bài giảng tác động của gió lên công trình

<span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

động của gió lên cơng trình xây dựng và phương pháp thiết kế cơng trình chịu tác động của gió. Các nội dung giảng dạy bao gồm: Gió và các đặc trưng của gió; Tác động của gió lên cơng trình xây dựng; Tính tốn tải trọng gió lên cơng trình xây dựng; Các hiệu ứng đặc biệt của gió lên cơng trình xây dựng.

Nhằm cung cấp tài liệu học tập cho học viên cao học ngành Kỹ thuật xây dựng, Bộ môn Xây dựng dân dụng và cơng nghiệp, Khoa Cơng trình, Trường Đại học Thủy lợi biên soạn cuốn bài giảng “Tác động của gió lên cơng trình”.

Bài giảng trình bày các cơ sở lý thuyết và phương pháp tính tốn xác định tải trọng và tác động động lực của gió lên cơng trình xây dựng, bao gồm thành phần tĩnh, thành phần động của tải trọng gió; tải trọng gió lên các kết cấu bao che, mái; hiện tượng mát ổn định khí động; các ví dụ tính tốn minh họa; đánh giá an toàn nhà theo cấp bão, là một bổ sung cần thiết cho các kỹ sư kết cấu chuyên ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp. Đây là tài liệu rất cơ bản, giúp ích cho học viên trong quá trình học tập, lựa chọn hướng nghiên cứu đề tài luận văn tốt nghiệp và tham khảo trong thực hành tính tốn kết cấu cơng trình.

Tài liệu chắc chắn sẽ cịn những thiếu sót, rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp quý báu, chân thành của bạn đọc.

Chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Xây dựng dân dụng và công nghiệp và các đồng nghiệp đã cộng tác, góp ý và giúp đỡ để hoàn thành cuốn tài liệu bài giảng này.

<b>Tác giả </b>

<b>Nguyễn Ngọc Thắng </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

<b>1.1. Gió và tác động của gió lên cơng trình </b> 1

1.1.3. Cấu trúc và các tham số đặc trưng ảnh hưởng đến tác dụng của tải trọng gió 4

1.1.3.2. Phân loại các tham số đặc trưng ảnh hưởng đến tác dụng của gió 5 1.1.4. Khảo sát các tham số ảnh hưởng đến việc tính tốn tác dụng của 5

tải trọng gió lên cơng trình

1.1.4.4. Hệ số độ cao

1.1.4.5. Hệ số xung áp lực động  1.1.4.6. Hệ số tương quan khơng gian 1.1.4.7. Hệ số khí động C

1.1.4.8. Dạng địa hình

<b>1.2. Tổng quan các nghiên cứu về tải trọng gió </b>

1.2.1. Các nghiên cứu ở nước ngoài 1.2.2. Các nghiên cứu ở trong nước

<b>1.3. Xác định tải trọng gió theo một số một số tiêu chuẩn </b>

1.3.1. Theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ ASCE/SEI 7-2010 1.3.2. Theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1991-1.4 (2005) 1.3.3. Xác định tải trọng gió theo TCVN 2737:1995

<b>1.4. Nhận xét chương 1</b>

15 17 19 20 20 21 22 35 38 38 38 38

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

<b>TỔNG QUAN VỀ TẢI TRỌNG GIĨ </b>

<b>1.1. Gió và tác động của gió lên cơng trình </b>

<i><b>1.1.1. Khái niệm về gió, bão, lốc xốy </b></i>

Gió là sự chuyển động của dịng khí chảy rối trong khí quyển từ vùng có áp suất cao về vùng có áp suất thấp. Gió phát sinh chủ yếu do phân bố không đều độ chiếu nắng của mặt trời trên bề mặt trái đất và do sự quay của trái đất quanh trục bản thân của nó. Đặc tính chủ yếu của gió là vận tốc thay đổi liên tục và không đều theo cả không gian và thời gian.

Bão là một xoáy thuận nhiệt đới có sức gió mạnh nhất từ cấp 8 trở lên và có thể có gió giật. Bão từ cấp 10 đến cấp 11 được gọi là bão mạnh; từ cấp 12 trở lên được gọi là bão rất mạnh [12]. Bão xuất hiện khi nước bốc hơi mạnh, thường ở nhiệt độ từ 27<small>o</small>C trở lên và ở ngoài biển, sự bốc hơi này hình thành dịng khí bốc ngược thẳng đứng, cộng với chuyển động xoay của trái đất quay quanh trục bản thân để tạo thành dịng xốy ngang, từ đó cơn bão được hình thành. Vận tốc tiếp tuyến của dịng xốy ngang chính là vận tốc gió bão, có thể đạt đến 150km/h hoặc lớn hơn.

