Nghiên cứu ứng dụng thiết bị giảm chấn cột chất lỏng điều chỉnh cho tháp cầu dây văng

TLCD có lợi thế nhất định so với các loại thiết bị giảm chấn khác, chẳng hạn như dễ dàng điều chỉnh tần số, xử lý dễ dàng, chi phí thấp, hình dạng tùy ý và dễ dàng chế tạo để thích ứng v

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

VŨ QUANG DŨNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THIẾT BỊ

GIẢM CHẤN CỘT CHẤT LỎNG ĐIỀU CHỈNH

CHO THÁP CẦU DÂY VĂNG

CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG CẦU HẦM

MÃ SỐ : 60.58.25

luËn v¨n th¹c sü kü thuËt

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS PHẠM DUY HÒA

HÀ NỘI 2012

Trang 2

- 1 -

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 4

LỜI CÁM ƠN 8

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÁC ĐỘNG CỦA GIÓ ĐỐI VỚI CÔNG TRÌNH CẦU DÂY VĂNG 13

1.1 Đặc điểm của gió tự nhiên 13

1.1.1 Giới thiệu chung .13

1.1.2 Vận tốc gió cơ bản .14

1.1.2.1 Phương pháp tính vận tốc gió sử dụng hàm logarit .14

1.1.2.2 Phương pháp phân tích vận tốc gió theo công thức kinh nghiệm 16

1.1.3 Thành phần nhiễu loạn của gió .18

1.1.3.1 Độ lệch chuẩn 19

1.1.3.2 Thước đo cường độ nhiễu loạn .21

1.1.3.3 Hàm mật độ phổ năng lượng 22

1.1.3.4 Hàm số tương quan không gian .23

1.1.3.5 Phân vùng gió ở Việt Nam 24

1.2 Tác động của gió đối với công trình cầu dây văng .26

1.2.1 Giới thiệu chung .26

1.2.3 Thành phần tĩnh của tải trọng gió .27

1.2.3.1 Các thành phần lực khí động giả tĩnh trên dầm chủ .27

1.2.3.2 Các thành phần lực khí động giả tĩnh tác dụng lên tháp và dây văng 29

1.2.4 Đặc điểm dòng khí đi qua công trình .31

1.2.4.1 Lớp biên và sự tách dòng .31

1.2.4.2 Dạng tách dòng và xoáy khí sau công trình .32

Trang 3

CHƯƠNG 2: CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH KHÍ ĐỘNG CỦA THÁP CẦU

DÂY VĂNG 36

2.1 Biện pháp cải tiến mặt cắt kết cấu .36

2.2 Biện pháp thêm vào các lỗ thoát gió .39

2.3 Các nguồn kháng chấn .40

2.4 Các nguồn kháng chấn bổ trợ .40

2.5 Giảm chấn thụ động (với phân tán năng lượng gián tiếp) 42

2.5.1 Giảm chấn khối lượng điều chỉnh (TMDs) .42

2.5.2 Các ứng dụng của bộ giảm chấn khối lượng điều chỉnh .43

2.5.3 Giảm chấn chất lỏng điều chỉnh (TLDs) .47

2.5.4 Các ứng dụng của bộ giảm chấn chất lỏng điều chỉnh .49

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ GIẢM CHẤN CỘT CHẤT LỎNG ĐIỀU CHỈNH TLCD 53

3.1 Mô hình tính toán của TLCD .53

3.2 Tuyến tính hóa tương đương .54

3.2.1 Tuyến tính hóa hàm điều hòa 54

3.2.2 Tuyến tính hóa thuộc thống kê .55

3.2.3 Độ chính xác của tuyến tính hóa tương đương 57

3.3 Thông số giảm chấn tối ưu .59

3.3.1 Kích động ngẫu nhiên ồn trắng 61

3.3.2 Bộ lọc bậc nhất (FOF) .64

3.3.3 Bộ lọc bậc hai (SOF) .66

3.3.4 Thí dụ .68

CHƯƠNG 4 : HIỆU QUẢ CỦA THIẾT BỊ GIẢM CHẤN CỘT CHẤT LỎNG ĐIỀU CHỈNH TLCD TRONG VIỆC GIẢM DAO ĐỘNG THÁP CẦU DÂY VĂNG 70

4.1 Phương trình và các tham số dao động của tháp .70

4.2 Phương trình dao động của mô hình tháp khi có TLCD và không có TLCD 72

Trang 4

- 3 -

4.2.1 Trường hợp dao động tự do (Fe(t) = 0) .72

4.2.2 Trường hợp hệ chịu kích động điều hòa .73

4.2.3 Trường hợp hệ chịu kích động ngẫu nhiên ồn trắng 74

4.3 Kết luận chương 4 .108

KẾT LUẬN 110

TÀI LIỆU THAM KHẢO 111

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Phân loại địa hình và các hệ số κ, z 0 (m) 15

Bảng 1.2 Phân loại độ nhám bề mặt theo tiêu chuẩn 2737-1995 16

Bảng 1.3 Hệ số điều chỉnh vận tốc gió thiết kế 18

Bảng 1.4 Cường độ nhiễu loạn với các độ cao thay đổi (z 0 = 0.04m) 20

Bảng 1.5 Thước đo cường độ nhiễu loạn của thành phần nhiễu loạn theo hướng gió I u 21

Bảng 1.6 Phân vùng áp lực gió ở Việt Nam 24

Bảng 1.7 Phân loại ảnh hưởng của các hiện tượng khí động tới kết cấu 27

Bảng 1.8 Phân loại hệ số C D theo mặt cắt 30

Bảng 2.1: Thiết bị giảm bổ trợ và số lượng lắp đặt ở Nhật Bản, bao gồm các tòa nhà dự kiến sẽ xây dựng sau năm 1997 .42

Bảng 2.2 Cơ cấu đỡ khối lượng và giảm chấn cho TMDs ở Nhật Bản 43

Bảng 2.3 Các cấu hình khác của TMDs hiện nay đang áp dụng 45

Bảng 2.4 Các ứng dụng giảm chấn chất lỏng khác ở Nhật Bản .52

Bảng 3.1 Các hàm số lực mẫu 60

Bảng 3.2 Sự so sánh các thông số tối ưu cho TMD và TLCD 63

Bảng 3.3 Các thông số tối ưu cho kích động ngẫu nhiên ồn trắng ứng với các tỷ lệ khối lượng khác nhau .64

Bảng 3.4 Các thông số tối ưu cho FOF ứng với các thông số khác nhau v 1 65

Trang 5

Bảng 3.5 Các thông số giảm chấn tối ưu cho FOF ứng với tỷ số khối lượng thay

đổi 65

Bảng 3.6 Các thông số giảm chấn tối ưu cho SOF tương ứng các giá trị khác nhau của b 1 67

