Nghiên cứu giải pháp giảm áp lực gió lên mái dốc nhà thấp tầng bằng thực nghiệm trong ống thổi khí động
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.13 MB, 170 trang )
i
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG
VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG
NGUYỄN HOÀI NAM
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP GIẢM ÁP LỰC GIÓ
LÊN MÁI DỐC NHÀ THẤP TẦNG BẰNG THỰC NGHIỆM
TRONG ỐNG THỔI KHÍ ĐỘNG
LUẬN ÁN TIẾN SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và Công nghiệp
Mã số: 62.58.02.08
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. NGUYỄN VÕ THÔNG
2. TS. NGUYỄN HỒNG HÀ
HÀ NỘI – 2014
i
LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới hai thầy hướng dẫn:
PGS.TS. Nguyễn Võ Thông và TS. Nguyễn Hồng Hà đã tận tình hướng dẫn,
giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi, thường xuyên động viên, cho nhiều chỉ dẫn
khoa học có giá trị cao cho luận án và cho việc nâng cao năng lực khoa học
của tác giả.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Viện Thông tin đào tạo và Tiêu chuẩn
hóa – Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng, phòng Nghiên cứu thí nghiệm gió
– Viện chuyên ngành kết cấu Công trình Xây dựng, các thầy, cô giáo, các cán
bộ khoa Xây dựng, bộ môn Công nghệ và tổ chức thi công – Trường Đại học
Kiến trúc Hà Nội và tất cả các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp đã tạo
điều kiện thuận lợi, giúp đỡ và hợp tác trong quá trình nghiên cứu.
Tác giả
Nguyễn Hoài Nam
ii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết
quả trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình
nào khác.
Tác giả luận án
Nguyễn Hoài Nam
iii
MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan……………………………….……………………………
i
Mục lục…………………………………….…………………………….
ii
Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt và thuật ngữ……………………………
vi
Danh mục các bảng trong luận án………………………………………
x
Danh mục các hình vẽ trong luận án…………………………………….
xiv
Phần mở đầu
1
1.
Mục đích của luận án ………….…………………………………
1
2.
Đối tượng nghiên cứu ……………………………………………
2
3.
Nội dung nghiên cứu………………………… …………………
2
4.
Phương pháp nghiên cứu…………………………………………
2
5.
Phạm vi nghiên cứu………………………………………………
2
6.
Những đóng góp mới của luận án………………………………….
2
7.
Cấu trúc luận án
3
Chương 1: Tổng quan về tác động của gió và các giải pháp giảm áp
lực gió lên mái dốc nhà thấp tầng …………… ………………………
4
1.1.
Đặt vấn đề……………… ……… ………………………………
6
1.2.
Tác động của gió đối với nhà thấp tầng……………………………
6
1.2.1.
Khái niệm chung về nhà cao tầng, thấp tầng ……………
6
1.2.2.
Tác động gió lên nhà thấp tầng …………………………
7
1.2.3.
Các phương pháp nghiên cứu tác động của gió lên công
trình thấp tầng …….……………………………………….
9
1.2.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết………… ….….
9
1.2.3.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm……… ……
9
1.3.
Một số giải pháp hạn chế tác động của áp lực gió đối với mái của nhà
thấp tầng …………………………………………………
13
1.3.1.
Những vị trí trên mái chịu ảnh hưởng của áp lực gió hút lớn
13
1.3.2.
Một số giải pháp hạn chế tác hại của gió đối mái nhà thấp
tầng của Việt Nam …………………………………………
18
1.3.3.
Một số giải pháp chủ động giảm áp lực gió lên mái nhà
thấp tầng trên thế giới …………………… ……………….
24
1.3.4.
Nghiên cứu giải pháp sử dụng tấm hướng gió ngang để điều
chỉnh hướng chủ động làm giảm áp lực bất lợi lên một số
dạng kết cấu khác………………………………….………
28
iv
Chương 2: Cơ sở lý thuyết thí nghiệm mô hình trong ống thổi khí động
32
2.1.
Giới thiệu một số phòng thí nghiệm gió trên thế giới và Việt Nam
32
2.1.1.
Phòng thí nghiệm gió ….…………………………………
32
2.1.1.1 Phòng thí nghiệm gió trên thế giới…… ……….….
32
2.1.1.2 Phòng thí nghiệm gió ở Việt Nam.…… ……….….
33
2.1.2.
Ống thổi khí động…………………………………………
34
2.1.2.1 Giới thiệu chung…………………………………….
34
2.1.2.2 Ống thổi khí động – Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng
36
2.2.
Những yêu cầu cơ bản đối với ống thổi khí động thí nghiệm mô
hình thu nhỏ
37
2.3.
Cơ sở lý thuyết về thí nghiệm mô hình…………………………….
38
2.3.1.
Mục đích của thí nghiệm mô hình trong ống thổi khí động
38
2.3.2.
Những nội dung cần nghiên cứu khi thí nghiệm mô hình
nhà thấp tầng trong ống thổi khí động ……………………
38
2.3.3
Mô hình hóa thí nghiệm trong ống thổi khí động ……
40
2.3.3.1 Mô hình hóa công trình thí nghiệm…………….
41
2.3.3.2 Mô hình hóa môi trường gió…………………
44
2.3.3.3 Mô hình hóa môi trường gió cho phù hợp với tiêu chuẩn
Việt Nam ………… ……… …………….
45
2.3.3.4 Mô hình hóa địa hình…………………………
48
2.4.
Thiết lập qui trình thí nghiệm mô hình nhà thấp tầng trong ống thổi khí
động phù hợp với điều kiện Việt Nam…………….
49
Chương 3:Nghiên cứu đề xuất sử dụng tấm chắn gió ngang trên mái dốc
nhà thấp tầng bằng thí nghiệm mô hình trong ống thổi khí động
60
3.1.
