sự tương quan chéo của những áp lực đó Sau đó ông mô tả dạng cải tiến của phổ gió dọc trong đó sự biến đổi của phổ đối với chiều cao được tính đến Một chương trình tính toán của độ lệch

và gia tốc do gió dọc được phát triển tích hợp với sự thay đổi của khí động lực học

và khí tượng bởi Simiuand Lozier (1975), sau đó được tiếp tục điều chỉnh bởi Simiu (1980) [51]

Yang và Lin (1981) [62] đã sử dụng ma trận chuyển cho sự phân tích dao

Định dạng
Số trang	206
Dung lượng	4,3 MB

Tiêu đề	Nghiên cứu xác định tải trọng gió lên nhà cao tầng có kết cấu khung giằng
Tác giả	Bùi Thiên Lam
Người hướng dẫn	GS.TS. Phan Quang Minh, PGS.TS. Lê Cung
Trường học	Đại Học Đà Nẵng
Chuyên ngành	Cơ kỹ thuật
Thể loại	Luận án tiến sĩ
Năm xuất bản	2018
Thành phố	Đà Nẵng