Nghiên cứu xác định hệ số nhám địa hình thực tế nhằm xây dựng sự tương quan về vận tốc gió cho thành phố đà nẵng

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NHÁM ĐỊA HÌNH VÀ TƯƠNG QUAN VỀ VẬN TỐC GIÓ CHO CÁC ĐIỂM THUỘC THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG .... “NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NHÁM ĐỊA HÌNH THỰC TẾ NHẰM XÂY DỰNG SỰ TƯƠNG QUA

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Võ Duy Phúc Đạt

DUT.LRCC

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 2

6 Bố cục đề tài 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIÓ 5

1.1 Gió trong khí quyển 5

1.2 Vận tốc gió 6

1.2.1 Vận tốc gió cơ bản 6

1.2.2 Thành phần nhiễu loạn của gió 6

1.2.3 Hàm mật độ phổ năng lượng 8

1.2.4 Hàm số tương quan không gian 10

1.2.5 Góc gió thổi 11

1.2.6 Gió tác động lên phương tiện giao thông 11

1.3 Một số đặc điểm thời tiết và gió ở thành phố Đà Nẵng 12

1.3.1 Bão 12

1.3.2 Lốc 13

1.3.3 Gió 13

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1: 13

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH VẬN TỐC GIÓ TRONG ĐÔ THỊ 14

2.1 Xác định vận tốc gió trong khu vực đô thị 14

2.1.1 Phương pháp tính vận tốc gió sử dụng hàm Logarit 14

2.1.2 Phương pháp tính vận tốc gió theo công thức kinh nghiệm (hàm mũ) 15

2.1.3 Thang gió BEAUFORT 16

2.2 Phân vùng gió ở Việt Nam 22

2.3 Cơ sở xác định hệ số nhám thực tế địa hình 23

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2: 23

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NHÁM ĐỊA HÌNH VÀ TƯƠNG QUAN VỀ VẬN TỐC GIÓ CHO CÁC ĐIỂM THUỘC THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG 24

3.1 Giới thiệu về địa điểm nghiên cứu 24

DUT.LRCC

3.2.1 Tổng quan 25

3.2.2 Thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc 25

3.2.3 Thiết bị đo tốc độ gió kiểu cánh quạt: 26

3.2.4 Thiết bị đo tốc độ gió kiểu sợi đốt: 26

3.2.5 Thiết bị đo tốc độ gió bằng sóng siêu âm 27

3.2.6 Thiết bị đo tốc độ gió bằng sóng âm 27

3.2.7 Thiết bị đo gió cầm tay ( Handy anenometer) 28

3.3 Đo đạc thực nghiệm xác định hệ số nhám địa hình 28

3.4 Đánh giá, so sánh kết quả đo đạc thực tế với tiêu chuẩn TCVN 2737-1995 37

3.5 Xác định mối quan hệ giữa các địa điểm và trạm đo chính 38

3.5.1 Xác định mối quan hệ giữa các địa điểm đo so với trạm chủ 38

3.6 Đưa ra cảnh báo tốc độ 42

3.7 Mô tả hệ thống 43

3.7.1 Tổng quan về hệ thống đo gió 43

3.7.2 Thiết bị đo tốc độ gió 44

3.7.3 Phần mềm mô phỏng, dự báo tốc độ gió 45

3.8 Kết quả nghiên cứu 46

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 48

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 49

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (Bản sao)

GIẤY XÁC NHẬN ĐĂNG TRÊN TẠP CHÍ GIAO THÔNG

BÀI BÁO (DỰ THẢO)

DUT.LRCC

1.2 Tần số bão đổ bộ vào các vùng bờ biển Việt Nam (1961÷2008) 12

2.2 Phân loại độ nhám bề mặt theo TCVN 2737-1995 16

2.6 Các giá trị của VB cho các vùng tính gió ở Việt Nam 22

3.3 Số liệu tính toán hệ số α tại Cầu Thuận Phước 30

3.5 Số liệu tính toán hệ số α tại Cầu Trần Thị Lý 32 3.6 Số liệu tính toán hệ số α tại Cầu Tuyên Sơn 33 3.7 Số liệu tính toán hệ số α tại Bãi biển Thanh Khê 34 3.8 Số liệu tính toán hệ số α tại Bãi biển Liên Chiểu 35 3.9 Số liệu tính toán hệ số α tại Nguyễn Sinh Sắc - Nguyễn Tất Thành 36 3.10 Phân loại độ nhám bề mặt theo TCVN 2737-1995 37

3.12 Bảng số liệu thể hiện mối quan hệ vận tốc giữa Cảng vụ và cầu Thuận

3.13 Bảng số liệu thể hiện mối quan hệ vận tốc giữa Cảng vụ và cầu Rồng 39

3.14 Bảng số liệu thể hiện mối quan hệ vận tốc giữa Cảng vụ và cầu Trần

3.15 Bảng số liệu thể hiện mối quan hệ vận tốc giữa cầu Trần Thị Lý và

3.16 Bảng số liệu thể hiện mối quan hệ vận tốc giữa bãi biển Thanh Khê

3.17 Bảng số liệu thể hiện mối quan hệ vận tốc giữa bãi biển Thanh Khê

và nút giao Nguyễn Sinh Sắc - Nguyễn Tất Thành 41

DUT.LRCC

bảng Tên bảng Trang

3.18 Bảng số liệu thể hiện mối quan hệ vận tốc giữa bãi biển Liên Chiểu

và nút giao Nguyễn Sinh Sắc - Nguyễn Tất Thành 41 3.19 Bảng số liệu thể hiện mối quan hệ vận tốc giữa bãi biển Liên Chiểu