Cơ sở lựa chọn thông số của tấm chắn gió nằm ngang……………
60
3.2.
Dạng công trình, dạng địa hình và vùng áp lực gió thí nghiệm …
62
3.2.1.
Công trình thí nghiệm
……………………………………
62
3.2.2.
Dạng địa hình, vùng áp lực gió thí nghiệm ………………
67
3.3.
Thí nghiệm mô hình trong ống thổi khí động………………
68
3.3.1.
Thiết bị và dụng cụ hỗ trợ ……… ………………………
68
3.3.2.
Xác định các thông số cho mô hình và tấm chắn ngang …
69
3.3.3.
Mô hình hóa môi trường gió trong ống thổi khí động…….
71
3.3.4.
Mô hình hóa địa hình……………………………………….
71
3.4.
Thí nghiệm và ghi kết quả………… ………………………
72
3.4.1.
Sơ đồ bố trí đầu đo áp lực và hướng gió thí nghiệm……….
72
3.4.2.
Thổi gió và ghi kết quả……………………… ……………
76
v
3.5.
Phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm ……….…………
76
3.5.1.
Vấn đề sử lý số liệu………………………….……… …….
76
3.5.2.
Kết quả thí nghiệm …………………………………………
77
3.5.2.1 Kết quả thí nghiệm hệ số áp lực với các hướng gió
khác nhau khi không sử dụng tấm chắn ngang cho các mô
hình dạng 1…………………………………………………
77
3.5.2.2 Kết quả thí nghiệm khi sử dụng tấm chắn ngang
rộng 500mm cho các mô hình dạng 1………………………
86
3.5.3.
Đánh giá và so sánh kết quả………………………………
91
3.5.3.1 Đánh giá và so sánh kết quả các trường hợp sử dụng
và không sử dụng tấm chắn ngang của các mô hình dạng 1
91
3.5.3.2 Đánh giá và so sánh kết quả các trường hợp sử dụng
và không sử dụng tấm chắn ngang của các mô hình dạng 1
với tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737-1995………………
98
3.5.3.3 Đánh giá, so sánh hệ số áp lực gió nhỏ nhất trường
hợp sử dụng và không sử dụng tấm chắn ngang của các mô
hình dạng 1 và với một số tiêu chuẩn nước ngoài ……….
108
3.5.4
Kết quả thí nghiệm cho các mô hình dạng 2 (ĐN1 và ĐN2)
112
3.5.4.1 Trường hợp không sử dụng tấm chắn ngang………
112
3.5.4.2 Trường hợp sử dụng tấm chắn ngang rộng 500mm,
cao 500mm………………………….………………………
115
3.5.4.3 So sánh kết quả của các trường hợp không và có sử
dụng tấm chắn ngang………….…….……………………
118
3.6.
Một số cấu tạo tấm chắn ngang trên mái………….…………
122
Chương 4: Thí nghiệm ứng dụng tấm hướng gió ngang trên mái
dốc của mô hình thực ngoài hiện trường
125
4.1.
Các thông số chính của công trình và thiết bị thí nghiệm ….……
125
4.1.1
Các thông số chính của công trình …………………………
125
4.1.2
Giải pháp liên kết và vật liệu sử dụng …… ……….………
126
4.1.3
Thiết bị thí nghiệm ……… …………………… …………
127
4.2.
Các thông số thí nghiệm của mô hình thí nghiệm…… …… ……
129
4.3.
Thí nghiệm đo áp lực lên mái với các hướng gió khác nhau………
130
4.4.
Kết quả thí nghiệm ………………………………………………
131
4.4.1
Xử lý số liệu ……………………………………………
131
4.4.2.
Các kết quả thí nghiệm…………………. …………….……
133
Kết luận…………………………………………………………………
140
vi
1. Các kết quả chính đạt được ………………………………………
140
2. Độ tin cậy của kết quả đạt được
141
3. Hướng phát triển của luận án………………………………………
141
Danh mục công trình nghiên cứu của tác giả liên quan đến luận án.
142
Tài liệu tham khảo……………………………………………….…….
143
vii
DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ
Ký hiệu chữ cái và chữ La tinh
A Diện tích mặt cắt ngang
A
i
Diện tích mái tại điểm i
A
m
Diện tích tiết diện mặt cắt ngang của mô hình
A
ÔTKĐ
Diện tích tiết diện mặt cắt ngang của ống thổi khí động tại vị trí đặt
mô hình
b Chiều rộng của công trình
b
m
Chiều rộng của mô hình
b
Hệ số điều chỉnh theo dạng địa hình
pC
Hệ số áp lực lớn nhất
pC
Hệ số áp lực nhỏ nhất
pC
Hệ số áp lực trung bình
Cp
Hệ số áp lực trung bình toàn mái
c Hệ số khí động
C
p,i
Hệ số áp lực gió tại điểm i
D
m
Kích thước (chiều dài hoặc rộng hoặc cao) mô hình
D
p
Kích thước (chiều dài hoặc rộng hoặc cao) công trình thực
E Mô đun đàn hồi
E
eff
Mô đun hiệu dụng
E
g
Hệ số địa hình theo vận tốc gió trung bình
E
gI
Hệ số điều chỉnh địa hình
E
I
Hệ số địa hình cho độ lệch chuẩn của tốc độ gió dao động
E
m
Mô đun đàn hồi của mô hình
E
p
Mô đun đàn hồi của công trình thực
h Chiều cao của công trình tính từ mặt đất đến diềm mái
h
m
Chiều cao của mô hình đến diềm mái
h
mái
Chiều cao đến đỉnh mái của công trình thực
viii
h
m
mái
Chiều cao của mô hình tính đến đỉnh mái
H
s
Chiều cao của dạng địa hình
hs
Chiều cao tấm chắn gió
h
th
Chiều cao tấm chắn gió ngoài thực tế
I Mô men quán tính hoặc hằng số xoắn
I
rz
Độ rối tại độ cao Z
L Kích thước tổng thể đặc trưng
l Chiều dài của công trình
L
b
Kích thước đặc trưng của công trình hoặc kết cấu
l
m
Chiều dài của mô hình
L
r
Tỉ lệ mô hình
L
t
Tỉ lệ rối
m Mô hình
n
m
Tần số giao động riêng của mô hình
n
p
Tần số giao động riêng của công trình thực
p
Áp lực trung bình theo thời gian
p Nguyên hình
p(t) Áp lực tức thời
p
max
Áp lực lớn nhất đo được trong khoảng thời gian lấy số liệu
p
min
Áp lực nhỏ nhất đo được trong khoảng thời gian lấy số liệu
Re
m
Số Reynolds của mô hình
Re
p
Số Reynolds công trình thực
t Thời gian
T Thời gian lấy số liệu.
