Khi tính toán tải trọng gió động cho các công trình có chiều cao lớn chúng ta thường tính tổng tác động của gió bao gồm cả thành phần chuẩn tĩnh và cộng hưởng lên công trình. Bài viết nêu kiến nghị hiệu chỉnh tiêu chuẩn hiện hành đối với việc xác định các thành phần động của tải trọng gió với các công trình thép cao.
Trang 1S¬ 28 - 2017
Nghiên cứu thành phần động của tải trọng gió
cho các công trình tháp, trụ thép
Research of the dynamic component of the wind load for high-rise steel structures
Đoàn Tuyết Ngọc, Vũ Lệ Quyên
Tóm tắt Khi tính toán tải trọng gió động cho các
công trình có chiều cao lớn chúng ta
thường tính tổng tác động của gió bao
gồm cả thành phần chuẩn tĩnh và cộng
hưởng lên công trình Việc này dẫn đến
tính toán kết cấu không chính xác, giảm
hiệu quả kinh tế nhất là với những công
trình mang tính điển hình và phổ biến
như tháp trụ thép, cột thu phát sóng
Bài báo nêu kiến nghị hiệu chỉnh tiêu
chuẩn hiện hành đối với việc xác định
các thành phần động của tải trọng gió
với các công trình thép cao.
Từ khóa: Tải trọng và tác động, công trình tháp
trụ thép, tải trọng gió, thành phần chuẩn tĩnh,
thành phần cộng hưởng
Abstract
When calculating the dynamic component of
wind load for high-rise buildings, we usually
calculate the total wind impact, including
quasistatic and resonance components This
leads to inaccurate structural calculations,
reducing economic efficiency especially
with typical and popular constructions such
as steel towers, transmission towers The
paper proposes a revision of the current
standard for the determination of dynamic
components of the wind load in high steel
structures.
Keywords: Loads and impacts, high-rise steel
structures, wind load, quasistatic component,
resonance component
PGS.TS Đoàn Tuyết Ngọc
Khoa Xây dựng
Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội
Email: <tuyetngocdoan@yahoo.com>
TS Vũ Lệ Quyên
Khoa Xây dựng
Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội
Email: <lequyenvu.hau@gmail.com>
Hiện nay, các công trình cao có chức năng đặc biệt như tháp, trụ thu phát để cung cấp truyền hình, phát thanh, truyền thông di động đóng vai trò rất quan trọng trong việc phát triển cơ sở hạ tầng và kinh tế xã hội Nếu tại các khu đô thị ăng-ten có thể được đặt trên nóc các tòa nhà cao tầng, thì ở các vùng chưa phát triển, các công trình đặc biệt như tháp và cột thu phát sóng là vô cùng cần thiết
Với các công trình có độ cao lớn, chiều cao lớn hơn rất nhiều so với kích thước ngang (khoảng 8-200 lần) [1], tải trọng gió đóng vai trò chủ đạo và quyết định hình dạng kích thước của hệ kết cấu Tác động của gió bao gồm hai thành phần: tĩnh và động Khi xác định thành phần tĩnh, đặc điểm hạn chế cản gió của cột và tháp làm giảm giá trị của tải trọng gió so với các công trình có bề mặt cản lớn có cùng chiều cao Giá trị của thành phần động phụ thuộc vào hệ số động lực ξ, được xác định bởi độ giảm loga của dao động δ [2] Nếu với đa số các tòa nhà có δ > 0,3, thì với các công trình thép cao, mảnh có δ < 0.15, có nghĩa là kết cấu giảm chấn ở mức độ thấp, công trình dễ bị hư hại do ảnh hưởng của gió giật
Do tính chất hàng loạt và phổ thông của tháp và trụ thép nên cần phải tạo ra các kết cấu điển hình không tốn kém khi sản xuất và lắp dựng, nhưng đồng thời phải đảm bảo chất lượng, độ bền, độ ổn định hay nói cách khác – có trọng lượng tối thiểu với khả năng chịu lực lớn nhất Điều kiện này được thực hiện khi tải trọng thực tế được xác định một cách chính xác, đặc biệt là thành phần động của tải trọng gió có đặc điểm ngẫu nhiên và tính phá hoại cao
