Tác động của gió lên nhà cao tầng-TS.Vũ Thành Hưng - Viện Khoa học công nghệ xây dựng

Nguyên nhân hình thành gió mùa khá phức tạp, chủ yếu là do sự nóng lên hoặc lạnh đi không đều giữa lục địa và đại dương theo mùa, từ đó có sự thay đổi của các vùng khí áp cao và khí á

Gió

Lớp khí quyển

Gió: các sự rối loạn

trong lớp khí quyển

Gió

•Gió là một hiện tượng trong tự nhiên hình thành do

sự chuyển động của không khí.Nó sinh ra do nhiệt độ trên bề mặt trái đất không đều Do bề mặt của trái đất bao gồm bề mặt đất và biển và nghiêng theo một trục

nên nó hấp thụ nhiệt độ từ mặt trời không đều

Gió

Gió

• Gió tây ôn đới: là loại gió thổi từ các khu áp cao chí

tuyến về phía vùng áp thấp ôn đới Sở dĩ gọi là gió tây vì

hướng chủ yếu của gió này là hướng tây (ở bán cầu Bắc

là hướng tây nam, bán cầu Nam là hướng tây bắc)

Gió tây thổi quanh năm, thường đem theo mưa, suốt bốn

mùa độ ẩm rất cao

• Gió mậu dịch (tín phong): là loại gió thổi từ các áp cao

ở hai chí tuyến về xích đạo, gió này có hướng đông bắc

ở bán cầu Bắc và đông nam ở bán cầu Nam Gió thổi

quanh năm khá đều đặn hướng gần như cố định, tính

chất của gió nói chung là khô.

• Gió mùa: là loại gió thổi theo mùa, hướng gió ở hai

mùa có chiều ngược nhau Gió mùa thường có ở đới

nóng như: Nam Á, Đông Nam Á, Đông Phi, Đông Bắc

Ôtx-trây-lia và Đông Nam Liên Bang Nga, Đông Nam

Hoa Kì Nguyên nhân hình thành gió mùa khá phức tạp,

chủ yếu là do sự nóng lên hoặc lạnh đi không đều giữa

lục địa và đại dương theo mùa, từ đó có sự thay đổi của

các vùng khí áp cao và khí áp thấp ở lục địa và đại

dương.

GióLợi

Gió thường có lợi cho con người Nó có thể quay các cánh quạt của các cối xay gió giúp chúng ta xay gạo, đẩy thuyền buồm, thả diều Nó là một trong những nguồn năng lượng sạch

Bất lợi

Đó là trong các cơn bão, gió có vận tốc cao dễ làm ngã đổ cây cối, cột đèn, làm tốc mái nhà ; gây thiệt hại nghiêm trọng đối với cơ ở vật chất;sức khỏe và tính mạng của con người

Gió

 Hoàn lưu toàn cầu (Global Circulations)

 Gió mùa (Monsoons

 Áp thấp (Frontal Depressions)

 Bão (Hurricanes, Typhoons, Cyclones)

 Dông (Thunderstorms, Down Bursts)

 Vòi rồng (Tornadoes)

 Gió xoáy cỡ nhỏ (Devils)

 Gió trọng lực (Gravity Winds)

 Gió tại sườn núi (Lee Waves)

Gió

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Tháng

• Việt Nam là một nước nhiệt đới gió mùa

và có bờ biển dài Hằng năm có từ 4 đến 6

cơn bão tác động trực tiếp hoặc ảnh

hưởng đến Việt Nam

• Các cơn bão thường tác động vào Việt

Nam từ tháng 6 đến tháng 11 và có xu

hướng dịch chuyển từ bắc xuống nam

Bão

Thang bão beaufort

> 62 m/s (>223 km/h) Bão rất mạnh59-61 m/s (212-220 km/h)

Thang bão

beaufort

Gió

Gió

Downbursts

Downbursts

Vòi rồng (Tornadoes)

Vòi rồng (Tornadoes)

Vòi rồng (Tornadoes)