3.20 Mối quan hệ giữa vận tốc gió và tốc độ xe cho phép 42

DUT.LRCC

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu

1.1 Quan hệ giữa vận tốc gió theo hướng gió với chiều cao 5

1.3 Quan hệ giữa C và m với độ cao nhám bề mặt z0 8 1.4 Quan hệ giữa hệ số suy giảm C với vận tốc gió 11 1.5 Quan hệ giữa hệ số suy giảm C với vận tốc gió và độ cao 11

3.2 Thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc – Phiên bản 1846 được phát minh bởi

Tiến sĩ John Thomas Romney Robinson (Nguồn Wikipedia 26 3.3 Thiết bị đo tốc độ gió kiểu cánh quạt (Nguồn Wikipedia) 26 3.4 Thiết bị đo tốc độ gió kiểu sợi đốt.(Nguồn Wikipedia) 27

3.8 Sơ đồ nguyên lý tổng thể hệ thống dự báo tốc độ gió 43 3.9 Hình ảnh thực tế của thiết bị đo gió được xây dựng và lắp đặt 44

3.12 Thực hiện mô phỏng hoạt động của gió trong khu vực và dự báo tốc độ

DUT.LRCC

“NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NHÁM ĐỊA HÌNH THỰC TẾ NHẰM XÂY DỰNG SỰ TƯƠNG QUAN VỀ VẬN TỐC GIÓ CHO THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG”

Học viên: Võ Duy Phúc Đạt

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Khóa K37 - Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt: Vấn đề nắm bắt được vận tốc gió và hướng gió trong đô thị là rất quan trọng cho việc cảnh báo giao thông đường bộ cũng như tàu du lịch trên sông Hàn trong điều kiện gió mạnh Do đó, nghiên cứu tập trung giải quyết vấn đề dự báo vận tốc gió trong

đô thị Sau khi xác định hệ số nhám địa hình thực tế cho các địa điểm tính toán thuộc thành phố Đà Nẵng, độ tương quan vận tốc gió giữa các vị trí sẽ được thiết lập Cuối cùng hệ thống đo đạc, truyền dẫn vận tốc gió và hướng gió phục vụ cảnh báo giao thông sẽ được thiết kế chi tiết

Từ khóa: Gió trong đô thị, hệ số nhám địa hình, tương quan vận tốc gió, hệ thống dự

Key words: Wind forecast, terrain coefficient, measurement system, wind profile,

wind velocity correlation, measurement system

DUT.LRCC

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, gió và tác động của gió gây lật xe, lật tàu cũng như ảnh hưởng đến giao thông đi lại đang là một đề tài bức thiết được bàn luận nhiều ở nhiều nơi và trong các hội thảo Các vụ tai nạn lật xe cũng như lật tàu với nguyên nhân chủ yếu là sự tác động của gió gây ra Ở một đất nước đang phát triển như Việt Nam, phương tiện giao thông nói chung và xe máy nói riêng là phương tiện được người dân ưa chuộng sử dụng khi tham gia giao thông nhưng vẫn chưa có nghiên cứu nào tính toán và hiểu rõ hơn các nguyên nhân và lý do gây lật xe để từ đó tìm ra hướng giải quyết vấn đề cấp thiết này

Để kiểm soát vận tốc gió phục vụ cho giao thông, nông nghiệp và thiết kế đô thị,

dữ liệu vận tốc gió là cần thiết Vận tốc gió và xoáy ở đường bộ và đường thủy phụ thuộc vào gió của khu vực đó, đồng thời bị ảnh hưởng bởi các yếu tố địa hình địa vật xung quanh Các trạm khí tượng thường cung cấp đầy đủ dữ liệu tuy nhiên vấn đề là

sự khác nhau về địa hình địa vật, độ cao giữa khu vực đặt trạm đo và các khu vực khác trong thành phố

Để ước lượng vận tốc tốc gió ở các khu vực khác nhau của thành phố, thì yếu tố địa hình địa vật xung quanh các vị trí cần kiểm tra kỹ lưỡng

Trạm đo gió chuẩn thường đo gió ở cao độ 10m so với mực nước biển và ở khu vực mở và thoáng gió Gió các vị trí khác được tính dựa trên trạm đo chuẩn ( Trạm chủ) và phụ thuộc vào địa hình và cao độ của vị trí đó Sự thay giảm vận tốc gió ở các

vị trí thoáng như cửa sông thường ít nhất và các vị trí khác vào sâu bên trong thành phố với nhiều tòa nhà là lớn nhất Do đó dữ liệu gió ở các trạm thời tiết là chưa đủ để xác định vận tốc gió tại các điểm khác nhau của thành phố Nhà quản lý, người thiết kế cần tính toán nội suy các vận tốc gió nhằm phục vụ cho khai thác giao thông, thiết kế Hiện nay tiêu chuẩn về gió 2337-1995 có đề cập đến hệ số nhám của địa hình để xác định sự tương quan của vận tốc gió Tuy nhiên, trong tiêu chuẩn ch đưa ra các mức chung và chưa đầy đủ cho các khu vực khác nhau Đồng thời với sự đô thị hóa và phát triển hiện nay, địa hình địa vật của Đà Nẵng cũng có nhiều thay đổi