T
g
mh
Thời gian thí nghiệm trong ống thổi khí động
T
g
th
Thời gian thí nghiệm ngoài thực tế
T
mh
Chu kỳ dao động riêng của mô hình
g
V
Vận tốc gió trung bình
V
g
Vận tốc gió ở độ cao gradient
ix
V
m
Vận tốc gió trong phòng thí nghiệm
V
p
Vận tốc gió thực
V
r
Tỉ lệ vận tốc thí nghiệm
V
z
Vận tốc gió ở độ cao Z
W
0
Áp lực gió tiêu chuẩn
X
s
Khoảng cách từ phía đỉnh trên cùng của địa hình đến vị trí công trình
xây dựng
Z
b
Chiều cao tham chiếu
Z
g
Chiều cao gradient của lớp nền của một dạng địa hình
Z
o
Chiều dài độ nhám đàn hồi khí của địa hình
α Góc nghiêng
δ
m
Số độ cản của mô hình
δ
p
Số độ cản của công trình thực
θ Hướng gió tới
Độ cản nhớt của công trình
(ρ
s
)
m
Khối lượng riêng của mô hình
(ρ
s
)
p
Khối lượng riêng của công trình thực
Chữ viết tắt
DPMS Dynamic Pressure Measurement System
OTKĐ Ống thổi khí động
TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam
TCXDVN Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam
UD1 Ứng dụng 1
UD2 Ứng dụng 2
Thuật ngữ
Áp lực lớn nhất: peak pressure
Biểu đồ độ rối: turbulence intensity profile
Biểu đồ vận tốc gió: wind velocity profile
Chiều dài nhám: roughness length
Cơn bão: tropical cyclone
x
Cục tạo nhám: roughness element
Cường độ rối: turbulent intensities
Dòng gió tới: approach flow
Hàm cực đại loại I: extreme value type I
Hầm gió: wind tunnel
Hàng rào: fence
Hệ số áp lực lớn nhất: maximum pressure cofficient
Hệ số áp lực nhỏ nhất: minimum pressure cofficient
Hệ số áp lực trung bình: mean pressure cofficient
Hình dạng lớp biên: boundary layer profile
Khối chóp nhọn: spire
Lớp biên khí quyển: atmospheric boundary layer
Lớp biên trong ống thổi khí động: boundary layer wind tunnel
Mật độ cục tạo nhám: density of roughness elements
Ống thổi khí động hở: open circuit wind tunnel
Ống thổi khí động kín: closed circuit wind tunnel
Ống thổi khí động lớp biên: boundary layer wind tunnel
Tỉ lệ chiều dài rối: turbulent length scales
Vận tốc gió trung bình: mean wind speed
xi
DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN ÁN
Trang
Bảng 1.1
Độ cao khởi đầu nhà cao tầng của một số nước
7
Bảng 2.1
Chiều dài độ nhám bề mặt cho các dạng địa hình Theo TC AIJ-
RLB 2004
42
Bảng 2.2
Chiều dài độ nhám bề mặt cho các dạng địa hình theo TCVN
2737-1995
42
Bảng 2.3
Độ cao Gradient Z
g
và hệ số
α
46
Bảng 3.1
Thống kê số lượng mô hình thí nghiệm trong ống thổi khí động
67
Bảng 3.2
Giá trị áp lực gió theo bản đồ phân vùng áp lực gió trên lãnh thổ
Việt Nam
68
Bảng 3.3
Tổng hợp kết quả đo gió các mô hình không có tấm chắn ngang
87
Bảng 3.4
Tổng hợp kết quả đo gió các mô hình với tấm chắn ngang cao 250mm
88
Bảng 3.5
Tổng hợp kết quả đo gió các mô hình với tấm chắn ngang cao 500mm
89
Bảng 3.6
Tổng hợp kết quả đo gió các mô hình với tấm chắn ngang cao 750mm
90
Bảng 3.7
So sánh giá trị lớn nhất của áp lực trung bình cục bộ, áp lực nhỏ
nhất cục bộ Mô hình M1-15, độ dốc mái 15
0
, hướng gió 45
0
95
Bảng 3.8
So sánh giá trị lớn nhất của áp lực trung bình cục bộ, áp lực nhỏ
nhất cục bộ- Mô hình M1-20, độ dốc mái 20
0
, hướng gió 45
0
95
Bảng 3.9
So sánh giá trị lớn nhất của áp lực trung bình cục bộ, áp lực nhỏ
nhất cục bộ - Mô hình M1-25, độ dốc mái 25
0
, hướng gió 45
0
96
Bảng 3.10
So sánh giá trị lớn nhất của áp lực trung bình cục bộ, áp lực nhỏ
nhất cục bộ - Mô hình M1-30, độ dốc mái 30
0
, hướng gió 45
0
96
Bảng 3.11
So sánh giá trị lớn nhất của áp lực trung bình cục bộ, áp lực nhỏ
nhất cục bộ - Mô hình M2-20, độ dốc mái 20
0
, hướng gió 45
0
97
Bảng 3.12
So sánh giá trị lớn nhất của áp lực trung bình cục bộ, áp lực nhỏ