Bảng 3.7 Các thông số giảm chấn tối ưu cho SOF ứng các tỷ số khối lượng thay đổi 68

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Quan hệ giữa vận tốc gió theo hướng gió với chiều cao 13

Hình 1.2: So sánh giữa phương pháp logarit (z 0 = 0.02m) và phương pháp kinh nghiệm (α = 0.128) xác định vận tốc cơ bản 17

Hình 1.3: Bản đồ phân vùng áp lực gió 25

Hình 1.4: Thành phần động của tải trọng gió tác dụng lên dầm chủ 28

Hình 1.5: Sự biến thiên vận tốc ở lớp biên 31

Hình 1.6: Hệ số Raynolds phụ thuộc vào hệ số C D đối với mặt cắt trụ hình tròn .33

Hình 1.7: Sự phân bố ứng suất trên mặt cắt trụ với các hệ số ℜe khác nhau 33

Hình 1.8: Các dạng hình thành xoáy khí .34

Hình 1.9: Số Strouhal cho một số mặt cắt điển hình .34

Hình 1.10: Quan hệ số Strouhal so với số Raynolds với mặt cắt trụ tròn 35

Hình 2.1: Các dạng mặt cắt thoát gió tốt 36

Hình 2.2: (a) Tòa nhà MHI Yokohama, (b) Hiệu quả của thay đổi hình dạng mặt cắt dọc theo trục thẳng đứng 37

Hình 2.3: (a) Tòa nhà Jin Mao, (b) Tháp đôi Petronas 38

Hình 2.4: Trung tâm tài chính thế giới Thượng Hải 39

Hình 2.5: Sơ đồ của các thiết bị kháng chấn bổ trợ khác nhau sử dụng hiệu ứng quán tính 41

Trang 6

- 5 -

Hình 2.6: (a) Tháp điều khiển sân bay quốc gia Washington; (b) Tháp

Boston’s Hancock 44

Hình 2.7: (a) Tháp Sydney,(b) Citicorp Center 46

Hình 2.8: Sơ đồ của gia đình TLD 45

Hình 2.9: Khách sạn Hoàng Tử Shin Yokohama và các đơn vị TSD lắp đặt 50 Hình 2.10: Khách sạn Cosima và mặt cắt ngang LCD-PA 52

Hình 3.1: Mô hình hệ thống kết cấu - TLCD 53

Hình 3.2 Các kết quả phi tuyến và tuyến tính hóa tương đương 58

Hình 3.3 Lịch sử thời gian ứng với ξ = 75 59

Hình 4.1 : Mô hình gió tĩnh tác động trên cầu Bãi Cháy 78

Hình 4.2: Biều đồ mối quan hệ giữa ∆ - ξf (với µ = 3%; α = 0.7) 80

Hình 4.3: Biều đồ mối quan hệ giữa ∆ - ξf (với µ = 4%,; α = 0.7) 81

Hình 4.14: Biều đồ mối quan hệ giữa ∆ - µ (với η = 0.9; α = 0.7) 86

Hình 4.15: Biều đồ mối quan hệ giữa ∆ - µ (với η = 1; α = 0.7) 87

Hình 4.18: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – µ (với η = 0.85; α = 0.8) 88

Trang 7

Hình 4.20: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – µ (với η = 1; α = 0.8) 89

Hình 4.25: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – µ (với η = 1; α = 0.9) 92

Hình 4.28: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – η (với α = 0.7; ξf = 2%) 93

Hình 4.35: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – η (với α = 0.8; ξf = 6%)……….97

Hình 4.37: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – α (với η = 0.85; ξf = 2%) 98

Hình 4.40: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – α (với η = 1; ξf = 2%) 99

Trang 8

- 7 -

Trang 9

Vũ Quang Dũng

Trang 10

- 9 -

MỞ ĐẦU

Thiết bị giảm chấn cột chất lỏng điều chỉnh (TLCD) lần đầu tiên được đề xuất bởi Sakai vào năm 1989 và được áp dụng chủ yếu cho nhà cao tầng hoặc các kết cấu thanh mảnh để làm giảm chuyển động ngang Thiết bị giảm chấn cột chất lỏng điều chỉnh là một loại thiết bị kiểm soát rung động dựa trên chuyển động của một khối chất lỏng trong một thùng chứa để chống lại các lực tác dụng bên ngoài làm tiêu tan năng lượng TLCD có lợi thế nhất định so với các loại thiết bị giảm chấn khác, chẳng hạn như dễ dàng điều chỉnh tần số, xử lý dễ dàng, chi phí thấp, hình dạng tùy ý và dễ dàng chế tạo

để thích ứng với các kết cấu khác nhau, … Vì vậy nó là một thiết bị thích hợp hơn để

kiểm soát rung động của các kết cấu lớn

Phương trình tương tác giữa kết cấu - TLCD có nguồn gốc từ việc nghiên cứu kết cấu và sự tương tác cản Hệ thống kết hợp của kết cấu - TLCD là phi tuyến do đặc trưng cản phi tuyến của thiết bị giảm chấn cột chất lỏng điều chỉnh Sự tương tác TLCD với kết cấu dưới sự kích thích điều hòa về mặt lý thuyết được nghiên cứu trong phạm vi tần số và miền thời gian Phương pháp tuyến tính hóa tương đương được sử dụng để phân tích hệ thống trong miền tần số Các phản ứng theo thời gian của hệ thống thu được thông qua giải pháp số dựa vào phương pháp Runge-Kutta-Fehlberg Sau đó, qua thí nghiệm dao động tự do và cưỡng bức, được thực hiện đối với kết cấu khác nhau và các thông số TLCD Mô phỏng số dựa trên mô hình thí nghiệm cũng

được thực hiện Sự ảnh hưởng của các thông số TLCD đối với hiệu quả điều chỉnh được nghiên cứu So sánh được thực hiện giữa các kết quả thí nghiệm và mô phỏng lý

thuyết Các thí nghiệm cho kết quả kiểm tra tốt để phát triển mô hình lý thuyết Có thể kết luận rằng TLCD có thể làm giảm chuyển động có hại cho kết cấu tháp cầu dây văng