Vì vậy, việc lựa chọn đề tài “Nghiên cứu xác định hệ số nhám địa hình thực

tế nhằm xây dựng sự tương quan về vận tốc gió cho thành phố Đà Nẵng” có tính

tương quan vận tốc gió cho các địa điểm trong các quận, huyện thuộc thành phố Đà Nẵng

- Đưa ra kết luận và hướng phát triển đề tài

b Mục tiêu cụ thể

- Phân tích mối quan hệ về vận tốc gió giữa các vị trí thuộc TP Đà Nẵng

- Xây dựng các hệ số nhám cho các địa điểm thuộc thành phố

- Xây dựng cập nhật dữ liệu online

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a Đối tượng nghiên cứu

Đưa ra kết luận và hướng phát triển đề tài

+ Trong đó: U10 là vận tốc gió ở một độ cao tham chiếu và thường được lấy tại

z0=10m

+ Trị số  là hệ số không thứ nguyên xác định tính nhám của bề mặt địa hình

5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

- Xác định lại được hệ số nhám địa hình thực tế để xác định vận tốc gió cho các địa điểm của thành phố Đà Nẵng

- Xây dựng sự tương quan của tốc độ gió cho các địa điểm thuộc thành phố Đà Nẵng

- Thiết kế hệ thống đo đạc để dự báo vận tốc gió cho các địa điểm với giá thành thấp

- Phục vụ cho thi công, thiết kế khai thác các công trình giao thông

- Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

+ Mục đích nghiên cứu

+ Đối tượng nghiên cứu

+ Phạm vi nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu

Chương 1 Tổng quan về gió

1.1 Tìm hiểu các nghiên cứu Việt Nam và thế giới

1.2 Gió trong khí quyển

1.3.6 Gió tác động lên xe lưu thông và công trình giao thông

1.4 Một số đặc điểm thời tiết và gió ở Đà Nẵng

1.4.1 Bão

1.4.2 Lốc

1.4.3 Gió

Chương 2 Cơ sở lý thuyết xác định gió trong đô thị

2.1 Xác định vận tốc gió trong khu vực đô thị

2.1.1 Phương pháp tính vận tốc gió sử dụng hàm Logarit

2.2.2 Phương pháp tính vận tốc gió theo công thức kinh nghiệm (hàm mũ)

2.2.3 Thang gió BEAUFORT

2.2 Phân vùng gió ở Việt Nam

2.3 Cơ sở xác định hệ số nhám thực tế địa hình ()

Chương 3 Nghiên cứu xác định hệ số nhám địa hình thực tế và tương quan về vận tốc gió cho các điểm thu c thành phố Đà Nẵng

3.1 Giới thiệu về địa điểm nghiên cứu

3.2 Giới thiệu về hệ thống đo gió

3.2.1 Tổng quan

3.2.2 Thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc

3.2.3 Thiết bị đo tốc độ gió kiểu cánh quạt

3.2.4 Thiết bị đo tốc độ gió kiểu sợi đốt

3.2.5 Thiết bị đo tốc độ gió bằng sóng siêu âm

3.2.6 Thiết bị đo tốc độ gió bằng sóng âm

DUT.LRCC

3.2.2 Thiết bị đo gió cầm tay (Handy anenometer)

3.3 Đo đạc thực nghiệm để xác định hệ số nhám địa hình

3.3.1 Xác định mối quan hệ giữa các địa điểm đo so với trạm chủ 3.3.2 Đƣa ra cảnh báo tốc độ

3.4 Xây dựng hệ thống cảnh báo tốc độ gió

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIÓ

1.1 Gió trong khí quyển

Gió là sự chuyển động của một khối không khí trong bầu khí quyển do sự chênh lệch áp suất giữa các điểm khác nhau trên trái đất Đặc điểm nổi bật của gió tự nhiên là tính nhiễu loạn Nguyên nhân cơ bản của sự nhiễu loạn là do ma sát của luồng không khí khi đi qua các bề mặt Dòng không khí nhiễu loạn thay đổi một cách phức tạp và ngẫu nhiên cả trong không gian và theo thời gian, vì thế thường được biểu diễn dưới dạng thống kê

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

Vận tốc gió tại một thời điểm nào đó được biểu diễn dưới dạng tổng của vận tốc

cơ bản và vận tốc biến đổi biểu diễn cho thành phần nhiễu loạn của luồng không khí Theo định nghĩa, sau một thời gian đủ dài (thông thường là 10 giây), thành phần biến đổi có giá trị bằng không

Trong hệ tọa độ Đề-các với trục x theo hướng gió, trục y nằm ngang và trục z hướng lên trên, vận tốc gió tại độ cao z ở thời điểm t được biểu diễn như sau:

 Theo hướng gió: U(z) + u(x, y, z, t)

 Theo phương vuông góc hướng gió: v(x, y, z, t)

đo tốc độ gió trong khoảng thời gian khác nhau Nếu khoảng thời gian  bằng từ một vài phút đến vài giờ, ta có vận tốc gió kéo dài, còn khi khoảng thời gian trung bình là vài giây thì ta có vận tốc gió giật