nhất cục bộ-Mô hình M3-20, độ dốc mái 20
0
, hướng gió 45
0
97
xii
Bảng 3.13
So sánh giá trị hệ số áp lực trung bình toàn mái - Mô hình M1-15
101
Bảng 3.14
Giá trị hệ số áp lực trung bình tại các vùng cục bộ - Mô hình
M1-15
101
Bảng 3.15
So sánh giá trị hệ số áp lực trung bình toàn mái - Mô hình M1-20
102
Bảng 3.16
Giá trị hệ số áp lực trung bình tại các vùng cục bộ - Mô hình
M1-20
102
Bảng 3.17
So sánh giá trị hệ số áp lực trung bình toàn mái - Mô hình M1-25
103
Bảng 3.18
Giá trị hệ số áp lực trung bình tại các vùng cục bộ - Mô hình
M1-25
103
Bảng 3.19
So sánh giá trị hệ số áp lực trung bình toàn mái - Mô hình M1-30
104
Bảng 3.20
Giá trị hệ số áp lực trung bình tại các vùng cục bộ - Mô hình
M1-30
104
Bảng 3.21
So sánh giá trị hệ số áp lực trung bình toàn mái - Mô hình M2-20
105
Bảng 3.22
Giá trị hệ số áp lực trung bình tại các vùng cục bộ - Mô hình
M2-20
105
Bảng 3.23
So sánh giá trị hệ số áp lực trung bình toàn mái - Mô hình M3-20
106
Bảng 3.24
Giá trị hệ số áp lực trung bình tại các vùng cục bộ - Mô hình
M3-20
106
Bảng 3.25
So sánh giá trị hệ số áp lực trung bình toàn mái theo kết quả thí
nghiệm và một số tiêu chuẩn nước ngoài – Hướng gió 0
0
107
Bảng 3.26
Giá trị hệ số áp lực nhỏ nhất tại các vùng cục bộ - Mô hình M1-15
108
Bảng 3.27
Giá trị hệ số áp lực nhỏ nhất tại các vùng cục bộ - Mô hình M1-20
109
Bảng 3.28
Giá trị hệ số áp lực nhỏ nhất tại các vùng cục bộ - Mô hình M1-25
109
Bảng 3.29
Giá trị hệ số áp lực nhỏ nhất tại các vùng cục bộ - Mô hình M1-30
110
xiii
Bảng 3.30
Giá trị hệ số áp lực nhỏ nhất tại các vùng cục bộ - Mô hình M2-20
110
Bảng 3.31
Giá trị hệ số áp lực nhỏ nhất tại các vùng cục bộ - Mô hình M3-20
111
Bảng 3.32
So sánh giá trị trung bình của hệ số áp lực nhỏ nhất tại các vùng
cục bộ theo thí nghiệm có và không có tấm chắn mái với các tiêu
chuẩn thế giới
111
Bảng 3.33
Tổng hợp kết quả đo gió nhà một mái
112
Bảng 3.34
Tổng hợp giá trị hệ số áp lực trung bình toàn mái – Mô hình ĐN1
113
Bảng 3.35
Tổng hợp kết quả đo gió nhà hai mái giật cấp - Mô hình ĐN2
114
Bảng 3.36
Tổng hợp giá trị hệ số áp lực trung bình toàn mái - Mô hình ĐN2
114
Bảng 3.37
Tổng hợp kết quả đo gió nhà một mái có sử dụng tấm chắn
ngang - Mô hình ĐN1
116
Bảng 3.38
Tổng hợp giá trị hệ số áp lực trung bình toàn mái có sử dụng tấm
chắn ngang - Mô hình ĐN1
116
Bảng 3.39
Tổng hợp giá trị hệ số áp lực trung bình toàn mái có sử dụng tấm
chắn ngang - Mô hình ĐN2
117
Bảng 3.40
Tổng hợp kết quả đo gió nhà hai mái giật cấp có sử dụng tấm
chắn ngang- Mô hình ĐN2
118
Bảng 3.41
So sánh giá trị hệ số áp lực gió trung bình toàn mái trường hợp
có và không sử dụng tấm chắn ngang– Mô hình ĐN1
119
Bảng 3.42
So sánh giá trị hệ số áp lực gió nhỏ nhất theo các vùng cục bộ -
Mô hình ĐN1
120
Bảng 3.43
So sánh giá trị của hệ số áp lực gió trung bình toàn mái – Mô
hình ĐN2
121
Bảng 3.44
So sánh giá trị hệ số áp lực gió nhỏ nhất theo các vùng cục bộ
của mái dưới phía đón gió – Mô hình ĐN2
121
Bảng 3.45
So sánh giá trị hệ số áp lực gió nhỏ nhất theo các vùng cục bộ
của mái trên phía đón gió - Mô hình ĐN2
121
xiv
Bảng 4.1
Tổng hợp giá trị áp lực gió nhỏ nhất cho ba hướng gió
131
Bảng 4.2
Kết quả đo hệ số áp lực gió nhỏ nhất không tấm chắn ngang
133
Bảng 4.3
Kết quả đo hệ số áp lực gió nhỏ nhất có tấm chắn ngang
133
Bảng 4.4
So sánh giá trị của hệ số áp lực gió nhỏ nhất tại các điểm đo trên
mái
134
Bảng 4.5
So sánh miền giá trị của hệ số áp lực nhỏ nhất của hai mô hình
136
Bảng 4.6
So sánh hệ số áp lực nhỏ nhất tại một số điểm đo tương ứng của hai
mô hình
137
Bảng 4.7.