Trang 11

Hầu hết các tài liệu về TLCD nhấn mạnh việc nghiên cứu hiệu quả của thiết bị TLCD trên các ứng dụng khác nhau Một số tài liệu thảo luận việc xác định các thông

số tối ưu như tỷ lệ điều chỉnh tần số tối ưu và hệ số tổn thất cột áp tối ưu Trong luận văn này, tác giả chủ yếu nghiên cứu về hiệu quả của thiết bị TLCD đối với việc giảm dao động của tháp cầu dây văng thông qua xác tỷ số chuyển vị của tháp cầu khi lắp TLCD và không lắp TLCD

Luận văn gồm có những nội dung chính sau

Tên đề tài luận văn:

Nghiên cứu ứng dụng thiết bị giảm chấn cột chất lỏng điều chỉnh cho tháp cầu dây văng

Lý do chọn đề tài:

- Thiết bị giảm chấn cột chất lỏng điều chỉnh (TLCD) là một loại thiết bị kiểm soát rung động dựa trên chuyển động của một khối chất lỏng trong một thùng chứa để chống lại các lực tác dụng bên ngoài làm tiêu tan năng lượng TLCD có lợi thế nhất

định so với các loại thiết bị giảm chấn khác, chẳng hạn như dễ dàng điều chỉnh tần số,

xử lý dễ dàng, chi phí thấp, hình dạng tùy ý và dễ dàng chế tạo để thích ứng với các kết cấu khác nhau, … Vì vậy nó là một thiết bị thích hợp hơn để kiểm soát rung động của các kết cấu lớn

Mục đích nghiên cứu:

- Phân tích ảnh hưởng của các thông số của thiết bị giảm chấn cột chất lỏng điều chỉnh đối với việc giảm dao động của tháp cầu dây văng

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số của thiết bị giảm chấn cột chất lỏng

điều chỉnh đối với việc giảm dao động của tháp cầu dây văng;

- Nghiên cứu mối tương quan giữa chuyển vị của tháp khi lắp TLCD và chuyển vị của tháp khi không lắp TLCD;

Trang 12

- 11 -

Phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với các tính toán cụ thể

Cơ sở khoa học và thực tiễn:

- Dựa vào phương trình tương tác giữa kết cấu - TLCD có nguồn gốc từ việc nghiên cứu kết cấu và sự tương tác cản Hệ thống kết hợp của kết cấu - TLCD là phi tuyến do đặc trưng cản phi tuyến của thiết bị giảm chấn cột chất lỏng điều chỉnh Sự tương tác TLCD với kết cấu dưới sự kích thích điều hòa về mặt lý thuyết được nghiên cứu trong phạm vi tần số và miền thời gian Phương pháp tuyến tính hóa tương đương

được sử dụng để phân tích hệ thống trong miền tần số

Kết quả đạt được:

- Ảnh hưởng của tỷ số tần số dao động riêng giữa tần số dao động riêng của TLCD và tần số dao động riêng của tháp ( η = ωf/ωS ), tỷ số chiều dài giữa chiều dài theo phương ngang của cột chất lỏng và chiều dài toàn bộ cột chất lỏng ( α = b/l ) và tỷ

số khối lượng giữa khối lượng TLCD và khối lượng tháp ( µ = m f /M S ) đối với tỷ số chuyển vị hiệu dụng giữa chuyển vị hiệu dụng của tháp khi có lắp TLCD và chuyển vị hiệu dụng của tháp khi không lắp TLCD ( ∆ ) Ta thấy rằng khi tỷ số khối lượng µ tăng thì hiệu quả giảm chấn sẽ tăng lên Nhưng tỷ số khối lượng µ cũng chỉ tăng tới một giá trị nhất định vì nếu tỷ số khối lượng µ lớn thì kích thước TLCD sẽ lớn, do đó sẽ không thể bố trí TLCD được do kích thước tháp cầu dây văng là cố định Trong đề tài này, mục đích của tôi là phân tích hiệu quả của các tỷ số khối lượng µ, tỷ số chiều dài α và

tỷ số tần số dao động riêng η đối với việc giảm dao động cho tháp cầu dây văng nên cũng không đi theo hướng xác định tỷ số khối lượng µ tối đa

- Ngoài ra, ta cũng nhận thấy rằng tỷ số chiều dài α cũng ảnh hưởng nhiều đến việc giảm dao động cho tháp cầu dây văng Tỷ số chiều dài α cũng tăng đến một giá trị giới hạn nào đó, vì nếu tỷ số chiều dài α lớn quá thì kích thước b và l của TLCD cũng

tăng lên, do đó việc bố trí TLCD trên tháp cầu trở lên phức tạp và tăng chi phí

Trang 13

- Tỷ số tần số dao động riêng η hiệu quả nhất trong khoảng 0.95 – 1.05

- Từ các kết quả tính toán trên cho thấy yếu tố phi tuyến của hệ khá nhỏ (tỷ số cản của TLCD ξf < 6%) đã làm thay đổi rất lớn hiệu quả giảm chấn Do đó việc áp dụng phương pháp tuyến tính hóa Caughey trong bài toán này là đáng tin cậy

- Ảnh hưởng của độ mở van thông ( hay hệ số tổn thất cột áp ξ ) đối với hiệu quả giảm chấn cho tháp cầu dây văng là rất nhạy Do đó, chỉ cần điều chỉnh độ mở van thông một rải rất hẹp cũng có thể điều chỉnh được dao động của tháp cầu dây văng

Luận văn gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về tác động của gió đối với công trình cầu dây văng

Chương 2: Các biện pháp nâng cao ổn định khí động của tháp cầu dây văng Chương 3: Phân tích dao động của thiết bị giảm chấn cột chất lỏng điều chỉnh TLCD

Chương 4: Hiệu quả của thiết bị giảm chấn cột chất lỏng điều chỉnh TLCD trong việc giảm dao động tháp cầu dây văng

Trang 14

- 13 -

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÁC ĐỘNG CỦA GIĨ ĐỐI VỚI CƠNG TRÌNH CẦU DÂY VĂNG

1.1 Đặc điểm của giĩ tự nhiên

1.1.1 Giới thiệu chung

Đặc điểm của giĩ tự nhiên là tính nhiễu loạn Nguyên nhân cơ bản của sự nhiễu

loạn là do ma sát của luồng khơng khí khi đi qua các bề mặt Dịng khơng khí nhiễu loạn thay đổi một cách phức tạp và ngẫu nhiên trong khơng gian và theo thời gian, vì thế thường được biểu diễn dưới dạng tổng của vận tốc cơ bản và vận tốc biến đổi thể hiện thành phần nhiễu loạn của luồng khơng khí Theo định nghĩa, sau một thời gian đủ dài (thơng thường là 10s), thành phần biến đổi cĩ giá trị bằng khơng

x

z

U(z) : Vận tốc gió

cơ bảnu(x,y,z) :