Nguồn gốc hình thành

Lốc xoáy phát triển từ một cơn dông, thường từ ổ dông rất

mạnh hay siêu mạnh, nên ở đâu có dông dữ dội là ở đó có thể

có lốc xoáy Cũng có khi nó sinh ra từ một dải gió giật mạnh

(được gọi những đường tố) hay từ một cơn bão Không khí ở

lớp bên trên lạnh đè lên lớp không khí nóng ở phía dưới, không khí nóng sẽ bị cưỡng bức chuyển động lên rất mạnh Nhưng

khi lốc xoáy xảy ra trên mặt nước thì thường lại không thấy đối lưu và cũng không thấy sự khác biệt nhiệt độ giữa các lớp

Phần lớn lốc xoáy được hình thành từ một dạng mây dông đặc biệt là mây dông tích điện Một đám mây có thể kéo dài trong vài giờ, xoáy tròn trong vùng có đường kính từ 10 đến 16 km,

di chuyển hàng trăm dặm và sinh ra vô số ống hút khổng lồ

Nguồn gốc của chúng là vùng khí hậu có luồng khí nóng đi lên

và luồng khí lạnh đi xuống.

Trên đường di chuyển nó có thể cuốn theo (rồi ném xuống ở một khoảng cách sau đó) hoặc phá huỷ mọi thứ, kể cả những nhà gạch xây kiên cố, nên vòi rồng cũng là hiện tượng khí tượng đặc biệt nguy hiểm.

Vòi rồng (Tornadoes)

Vòi rồng (Tornadoes)

Giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của tải trọng gió W có độ cao

Z so với mốc chuẩn xác định theo công thức:

a) Vòi rồng trên biển tỉnh

Kiên Giang ngày 2/10/2003 b) Vòi rồng trên biển tỉnh Kiên Giang ngày 8/3/2009

TIÊU CHUẨN ViỆT NAM 2737:1995

Gần đây nhất, vào ngày 23/6/2011, tại huyện Thủy Nguyên, Hải Phòng, đã xảy ra hiện tượng vòi rồng trong vòng 10 phút Hậu quả là 2 người tử vong, 79 người bị thương và hơn 1.000 nóc nhà bị tốc mái, trong đó có 2 trường học, 16 nhà đổ sập hoàn toàn , nhiều cây cối, cột điện cũng bị gãy đổ ngổn ngang

a) Vòi rồng trên biển tỉnh Kiên

Giang ngày 2/10/2003 b) Vòi rồng trên biển tỉnh Kiên Giang ngày 8/3/2009

Gió xoáy cỡ nhỏ (Devils)

Gió trọng lực (Gravity Winds)

Gió tại sườn núi (Lee Waves)

Tác động của gió

Thiết kế kháng gió

Thiết kế kháng chấn

Dao độngcưỡng bức

Mu+Cu+Ku=F(t) u=[ , , , , ]T

g g g c c

u f v u v

 

Mu+Cu+Ku=F(u,u,u,t) u=[ , , , , ]T

TÁC ĐỘNG CỦA GIÓ VÀ TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT

Động đất Tải trọng lên kết

cấu Phản ứng củakết cấu

Các điều kiện về

an toàn và sử dụng bình thường

Gió Tải trọng lên kếtcấu Phản ứng củakết cấu Các điều kiện vềan toàn và sử

dụng bình thường Tương tác giữa gió và kết cấu

Ảnh hưởng của tải trọng gió trong

thiết kế KC nhà

Sự tăng của trọng lượng thép trong

thiết kế các nhà cao tầng

 Nhà dưới 10 tầng: tảitrọng thẳng đứng quyếtđịnh thiết kế (không cầntăng thêm kích thướccấu kiện khi xét tới tảitrọng gió)

 Nhà trên 10 tầng: lượng vật liệu cần thiếtphải bổ sung để chốnglại tải trọng gió tăngkhông tuyến tính

Trọng lượng bản thân và gió Trọng

lượng bản thân

Kết cấu cột Kết cấu sàn

Tần số (Hz) Chu kỳ (s)

Đối với nhà cao tầng

(Động đất trung bình)