Trong các nghiên cứu, thí nghiệm về ảnh hưởng của gió động cho các công trình tháp, trụ thép [3-5] cho thấy rằng thành phần động xuất hiện dưới tác dụng của gió giật dọc theo hướng gió bao gồm hai thành phần: thành phần chuẩn tĩnh (quasistatic), sinh ra bởi tác động của gió có tần số thấp gần với tần số tối đa của phổ năng lượng khi vận tốc gió thay đổi; thành phần cộng hưởng (resonance), gây ra bởi gió giật ở tần
số cao trong vùng tần số dao động của bản thân công trình (hình 1) Ở hình 1 có thể thấy nếu như phổ của lực khí động học thông thường tác động lên công trình chỉ có
1 giá trị cực đại thì phổ phản ứng của công trình với gió giật (bao gồm chuyển vị, ứng suất…) có hai giá trị cực đại Đỉnh bên trái – vùng tần số thấp hay chuẩn tĩnh gần trùng với cực đại của phổ năng lượng gió giật, bên phải – vùng tần số cao hay cộng hưởng trùng với tần số dao động riêng của công trình ω0
Tỷ lệ chuyển vị của công trình gây ra bởi thành phần chuẩn tĩnh và cộng hưởng phụ thuộc vào chu kỳ dao động riêng được biểu diễn trên hình 2
Trong các tiêu chuẩn quy định hiện nay khi tính toán tác động của gió với công trình, chúng ta thường sử dụng phương pháp tính tổng tác động của gió (tác động chuẩn tĩnh và cộng hưởng) Giá trị tiêu chuẩn thành phần động của áp lực gió đối với công trình hoặc bộ phận kết cấu mà sơ đồ tính toán có dạng một bậc tự do có dạng [2]:
W = Wp m⋅ ⋅ ⋅ ξ ς ν
Trong đó: Wm – giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của áp lực gió ở độ cao tính toán;
ξ – hệ số động lực; υ – hệ số tương quan không gian áp lực động của tải trọng gió,
ς – hệ số áp lực động của tải trọng, xác định theo công thức của Davenport [2]:
= 2 c t
Trong đó: αc – hệ số an toàn xét đến ảnh hưởng của hình dạng kết cấu; γt – cường
độ rối được xác định bởi phương trình:
=
10
t vl z α
γ σ
−
⋅
Trong đó: α – số mũ phụ thuộc vào sự thay đổi vận tốc gió theo chiều cao và dạng
Trang 238 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG
KHOA H“C & C«NG NGHª
địa hình (A,B,C); z – độ cao tính toán; σvl – mạch xung động
tiêu chuẩn của vận tốc gió xác định bởi công thức:
( ) 1/2
0
=
vl Svl d
σ ∞ ω ω
Trong đó: Svl(ω) – Mật độ phổ tương hỗ của xung dọc vận
tốc gió; ω – tần số (rad/s)
Hiện tại, theo tiêu chuẩn xây dựng sử dụng công thức
thực nghiệm mật độ phổ tương hỗ của xung dọc vận tốc
Davenport, thu được trên cơ sở phân tích phổ khi có gió
mạnh có dạng như sau [6]:
( ) 0 02 2
4/3 2
2
=
1
S
u
k
ω
ω +
Trong đó: V0 – tốc độ gió trung bình ở độ cao tiêu chuẩn
10m; k0 - hệ số cản của bề mặt (k0 được lấy giá trị 0,005 với
địa hình trống trải; 0,01 với địa hình nhiều cây cối và ngoại
ô; 0,04 với khu vực thành phố); u – đại lượng được tính bởi
công thức:
L
u
V
ω
=
Trong đó: L = 1200 m – quy mô chiều dài vùng gió; V–
tốc độ gió trung bình ở độ cao đang xét
Thay các công thức từ (3) – (6) vào công thức (2), hệ số
áp lực động của gió được xác định bởi công thức:
1/2 2
2
0 0
4/3 2 0
2
= 2
10 1
−
∞
+
∫
c
L
L V
α
ω
ω ω
(7) Biểu thức này cho tổng giá trị hệ số áp lực động ζ trên
toàn bộ phổ biến động hỗn loạn của tốc độ gió Theo đó,
xác định được tất cả ứng xử của kết cấu trong trường hợp
gió giật (chuyển vị, nội lực, ứng suất, ) trên cơ sở hệ số áp
lực động ζ - cũng là giá trị tổng hệ số áp lực động diễn ra
trong toàn bộ dải tần số của gió Phương pháp này thường
áp dụng cho các tòa nhà Tuy nhiên, đối với các công trình
thép có độ cao lớn, cần phải xác định phản ứng động học
của công trình dưới tác dụng của gió giật theo hai giải tần số
chuẩn tĩnh và cộng hưởng như: khi tính toán các công trình theo cường độ mỏi và tuổi thọ, khi tính toán các công trình có kết cấu chịu lực gắn ăng ten định hướng theo trạng thái giới hạn thứ hai, và khi tính toán dao động của giảm chấn được lắp đặt trên công trình [3],
Trong những trường hợp này cần phải sử dụng giá trị hệ
số áp lực động ζ được xác định riêng cho các thành phần chuẩn tĩnh ζct và cộng hưởng ζch của phổ biến động hỗn loạn