Hướng gió

Thành phần nhiễu loạn theo hướng gió

U(z) + u(x,y,z)

Hình 1.1: Quan hệ giữa vận tốc giĩ theo hướng giĩ với chiều cao

(đường nét liền là vận tốc giĩ tức thời, đường nét đứt là vận tốc giĩ cơ bản) Trong hệ tọa độ Descartes với trục x theo hướng giĩ, trục y nằm ngang và trục z hướng lên trên, vận tốc giĩ tại độ cao z ở thời điểm t được biểu diễn như sau:

- Theo hướng giĩ: U(z) + u(x,y,z,t)

- Theo phương vuơng gĩc hướng giĩ: v(x,y,z,t)

- Theo phương thẳng đứng: w(x,y,z,t)

Trang 15

Trong đó thành phần vận tốc gió cơ bản U(z) chỉ phụ thuộc vào độ cao z, các thành phần u, v và w biểu diễn các thành phần biến đổi của luồng gió Vận tốc cơ bản U(z) và thành phần biến đổi theo hướng gió luôn được quan tâm đặc biệt chúng có tác

động chủ yếu đến công trình

1.1.2 Vận tốc gió cơ bản

Có một số phương pháp xác định vận tốc gió cơ bản, trong đó được sử dụng tương đối phổ biến là phương pháp tính vận tốc sử dụng hàm logarit và phương pháp theo kinh nghiệm

1.1.2.1 Phương pháp tính vận tốc gió sử dụng hàm logarit

Theo phương pháp này, vận tốc gió được xác định từ đặc trưng của bản thân dòng khí, đặc trưng địa hình và sự tương tác giữa dòng khí và địa hình mà nó đi qua Ở gần

bề mặt địa hình, sự biến thiên của vận tốc theo chiều cao dU(z)/dz chỉ phụ thuộc vào

τ0, ρ và chiều cao z so với bề mặt địa hình Nếu ở phía thượng lưu dòng không khí là

bề mặt kéo dài, vận tốc gió cơ bản được tính theo công thức sau:

0

* 1ln)

(

z

z u

z U

U là vận tốc gió cơ bản ứng với độ cao 10m

ma sát giữa dòng khí và bề mặt địa hình Giá trị của z0 phụ thuộc vào độ nhám bề mặt

Trang 16

15

-địa hình được tạo nên bởi các vật thể gọi là vật nhám có trên đó Các vật này tạo nên

lực ma sát ngăn cản sự dịch chuyển của luồng khí và do đó làm tăng sự nhiễu loạn của luồng khí Những vật thể có hình dạng thoát gió và bề mặt tương đối ít nhám như một quả đồi đều đặn, dài không được coi là vật nhám Nếu một số vật nhám phân bố đều

đặn trên địa hình, độ cao nhám của bề mặt có thể xác định theo công thức kinh nghiệm

Trong đó h là độ cao vật nhám, Ar là diện tích tích chắn gió và At là diện tích trên mặt bằng của vật nhám Nếu diện tích chắn gió và diện tích trên mặt bằng của vật nhám tương đương nhau về độ lớn, dòng khí sẽ chuyển lên đỉnh của vật nhám tạo nên một bề mặt mới Về mặt toán học, sự thay đổi của cao độ cơ sở được biểu diễn trong công thức xác định vận tốc như sau:

0

* 1ln)

(

z

z u

z U

κ

Tiêu chuẩn châu âu EuroCode1 sử dụng phương pháp tính vận tốc gió cơ bản bằng hàm logarit đối với chiều cao tới 200m đã chia bề mặt địa hình thành 4 loại cơ bản và xác định các trị số κ, z0 như trong bảng dưới đây:

Bảng 1.1 Phân loại địa hình và các hệ số κκκκ, z 0 (m)

I Trên mặt biển, bờ biển, hồ có ít nhất 5km bằng phẳng

trước gió, vùng nông thôn không có chướng ngại vật

0.17 0.01

II Vùng trang trại có bờ rào, có các công trình nông

nghiệp nhỏ, nhà cửa, cây cối

0.19 0.05

III Vùng ngoại ô, khu công nghiệp và vùng rừng lâu năm 0.22 0.3

IV Vùng đô thị có ít nhất 15% diện tích bề mặt bao phủ

bởi nhà cửa có độ cao lớn hơn 15m

Trang 17

1.1.2.2 Phương pháp phân tích vận tốc gió theo công thức kinh nghiệm

Để tiện sử dụng, một số tiêu chuẩn về gió sử dụng công thức kinh nghiệm sau để

z

z U z

Tiêu chuẩn 2737-1995 Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết phân loại độ nhám

bề mặt và cho trị số độ nhám α như bảng dưới đây:

Bảng 1.2 Phân loại độ nhám bề mặt theo tiêu chuẩn 2737-1995

Phân loại

độ nhám

bề mặt

cây cối và khối kiến trúc thấp tầng thưa thớt

0.16

III Khu vực có cây cối và khối kiến trúc thấp tầng dày đặc Khu

vực có khối kiến trúc tầng trung và tầng cao thưa thớt Khu vực đồi núi thoải

0.22

IV Khu vực có khối kiến trúc tầng trung và tầng cao dày đặc

Khu vực đồi núi chia cắt mạnh

0.30

Trang 18

- Khi trong phạm vi xét tồn tại hai loại hình có mức độ nhám chênh nhau tương

đối lớn, theo tỷ lệ diện tích lấy trị số bình quân của chúng ;

- Khi trong phạm vi xét tồn tại hai loại hình có mức độ nhám gần kề nhau, lấy trị

số của loại nhỏ hơn ;

- Khi phía thượng, hạ lưu cầu tồn hai loại độ nhám khác nhau, lấy trị số bên phía tương đối nhỏ hơn ;

- Khi chiều rồng sông cần vượt nhỏ (ví dụ loại nhỏ hơn 100m), phải lấy trị số thấp hơn một mức độ nhám đã xác định và theo mặt đất không gồm chiều rộng sông

- Khi cầu vượt qua eo biển hoặc eo núi tương đối chật hẹp, có khả năng xuất hiện hiện tượng thu hẹp hoặc địa hình nơi đó tương đối đặc biệt, có thể thông qua thí nghiệm hầm gió của địa hình mô phỏng, quan trắc tốc độ gió thực địa hoặc chiểu theo tài liệu tốc độ gió có liên quan để xác định tốc độ gió tiêu chuẩn thiết

kế

Khi thiết kế công trình, vận tốc gió thiết kế Ud tính theo công thức sau:

Trang 19

kxU

Trong đó k là hệ số không thứ nguyên tính đến sự thay đổi vận tốcgió theo điều kiện địa hình và độ cao, hệ số k lấy theo bảng 1.3

1.1.3 Thành phần nhiễu loạn của gió

Như đã trình bày ở trên, gió trong lớp biên khí quyển luôn có sự nhiễu loạn, điều

đó có nghĩa là dòng khí là dòng rối với chu kì ngẫu nhiên biến đổi từ nhỏ hơn 1 giây

cho đến hàng phút Vì thế không có cách nào khác là phải sử dụng các lý thuyết về xác suất để xác định đặc tính ngẫu nhiên của thành phần nhiễu loạn của dòng khí Mức độ nhiễu loạn của gió mà đặc trưng là sự phân bố tần số và tương quan khônggian được biểu diễn thông qua các thông số: độ lệch chuẩn, thước đo cường độ nhiễu loạn, mật độ phổ năng lượng và hàm số tương quan không gian

Bảng 1.3 Hệ số điều chỉnh vận tốc gió thiết kế

Phân loại độ nhám mặt đất Cao độ (m)

1.00 1.00 1.04 1.09 1.14 1.18 1.21 1.24 1.26 1.28 1.31

0.83 0.83 0.83 0.85 0.90 0.94 0.98 1.01 1.04 1.07 1.11

0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.77 0.80 0.83 0.86 0.90

Trang 20

1.35 1.38 1.41 1.43 1.46 1.48 1.50 1.52 1.53 1.55 1.57 1.58 1.60 1.61

1.15 1.18 1.22 1.25 1.27 1.30 1.32 1.35 1.37 1.39 1.41 1.43 1.44 1.46

0.94 0.98 1.02 1.06 1.09 1.12 1.14 1.17 1.20 1.22 1.24 1.26 1.29 1.31

1.1.3.1 Độ lệch chuẩn

Trên địa hình bằng phẳng, dòng khí được giả thiết là đồng nhất theo phương ngang, vì thế các đặc tính xác suất được coi là không đổi theo phương ngang Độ lệch chuẩn σu, σv và σw của các thành phần nhiễu loạn chỉ phụ thuộc vào độ cao z so với mặt đất Kết quả một số nghiên cứu thực nghiệm của Davenport (1967), Haris (1970), Armitt (1976) cho thấy các trị số độ lệch chuẩn nói trên thường giảm rất chậm theo chiều cao đến độ cao bằng độ cao công trình Theo Armitt (1976), trị số độ lệch chuẩn gần như không đổi đến 1/2 chiều cao của lớp biên khí quyển bên trong Ở độ cao 100-200m so với bề mặt nằm ngang giả định, giá trị gần đúng của độ lệch chuẩn của các

Trang 21

thành phần nhiễu loạn u theo hướng gió, v theo phương vương góc với hướng gió và w theo phương đứng là:

σu = Au* ; σv≈ 0.75σu ; σw≈ 0.50σu

( 1.9) Trong đó hằng số A ≈ 2.5 nếu z0 = 0.05m và A ≈ 1.8 nếu z0 = 0.3m

Cường độ nhiễu loạn Iu(z) của thành phần nhiễu loạn u theo hướng gió tại độ cao

z được định nghĩa là:

)(

)()(

z U

z z

1)

(

z z z

Trong đó z0 là độ cao nhám và giá trị σu/u* được lấy bằng 2.5

Ở trên độ cao từ 100-200m so với mặt đất, có thể coi các thành phần nhiễu loạn

có phân bố chuẩn với giá trị bằng không và độ lệch chuẩn tính theo công thức (1.9)

Trang 22

- 21 -

1.1.3.2 Thước đo cường độ nhiễu loạn

Thước đo cường độ nhiễu loạn dùng để đo kích thước xoáy của luồng gió hoặc nói theo cách khác là độn lớn trung bình của từng cơn theo hướng gió cho trước Thước đo cường độ nhiễu loạn theo hướng i(i=x,y,z) của các thành phần nhiễu loạn j(j=u,v,w) được tính theo công thức:

i i j i

Trong đó ρj(z, ri) là hàm tương quan không gian của nhiễu loạn u giữa hai điểm i

và i+ri đo tại cùng một thời điểm Như vậy, theo các hướng x, y, z sẽ có 9 thước đo cường độ nhiễu loạn của 3 thành phần nhiễu loạn u,v và w Thước đo cường độ nhiễu loạn phụ thuộc vào độ cao z, vận tốc gió và độ nhám của bề mặt địa hình mà đại diễn là

Bảng 1.5 Thước đo cường độ nhiễu loạn của thành phần nhiễu loạn theo hướng gió I u

Phân loại độ nhám bề mặt Cao độ (m)

0.17 0.16 0.15 0.15 0.14 0.13 0.12 0.12

0.25 0.23 0.21 0.20 0.18 0.17 0.16 0.15

0.29 0.29 0.28 0.26 0.24 0.22 0.19 0.18 Thước đo cường độ nhiễu loạn ở độ cao z từ 10-240m có thể tính theo công thức kinh nghiệm do Counihan (1975) đề xuất:

Trang 23

m x

x u y

L r y

−

=

)(

ρ

( 1.14)

u y

u z

L ≈0.2

1.1.3.3 Hàm mật độ phổ năng lượng

Sự phân bổ tần số của thành phần nhiễu loạn theo hướng gió u được biểu diễn bởi

hàm mật độ phổ năng lượng không thứ nguyên R N (z,n) với:

( ) ( ) ( )

z

n z S n n z R

u

,.,

σ

Trong đó n là tần số tính bằng Hz và S u (z,n) là phổ năng lượng của thành phần

nhiễu loạn theo hướng gió

Năng lượng nhiễu loạn phát sinh ở tần số thấp và bị tiêu hao ở tần số cao Tại vùng trung gian năng lượng sinh ra cân bằng với năng lượng mất đi và phổ năng lượng nhiễu loạn độc lập với cơ chế sinh ra và hao tán năng lượng Hàm mật độ phổ năng lượng RN không thứ nguyên đối với các tần số trong vùng trung gian được tính theo công thức:

( ) 2 / 3

., = L−

Trang 24

- 23 -

Trong đó A là hệ số phụ thuộc rất ít vào chiều cao và thường được lấy bằng A = 0.14 đối với các kết cấu có độ cao đến 200m, tần số không thứ nguyên được tính theo công thức:

)(

z U

z L n

Với L(z) là thước đo cường độ nhiễu loạn theo chiều cao

Để thuận tiện trong sử dụng, Simiu và Scalan (1986) đã đề xuất hàm mật độ phổ

năng lượng đã được điều chỉnh cho mục đích thiết kế công trình như sau:

( ) ( )2 ( )5/3

200,

.,

z

z u

N

f

f u

n z S n n

z U

z n

f z =

1.1.3.4 Hàm số tương quan không gian

Sự phụ thuộc của các thành phần nhiễu loạn giữa hai điểm cho trước do kích

thước của các xoáy khí trong dòng khí tại tần số f được biểu diễn thông qua phân bố

ngang chuẩn hóa Sự phân bố không gian của thành phần nhiễu loạn dọc theo hướng gió được thể hiện thông qua phân bố ngang chuẩn hóa như sau:

C n r u cr

n r

2 2

Trong đó căn bậc hai của hàm tương quan được Davenport (1968) đề xuất tính

theo công thức Coh(r,n) = e -f với

( ) ( ) ( ) ( )1 2

2 1 2 2 1 2

2

z U z U

y y C z z C n

+

−+

−

Trang 25

Trong đó y1, y2 và z1, z2 là tọa độ của hai điểm nằm trên đường thẳng vuông góc với hướng gió, các hệ số Cy, Cz là các hệ số suy giảm xác định theo thực nghiệm Căn

cứ vào kết quả thí nghiệm hầm gió, Vickery (1970) đề xuất công thức sau để tính phân

bố ngang chuẩn hóa trong lĩnh vực kỹ thuật

1.1.3.5 Phân vùng gió ở Việt Nam

Phân vùng áp lực gió theo địa giới hành chính cho trong phụ lục E tiêu chuẩn Tải trọng và tác động TCVN 2737-1995, và trích dẫn trong tài liệu [4] của tác giả PGS.TS Trần Viết Liễn, GS.TSKH Nguyễn Đăng Bích giá trị áp lực gió theo bản đồ phân vùng gió trên lãnh thổ Việt Nam chia làm 6 cấp tương ứng các trị số như sau:

Bảng 1.6 Phân vùng áp lực gió ở Việt Nam

Trang 26

- 25 -

Hình 1.3: Bản đồ phân vùng áp lực gió

Trang 27

1.2 Tác động của gió đối với công trình cầu dây văng

1.2.1 Giới thiệu chung

Tác động của gió lên công trình cầu nói chung hay cầu dây văng nói riêng chia làm 2 nhóm: tác động tĩnh và tác dụng động lực Đặc điểm kết cấu của cầu dây văng là kết cấu thanh mảnh, mềm dẻo nên độ chứng kháng uốn và độ cứng kháng xoắn so với các loại hình kết cấu cầu khác nên rất nhạy cảm đối với dao động tác dụng của các kích thích động của gió Vai trò của các hiện tượng khí động quan trọng trong quá trình thiết

kế cầu dây văng, ở nhiều trường hợp tác động khí động ảnh hưởng quyết định tới việc lựa chọn phương án kết cấu

Khi dòng nhiễu loạn đi qua công trình phát sinh các lực khí động biến đổi theo thời gian làm cho kết cấu dao động cưỡng bức Trong nhóm có các hiện tượng này Buffeting và Vortex-Shelding Các dao động cưỡng bức nói trên có tính chất tắt dần do hao tán năng lượng cơ học Nhưng trong nhiều trường hợp khi nghiên cứu dao động kết cấu ở vận tốc gió lớn thấy rằng bản thân dao động kết cấu lại phát sinh ra lực khí

động bổ sung tạo thêm năng lượng mới cho dao động tự thân, dao động của bản thân

kết cấu trở thành bị động, lúc này biên độ dao động đột ngột tăng nhanh gây mất ổn

định động và phá huỷ kết cấu Các dao động tự kích thích do các lực khí động được

phát sinh từ bản thân dao động ban đầu của công trình hay do tương tác cơ học giữa kết cấu và dòng khí chứ không phải có nguồn gốc từ tác động của dòng khí Mất ổn định theo dạng này nói chung là mất ổn định khí đàn hồi, biểu hiện ở các hiện tượng Flutter

và Galloping

Các ảnh hưởng do tác dụng động lực của gió vào kết cấu có thể gây ra hiện tượng mỏi động lực, gây hư hại các bộ phận chịu lực của kết cấu, hay gây ảnh hưởng tâm lý tới người qua cầu, thậm chí gây phá huỷ kết cấu trong trường hợp mất ổn định khí

động nêu trên Các ảnh hưởng tới tâm lý xuất phát từ việc kết cấu bị cộng hưởng ngay

với vận tốc gió thông thường làm dao động của kết cấu trở lên phức tạp Các tác động

Trang 28

kỳ ở vận tốc gió cao

Phân tích ổn

định khí động

Mất ổn định khí động do lực khí động bổ sung theo phương vuông góc hướng gió Hiện tượng Vortex-

Shelding Buffeting do nhiễu

loạn

Tác động

động lực

Lực cưỡng bức biến đổi

Buffeting do vật cản

Dao động cưỡng bức có biên độ giới bạn ở vận tốc gió cao

Phân tích mỏi và các hiện tượng tâm lý

1.2.3 Thành phần tĩnh của tải trọng gió

Trang 29

Tải trọng gió phương đứng:

S L d

F C

C

ref

x x

F C

C

ref

y y L

M C

ref

H, B - chiều cao chắn gió và chiều rộng dầm chủ (m);

αS - là góc tới của gió

Hình 1.4: Thành phần động của tải trọng gió tác dụng lên dầm chủ

Gió mạnh trong lớp biên giới khí quyển chủ yếu là phương nằm ngang nhưng cũng có thể thay đổi nhỏ trong phạm vi góc thổi của gió từ -30 ÷ +30 Hệ số áp lực khí

an toàn lấy trị số tối đa trong phạm vi từ -30 ÷ +30

Trang 30

29

-CD, CL, CM phụ thuộc vào hình dạng mặt cắt, vận tốc gió, góc tới cảu gió Trong thực hành tính toán, đối với dầm chủ có mặt cắt tù như hình chữ I, hình chữ Π hoặc hình hộp, hệ số lực cản CD có thể tính toán theo công thức sau:

.1

81

1.01.2

H B H

B H

B

1.2.3.2 Các thành phần lực khí động giả tĩnh tác dụng lên tháp và dây văng

Tải trọng gió tĩnh theo phương ngang cầu tác dụng lên trụ cầu, tháp cầu và trên cáp văng tính theo công thức sau:

Trong đó:

0 2

1

W = ρU d;

CD - hệ số lực cản từ thí nghiệm hầm gió hoặc lấy theo bảng 2.2;

An - diện tích hình chiếu đơn vị chiều dài (m2/m)