<i>Lốc xoáy là một hiện tượng khí tượng đặc biệt, là luồng gió xốy có vận tốc </i>

lớn được hình thành trong phạm vi hẹp và tan đi trong thời gian ngắn [12]. Sức gió ở vùng xa tâm thì nhỏ nhưng càng vào trong càng mạnh lên và ở giữa thì hình thành một cái lõi. Phạm vi hoạt động của lốc nhỏ hơn của bão nhưng sức gió thì mạnh hơn rõ rệt, có thể đến 250 - 290km/h. Lốc thường xuất hiện bất ngờ và có thể xuất hiện ở mọi nơi.

Tác động của gió thơng thường với những điều kiện khí tượng thuận lợi, đã có nhiều khảo sát, nghiên cứu và thu được những số liệu khá chuẩn xác. Nhưng những nghiên cứu về bão, lốc trên thế giới cịn ít, qui luật và tác động của nó nhiều diễn biến phức tạp. Vì vậy bão luôn là vấn đề quan tâm của các nhà khoa học, của

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

nhiều quốc gia mà các nghiên cứu chỉ là để tiệm cận được, nhằm chấp nhận những số liệu nội suy trên cơ sở của một số kinh nghiệm để đưa vào tính tốn cơng trình.

<i><b>1.1.2. Tác dụng của gió lên cơng trình </b></i>

Gió là sự vận động của luồng khí trong không gian, tác dụng của gió lên cơng trình là do sự va đập của luồng khí khi gặp vật cản trên đường đi của nó. Mặt khác, theo thời gian tốc độ của gió ln ln thay đổi. Hai ngun nhân này gây nên sự mạch động của luồng gió.

Khi dịng thổi của gió vượt qua một cơng trình thì tất cả các vùng của ngơi nhà đó đều chiụ một áp lực nhất định. Vị trí của các vùng và đường định biên của các giá trị tác dụng tuân theo những quy luật và có thể xác định được bằng lý thuyết hoặc thực nghiệm, mặt trước cơng trình phía đón gió xuất hiện áp lực dương, gây gió đẩy; ở sau cơng trình, phía khuất gió và ở hai mặt bên của cơng trình xuất hiện áp lực âm do gió hút.

Trạng thái biến đổi của dịng thổi qua ngôi nhà phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ các kích thước các mặt của ngơi nhà, vào thể loại ngơi nhà, vào hình dạng mái và loại kết cấu bao che. Thí dụ với những nhà mái dốc, khi góc dốc tương đối nhỏ thì đường định biên xuất hiện ở mái dốc phía đón gió, nhưng khi góc dốc rất nhỏ thì tồn bộ mái xuất hiện áp lực hút, cịn khi góc dốc khá lớn thì tồn bộ mái phía trước chịu áp lực dương, tồn bộ mái phía sau chịu áp lực âm.

Trạng thái dòng thổi còn phụ thuộc vị trí tương đối của ngơi nhà so với các cơng trình lân cận và cảnh quan khu vực (bờ cao, sườn dốc, núi đồi, thung lũng...). Góc tới của dịng thổi có thể bị biến đổi và làm ảnh hưởng tới cả định tính, định lượng của áp lực gió lên cơng trình.

<i>Áp lực và phân bố tải trọng </i>

Tải trọng gió được phân loại và xác định tuỳ theo trạng thái dòng thổi tác động lên cơng trình. Với tường và mái có độ dốc lớn, ở phía đón gió chịu tác dụng của áp lực dương - ép vào bề mặt đón gió, các phần cịn lại chịu áp lực hút. Giá trị

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

của áp lực hút có thể đạt tới hoặc lớn hơn so với giá trị áp lực ép vào, đặc biệt là ở vùng biên tiếp giáp giữa mặt cản đón gió với vùng thốt gió hoặc hút gió. Tại các vùng này, gió có thể đến từ mọi phía với thời gian và góc chuyển lập hướng bất kỳ tạo thành các dải hút cục bộ, đột biến rất lớn.

Áp lực trong tác dụng lên tất cả các tấm tường và mái như nhau. Áp lực ngồi do gió tác động lên cơng trình bao gồm áp lực ép, áp lực hút vng góc lên bề mặt và áp lực tiếp tuyến. Giá trị của áp lực tiếp tuyến phụ thuộc vào mật độ của không khí và ứng suất tiếp lớp biên. Bề mặt càng gồ ghề, thơ nhám thì lớp biên càng rối và ứng suất tiếp càng lớn.