1.2.2 Thành phần nhiễu loạn của gió

Gió trong lớp biên khí quyển luôn có sự nhiễu loạn, điều này có nghĩa dòng khí

là dòng rối với chu kỳ ngẫu nhiên biến đổi từ nhỏ hơn 1 giây cho đến hàng phút Đặc tính ngẫu nhiên của thành phần nhiễu loạn của dòng khí đƣợc xác định bằng các lý thuyết về xác suất

Hình 1.2 Tốc đ gió biến đổi không có tính chu kỳ

Nếu ký hiệu f(u) là hàm mật độ xác xuất và F(u) là hàm phân phối xác suất của

thành phần tốc độ gió trung bình Chúng có quan hệ sau:

 u PU u f u du F

u u

u

U u u

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 ½ 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

thành phần nhiễu loạn u theo hướng gió, v theo phương vuông góc với hướng gió và w

theo phương đứng là:

u w

u v

trong đó: hằng số A ≈ 2,5 nếu z 0 = 0,05m và A ≈1,8 nếu z 0 = 0,3m

Cường độ nhiễu loạn I u (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: z 0 là độ cao nhám và giá trị u /u * được lấy bằng 2.5

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

phân bố chuẩn với giá trị thực bằng 0, độ lệch chuẩn tính theo công thức (1.5)

Thước đo cường độ nhiễu loạn dùng để đo kích thước xoáy của luồng gió hoặc nói cách khác là độ lớn trung bình của từng cơn gió theo hướng 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: j z, r i là hàm tương quan không gian của nhiễu loạn u giữa hai điểm i

và i+r i đo tại cùng một thời điểm Như vậy, theo các hướng x, y, z sẽ có 9 thước đo

DUT.LRCC

cường độ nhiễu loạn của 3 thành phần nhiễu loạn u, v, 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 diện

là độ cao nhám z 0 Thước đo cường độ nhiễu loạn có thể tham khảo trong các tài liệu

ch dẫn tính toán về gió

Thước đo cường độ nhiễu loạn ở độ cao z từ 10m đến 240m có thể được tính theo

công thức kinh nghiệm do Counihan (1975) đề xuất như sau:

m x

Hình 1.3 Quan hệ giữa C và m với đ cao nhám bề mặt z0

Các thước đo cường độ nhiễu loạn khác thường biểu diễn thông qua cường độ nhiễu loạn theo hướng gió x

u

L

Đo đồng thời vận tốc gió dọc trong mặt phẳng vuông góc với hướng gió cho thấy quan hệ giữa hàm số tương quan không gian và thước đo cường độ nhiễu loạn theo hướng gió như sau:

L 0.3 và x

u z

L 0.2

1.2.3 Hàm mật đ phổ năng lượng

Sự phân bố 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 nS n z R

u

u

, ,



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

nhiễu loạn theo hướng gió

DUT.LRCC

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 R N không thứ nguyên đối với các tần số trong vùng trung gian được tính theo công thức:

,  L

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 f L được tính theo công thức sau:

 

 z U

z nL

trong đó: L(z) là thước đo cường độ nhiễu loạn theo chiều cao

Đã có nhiều nghiên cứu nhằm xác định phổ gió, trong đó phải kể đến biểu thức của Von Karma-Haris về phổ thành phần vận tốc gió theo hướng gió thổi

 

6 / 5 2 2

) ( 8 70 1

) ( 4

z U

nl n

) ( 16 11 1

) ( 15 2

z U

nz n

nS w

w

Để thuận tiện trong sử dụng, Simiu và Scanlan (1986) đã đề xuất hàm mật độ phổ năng lượng đã được điều ch nh cho mục đích thiết kế công trình như sau: theo phương gió thổi và theo phương thẳng đứng

 5 / 3 2

200,

,

z

Z u

N

f

f u

n z nS n z R

f

f u

n nS

z KU u

trong đó: H là cao độ bình quân khối kiến trúc xung quanh (m) và Z 0 là chiều

cao phụ thuộc độ nhám mặt đất (m) Khi tốc độ gió bình quân ở cao độ Z g trên không

của lớp biên giới khí quyển gần như không bị ảnh hưởng bởi mức độ nhám mặt đất Z 0

1.2.4 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

 r n iS  r n S

u C

u cr

2 2

2

z U z U

y y C z

z C n

trong đó: y 1 , y 2 và z 1 , z 2 là tọa độ của hai điểm nằm trên đường thẳng vuông góc với

hướng gió, các hệ số C z , C y, là các hệ số suy giảm xác định theo thực nghiệm Các hệ số

suy giảm C y , C z không ch phụ thuộc vào độ nhám bề mặt mà theo kết quả thực nghiệm

còn phụ thuộc vào độ cao và vận tốc gió như thể hiện trong Hình 1-4 và Hình 1-5

DUT.LRCC

Hình 1.4 Quan hệ giữa hệ số suy giảm

C với vận tốc gió

Hình 1.5 Quan hệ giữa hệ số suy giảm C

với vận tốc gió và đ cao 1.2.5 Góc gió thổi

Trong thiết kế chống gió động lực của cầu, phải xét ảnh hưởng từ góc thổi của gió, và phải dùng góc thổi bình quân của gió tốc độ cao tức thời làm tiêu chuẩn, thông thường sử dụng  30 Khi địa hình phức tạp phải xác định bằng thí nghiệm hầm gió với địa hình mô phỏng