Tải trọng gió làtải trọng ngang chính

Số tầng

Chu kỳ dao động cơ bản

Nhà thấp tầng

Tháp rỗng, cột điện Cầu treo

Tại sao nhà cao tầng lại nhạy cảm với

tác động của gió

Tại sao nhà cao tầng lại nhạy cảm với

tác động của gió

Các vấn đề về dao động do gió gây ra

Các vấn đề Mục đích Công trình hoặc thiết bị

Hệ thống bao che, tường bên trong, các khe lún và kháng chấn, hệ thống kỹ thuật

Giảm được momen uốn

gây ra bởi tải trọng gió tới

CHU KỲ LẶP R

cấu bị hư hỏng do tải trọng gió gây ra

Tác động của gió

Mặt cắt hình vuông – chiều cao/rộng =2,1

Trung bình

Gió

-0.6

-0.5

-2.2 -2.4

-2.0 -2.0

-1.8 -2.2

-2.4

-2.6

-2.8 -3.2

-3.8 -3.4 -3.0

-2.8 -2.6

-2.4

0.6 0.4

Trung bình

Hệ số khí động

Gió

Trung bình

Gió

gió dọc

Gió dọc

Gió ngang Gió

- Tải trọng gió gây ra ba loại tác

động khác nhau lên kết cấu:

tĩnh, động và khí động,

- Gió tác động lên gồm 2 loại:

Gió dọc và gió ngang

Gió dọc chủ yếu gây ra bởi

tác động rung lắc (buffeting)

do rối của luồng gió gây ra,

Gió ngang gây ra do hiện

tượng tách xoáy (vortex

shedding ) của dòng gió gây ra

TẢI TRỌNG GIÓ

Phản ứng gió ngang đặc biệt quan trọng vì nó

làm tăng gia tốc trên đỉnh công trình

Lực gió ngang

Xoáy Hướng dao động

Gió

Lực gió ngang gây ra do hiện tượng tách xoáy (vortex shedding) của dòng gió gây ra

Sự thay đổi theo thời gian của lực gió doc và

Tương tác giữa gió và vật thể

Phản

ứng

Vật thể

Lực do chuyển động tạo ra

Dòng

khí Lực dao đông

Vùng xoáy

Sự thay đổi theo thời gian của lực gió doc lực

gió ngang và mômen xoắn

Sự thay đổi theo thời gian của lực gió doc lực

gió ngang và mômen xoắn

Lực gió dọc

Lực gió ngang

Mômen xoắn

Sự thay đổi theo thời gian chuyển vị

Chuyển vị theo phương dọc luồng gió

Chuyển vị theo phương ngang luồng gió

Chuyển vị xoay

phức tạp và độ chính xác cũng

Mômen xoắn

Mômen xoắn do:

• Các áp lực phân bố không đều và do các mặt cắt

ngang không đối xứng

• Tâm cứng và tâm hình học không trùng nhau

Mô men xoắn

Gió

Lực gió ngang

Lực gió dọc

MÔMEN XOẮN

Mô men xoắn

Mô men xoắn

Bất kỳ công trình hoặc kết cấu

không thỏa mãn một trong hai tiêu chí sau:

Các công trình hoặc các kết cấu kín có tỉ lệ chiều cao trên chiều rộng cạnh nhỏ nhất lớn hơn 5,

Các công trình hoặc các kết cấu kín có tần số dao động riêng thứ

nhất nhỏ hơn 1 Hz ,

thì cần được kiểm tra các tác động động lực do gió gây ra:

TẢI TRỌNG GIÓ

Tải trọng gió tác dụng lên các công trình thường được tính toán dựa theo các tiêu chuẩn quốc gia như tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737-1995, tiêu chuẩn Nhật Bản AIJ-RFLB 2004, tiêu chuẩn Mỹ

ASCE 7-05, tiêu chuẩn Úc/Newzealand AS/NZS 1170.2:2002, tiêu chuẩn Châu Âu EN 1991-1-4:2005 Nhưng việc sử dụng các tiêu chuẩn có một số điểm hạn chế như:

Không hoặc khó xác định được ảnh hưởng của gió ngang

Không xác định được gia tốc trên đỉnh công trình do gió gây ra.