Tải trọng gió tác động lên cơng trình được xác định bằng tổng các tải trọng tác động lên tất cả các bề mặt của nó. Khi cơng trình được coi là hồn tồn kín thì chỉ có gió mặt ngồi, khi cơng trình hở hồn tồn thì chỉ có gió lên mái; cịn khi cơng trình chỉ có hở một phần thì làm giảm tỷ lệ giữa áp lực trong và áp lực ngoài cho toàn bộ nhưng sẽ làm tăng cục bộ ở một số bộ phận và có thể dẫn đến nguyên nhân phá hoại cục bộ cơng trình. Thơng thường, các tác động này được phân tích theo các trục, các hướng và thơng qua các thí nghiệm khí động học để xác định các hệ hố khí động, các tham số ảnh hưởng tương ứng với các hướng này.

Dưới tác dụng của tải trọng gió, các cơng trình cao, mềm, độ thanh mảnh lớn sẽ có dao động. Tuỳ theo phân bố độ cứng của cơng trình mà dao động này có thể theo phương bất kỳ trong không gian. Thông thường chúng được phân tích thành hai phương chính: phương dọc và phương ngang luồng gió, trong đó dao động theo phương dọc luồng gió là chủ yếu. Với các cơng trình thấp, dao động này là khơng đáng kể, nhưng với các cơng trình cao khi dao động sẽ phát sinh lực quán tính làm tăng thêm tác dụng bình thường của tải trọng gió. Như vậy, tác dụng theo phương luồng gió của tải trọng gió lên cơng trình cao bao gồm hai thành phần: thành phần tĩnh gây nên bởi áp lực gió lên cơng trình có bề mặt cản gió và thành phần động tạo thành bởi xung mạch động của tải trọng gió và lực qn tính sinh ra khi cơng trình có khối lượng bị dao động do gió thổi.

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

<i><b>1.1.3. Cấu trúc và các tham số đặc trưng ảnh hưởng đến tác dụng của tải trọng gió. </b></i>

1.1.3.1. Cấu trúc

<i> Gió được hình thành bởi hai yếu tố chủ yếu: </i>

- Sự chênh lệch áp suất tạo nên sự chuyển động của luồng khí tạo thành gió. - Sự thay đổi địa hình bề mặt trái đất trên đường đi của dịng khí (độ cao, độ nhám) làm thay đổi vận tốc, hướng gió.

Hai yếu tố trên đây gây nên sự biến đổi liên tục vận tốc luồng gió theo khơng gian và thời gian nhưng ở các mức độ khác nhau. Có thể coi vận tốc gió là tổng của hai thành phần:

- Thành phần trung bình của vận tốc gió, chỉ phụ thuộc toạ độ không gian ( , , )

- Thành phần xung của vận tốc gió, trị số phụ thuộc vào cả không gian và thời gian ′( , , , )

Nếu chỉ xét sự thay đổi không gian theo chiều cao z (Hình 1.1), ta có:

<b>Hình 1.1. Quan hệ vận tốc gió theo thời gian </b>

Khi đó, áp lực gió tác dụng lên cơng trình ở độ cao z:

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

( , ) = ( ) + ′( , ) (1.2) trong đó: ( , )- tổng áp lực do thành phần dọc của luồng gió gây ra

( )- áp lực do thành phần trung bình ( ) gây ra ′( , )- áp lực do thành phần xung ′( , ) gây ra

1.1.3.2. Phân loại các tham số đặc trưng ảnh hưởng đến tác dụng của gió

Tác dụng của gió lên cơng trình bị chi phối chủ yếu bởi vận tốc và hướng thổi của nó. Vì vậy mọi tham số làm biến đổi hai yếu tố này sẽ làm ảnh hưởng đến trị số và hướng của tác dụng lên cơng trình. Các thơng số ảnh hưởng này có thể chia làm 3 nhóm chính sau đây:

+ Nhóm các thơng số đặc trưng cho tính ngẫu nhiên của tải trọng: Vận tốc, độ cao, xung áp lực động.

+ Nhóm các thơng số đặc trưng cho địa hình: Độ nhám mơi trường mà gió đi qua, loại địa hình, mức độ che chắn.

+ Nhóm thơng số đặc trưng cho tính chất động lực của bản thân cơng trình: hình khối cơng trình, hình dạng bề mặt đón gió, khối lượng và cách phân bố khối lượng, chu kỳ, tần số dao động riêng, dạng dao động …

<i><b>1.1.4. Khảo sát các tham số ảnh hưởng đến việc tính tốn tác dụng của tải trọng gió lên cơng trình </b></i>

Vận tốc gió là yếu tố quyết định đến áp lực của tải trọng gió tác dụng lên cơng trình. Xác định vận tốc gió tại một vùng là cở sở để áp dụng các công thức tính tốn trong tiêu chuẩn thiết kế nhằm xác định tải trọng gió tác dụng lên các cơng trình xây dựng trong vùng đó.