1.2.6 Gió tác đ ng lên phương tiện giao thông

Nhiều nghiên cứu thế giới ch ra rằng, sự thay đổi vận tốc gió hoặc hướng gió tác dụng lên xe đang lưu thông là nguyên nhân chính gây ra tai nạn trên các cây cầu lớn ở Nhật Bản Trong trường hợp cầu dây, sự tồn tại của tháp cầu và bệ neo (cầu dây võng) thường tác động và thay đổi điều kiện gió tác dụng lên xe Hình 1.6 là một ví dụ tại cầu Severn nước Anh, các hệ thống chắn gió (wind shield) được lắp đặt gần tháp cầu

để thay đổi điều kiện gió xung quanh tháp từ đó hạn chế lật xe Tương tự như các nổ lực thiết kế chắn gió cho cầu Ohnaruto ở Hình 1.7 Tại đây rất nhiều nghiên cứu và mô phỏng bằng hầm gió và CFD được thực hiệ để lãm rõ các đặc tính dòng gió và ảnh hướng của gió lên xe

Hình 1.6 Hàng rào chắn gió cầu Severn nước Anh

DUT.LRCC

Hình 1.7 Hàng rào chắn gió cầu Ohnaruto Nhật Bản

1.3 Một số đặc điểm thời tiết và gió ở thành phố Đà Nẵng

Thành phố Đà Nẵng có 2 mùa chính là mùa mưa và mùa khô Mùa mưa bắt đầu khoảng từ tháng 9 đến tháng 12 Mùa khô bắt đầu từ tháng 1 đến tháng 8 Hàng năm thành phố Đà Nẵng chịu ảnh hưởng ít nhất của 1 cơn bão hoặc áp thấp nhiệt đới có gió mạnh cấp 6 trở lên Do nằm trong vành đai nhiệt đới Bắc bán cầu, thành phố Đà Nẵng chịu sự chi phối chủ yếu của các hoàn lưu gió mùa, tín phong và chịu ảnh hưởng trực tiếp của các nhiễu động nhiệt đới như: bão, áp thấp nhiệt đới, dải hội tụ nhiệt đới,

1.3.1 Bão

Là hiện tượng thời tiết đặc biệt nguy hiểm, gây gió mạnh làm tốc mái, có thể gây

đổ nhà cửa, kèm theo mưa lớn gây lũ lụt nghiêm trọng Cấp gió và mức độ nguy hại của chúng được mô tả như bảng dưới Ở Đà Nẵng, mùa bão hàng năm vào khoảng tháng 6 – 11, tần suất bão đổ bộ nhiều vào tháng 8 – 11

Bảng 1.2 Tần số bão đổ b vào các vùng bờ biển Việt Nam (1961÷2008)

1.3.2 Lốc

Là các hiện tượng thời tiết nguy hiểm, gây gió xoáy bốc lên cao, làm tốc mái, đổ nhà cửa, nhất là các nhà đơn sơ Theo thống kê của Trung tâm khí tượng thủy văn Quốc gia: Ở miền Bắc lốc thuờng hay xảy ra vào các giai doạn chuyển tiếp từ dông sang hè (tháng 4, tháng 5), mỗi khi xuất hiện dợt không khí lạnh; Ở miền Nam số lần xảy ra lốc ít hơn ở miền Bắc và miền Trung Khu vực thành phố Đà nẵng, theo QCVN 02:2009, phân bố các lần tố lốc một số năm xuất hiện cho thấy khoảng vào tháng 5 & tháng 7, thống kê cụ thể như sau:

+ Khái niệm về gió trong khí quyển;

+ Các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc gió trong khí quyển;

+ Đặc điểm thời tiết tại địa điểm thực hiện đo đạc thực nghiệm trong Đồ án

DUT.LRCC

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH VẬN TỐC GIÓ TRONG ĐÔ THỊ

2.1 Xác định vận tốc gió trong khu vực đô thị

Để kiểm soát vận tốc gió phục vụ cho giao thông, nông nghiệp và thiết kế đô thị,

dữ liệu vận tốc gió là cần thiết Vận tốc gió và xoáy ở đường bộ và đường thủy phụ thuộc vào gió của khu vực đó, đồng thời bị ảnh hưởng bởi các yếu tố địa hình địa vật xung quanh, ngoài ra còn có sự thay đổi của vận tốc gió cục bộ Các trạm khí tượng thường cung cấp đầy đủ dữ liệu tuy nhiên vấn đề là sự khác nhau về địa hình địa vật,

độ cao giữa khu vực đặt trạm đo và các khu vực khác trong thành phố Để ước lượng vận tốc tốc gió ở các khu vực khác nhau của thành phố, thì yếu tố địa hình địa vật xung quanh các vị trí cần kiểm tra kỹ lưỡng

Trạm đo gió chuẩn thường đo gió ở cao độ 10 so với mực nước biển và ở khu vực mở và thoáng gió Gió các vị trí khác được tính dựa trên trạm đo chuẩn ( Trạm chủ) và phụ thuộc vào địa hình và cao độ của vị trí đó Sự thay giảm vận tốc gió ở các

vị trí thoáng như cửa sông thường ít nhất và các vị trí khác vào sâu bên trong thành phố với nhiều tòa nhà là lớn nhất Do đó dữ liệu gió ở các trạm thời tiết là chưa đủ để xác định vận tốc gió tại các điểm khác nhau của thành phố Nhà quản lý, người thiết kế cần tính toán nội suy các vận tốc gió nhằm phục vụ cho khai thác giao thông, thiết kế Một số phương pháp ước lượng vận tốc gió như sau:

2.1.1 Phương pháp tính vận tốc gió sử dụng hàm Logarit

Vận tốc gió được xác định từ các 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 ch phụ thuộc vào 0 ,  và chiều cao z

so với bề mặt địa hình Nếu ở phía thượng lưu dòng không khí là bề mặt phẳng kéo dài, vận tốc gió cơ bản được tính theo công thức sau:

z U

do ma sát giữa dòng khí và bề mặt địa hình Giá trị của z 0 phụ thuộc vào độ nhám bề mặt địa hình được tạo nên bởi các vật thể gọi là vật nhám Các vật nhám này sinh ra 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 thì không được coi là vật nhám Đối với địa hình có vật nhám phân bố đều đặn, độ cao nhám của bề mặt có thể xác định theo công thức kinh nghiệm sau đây:

t

r A

A h

trong đó: h là độ cao vật nhám, A r là diện tích chắn gió và A t 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 đ nh của vật nhám tạo nên một bề mặt mới

Tiêu chuẩn Châu Âu (EuroCode 1) 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 , z 0 như trong bảng dưới đây

Bảng 2.1 Phân loại địa hình và các hệ số  , z0 (m)

Phân loại

độ nhám bề

mặt

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

III Vùng ngoại ô, khu công nghiệp và vùng rừng lâu năm 0,22 0,30

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

2.1.2 Phương pháp tính vận tốc gió theo công thức kinh nghiệm (hàm mũ)

Để tiện sử dụng, một số Tiêu chuẩn về gió sử dụng công thức kinh nghiệm sau để xác định vận tốc gió cơ bản:

z

z U z

Theo TCVN 2737-1995 Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế phân loại độ nhám

bề mặt, cho trị số độ nhám  như Bảng 1-2

Bảng 2.2 Phân loại đ nhám bề mặt theo TCVN 2737-1995

Phân loại độ

II Đồng ruộng, vườn cây, đất bãi rộng bằng phẳng Khu vực

có cây cối và khối kiến trúc tầng thấp thưa thớt 0,16

III

Khu vực có cây cối và khối kiến trúc tầng thấp dầy 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, cao dầy đặc Khu

Trị số độ nhám bề mặt địa hình đối với công trình cầu có sự thay đổi tương đối lớn trong phạm vi hẹp có thể xác định theo nguyên tắc sau:

 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 tại hai loại độ nhám khác nhau, lấy trị số bên phía tương đối nhỏ hơn;

 Khi chiều rộng sông cần vượt tương đối nhỏ (như loại nhỏ hơn 100 m), phải lấy trị số thấp hơn một mức của độ nhám đã xác định và theo mặt đất không gồm chiều rộng sông

 Khi cầu vượt qua nơi có địa hình 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 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 U d tính theo công thức sau:

 z U k

trong đó: k là hệ số không thứ nguyên tính đến sự thay đổi vận tốc gió theo điều kiện địa hình và độ cao, hệ số k lấy theo các tài liệu tính toán về gió

2.1.3 Thang gió BEAUFORT

Thang sức gió Beaufort hay đơn giản là cấp gió là thang đo kinh nghiệm về sức gió, chủ yếu dựa trên trạng thái của mặt biển hay các trạng thái sóng Thang sức gió

DUT.LRCC

này được Francis Beaufort, một đô đốc hải quân và đồng thời là một nhà thủy văn học người Ireland, tạo ra năm 1805 Thang ban đầu có 13 cấp (từ 0 tới 12) đã không dẫn chiếu tới các con số về vận tốc gió mà liên quan tới các điều kiện gió định tính có tác động lên các buồm của man of war, khi đó là các loại tàu chủ yếu của Hải quân Hoàng gia Anh, từ "vừa đủ để chịu lái" tới "không vải nào của buồm có thể chịu được" Ở cấp

0, tất cả các buồm có thể giương lên; ở cấp 6 thì một nửa số buồm có thể phải hạ xuống; ở cấp 12 thì tất cả các buồm phải xếp gọn lại

Thang sức gió này đã là tiêu chuẩn cho mọi nhật trình hàng hải trên các tàu thuyền của Hải quân Hoàng gia Anh vào cuối thập niên 1830, và đã được thích ứng để ứng dụng phi-hải quân kể từ thập niên 1850, với các số của thang tương ứng với sự xoay vòng của máy đo gió hình chén Sự đo đạc đã được thay đổi một chút vào vài thập niên sau để hoàn thiện sự thuận tiện trong sử dụng cho các nhà khí tượng học Ngày nay, nhiều quốc gia đã từ bỏ kiểu miêu tả và đơn vị đo này và sử dụng các đơn

vị của SI như m/s hay km/h, nhưng các cảnh báo thời tiết khắc nghiệt đưa ra công chúng vẫn là xấp x như vậy khi sử dụng thang Beaufort

Thang Beaufort được mở rộng năm 1946, khi các cấp từ 13 tới 17 được thêm vào Tuy nhiên, các cấp từ 13 tới 17 ch nhằm áp dụng cho các trường hợp đặc biệt, chẳng hạn khi có bão nhiệt đới mạnh Ngày nay, thang mở rộng ch được sử dụng tại Đài Loan, Trung Quốc và gần đây là Việt Nam