Miền giá trị của hệ số của hệ số áp lực nhỏ nhất theo thí nghiệm
và hệ số áp lực trung bình c
e1
và c
e2
quy định trong “TCVN
2737:1995”
138
xv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN ÁN
Trang
Hình 1.1
Tần suất xuất hiện của bão biển trên thế giới từ năm 1980-2000
4
Hình 1.2
Bản đồ phân bố áp lực gió lãnh thổ Việt Nam
4
Hình 1.3
Khu vực thường xuyên có gió bão trên lãnh thổ Việt Nam
4
Hình 1.4
Một số hình ảnh các công trình bị hư hỏng sau các cơn bão ở
Việt Nam
6
Hình 1.5
Một số hình ảnh về công trình công nghiệp bị ảnh hưởng của
bão
6
Hình 1.6
Áp lực tĩnh do gió tác động lên nhà thấp tầng
8
Hình 1.7
Luồng gió bị chuyển hướng tạo nên các vùng áp lực âm
8
Hình 1.8
Lực khí động gây bởi kích động xoáy do tương tác giữa luồng
gió với công trình dạng trụ
8
Hình 1.9
Một số công trình thực ngoài hiện trường
10
Hình 1.10
Tòa nhà kết cấu Silsoe 1986/1987
11
Hình 1.11
Một số hình ảnh mô hình nhà trong ống thổi khí động
12
Hình 1.12
Một số hình ảnh mô hình khác trong ống thổi khí động
12
Hình 1.13
Một số hình ảnh các công trình thí nghiệm trong ống thổi khí
động tại Việt Nam
13
Hình 1.14
Các vùng chịu áp lực cục bộ trên mái – TCVN 2737-1995
14
Hình 1.15
Tiêu chuẩn Châu âu - EN 1
14
Hình 1.16
Tiêu chuẩn Nhật bản AIJ/RLB 2004
15
Hình 1.17
Tiêu chuẩn Hoa kỳ ASCE/SEI 7-05
15
Hình 1.18
Tiêu chuẩn Canada NBCC 1995
16
Hình 1.19
Tiêu chuẩn Anh - BS 6399-2
16
Hình 1.20
Hệ số áp lực gió nhỏ nhất theo các hướng gió chính
17
Hình 1.21
Chọn địa điểm xây dựng
19
Hình 1.22
Giải pháp mặt bằng nhà
20
xvi
Hình 1.23
Giải pháp bố trí nhà tập trung thành cụm
20
Hình 1.24
Mẫu nhà chống bão đã được áp dụng tại một số địa phương
của TP Huế
20
Hình 1.25
Biện pháp dùng giằng chữ A neo giữ mái nhà
21
Hình 1.26
Chống tốc mái bằng thanh nẹp
22
Hình 1.27
Dùng giằng chữ A neo giữ mái tôn, fibroximang
22
Hình 1.28
Biện pháp chống tốc mái cho mái ngói
22
Hình 1.29
Biện pháp chống tốc mái bằng bao tải cát
23
Hình 1.30
Giải pháp tăng cứng cho nhà
23
Hình 1.31
Mẫu nhà ở xây tường 20, hai gian kiên cố có gác xép
23
Hình 1.32
Một số ứng dụng ngoài thực tế
24
Hình 1.33
Dùng tải cát chất lên, cây giằng mái vẫn bị gió thổi bay mái
24
Hình 1.34
Tường chắn trong nghiên cứu của A. Baskaran, T.
Stathopoulos
25
Hình 1.35
Tường chắn trong nghiên cứu của J.X. Lin, D. Surry
25
Hình 1.36
Tường chắn dạng Spoiler
27
Hình 1.37
Mặt cắt của tường chắn dạng A, B, C, D
27
Hình 1.38
Mặt cắt của tường chắn dạng conson (Spoiler)
27
Hình 1.39
Các dạng tường chắn trong nghiên cứu của Kopp, G.A.,
Surry, D. và Mans
27
Hình 1.40
Một số hình ảnh thí nghiệm khí động học của máy bay trong
hầm gió
28
Hình 1.41
Một số hình ảnh thí nghiệm khí động học của oto trong hầm gió
28
Hình 1.42
Lực nâng và lực hướng xuống khi dòng chảy qua vật thể (ô tô)
28
Hình 1.43
Một số hình ảnh cánh gió của ô tô
29
Hình 1.44
Mô hình luồng khí thổi qua cánh máy bay
29
Hình 1.45
Các cánh nhỏ của máy bay hoạt động khi cất, hạ cánh máy bay Airbus
30
Hình 2.1
Một số phòng thí nghiệm gió trên thế giới
33
Hình 2.2
Ống thổi khí động của Học viện Phòng không Không quân
33
xvii
Hình 2.3
Ống thổi khí động của Trường Đại học Bách Khoa – TP Hồ Chí Minh
34
Hình 2.4
Ống thổi khí động hở
35
Hình 2.5
Ống thổi khí động kín
36
Hình 2.6
Hình ảnh ống thổi khí động và các thiết bị sử dụng trong ống
thổi của Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng
37
Hình 2.7
Hư hỏng mái ngói
40
Hình 2.8
Sơ đồ các loại mô hình thí nghiệm trong ống thổi khí động và
mục đích sử dụng
41
Hình 2.9
Địa hình dạng vách đứng
48
Hình 2.10
Địa hình dạng gò đồi
48
Hình 2.11
Biểu đồ profile vận tốc gió lý thuyết theo chiều cao của dạng địa
hình A
48
Hình 2.12
Biểu đồ độ rối của gió lý thuyết theo chiều cao của dạng địa hình A
48
Hình 2.13
Công cụ tạo môi trường gió trong ống thổi khí động
48