Không xét đến ảnh hưởng của hướng gió tác dụng.

Không xét đến ảnh hưởng của địa hình và các công trình xung

Không xác định được hệ số khí động chính xác của bề mặt

công trình.

TẢI TRỌNG GIÓ

TẢI TRỌNG GIÓ

Các tiêu chuẩn về tải trọng gió trên thế giới đã có các qui định việc

sử dụng thí nghiệm ống thổi khí động:

Tiêu chuẩn Úc và New Zealand AS/NZS 1170.2:2002

+ Các công trình hoặc kết cấu có chiều cao trên 200 m

+ Các công trình hoặc kết cấu có nhịp trên 100 m

+ Các kết cấu tháp rỗng

Tiêu chuẩn Châu Âu EN 1991-1-4:2004

+ Các công trình hoặc kết cấu có chiều cao trên 200 m

+ Các công trình hoặc kết cấu có tác động của dao động xoắn.

+ Các công trình hoặc kết cấu có các dao động bậc cao cần được xem xét.

Tiêu chuẩn Mỹ ASCE/SEI 7-05

+ Các công trình hoặc kết cấu không có hình dạng đều đặn.

+ Các công trình hoặc kết cấu có các đặc tính phản ứng với gió ngang, tách xoáy, mất ổn định do galloping hoặc flutter, có các tác động do địa hình gây ra

CÁC QUI ĐỊNH VỀ THÍ NGHIỆM ÔTKĐ TRONG

CÁC TIÊU CHUẨN

CÁC QUI ĐỊNH VỀ THÍ NGHIỆM ÔTKĐ TRONG

CÁC TIÊU CHUẨN

ỐNG THỔI KHÍ ĐỘNG

Mô phỏng dòng gió tác dụng lên công trình (sự thay đổi vận tốc gió theo chiều cao, độ rối).

Thay đổi được hướng gió tác dụng.

Mô phỏng được địa hình xung quanh.

Mô hình được mô phỏng với hình dạng của công trình.

Xác định được sự phân bố hệ số khí động tác dụng lên các mặt của công trình.

Xác định được phản ứng của công trình dưới tác dụng của gió (lực dọc theo hướng gió, lực ngang theo hướng gió, mômen xoắn, gia tốc đỉnh) theo tất cả các hướng gió.

Xác định ảnh hưởng của công trình đến vận tốc gió xung quanh công trình

MỘT SỐ ƯU ĐIỂM CỦA PHƯƠNG PHÁP DÙNG ÔTKĐ

Ảnh hưởng của gia tốc đến con người

1 0,05 Mọi người không cảm nhận được

2 0,05 đến 0,1 Những người nhạy cảm có thể cảm nhận được chuyển động

3 0,1 đến 0,25 Đa số mọi người có thể cảm nhận được chuyển động

4 0,25 đến 0,4 Làm việc văn phòng sẽ khó nhưng vẫn có thể di chuyển được

5 0,4 đến 0,5 Đa số mọi người cảm nhận được chuyển động mạnh, đi lại khó khăn và khó giữ thăng bằng khi

đứng

6 0,5 đến 0,6 Đa số mọi người sẽ không chịu được chuyển động và không thể đi lại được một cách tự nhiên.

7 0,6 đến 0,7 Mọi người không thể đi lại hoặc chuyển động được

8 > 0,85 Các vật trong nhà bắt đầu rơi xuống và con người cóthể bị thương

Ảnh hưởng của vận tốc gió đến người đi bộ

Ảnh hưởng của vận tốc gió đến người đi bộ

V ≤ 5 không gây cảm giác khó chịu cho người đi bộ

5 < V ≤ 10 gây cảm giác khó chịu và tác động đến chuyển động đến của người đi bộ

V > 10 gây cảm giác rất khó chịu và tác động đến chuyển động đến của người đi bộ

Trung tâm hội nghị Quốc gia (Hà Nội).

Tòa Tháp Tài chính Bitexco (Hồ Chí Minh).