Mặt cắt trụ tháp của cầu thường là hình chữ nhật, hệ số lực cản thường vào khoảng 2.7 ÷ 2.0; khi có góc trong hình tròn thì có thể lấy từ 2.2 ÷ 1.8; khi cự li giữa hai tim trụ tháp trước và sau nhỏ hơn 4 lần chiều dài cạnh mặt đón gió, tổng tải trọng gió có thể lấy bằng 1.5 lần trị số của tải trọng gió trụ đơn Đối với cầu đặc biệt quan trọng hoặc tháp cầu có mặt cắt tương đối phức tạp thì phải làm thí nghiệm hầm gió để xác định hệ số lực cản CD

Khi cự li giữa tim cáp dây tới cáp dây gấp 4 lần đường kính trở lên, phải xét riêng tải trọng gió của mỗi sợi cáp dây, hệ số lực cản của chúng là 0.7 Khi cự li giữa tim cáp chủ không đạt đến 4 lần đường kính, không cần gia tải riêng bịêt với hai sợi cáp dây,

mà tính mỗi sợi cáp dây theo hệ số lực cản là 1.0 Khi cự li tim thanh treo gấp 4 lần

đường kính trở lên, lấy hệ số lực cản của mỗi thanh treo là 0.7

Trang 31

Bảng 1.8 Phân loại hệ số C D theo mặt cắt

Trang 32

31

-1.2.4 Đặc điểm dòng khí đi qua công trình

1.2.4.1 Lớp biên và sự tách dòng

Các quan sát thực nghiệm cho thấy khi dòng khí đi qua vật cản không chuyển

động có bề mặt trơn tru, không khí sẽ tiếp xúc với bề mặt vật thể Hiện tượng này làm

giảm vận tốc của dòng khí lớp biên giáp với bề mặt vật thể, sau đây gọi là lớp biên Trong lớp biên vận tốc dòng tăng từ giá trị bằng 0 tại bề mặt vật thể (không xảy ra hiện tượng trượt) đến giá trị vận tốc phần còn lại của dòng khí (dòng ngoài) Biểu đồ khái quát sự biên vận tốc của lớp biên được thể hiện trong hình 1.5

Hình 1.5: Sự biến thiên vận tốc ở lớp biên

Do có trọng lượng, không khí được chứng minh là tuân theo định luật Newton Hai yếu tố có ảnh hưởng quan trọng nhất đến dòng khí là quán tính và tính nhớt Quan

hệ giữa yếu tố này đến yếu tố còn lại thành chỉ số quy định đặc tính và các hiện tượng

có thể xảy ra của dòng khí khi đi qua công trình Chỉ số này được diễn giải bằng hệ số không thứ nguyên Re bằng biểu diễn tỷ lệ giữa lực quán tính và lực cản nhớt ℜe gọi là

số Raynolds Lực quán tính I, theo định luật Bernoulli được tính theo công thức

ρµ

L L U

L U

e

/

2

2 2

=

Trang 33

Trong đó υ = ρ/µ được gọi là độ nhớt động của không khí, υ = 0.15cm2/s với không khí có nhiệt độ 200C Như vậy, khi ℜe lớn hiệu ứng do lực quán tính sinh ra sẽ chiếm ưu thế và ngược lại khi ℜe nhỏ hiệu ứng do tính nhớt tăng mạnh hơn

Số Raynolds là một khái niệm có tính chất cục bộ do chỉ tính đến hiệu ứng tại lớp biên của dòng khí, vì vậy việc lựa chọn chiều dài tham chiếu L trong tính toán ℜe là phụ thuộc vào vấn đề cục bộ đang nghiên cứu Với cùng một kết cấu có dòng khí đi qua, có thể có nhiều giá trị ℜe cho các nghiên cứu khác nhau Khi nghiên cứu tổng thể tác động của dòng khí đi qua một vật cản, thông thường L được lấy bằng kích thước cơ bản của vật thể đó

1.2.4.2 Dạng tách dòng và xoáy khí sau công trình

Số Raynolds sẽ cho biết đặc điểm của dòng khí và môi trường phía sau vật thể là dòng ổn định, dòng hỗn loạn, có xoáy khí, vùng trống và tính chất tách hay dính trở lại của dòng khí Hình 1.6 thể hiện phản ứng của dòng khí đi qua vật thể trụ tròn ứng với từng trường hợp số Raynolds khác nhau Khi số Raynolds bé gần như không có sự tách dòng phía sau vật thể của dòng khí và nếu dòng phía trước là ổn định thì ra khỏi vật thể cũng là ổn định Với các dạng mặt cắt đặc biệt như cánh máy bay, hay mặt cắt mỏng có chiều rộng lớn dạng thoát khí động lực thì ứng xử của dạng khí ở trên Với số Raynolds

đủ lớn dòng khí qua vật thể sẽ bị tách qua biên, đồng thời phía sau tạo thành các xoáy

khí xuất hiện có chu kỳ gọi là xoáy khí Karman Khi số Raynolds tương đối lớn dòng khí phía sau công trình xuất hiện nhiễu loạn tách dòng, lúc này dòng khí phía sau hỗn loạn, không đối xứng, xuất hiện xoáy khí đan xen, kích thược và tần số xuất hiện các xoáy khí khác nhau

Trang 34

33

-Hình 1.6: Hệ số Raynolds phụ thuộc

tròn

Đối với các dạng mặt cắt khác nhau như tam giác, hình vuông, hình chữ nhật,

hiện tượng tách dòng cũng xảy ra tương tự như đối với mặt cắt hình tròn Hiện tượng tách dòng có hình thành xoáy khí phía sau vật cản được biểu diễn qua hệ số không thứ nguyên S (số Strouhal):

V

D N

Trong đó NS là tần số tách xoáy, D là kích thước đặc trưng của tiết diện trên mặt phẳng trực giao với hướng gió tới, V là vận tốc gió tới Số Strouhal có các giá trị khác nhau đối với mỗi loại mặt cắt có dòng khí đi qua Để xác định số Strouhal phải sử dụng thí nghiệm hầm gió

Trang 35

Hình 1.8: Các dạng hình thành xoáy khí

Hình 1.9: Số Strouhal cho một số mặt cắt điển hình

Trang 36

35

-Hình 1.10: Quan hệ số Strouhal so với số Raynolds với mặt cắt trụ tròn

Trang 37

CHƯƠNG 2: CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH KHÍ ĐỘNG CỦA THÁP CẦU DÂY VĂNG