Hình 2.14
Công trình lân cận mô phỏng dạng khối
49
Hình 2.15
Thanh spire và tấm tạo nhám trong khu vực thí nghiệm
52
Hình 2.16
Một dạng tấm spire
52
Hình 2.17
Kích thước các thanh công cụ hỗ trợ
53
Hình 2.18
So sánh profile của vận tốc gió thu được theo cấu hình thiết
lập với profile lý thuyết dạng địa hình A
54
Hình 2.19
So sánh profile độ rối thu được theo cấu hình thiết lập với
profile lý thuyết dạng địa hình A
54
Hình 2.20
Các hướng gió tác dụng – Hướng gió thay đổi 15
0
54
Hình 2.21
Sự thay đổi hệ số áp lực gió theo thời gian
55
Hình 2.22
Sơ đồ mô tả quy trình thí nghiệm mô hình trong ống thổi khí động
58
Hình 2.23
Sơ đồ mô tả quy trình thí nghiệm xác định hệ số áp lực gió
cho nhà thấp tầng bằng mô hình trong ống thổi khí động
59
Hình 3.1
Mặt đứng điển hình bố trí tấm chắn ngang trên mái
61
Hình 3.2
Mặt cắt điển hình bố trí tấm chắn trên mái (tấm rộng 500mm)
61
Hình 3.3
Mô hình thí nghiệm nhà mái dốc hai bên – Mô hình M1; M2; M3
61
xviii
Hình 3.4
Kiến trúc điển hình các mô hình M1
62
Hình 3.5
Mặt bằng - mặt cắt các mô hình M1 (M1-15; M1-20; M1-25; M1-30)
62
Hình 3.6
Mặt bằng - mặt đứng - mặt cắt các mô hình M2
63
Hình 3.7
Mặt bằng – mặt đứng - mặt cắt các mô hình M3
63
Hình 3.8
Phối cảnh nhà ĐN1
64
Hình 3.9
Mặt bằng – mặt bằng giằng mái công trình ĐN1
64
Hình 3.10
Mặt đứng – mặt cắt công trình ĐN1
65
Hình 3.11
Phối cảnh nhà ĐN2
65
Hình 3.12
Mặt bằng tầng 1 công trình ĐN2
65
Hình 3.13
Mặt bằng gác lửng-mặt bằng mái-mặt cắt công trình ĐN2
66
Hình 3.14
Biểu đồ profile của vận tốc gió theo chiều cao dạng địa hình A
72
Hình 3.15
Biểu đồ độ rối theo chiều cao dạng địa hình A
72
Hình 3.16
So sánh profile của vận tốc gió thu được theo cấu hình thiết
lập với profile lý thuyết
72
Hình 3.17
So sánh profile độ rối thu được theo cấu hình thiết lập với
profile lý thuyết
72
Hình 3.18
Sơ đồ bố trí các đầu đo áp lực trên mái của mô hình M1
72
Hình 3.19
Các hướng gió tác dụng
73
Hình 3.20
Mô hình thí nghiệm trong ống thổi khí động
73
Hình 3.21
Sơ đồ bố trí các đầu đo áp lực trên mái của mô hình M2-20; M3-20
73
Hình 3.22
Các hướng gió tác dụng lên mô hình M2-20; M3-20
74
Hình 3.23
Mô hình M3-20 thí nghiệm trong ống thổi khí động
74
Hình 3.24
Mô hình M2-20 thí nghiệm trong ống thổi khí động
74
Hình 3.25
Sơ đồ bố trí các đầu đo áp lực trên mái của mô hình ĐN1
74
Hình 3.26
Mô hình thí nghiệm nhà 1 mái ĐN1
74
Hình 3.27
Các hướng gió tác dụng lên mô hình ĐN1
75
Hình 3.28
Mô hình ĐN1 thí nghiệm trong ống thổi khí động
75
Hình 3.29
Sơ đồ bố trí các đầu đo áp lực trên mái của mô hình ĐN2
75
xix
Hình 3.30
Các hướng gió tác dụng lên mô hình ĐN2
75
Hình 3.31
Mô hình thí nghiệm nhà 4 mái ĐN2
76
Hình 3.32
Mô hình ĐN2 thí nghiệm trong ống thổi khí động
76
Hình 3.33
Các mô hình thí nghiệm đã gắn tấm chắn gió trong ống thổi khí động
77
Hình 3.34
Hệ số áp lực trung bình, áp lực nhỏ nhất, áp lực lớn nhất ứng
với hướng gió 0
0
– Mô hình M1-15
79
Hình 3.35
Hệ số áp lực trung bình, áp lực nhỏ nhất, áp lực lớn nhất ứng
với hướng gió 45
0
– Mô hình M1-15
80
Hình 3.36
Hệ số áp lực trung bình, áp lực nhỏ nhất, áp lực lớn nhất ứng
với hướng gió 90
0
– Mô hình M1-15
81
Hình 3.37
Biểu đồ so sánh giá hệ số áp lực gió trung bình cục bộ và hệ
số áp lực nhỏ nhất cục bộ – Mô hình M1-15
91
Hình 3.38
Biểu đồ so sánh hệ số áp lực gió trung bình cục bộ và hệ số áp
lực nhỏ nhất cục bộ – Mô hình M1-20; M1-25
92
Hình 3.39
Biểu đồ so sánh hệ số áp lực gió trung bình cục bộ và hệ số áp
lực nhỏ nhất cục bộ – Mô hình M1-30; M2-20
93
Hình 3.40
Biểu đồ so sánh hệ số áp lực gió trung bình cục bộ và hệ số áp
lực nhỏ nhất cục bộ - Mô hình M3-20
94
Hình 3.41
Phân chia vùng để xác định giá trị hệ số áp lực tại vị trí cục bộ
98
Hình 3.42
Hệ số áp lực gió trung bình toàn mái theo thí nghiệm và theo
TCVN- 2737:1995 – Mô hình – M1-15
99