Tổ hợp công trình Keangnam (Hà Nội).

Trung tâm thương mại Vietinbank (Hà Nội).

Toà nhà hỗn hợp đa chức năng và chung cư cao

Ống thổi khí động hở

CÁC LOẠI ỐNG THỔI KHÍ ĐỘNG

Ống thổi khí động kín

CÁC LOẠI ỐNG THỔI KHÍ ĐỘNG

ống thổi khí động hở

ưu điểm: - Vốn đầu tư ít hơn;

- Đơn giản hơn.

Ống thổi khí động kín

ưu điểm:

- Độ ồn ít hơn so với hầm hở;

- Hiệu suất cao hơn;

- Thí nghiệm được nhiều loại kết cấu khác nhau.

Nhược điểm:

-Vốn đầu tư cao hơn;

- Nhiệt độ của không khí trong hầm cần thời gian để

ổn định

CÁC LOẠI ỐNG THỔI KHÍ ĐỘNG

Thí nghiệm xác định môi trường gió

ÁP LỰC ĐẨY LỚN NHẤT LÊN HỆ THỐNG BAO CHE (KN/m2)

Toà nhà hỗn hợp đa chức năng và chung cư cao cấp Vinafor (Hà Nội)

Toà nhà hỗn hợp đa chức năng và chung cư cao cấp Vinafor (Hà Nội)

2,0 2,0

3,6 3,6

4,0 4,0

4,0

3,6 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6

ÁP LỰC HÚT LỚN NHẤT LÊN HỆ THỐNG BAO CHE (KN/m2)

Toà nhà hỗn hợp đa chức năng và chung cư cao cấp Vinafor (Hà Nội)

Toà nhà hỗn hợp đa chức năng và chung cư cao cấp Vinafor (Hà Nội)

1,5

1,5

2,6 2,6

1,3

1,5

3,0 3,0

2,6 3,0

1,3

3,0

1,3

2,6 2,6

3,0 3,0

2,6

Các lọai mô hình thí

nghiệm

Mô hình cứng

Mô hình đàn hồi khí

Vận tốc gió đều

Gradient vận tốc gió

Ô nhiễm môi trường

Mô hình cứng xoay được

Mô hình đàn hồi khí tĩnh

Mô hình đàn hồi khí động

Đo các biến dạng và ứng suất

Đo các lực dao động

Mô hình cứng

CÁC LOẠI MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM

(1) Thí nghiệm cân bằng lực (The Force Blance Test)

(2) Thí nghiệm đàn hồi khí hai bậc tự do(The degree-of-free Aeroelastic Test)

Two-(3) Thí nghiệm đàn hồi khí nhiều bậc tự do (The degree-of-free Aeroelastic Test)

Multi-CÁC DẠNG THÍ NGHIỆM ĐÀN HỒI KHÍ

Mô hình

Thiết bị đo

Thiết bị đo 5 thành phần lực

(five-component

high-frequency force balance)

Nguyên lý làm việc của thiết bị đo

Mô hình thí nghiệm với thiết bị cân lực tần số cao

Mô hình thí nghiệm với thiết bị cân lực tần số cao

Mô hình đàn hồi khí hai bậc tự do

Model 2D Model Lumped-mass Model Full-elastic Model

Mô hình đàn hồi khí

Mô hình đàn hồi khí nhiều bậc tự do

ỐNG THỔI KHÍ ĐỘNG

Xét tới ảnh hưởng của điều kiện địa hình, hướng gió

THÍ NGHIỆM ỐNG THỔI KHÍ ĐỘNG

ỐNG THỔI KHÍ ĐỘNG CỦA VIỆN KHCN XÂY DỰNG (IBST) ỐNG THỔI KHÍ ĐỘNG CỦA

VIỆN KHCN XÂY DỰNG (IBST)

C¸c th«ng sè

HÇm giã

Lo¹i KÝnChiÒu dμi 36 m

Bμn xoay

2 bμn xoay (01 bμn cã ®−êng kÝnh 4 m vμ 01 bμn cã ®−êng kÝnh 7 m)