2.1 Biện pháp cải tiến mặt cắt kết cấu

Mối quan tâm các hiệu ứng do gió là động lực cho nhiều nghiên cứu về quan hệ giữa đặc tính khí động của kết cấu và dao động của kết cấu đó do gió gây ra Thông thường, các sửa đổi khí động học về hình dạng mặt cắt ngang kết cấu, sự thay đổi này theo chiều cao kết cấu hoặc đơn giản là kích thước mặt cắt cũng có thể giảm dao động Các cải tiến khí động này bao gồm bố trí khe thoát gió, vát góc, bố trí cánh hướng gió

…

Hình 2.1: Các dạng mặt cắt thoát gió tốt

(Basic) mặt cắt cơ bản; (Fins) bổ sung cánh hướng gió; (Vented Fins) bổ aung cánh hướng gió có lỗ; (Slotted Corners) bổ sung vát góc có lỗ thoát gió; (Chamfered Coners) vát góc

Các sáng kiến nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng kết cấu đối với lực khí động

đã khẳng định lợi ích của việc điều chỉnh về hình dạng và góc của mặt cắt, như minh

họa trong hình 2.1 (Hayashida & Iwasa 1990, Hayashida et al 1992, Miyashita et al

1993, Shimada et al 1989) Các nghiên cứu đã được đã thực hiện với những thay đổi góc mặt cắt như vát góc, bố trí khe nằm ngang tại góc, các góc được làm khe có thể làm giảm đáng kể các phản ứng theo phương gió dọc và phương gió ngang khi so sánh với hình dạng mặt cắt nguyên bản (Kwok 1995) Sự vê tròn đáng kể các góc của mặt cắt kết cấu, gần như một dạng xấp xỉ tròn, đã cải thiện đáng kể phản ứng của kết cấu

Trang 38

37

-Các cải biến như vậy được áp dụng cho công trình xây dựng Mitsubishi Heavy Industries Yokohama cao 150m (hình 2.2) Để làm giảm các phản ứng, bốn góc được vát cạnh, đã làm giảm các lực gió tác dụng (Miyashita et al 1995)

(a)

Hình 2.2: (a) Tòa nhà MHI Yokohama (nguồn Công ty Công nghiệp nặng Mitsubishi), (b) Hiệu quả của thay đổi hình dạng mặt cắt dọc theo trục thẳng

đứng (nguồn Shimada & Hibi 1995)

Tuy nhiên, không có sự đồng thuận dứt khoát về các lợi ích của việc thay đổi đặc

điểm tại góc mặt cắt, vì các nghiên cứu cũng đã chỉ ra rằng thay đổi góc mặt cắt, trong

một số trường hợp, không hiệu quả và thậm chí đã có tác dụng phụ (Miyashita et al

1993, Kwok & Isyumov 1998)

Trang 39

Hình 2.3: (a) Tòa nhà Jin Mao (nguồn Skidmore, Owings và Merrill LLP),

(b) Tháp đôi Petronas (nguồn kiat.net)

Cải thiện các phản ứng gió ngang cũng đã được quan sát trong các tòa nhà cao tầng mà thay đổi hình dạng mặt cắt ngang của kết cấu theo chiều cao hoặc giảm diện tích bề mặt dự kiến phẳng ở trên cao, ví dụ như hiệu quả dạng thon nhọn, cắt góc, hoặc giảm góc dần dần khi chiều cao tăng Như minh họa bằng hình 2.2b, thay đổi hình dạng cắt ngang dọc theo trục thẳng đứng, kết hợp với hiệu quả dạng thon nhọn, có thể

đặc biệt hiệu quả trong giảm các lực gió ngang (Shimada & Hibi 1995) Những kết

quả này đã được khẳng định trong các công trình khác và dẫn đến nhiều hơn cấu tạo phần đỉnh của một tòa nhà, là tốt hơn nó có thể giảm thiểu các phản ứng gió dọc và gió ngang Hình 2.3 minh họa việc sử dụng đặc trưng hình học như vậy trong hai dự án gần

đây: Tòa nhà Jin Mao (hình 2.3a) ở Trung Quốc và Tháp đôi Petronas (Hình 2.3b) tại

Malaysia Tòa nhà Jin Mao sử dụng những chỗ thụt vào và thon dần lên đến chiều cao 421m và được đặt lên đỉnh tầng trang trí từ trục chính của kết cấu tạo ra một kết quả gợi nhớ của ngôi chùa cổ Tương tự như vậy, các lợi ích của việc giảm dần cũng được tích hợp vào thiết kế của tòa tháp đôi Petrolas cao 450 m

Trang 40

39

-2.2 Biện pháp thêm vào các lỗ thoát gió

Việc thêm vào các lỗ thoát khí (Miyashita et al

1993, Irwin et al 1998) cho một công trình xây dựng

cung cấp một biện pháp cải thiện phản ứng khí động của

kết cấu đó, mặc dù cách tiếp cận này, là đúng với bất kì

sự thay đổi khí động, phải sử dụng cẩn trọng để tránh

những ảnh hưởng bất lợi Các lỗ thông hoàn toàn qua

tháp, đặc biệt là gần đỉnh tháp, đã được quan sát thấy

giảm đáng kể lực do xoáy khí và đáp ứng các phản ứng

động lực gió ngang, thay đổi vận tốc gió tới hạn đến một

vận tốc gió cao hơn một chút (Dutton & Isyumov 1990,

Kareem 1988b) Tuy nhiên hiệu quả của thay đổi này

giảm nếu lỗ mở được cung cấp với độ cao thấp của tháp

Bao gồm các lỗ mở và các sửa đổi khác có thể tác động

xấu nếu chúng làm giảm tần số xoáy cộng hưởng

(Tamura 1997)

Các lỗ thông khí qua tòa nhà được sử dụng ở Nhật

Bản cho một vài tòa nhà và được áp dụng cho tòa nhà

Trung tâm tài chính thế giới Thượng Hải, có trục vuông

góc 54 m và mặt chéo được cắt sát về phía sau với khẩu

độ cắt để giảm bớt áp lực tại vị trí này Lỗ mở, được bố

trí trên đỉnh tháp trong hình 2.4, có đường kính 51 m

Thiết kế khai thác không chỉ là lợi ích của việc mở lỗ

thông khí qua tòa nhà mà cũng có những biện pháp cung

cấp bằng cách thay đổi và giảm tiết diện mặt cắt tương

ứng với chiều cao tăng, về cơ bản giảm dần khi chiều cao

tháp từ 460 m

Hình 2.4: Trung tâm tài chính thế giới Thượng Hải (nguồn Mori Building Co., Ltd.)

Định dạng
Số trang	113
Dung lượng	2,21 MB