Hình 3.43
Hệ số áp lực gió trung bình toàn mái theo thí nghiệm và theo
TCVN- 2737:1995 – Mô hình – M1-20
99
Hình 3.44
Hệ số áp lực gió trung bình toàn mái theo thí nghiệm và theo
TCVN- 2737:1995 – Mô hình – M1-25
99
Hình 3.45
Hệ số áp lực gió trung bình toàn mái theo thí nghiệm và theo
TCVN- 2737:1995 – Mô hình – M1-30
100
Hình 3.46
Hệ số áp lực gió trung bình toàn mái theo thí nghiệm và theo
TCVN- 2737:1995 – Mô hình – M2-20
100
Hình 3.47
Hệ số áp lực gió trung bình toàn mái theo thí nghiệm và theo
TCVN- 2737:1995 – Mô hình – M3-20
100
xx
Hình 3.48
Hệ số áp lực trung bình, áp lực nhỏ nhất – Mô hình ĐN1
113
Hình 3.49
Hệ số áp lực trung bình, áp lực nhỏ nhất – Mô hình ĐN2
115
Hình 3.50
Hệ số áp lực trung bình, áp lực nhỏ nhất có tấm chắn ngang –
Mô hình ĐN1
117
Hình 3.51
Phân chia các vùng để xác định hệ số áp lực cục bộ cho mô hình ĐN1
118
Hình 3.52
Hệ số áp lực trung bình, áp lực nhỏ nhất có tấm chắn ngang –
Mô hình ĐN2
119
Hình 3.53
Biểu đồ so sánh hệ số áp lực trung bình giữa không sử dụng
và có sử dụng tấm chắn ngang
120
Hình 3.54
Biểu đồ so sánh hệ số áp lực nhỏ nhất giữa không sử dụng và
có sử dụng tấm chắn ngang
120
Hình 3.55
Phân chia các vùng để xác định hệ số áp lực cục bộ cho mô hình ĐN2
120
Hình 3.56
Biểu đồ so sánh hệ số áp lực trung bình giữa không và có sử
dụng tấm chắn ngang Mái trước
122
Hình 3.57
Biểu đồ so sánh hệ số áp lực trung bình giữa không và có sử
dụng tấm chắn ngang - Mái sau
122
Hình 3.58
Biểu đồ so sánh hệ số áp lực nhỏ nhất giữa không sử dụng và
có sử dụng tấm chắn ngang - Mái trước
122
Hình 3.59
Biểu đồ so sánh hệ số áp lực nhỏ nhất giữa không sử dụng và
có sử dụng tấm chắn ngang - Mái sau
122
Hình 3.60
Một số chi tiết cấu tạo khi lắp dựng tấm chắn ngang trên mái
124
Hình 3.61
Một số dạng chi tiết cấu tạo liên kết tấm chắn ngang trên mái
124
Hình 4.1
Phối cảnh công trình
125
Hình 4.2
Bố trí tấm chắn ngang trên mái
126
Hình 4.3
Liên kết tấm chắn ngang với cột giữa
126
Hình 4.4
Liên kết cột giữa với xà gồ mái
126
Hình 4.5
Liên kết tấm chắn ngang với cột góc
126
Hình 4.6
Liên kết cột biên với xà gồ mái
126
Hình 4.7
Liên kết tấm chắn ngang với cột đỉnh
126
Hình 4.8
Liên kết cột đỉnh với xà gồ mái
126
xxi
Hình 4.9
Vị trí lắp dựng cột đỡ tấm chắn ngang
127
Hình 4.10
Các chi tiết bản mã
127
Hình 4.11a,b
Thiết bị thu dữ liệu
128
Hình 4.12
Thước đo chênh áp lực
128
Hình 4.13
Quạt tạo luồng gió
128
Hình 4.14
Ống dẫn khí được gắn lên trên mái tôn
128
Hình 4.15
Thiết bị đo vận tốc, áp lực gió
128
Hình 4.16
Thí nghiệm quy đổi áp lực gió trong ống thổi khí động
128
Hình 4.17
Biểu đồ so sánh quy đổi độ chênh chất lỏng sang áp lực gió
129
Hình 4.18
Sơ đồ bố trí các đầu đo áp lực
129
Hình 4.19
Các hướng gió tác dụng
129
Hình 4.20
Mô hình thí nghiệm nhà ngoài trời
130
Hình 4.21
Kiểm tra vận tốc gió tại vị trí đặt mô hình
130
Hình 4.22
Phân chia vùng để xác định giá trị trung bình tại vị trí cục bộ
133
Hình 4.23
So sánh giá trị hệ số áp lực gió nhỏ nhất của 56 điểm đo trên
mái trong trường hợp có và không có tấm chắn ngang
134
Hình 4.24
So sánh áp lực gió khi không và có tấm chắn ngang – Góc gió 0
0
134
Hình 4.25
So sánh chi tiết áp lực gió khi không và có tấm chắn ngang – Góc gió 0
0
135
Hình 4.26
So sánh áp lực gió khi không và có tấm chắn ngang – Góc gió 45
0
135
Hình 4.27
So sánh chi tiết áp lực gió khi không và có tấm chắn ngang –
Góc gió 45
0
135
Hình 4.28
So sánh áp lực gió khi không và có tấm chắn ngang – Góc gió 90
0
135
Hình 4.29
So sánh chi tiết áp lực gió khi không và có tấm chắn ngang –
Góc gió 90
0
136
1
PHẦN MỞ ĐẦU
Hàng năm, gió bão, tố, lốc gây ra các tổn thất to lớn về kinh tế cũng như tính
mạng con người. Mặc dù công tác dự báo bão đã có nhiều tiến bộ nhưng thiệt hại do
bão gây ra vẫn vô cùng lớn, đặc biệt là các vùng ven biển miền Trung.