1.1.4.1. Khái niệm chung về vận tốc gió

Vùng gần mặt đất có sự ảnh hưởng của ma sát làm ảnh hưởng đến vận tốc di chuyển của gió. Càng lên cao ảnh hưởng của ma sát sẽ giảm, do đó vận tốc gió sẽ

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

tăng lên (Hình 1.2). Chiều cao mà từ đó vận tốc gió khơng thay đổi gọi (khơng cịn chịu ảnh hưởng của mặt đệm) là chiều cao gradient. Lớp khơng khí phía dưới chiều cao gradient được gọi là lớp biên.

<b>Hình 1.2. Vận tốc gió tại cao trình z </b>

Đối với cơng trình nhà cửa, các tiêu chuẩn thiết kế trên thế giới (Mỹ, Châu Âu, Nga, Anh v.v.) thường quy ước vận tốc gió đo ở độ cao 10m trên mặt đất tự nhiên ở vùng không bị che chắn. Tiêu chuẩn Việt Nam cũng lấy tương tự như vậy.

Vận tốc gió biến đổi liên tục theo thời gian (Hình 1.1). Thời gian lấy trung bình vận tốc gió và thời gian tính chu kì lặp sẽ ảnh hưởng đến giá trị vận tốc gió trung bình. Các tiêu chuẩn khác nhau đã quy định thời gian lấy vận tốc gió trung bình và chu kì lặp khác nhau để xác định vận tốc trung bình của gió, gọi là vận tốc gió cơ sở.

1.1.4.2. Vận tốc gió cơ sở

Vận tốc gió thay đổi theo độ cao đo vận tốc và phụ thuộc thời gian lấy trung bình. Tuỳ theo độ nhạy của thiết bị đo và yêu cầu của việc thu nhận số liệu mà thời gian lấy trung bình vận tốc ở các tiêu chuẩn là khác nhau.

Với các công trình thấp, nặng nề thì thời gian lấy vận tốc có thể dài (đủ để cơn gió bao trùm tồn bộ cơng trình). Nhưng với cơng trình cao, mềm do chúng khá nhạy cảm, chỉ cần một khoảng thời gian rất ngắn, các cơn gió giật đã bao trùm và

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

nhanh chóng vượt qua cơng trình nên thời gian lấy trung bình thường ngắn. Bảng 1.1 giới thiệu thời gian lấy trung bình vận tốc gió của một số tiêu chuẩn.

<b>Bảng 1.1. Thời gian lấy vận tốc trung bình của một số tiêu chuẩn thiết kế </b>

<b>SốTT Tên tiêu chuẩn Nước Thời gian lấy TB vận tốc (s) </b>

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

QCVN 02-2009/BXD TCVN 2737-78 TCVN 2737-90 TCVN 2737-95 AIJ- RFLB 2004

SNiP 2.01.07-85<small>*</small>(2011) GB 50009-2012

AS/NZS 1170.2-2002 AS/NZS 1170.2-2011 BS 6399.2-1997 ASCE/SEI 7-16 EN 1991-1-4:2005

Việt Nam - - - Nhật

Nga Trung Quốc

Úc Úc Anh

Mỹ Châu Âu

3 120 120 3 600 600 600 3 3 3 3 600

Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737:1995 [13] quy định: vận tốc gió cơ sở V<small>0</small>

là vận tốc gió trung bình trong khoảng thời gian 3 giây bị vượt một lần trong vòng 20 năm, ở độ cao 10m so với mốc chuẩn, tương ứng với địa hình dạng B, là dạng địa hình tương đối trống trải, có một số vật cản thưa thớt cao không quá 10 m (vùng ngoại ơ ít nhà, làng mạc, rừng thưa hoặc rừng non, vùng trồng cây thưa v.v.) (Bảng 1.2).

Tiêu chuẩn của Nga SNiP 2.01.07-85^* (2011) [48] quy định: Vận tốc gió cơ sở V<small>0 </small>là vận tốc gió trung bình trong khoảng thời gian 600 giây (10 phút) bị vượt một lần trong vòng 5 năm, ở độ cao 10m so với mốc chuẩn, tương ứng với địa hình dạng A. Địa hình dạng A là các bờ thoáng của biển, hồ, đồng cỏ, bìa rừng, bình nguyên, vật cản phân bố cao không quá 10m (tương đương dạng địa hình B của TCVN) (Bảng 1.2).

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

Tiêu chuẩn Mỹ ASCE/SEI 7-16 [16] quy định: Vận tốc gió cơ sở V<small>0</small> là vận tốc gió trung bình trong khoảng thời gian 3 giây bị vượt một lần trong vòng 50 năm, ở độ cao 10 m so với mốc chuẩn, tương ứng với địa hình dạng C. Địa hình dạng C là vùng nơng thơn, thoáng, vật cản phân bố chiều cao dưới 10m (tương đương dạng địa hình B theo TCVN) (Bảng 1.2).