VIỆN KHCN XÂY DỰNG (IBST) ỐNG THỔI KHÍ ĐỘNG CỦA

VIỆN KHCN XÂY DỰNG (IBST)

VIỆN KHCN XÂY DỰNG (IBST)

Mô phỏng số CFD (Computational fluid dynamics) đã

và đang được ứng dụng trong thực tế

MÔ PHỎNG SỐ

HÖ THèNG BAO CHE CñA NHμ CAO TÇNG

HÖ THèNG BAO CHE CñA NHμ CAO TÇNG

TIÊU CHUẨN ViỆT NAM 2737:1995

Vận tốc gió trung bình

Thành phần thay đổi

Thời gian (phút)

Tải trọng gió gồm có hai thành phần tĩnh và động :

- Thành phần tĩnh tính với mọi loại nhà và mọi loại kích thước

- Thành phần động khi tính toán nhà nhiều tầng cao trên 40 m hoặc nhà công nghiệp một tầng cao trên 36 m với tỉ số độ cao trên nhịp nhỏ hơn 1,5 xây dựng ở địa hình dạng A và B.

Tính thành tĩnh Tính thành tĩnh và động

SaiĐúng

TIÊU CHUẨN ViỆT NAM 2737:1995

Giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của tải trọng gió W có độ cao

Z so với mốc chuẩn xác định theo công thức:

1,09 1

0,87 0,73

Hệ số độ tin cậy

 tải trọng gió

100 40

30 20

10 5

Tuổi thọ công

trình

IV III

II I

Đặc biệt

≤ 3

4 ÷ 8

9 ÷ 25

>25 -

Số tầng

Loại công

trình

QUY CHUẨN KỸ THUẬT QUỐC GIA QCVN 03 : 2009/BXD

VỀ PHÂN LOẠI, PHÂN CẤP CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG DÂN DỤNG,

CÔNG NGHIỆP VÀ HẠ TẦNG KỸ THUẬT ĐÔ THỊ

Các dạng địa hình

Địa hình dạng A: địa hình trống trải, không

có hoặc có rất ít vật cản cao không quá 1,5 m

(bờ biển thoáng, mặt sông, hồ lớn, đồng muối,

cánh đồng không có cây cao…)

Địa hình dạng B: địa hình tương đối trống

trải, có một số vật cản thưa thớt cao không quá

10m (vùng ngoại ô ít nhà, thị trấn, làng mạc,

rừng thưa hoặc rừng non, vùng trồng cây

thưa…)

có nhiều vật cản sát nhau cao từ 10 m trở lên

(trong thành phố, vùng rừng rậm…)

Profile vận tốc gió

Profile vận tốc gió

Độ nhám giảm dần

TIÊU CHUẨN ViỆT NAM 2737:1995

Bảng 4 - Giá trị áp lực gió theo bản đồ phân vùng áp lực gió trên lãnh thổ Việt Nam

125 95

55

W 0 (daN/ m 2 )

V IV

IIIB IIB

Vo - vận tốc gió ở độ cao 10 m so với mốc chuẩn (vận tốc trung bình trong

khoảng thời gian 3 giây bị vượt một lần trong vòng 20 năm) tương ứng với địa

10 m

•Hướng gió thổi

•Sự thay đổi theo mùa

•Chu kỳ lặp

TIÊU CHUẨN ViỆT NAM 2737:1995

0,47 0,54 0,66 0,74 0,80 0,89 0,97 1,03 1,08 1,18 1,25 1,40 1,52 1,62 1,70 1,78 1,84

0,80 0,88 1,00 1,08 1,13 1,22 1,28 1,34 1,38 1,45 1,51 1,63 1,71 1,78 1,84 1,84 1,84

1,00 1,07 1,18 1,24 1,29 1,37 1,43 1,47 1,51 1,57 1,62 1,72 1,79 1,84 1,84 1,84 1,84

3 5 10 15 20 30 40 50 60 80 100 150 200 250 300 350

>400

C B

A

Dạng địa hình

Độ cao Z, mBảng 5 - Hệ số k kể đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao và dạng địa hình