Tốc độ gió trên thang Beaufort mở rộng 1946 dựa trên công thức kinh nghiệm:

v = 0,836 B3/2 (m/s) hay v = 3,0096 B3/2 (km/h) (2.6)

trong đó: v là tương đương với vận tốc gió 10 mét trên bề mặt

B là số trên thang Beaufort

Ngày nay, đôi khi cấp gió bão được miêu tả như là cấp trong thang Beaufort

từ 12 tới 16, có liên quan gần đúng với cấp tốc độ tương ứng của thang bão Simpson, trong đó các trận bão thực sự được đo đạc, trong đó cấp 1 của thang bão này tương đương với cấp 12 trong thang sức gió Beaufort Tuy nhiên, các cấp mở rộng trong thang sức gió Beaufort trên cấp 13 không trùng khớp với các cấp của thang bão Saffir-Simpson Các vòi rồng cấp 1 trên thang Fujita và thang TORRO cũng bắt đầu gần đúng ở mức trên của cấp 12 trong thang Beaufort nhưng chúng là các thang độc lập

Saffir-Thang sức gió Beaufort và miêu tả tình trạng mặt sông/biển, đất liền được thể hiện theo Bảng 1.2 Cũng cần lưu ý rằng độ cao của sóng tính trong điều kiện tìm thấy ngoài biển khơi, chứ không phải ven bờ

Mỗi một quốc gia, một khu vực đều có cách đo gió bằng vận tốc riêng của họ Để nhằm thuận tiện cho việc theo dõi các cấp độ gió trong các cơn bão, hiện nay bảng

DUT.LRCC

thang quy đổi cấp độ gió Beaufort đã được chuẩn hóa và làm tròn các phân số thập phân theo phép tính từ kilômét trên giờ sang các vận tốc khác còn lại Phép chuyển đổi theo bảng 1.1 như sau

Bảng 2.3 Chuyển đổi giữa các đơn vị tốc đ

Trong đó: - mph: Dặm trên giờ tương đương 1,609344 km/h

- knot: tương đương 1 hải lý/giờ hay 1,852 km/h

- ft/s: feet trên giây tương đương 1,097 km/h

DUT.LRCC

Bảng 2.4 Thang sức gió Beaufort và miêu tả Cấp

Cảm thấy gió trên da trần Tiếng lá xào xạc

nhàng 0,6 Sóng lăn tăn lớn Lá và cọng nhỏ chuyển động

theo gió

Bụi và giấy rời bay lên Những cành cây nhỏ chuyển động

5 17-21 / 29-38 / 19-24 Gió mạnh vừa

Sóng dài vừa phải (1,2 m) Có một chút bọt và bụi nước

Cây nhỏ đu đưa

và bụi nước

Cành lớn chuyển động Sử dụng ô khó khăn

7 28-33 / 50-61 / 32-38 Gió mạnh 4 Biển cuộn sóng và bọt

bắt đầu có vệt

Cây to chuyển động Phải có

sự gắng sức khi đi ngược gió

DUT.LRCC

Cành nhỏ gãy khỏi cây

Sóng cao (2,75 m) với nhiều bọt hơn Ngọn sóng bắt đầu cuộn lại

Cây bật gốc Một số công trình xây dựng hƣ hại vừa phải

DUT.LRCC

Sức phá hoại cực kỳ lớn

14* 85 / 150-166 / 98 Gió bão cực

Sóng biển cực kỳ mạnh Đánh đắm tàu biển có trọng tải lớn

Sức phá hoại cực kỳ lớn

15* 94 / 167-183 / 109 Gió bão cực

Sóng biển cực kỳ mạnh Đánh đắm tàu biển có trọng tải lớn

Sức phá hoại cực kỳ lớn

16* 104 / 184-201 / 120 Gió bão cực

Sóng biển cực kỳ mạnh Đánh đắm tàu biển có trọng tải lớn

Sức phá hoại cực kỳ lớn

17* 114 / 202-220 / 131 Gió bão cực

Sóng biển cực kỳ mạnh Đánh đắm tàu biển có trọng tải lớn

Sức phá hoại cực kỳ lớn

Sóng biển vô cùng mạnh Đánh đắm tàu biển có trọng tải rất lớn

Sức phá hoại cực kỳ tàn bạo

DUT.LRCC

2.2 Phân vùng gió ở Việt Nam

Phân vùng gió trên lãnh thổ Việt Nam được chia theo địa giới hành chính, các đường đậm nét trong bản đồ phân vùng gió là ranh giới giữa các vùng ảnh hưởng của bão được đánh giá là yếu hoặc là mạnh

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, giá trị áp lực gió theo bản đồ phân vùng gió trên lãnh thổ Việt nam chia làm 5 cấp tương ứng với các trị số như sau

Bảng 2.5 Trị số áp lực gió tương ứng với các vùng

Theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-2005 thì tốc độ gió thiết kế, V, phải được xác định theo công thức: V = VB S (2.7)

Trong đó: VB : tốc độ gió giật cơ bản trong 3 giây với chu kỳ xuất hiện 100 năm thích hợp với vùng tính gió tại vị trí cầu đang nghiên cứu, như quy định trong Bảng 1-5