<b>Bảng 1.2. Các dạng địa hình gió theo một số tiêu chuẩn </b>

<small>Dạng địa hình theo TCVN 2737:1995 </small>

<small>A thống, H<1.5m </small>

<small>B che chắn, 1.5m<H<10m </small>

<small>C che chắn mạnh, </small>

<small>10m<H Dạng địa hình theo </small>

<small>SNiP 2.01.07-85* </small>

<small>A thống, H<10m </small>

<small>B 10m<H<25m </small>

<small>C 25m<H Dạng địa hình theo </small>

<small>ASCE/SEI 7-16 </small>

<small>D thống, mở, bờ </small>

<small>biển </small>

<small>C nơng thơn, thống, H<9.1m </small>

<small>B thành thị </small>

Do có thể thời gian lấy vận tốc gió trung bình khác nhau, chu kì lặp khác nhau, dạng địa hình để đo vận tốc gió cơ sở theo các tiêu chuẩn khác nhau nên vận tốc gió cơ sở tại một vùng theo các tiêu chuẩn đó cũng khác nhau. Vì vậy, khi áp dụng các tiêu chuẩn khác nhau để xác định tải trọng gió tác dụng lên một cơng trình cụ thể cần phải quy đổi vận tốc gió cơ sở.

1.1.4.3. Quy đổi vận tốc gió cơ sở

Chuyển đổi vận tốc gió: trong một cơn gió, thời gian duy trì vận tốc lớn là ngắn. Vì vậy, nếu thời gian lấy trung bình vận tốc gió ngắn lại thì giá trị vận tốc gió trung bình sẽ lớn hơn. Quan hệ giữa vận tốc gió trung bình trong ở các trường hợp thời gian lấy trung bình khác nhau được xác định như sau:

- Sử dụng đồ thị như hình 1.3 theo ASCE/SEI 7-16 [16] để quy đổi từ vận tốc gió trung bình trong thời gian T sang vận tốc gió trung bình trong 1 giờ (3600s).

Ví dụ:

V<small>3s</small> = 1,51 * V<small>3600s</small>

V<small>600s</small> = 1,07 * V<small>3600s</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

- Từ đó, xác định được quan hệ vận tốc gió trung bình lấy trong thời gian T bất kì:

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

Trong đó:

V<small>Z</small> - vận tốc gió trung bình ở độ cao z

a, b - các hằng số, phụ thuộc độ gồ ghề của mặt đất và sự biến thiên nhiệt độ. V<small>0</small> - vận tốc gió trung bình ở độ cao z<small>0</small> (độ cao đặt máy đo vận tốc lấy số liệu, thông thường chọn z<small>0</small>=10m).

z - độ cao xác định vận tốc gió V<small>Z</small>

m<small>t</small> - hệ số, xác định từ số liệu đo đạc vận tốc gió ở lớp biên, m phụ thuộc

<i>dạng địa hình, cấu trúc khí quyển, nhiệt độ và thời gian lấy trung bình vận tốc gió. </i>

Gọi z<small>g</small> là độ cao mà tại đó vận tốc gió khơng cịn chịu ảnh hưởng của mặt đệm, ở các địa hình khác nhau, giá trị z<small>g</small> sẽ khác nhau.

Vận tốc gió ở độ cao z có thể biểu diễn theo luật hàm số mũ [13]:

Trong đó: V<small>zg</small>^,V<small>z</small> - vận tốc gió ở độ cao gradient và ở độ cao z.

Để xác định được V<small>z</small> cần phải biết 3 tham số m<small>t</small>, z<small>g</small> và V<small>zg</small>. Các tham số này đều phải xác định bằng thực nghiệm trên hệ thống tháp đo gió chuẩn và xử lý kết

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

quả đo theo thống kê. Ở nước ta, chưa đủ các số liệu này, do vậy phải sử dụng kết quả nghiên cứu của nước ngoài (TCVN 2737-95 chọn các giá trị z<small>g</small> và m<small>t</small> của Tiêu chuẩn Úc AS/NZS 1170.2-2011 để sử dụng, cịn V<small>zg</small> được tính thông qua V<small>10</small> với thời gian lấy trung bình vận tốc gió là 3 giây). Giá trị z<small>g</small> và m<small>t</small> cuả một số tiêu chuẩn cho theo bảng 1.4.