áp lực gió Do vậy, đề xuất phân chia tần số khoảng từ 0 đến
∞ vào thành hai vùng: chuẩn tĩnh (0 – 0,5ω0) và cộng hưởng (0,5 ω0 – ∞) Lấy tích phân công thức (7) với hai vùng này,
ta có:
1/2
1
= 6 3 1
10 1
ct
o
z k
L V
α
ζ
ω
−
+
1/2
1
= 6 3
10 1
ch
o
z k
L V
α
ζ
ω
−
+
Trong đó: ω0 - tần số dao động riêng của kết cấu Khi đó, các thành phần động của áp lực gió không xác định theo công thức (1), mà theo biểu thức sau [4]:
Wp = Wpct + Wpch
Wpct = kctWm ct ct ctξ ζ ν
Wpch = kchWm ch ch chξ ζ ν
Trong công thức (11) hệ số động lực chuẩn tĩnh ξct bằng
1, hệ số động lực cộng hưởng ξch trong công thức (12) được tính theo công thức sau [5]:
*
ch C
π ξ δ
=
Trong đó δ là sự suy giảm dao động của kết cấu, C* là
hệ số phụ thuộc vào sự suy giảm của dao động được dẫn trong bảng 1 [5]
Hình 1 Phổ năng lượng phản ứng
động học của công trình phụ thuộc
vào tần số
Hình 2 Tỷ lệ chuyển vị công trình do thành phần chuẩn tĩnh và thành phần cộng hưởng gây ra phụ thuộc vào chu kỳ dao động riêng của công trình
Trang 3S¬ 28 - 2017
Hệ số tương quan υct = 1 trong (11), và υch trong (12)
được xác định theo biểu đồ trong hình 3 [4]
Trong đó h – chiều cao của công trình; c – đặc trưng kích
thước tiết diện ngang; Vh– tốc độ gió trung bình ở độ cao h
Trong hình 2 các đường cong đánh số 0,5; 1; 2; 3 đặc trưng
cho tỷ lệ h/c
Công thức (11) và (12) khác với công thức (1) chỉ bởi một
yếu tố: hệ số chuẩn tĩnh kct trong (11) và hệ số cộng hưởng
kch trong (12) Các hệ số này đặc trưng cho tỷ lệ tham gia
của mỗi thành phần (chuẩn tĩnh và cộng hưởng) trong giá trị
ứng xử động học của công trình khi gió giật Tỷ lệ tham gia
này cũng được biểu thị trên hình 4, trong đó các giá trị kct và
kch được biểu diễn phụ thuộc vào chu kỳ dao động của công
trình [3]
Thay các đại lượng trên vào công thức (11) và (12) ta có:
Wpct = kctW 1m⋅ ⋅ ζct⋅ = 1 kctWm ctζ
*
0,1 8,1
pch ch m ch ch
ch m ch ch ch m ch ch
k
C
π ζ ν δ
=
Qua các phân tích trên thấy rằng việc xác định ứng xử
của các công trình với gió giật theo các dải tần số chuẩn tĩnh
và tần số cộng hưởng cho kết cấu cao và mảnh cho phép:
- Tính toán chính xác hơn áp lực gió động tác dụng lên
công trình so với phương pháp hiện hành
- Có được giá trị biên độ dao động tính toán chính xác
hơn, vì các công trình có giảm chấn thấp có quá trình chuyển
vị liên tục
- Thiết kế và lắp đặt bộ giảm chấn phù hợp để giảm biên
độ dao động (giảm biên độ dao động của công trình trong dải tần số cộng hưởng)./
Bảng 1: Giá trị của hệ số C* phụ thuộc vào độ giảm loga dao động δ
Hình 4 Tỷ lệ thành phần hệ số chuẩn tĩnh và cộng hưởng phụ thuộc vào chu kỳ dao động riêng
Hình 3 Biểu đồ xác định hệ số tương
quan trong phạm vi cộng hưởng của
tần số tùy thuộc vào giá trị của h/c
và h / V ω0 h
h / V ω
2
ch
ν
Tài liệu tham khảo
1 Phạm Văn Hội, Nguyễn Quang Viên, Phạm Văn Tư, Đoàn Ngọc Tranh, Hoàng Văn Quang, Kết cấu thép (Công trình dân dụng và công nghiệp), Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 232-233, 1998.
2 TCXD 229-1999: Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió.
3 Остроумов Б В., Исследования, разработка и внедрение высотных сооружений с гасителями колебаний, Дис доктора техн наук, Москва, 317-324, 2003
4 Остроумов Б.В., Гусев М.А., Бредов, Методика расчета высоких гибких сооружений с низким демпфированием
на пульсационную составляющую ветровой нагрузк, Промышленное и гражданское строительство № 5, ЦНИИПСК им Мельникова, 9-11, 2008.
5 Никитин П.В Расчет высотных сооружений на воздействие порывов ветра Промышленное и гражданское строительство, № 6, ЦНИИПСК им Мельникова, 21-22, 2006.
6 Davenport A C, The Spectrum of Horizontal Gustiness Near the Ground in High Winds, J Royal Meteorol, Soc 87, 1961.