Do điều kiện kinh tế của đa số người dân nông thôn khu vực này còn nghèo, nên
phần lớn các công trình là nhà thấp tầng (thậm chí là nhà một tầng) và thường được
xây dựng theo các phương pháp truyền thống. Cấu trúc của các nhà ở này thường
được xây bằng gạch, mái lợp ngói, tôn hoặc fibroxi măng; các kết cấu mái nhẹ của
dạng công trình này thường ít được tính toán cụ thể nhất là các chi tiết liên kết. Theo
các thống kê về thiệt hại do gió bão gây ra cho thấy bộ phận bị hư hại nhiều nhất của
các công trình dạng này chính là kết cấu mái.
Việc nghiên cứu và đưa các giải pháp kỹ thuật để làm giảm thiệt hại do gió bão
gây ra cho các công trình thấp tầng, xây dựng trong vùng chịu ảnh hưởng mạnh của
bão là có ý nghĩa xã hội rất quan trọng.
Từ những lý do trên đề tài được lựa chọn là “Nghiên cứu giải pháp giảm áp
lực gió lên mái dốc nhà thấp tầng bằng thực nghiệm trong ống thổi khí động”.
1. Mục đích nghiên cứu của đề tài
- Thiết lập quy trình thí nghiệm mô hình nghiên cứu về áp lực gió lên công trình
thấp tầng trong ống thổi khí động.
- Đề xuất bổ sung giải pháp dùng tấm hướng gió theo phương ngang để chủ
động giảm áp lực gió tác động lên mái làm bằng vật liệu nhẹ có độ dốc của nhà thấp
tầng.
- Đánh giá hiệu quả của việc sử dụng tấm hướng gió ứng với các trường hợp thay
đổi độ cao đặt tấm chắn khác nhau, từ đó kiến nghị chiều cao đặt tấm chắn hiệu quả
nhất.
- So sánh kết quả nghiên cứu với các quy định liên quan đến hệ số áp lực gió
cho mái dốc trong tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 và đề xuất kiến nghị sử dụng giải
pháp tấm hướng gió theo phương ngang trên mái làm bằng vật liệu nhẹ có độ dốc
của nhà thấp tầng để chủ động giảm áp lực gió tác động lên kết cấu mái khi xây
dựng trong khu vực thường xuyên có gió bão.
2
2. Đối tượng nghiên cứu
Tấm hướng gió đặt theo phương ngang có mặt phẳng tấm song song với mặt
phẳng mái (sau đây gọi tắt là tấm chắn ngang) bố trí trên mái làm bằng vật liệu nhẹ
có độ dốc của công trình nhà thấp tầng dưới tác dụng của gió, bão.
3. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan các biện pháp chống tốc mái cho các công trình thấp
tầng, mái mềm có độ dốc được xây dựng trong vùng thường xuyên có gió bão;
- Nghiên cứu ứng dụng giải pháp tấm chắn ngang điều chỉnh hướng gió để chủ
động giảm các áp lực bất lợi lên mái làm bằng vật liệu nhẹ có độ dốc của công trình
thấp tầng xây dựng trong vùng chịu ảnh hưởng của gió, bão;
- Nghiên cứu đánh giá hiệu quả giải pháp ứng dụng của tấm chắn ngang trên
mái dốc của công trình thực;
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết thí nghiệm về áp lực gió lên mái của công trình
thấp tầng bằng thí nghiệm mô hình trong ống thổi khí động;
- Xây dựng quy trình thí nghiệm nghiên cứu áp lực gió lên mái làm bằng vật
liệu nhẹ có độ dốc của nhà một tầng xây dựng trong vùng thường xuyên có gió, bão.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu thí nghiệm bằng mô hình thu nhỏ trong ống thổi khí
động. Sử dụng để nghiên cứu là ống thổi khí động của phòng nghiên cứu thí nghiệm
gió của Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng – Bộ Xây dựng.
- Phương pháp thí nghiệm ứng dụng trên mô hình thực ngoài hiện trường.
5. Phạm vi nghiên cứu
- Nhà thấp tầng (nhà 1 tầng) sử dụng mái làm bằng vật liệu nhẹ có độ dốc từ
5÷30
0
.
- Tấm hướng gió đặt theo phương ngang (mặt phẳng tấm song song với mặt
phẳng mái).
6. Những đóng góp mới của luận án
- Hệ thống hóa được các cơ sở lý luận và phương pháp để xác định các thông số
liên quan đến áp lực gió trên kết cấu mái của nhà thấp tầng phù hợp với điều kiện
Việt Nam.
3
- Thiết lập được quy trình thí nghiệm mô hình nghiên cứu về áp lực gió lên công
trình thấp tầng trong ống thổi khí động phù hợp với điều kiện Việt Nam.
- Đưa ra được giải pháp mới để chủ động giảm áp lực gió bất lợi tác động lên
mái làm bằng vật liệu nhẹ có độ dốc của nhà thấp tầng xây dựng trong vùng chịu
ảnh hưởng của gió bão bằng tấm chắn đặt theo phương ngang bố trí trên chu vi
diềm mái.
- Đánh giá hiệu quả kỹ thuật của việc sử dụng giải pháp mới này.
7. Cấu trúc luận án
Ngoài các phần mở đầu, mục lục, danh mục các tài liệu tham khảo, các công
trình khoa học đã công bố, các phụ lục hình vẽ, bảng biểu, luận án gồm 136 trang
được bố cục trong 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về tác động của gió và các giải pháp giảm áp lực gió lên
mái dốc nhà thấp tầng (28 trang).
Chương 2: Cơ sở lý thuyết thí nghiệm mô hình trong ống thổi khí động (28
trang).
Chương 3: Nghiên cứu đề xuất sử dụng tấm chắn ngang trên mái dốc nhà thấp
tầng bằng thí nghiệm mô hình trong ống thổi khí động (65 trang).
Chương 4: Thí nghiệm ứng dụng tấm chắn ngang trên mái dốc của công trình
thực (15 trang).