<b>Bảng 1.4. Chiều cao gradient z<small>g</small>, số mũ m<small>t</small> và thời gian lấy trung bình vận tốc gió của một số tiêu chuẩn thiết kế </b>

<b>Số </b>

<b>TT Tiêu chuẩn </b>

<b>lấy TB (giây) </b>

1 2 3 4

5 6

SNiP 01.07-85<small>*</small>

GB 50009-2012 BS 6399.2-1997 AS/NZS 1170.2 -2011

TCVN 2737-90 TCVN 2737-95

300 300 250 250

250 250

350 350 300 300

300 300

480 400 400 400

400 400

0,15 0,12 0,08 0,07

0,107 0,07

0,21 0,16 0,085 0,09

0,127 0,09

0,25 0,20 0,09 0,14

0,184 0,14

600 600 3 3

120 3

<i><b>* Xác định hệ số độ cao:</b></i>

Áp dụng công thức dùng hàm số mũ để tính vận tốc gió (1.6), lấy vận tốc gió V<small>10</small> (tương ứng với độ cao z=10m) ở địa hình B làm chuẩn (giá trị nầy có thể đo được thơng qua các máy đo); cần tính vận tốc gió V<small>g</small> tại độ cao gradient z<small>g</small>=300m (ứng với địa hình B).

(1.7) Mặt khác áp lực gió được xác định theo công thức [13]:

(1.8)

<small>W</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

(1.9) Từ đó suy ra công thức xác định hệ số độ cao:

Với t là dạng địa hình A, B hoặc C.

Sau khi chọn độ cao gradient z<small>g </small>và hệ số m<small>t</small>, lập được bảng hệ số độ cao tương ứng với từng loại địa hình (Bảng 5 trong TCVN [13])

1.1.4.5. Hệ số xung áp lực động 

<small>K</small>_z ^z ^z

<b><small>10</small></b> <small></small>

<small>VVK</small>_zg ^g

V   

V_zg^t _zg^B



</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

Nhằm kể đến ảnh hưởng của việc thay đổi vận tốc gió theo thời gian đến phản ứng của cơng trình. Mức độ ảnh hưởng của thành phần xung dọc theo luồng gió được đặc trưng bởi cường độ dòng rối [14]:

(1.16) trong đó: (z)- cường độ dịng rối

- trung bình bình phương thành phần xung dọc vận tốc gió ở độ cao z.V(z) - vận tốc trung bình của luồng gió ở độ cao z.

Áp lực gió ở độ cao z là [14]:

Q(z,t)=Q(z)+ Q<small>’</small> (z,t) (1.17) trong đó: Q(z,t)- áp lực do thành phần dọc luồng gió

Q(z)- áp lực do thành phần trung bình của vận tốc gió:

Q(z)= 0,0613V<small>2</small>(z) (1.18) Q^’(z,t)- áp lực do thành phần xung của vận tốc gió ở cùng độ cao, được xác định theo công thức [13]:

(1.19) Thành phần xung của vận tốc gió V<small>’</small>(z,t) bằng tích của một hàm ngẫu nhiên theo thời gian và một hàm của toạ độ z:

<small>(</small> ^V⁽^z⁾<small>'</small>

<small></small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

(1.22) trong đó: t- dạng địa hình A, B, C;

r<small>t</small>- độ nhám của mặt đệm

z- độ cao tính tốn; m<small>t</small>- hệ số thực nghiệm (Bảng 1.4)

Hệ số xung áp lực động <small>t</small> xác định trên cơ sở của cường độ dòng rối , theo TCXD 229:1999 [14] xác định <small>t</small> theo công thức:

(1.23) Trong đó: - cường độ dịng rối, phụ thuộc dạng địa hình t.

- hệ số an tồn

Dựa vào các số liệu thực nghiệm người ta đã xây dựng đồ thị quan hệ phụ thuộc giữa hệ số xung áp lực động và thời gian lấy trung bình vận tốc gió; nếu thời gian lấy trung bình càng nhỏ thì hệ số an toàn α<small>c</small> cũng càng nhỏ. TCVN 2737-95 lấy thời gian trung bình 3 giây, α<small>c</small>=1,395; r<small>A</small>= 0,002; r<small>B </small>= 0,005; r<small>C </small>= 0,01; và ta có:

(1.24)

Sử dụng các công thức trên, theo độ cao z, tương ứng với mỗi dạng địa hình, ta thành lập được bảng hệ số áp lực động (bảng 8 trong TCVN [13])

1.1.4.6. Hệ số tương quan khơng gian

Hình khối và các đặc điểm về vật liệu, về cấu tạo cơng trình làm thay đổi các đặc trưng dao động và cuối cùng là làm thay đổi xung vận tốc gió tác dụng lên cơng

)z(.. _c _t

<small>t</small>    <i>2</i>

<small></small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

trình. Ảnh hưởng đó, được biểu thị bằng hệ số tương quan không gian, xác định theo công thức [14]:

= (1.25)trong đó: , là phản ứng của cơng trình khi dao động ở dạng thứ i ở điều kiệnkhảo sát và ở điều kiện chuẩn.