S = hệ số điều ch nh đối với khu đất chịu gió và độ cao mặt cầu theo quy định trong bảng 1-6

Bảng 2.6 Các giá trị của VB cho các vùng tính gió ở Việt Nam

Bảng 2.7 Các giá trị của S

Độ cao của mặt cầu trên mặt đất khu vực xung quanh hay

Khu vực lộ thiên hay mặt nước thoáng 1,09 1,14 1,17 1,20 1,21

Khu vực có rừng hay có nhà cửa với cây cối, nhà cao tối

độ cao khác nhau

Công thức về mối liên hệ vận tốc gió giữa các điểm trong cùng khu vực:

0 10

z

z v

  (2.9)

Trong đó:

+ Z: Cao độ tại vị trí bất kì dùng để đo

+ Z10: Cao độ được tham chiếu 10m

+ ̅ : Vận tốc gió trung bình tại cao độ Z

+ ̅̅̅̅̅: Vận tốc gió trung bình tại độ cao được tham chiếu và thường lấy là 10m + α: Hệ số không thứ nguyên xác định tính nhám của bề mặt địa hình

Tại mỗi vị trí tiến hành đo vân tốc gió tại 2 độ cao khác nhau ở mỗi thời thời điểm để tính toán hệ số địa hình alpha

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NHÁM ĐỊA HÌNH VÀ TƯƠNG QUAN VỀ VẬN TỐC GIÓ CHO CÁC ĐIỂM THUỘC THÀNH PHỐ

ĐÀ NẴNG

3.1 Giới thiệu về địa điểm nghiên cứu

Qua việc nghiên cứu lưu lượng xe lưu thông qua các công trình cầu, các vị trí thường xuyên tập trung nhiều phương tiện và con người tham gia giao thông như các ngã ba, ngã tư, các bãi biển, các bến du thuyền thì đã đưa ra được các vị trí quan trọng

cần để thiết lập tram đo như sau:

+ Địa điểm trạm chủ được chọn: Trạm cảng vụ; nơi xuất bến của tàu thuyền: đặt trạm ở đây ngoài việc cảnh báo phương tiên xe cộ lưu thông trên Đường Bạch Đằng ngoài ra còn kiểm soát sự xuất bến của tàu thuyền

+ Các cầy cầu cao độ mặt xe chạy cao để cảnh báo xe qua cầu: Cầu Tiên Sơn, cầu Trần Thị Lý, Cầu Rồng, Cầu Thuận Phước, Cầu Nam Ô

+ Tại 2 bãi biển: Bãi biển Thanh Khế và Bãi biển Liên Chiểu ngoài cảnh báo xe trên đường biển Nguyễn Tất Thành còn phục vụ trong công tác cảnh báo người dân khi tắm biển

+ Tại Ngã ba giao giữa đường Nguyễn Sinh Sắc và Nguyễn Tất Thành có mật độ

xe qua lại cao

Hình 3.1 Bản đồ thể hiện các vị trí được chọn

DUT.LRCC

3.2 Giới thiệu về hệ thống đo gió và cảnh báo

3.2.1 Tổng quan

Thiết bị đo gió là thiết bị dùng để đo tốc độ gió, xác định hướng gió Thiết bị đo gió được chia làm hai nhóm chính: nhóm thiết bị đo tốc độ gió và nhóm thiết bị đo áp lực gió sinh ra Trong phạm vi của đề tài, nhóm nghiên cứu ch quan tâm đến nhóm thiết bị đo tốc độ gió, có tên tiếng Anh là Anemometer Thị trường thiết bị đo tốc độ gió khá phong phú và đa dạng, được phân thành các loại khác nhau tùy theo đặc tính riêng biệt của chúng:

- Thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc – Cup anemometer

- Thiết bị đo tốc độ gió kiểu cánh quạt – Wildmill anemometer

- Thiết bị đo tốc độ gió kiểu sợi đốt – Hot-wire anemometer

- Thiết bị đo tốc độ gió bằng tia laser – Laser Doppler anemometer

- Thiết bị đo tốc độ gió bằng sóng siêu âm – Ultrasonic anemometer

- Thiết bị đo tốc độ gió bằng sóng âm – Acoustic resonnance anemometer

- Thiết bị đo gió cầm tay – Handy anenometer

3.2.2 Thiết bị đo tốc đ gió kiểu cốc

Thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc – Cup Anemometer được thiết kế, phát minh bởi Tiến sĩ John Thomas Romney Robinson năm 1846 Đây là thiết bị đơn giản, với cấu tạo gồm các mặt bán cầu (như hình 3.2)

Nguyên lý xác định tốc độ gió: tốc độ của gió (tác động vào các bán cầu) được tính toán dựa trên số vòng quay của các bán cầu trong một đơn vị thời gian

Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, lắp đặt, dễ bảo trì, hiệu ch nh

Nhược điểm: Phản ứng chậm và độ nhạy không cao

Phiên bản phổ biến của thiết bị đo gió kiểu cốc hiện nay là thiết bị đo tốc độ gió 3-cốc được phát triển lần đầu bởi John Patterson năm 1926 và được cải tiến nhiều lần sau bởi các nhà nghiên cứu khác Thiết bị đo gió 3-cốc hiện được xem là thiết bị tiêu chuẩn trong việc đánh giá, nghiên cứu năng lượng gió trên toàn thế giới

DUT.LRCC