Các giá trị và tìm được nhờ kết quả của việc giải bài toán dao độngriêng ở các dạng dao động, theo các điều kiện tác động khác nhau. Tiêu chuẩn TCVN 2737-95 thành lập bảng để tính hệ số tương quan khơng gian trên cơ sở xét cơng trình có khối lượng phân bố đều theo chiều cao và đường cong parabôn là dạng chuẩn của dao động thứ nhất. Trường hợp cơng trình có mặt đón gió khá mảnh (B/H<0,2) thì hệ số  ngồi việc phụ thuộc vào hệ số đặc trưng cho dao động <small>1</small> chỉ phụ thuộc chiều cao; nhưng khi 0,2<B/H<0,5 thì hệ số này còn phụ thuộc cả vào chiều rộng mặt đón gió hoặc hút gió.

Ở cùng 1 thời điểm, mọi mặt (trước, sau, hồi trái, hồi phải và đỉnh) cơng trình đều bị tác dụng của tải trọng gió. Để tổng quát, TCVN đã lập bảng chung cho tất cả các hướng thông qua các hệ số , ; khi xác định tác dụng của gió trên mặt nào thì cần xác định các hệ số ,  tương ứng với mặt ấy.

1.1.4.7. Hệ số khí động C

Hệ số khí động C lấy theo chỉ dẫn của bảng 6 TCVN 2737-95 [13], phụ thuộc vào bản thân cơng trình (hình khối, hình dạng bề mặt đón gió). Hệ số khí động C khơng chỉ có ở mặt đón gió mà ở mọi bề mặt của cơng trình.

1.1.4.8. Dạng địa hình

Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737:1995 [13] chia ra 3 dạng địa hình như sau: - Địa hình dạng A là địa hình trống trải, khơng có hoặc có rất ít vật cản cao

không quá 1,5 m.

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

- Địa hình dạng B là địa hình tương đối trống trải, có một số vật cản thưa thớt cao khơng q 10 m.

- Địa hình dạng C là địa hình bị che chắn mạnh, có nhiều vật cản sát nhau cao từ 10m trở lên.

- Ngồi ra cịn có dạng địa hình đặc biệt như sườn dốc, hẻm núi v.v. Tiêu chuẩn của Nga СНиП 2.01.07-85 (2011) [48] chia ra 3 dạng địa hình:

- Địa hình dạng A là các bờ thoáng của: biển, hồ, hồ chứa nước; các vùng nơng thơn, kể cả có nhà cao dưới 10m; đồng cỏ; bìa rừng; bình nguyên. - Địa hình dạng B là vùng ngoại ô thành phố, rừng rậm và các vùng khác

có các vật cản phân bố đều cao trên 10 m.

- Địa hình dạng C là trong thành phố có mật độ xây nhà lớn với nhiều nhà cao trên 25 m

Tiêu chuẩn Mỹ ASCE/SEI 7-16 [16] chia ra 3 dạng địa hình khi tính tải trọng gió:

- Địa hình dạng B là đơ thị và các khu vực ngoại thành, các khu rừng hoặc địa hình khác với nhiều vật cản cách rời nhau mà khoảng cách có kích thước bằng chiều cao vật cản hoặc lớn hơn.

- Địa hình dạng C là địa hình mở với vật cản rải rác có chiều cao thường ít hơn 9.1m. Địa hình này bao gồm vùng đồng bằng, đồng cỏ và mặt nước tại tất cả các khu vực dễ bị gió lốc.

- Địa hình dạng D là vùng đất phẳng, các khu vực không bị che chắn và bề mặt nước ngoài khu vực dễ bị gió lốc. Địa hình này bao gồm các vùng đầm lầy, vùng ngập mặn và vùng bị đóng băng.

<b>1.2. Tổng quan các nghiên cứu về tải trọng gió </b>

<i><b>1.2.1. Các nghiên cứu ở nước ngoài </b></i>

Nhà cao tầng có thể dao động trong cả hai hướng của gió dọc và gió ngang gây ra bởi dịng thổi của gió. Tịa nhà cao tầng hiện đại tuy được thiết kế để đáp ứng

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

yêu cầu về hạn chế chuyển vị ngang, vẫn có thể dao động quá mức trong gió bão. Những dao động có thể gây ra một số mối đe dọa đến các nhà cao tầng, nhà có chiều cao càng lớn càng trở nên dễ bị tổn thương hơn do dao động với gió tốc độ cao. Đơi khi những dao động này có thể gây ra sự khó chịu cho những cư dân trong tịa nhà ngay khi nó khơng gây nguy hiểm cho các kết cấu của tịa nhà. Vì vậy, đánh giá chính xác chuyển động cơng trình là một điều kiện tiên quyết cho sử dụng. Có vài phương pháp để tìm ra những phản ứng của các nhà cao tầng chịu tải gió. Một cách tiếp cận bằng phân tích đưa ra bởi Davenport [24] và được sử dụng trong nhiều tiêu chuẩn, thường chỉ áp dụng cho tịa nhà hình dạng thơng thường, đối với một tịa nhà có hình dạng bất thường, đối với phản ứng chính xác của nó và sự làm việc dưới tốc độ gió cao được cung cấp từ các thử nghiệm trong đường hầm gió. Trong đường hầm thử nghiệm gió, hai phương pháp được sử dụng để xác định phản ứng của bất kỳ tịa nhà cao tầng với một hình dạng bất thường hoặc thơng thường theo tốc độ gió cao, phương pháp phân tích động được sử dụng để xác định tải trọng gió trên cơng trình mà trong đó lực cắt đáy có thể cho thiết kế kinh tế thu được từ thử nghiệm cân bằng lực tần số cao (High Freference Force Balance- HFFB), trong khi một phương pháp khác là nghiên cứu đo áp lực được sử dụng cho các thiết kế an toàn của các phần tử kết cấu riêng biệt như mái nhà và tường, và các tấm ốp bao gồm kính và sự liên kết vào nó.

Giữa năm 1931 và 1936, khi tòa nhà Empire State (New York) được xây dựng, J. Rathbun (1940) [47] đã thực hiện đo đạt tải trọng gió trên mơ hình thật của tịa nhà đó. Trước năm 1933, Dryden và Hill cũng đã tiến hành đo đạt tác động của gió trên một mơ hình thu nhỏ của tịa nhà Empire State.

Phản ứng gió dọc của kết cấu cao biệt lập có thể được đánh giá bằng cách sử dụng những nguyên lý cơ bản của lý thuyết dao động ngẫu nhiên kết hợp với thơng tin về những đặc tính của dịng chảy tới, và các lực khí động học phát sinh trên kết cấu. Ảnh hưởng của sự hỗn loạn trong khơng khí lên phản ứng của một cấu trúc đàn hồi được nhúng trong dòng rối lần đầu tiên được đề xuất bởi Liepmann (1952) [41].

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

Davenport (1961a) [23] đề xuất những khái niệm về xác xuất thống kê của chuỗi thời gian ổn định được sử dụng để xác định phản ứng của một kết cấu đơn giản trong một dịng rối, gió bão. Điều này cho phép những ứng suất, gia tốc, độ lệch lớn nhất, v.v., được biểu diễn trong những số hạng của vận tốc gió trung bình, phổ của những trận gió bão, đặc tính cơ học và khí động lực học của kết cấu. Trong sự liên hệ này, nó được chỉ ra rằng sức kháng trong sự thay đổi dịng thổi có thể lớn hơn một cách đáng kể đối với dòng thổi ổn định, như sự phù hợp của hầu hết các thử nghiệm trong hầm gió. Một biểu thức cho phổ của cơn bão gần mặt đất được đề xuất, tính đến sự thay đổi của nó với vận tốc trung bình, độ nhám của địa hình, và chiều cao so với mặt đất. Sự phân bố thống kê về giá trị cao nhất trên số lượng lớn các năm liên quan đến sự phân bố thống kê về giá trị trung bình bằng cách gọi là “hệ số gió giật”. Trong sự kết hợp với hệ số gió giật, điều này cho phép dự báo tải trọng gió lớn nhất với bất kỳ tần suất cho trước để tính tốn.

Davenport (1963b) [25] đưa ra sự liên quan thỏa đáng tới tải trọng gió lên kết cấu do gió giật. Một cách tiếp cận bằng thống kê được đề nghị dựa trên những khái niệm của việc xuất hiện chuỗi ngẫu nhiên ổn định nhằm đưa ra một giải pháp đầy triển vọng. Một vài thí nghiệm để xác định đáp ứng khí động lực học của kết cấu đối với dịng rối thay đổi được mơ tả. Những ví dụ về cách tiếp cận xác xuất thống kê để đánh giá tải trọng gió trên hàng loạt các kết cấu được đưa ra, trong đó cần lưu ý những kết cấu dây văng nhịp dài, cầu treo, tháp cao và nhà chọc trời.

Harris (1963) [31] đã đưa ra thảo luận những hạn chế của phương pháp hiện hành về đánh giá tải trọng gió, và kết quả của lý thuyết truyền thống cần cho phương pháp thống kê mới của thiết kế kết cấu và sau đó được giới thiệu, thảo luận về kết quả phương pháp luận dựa vào ứng dụng của phương pháp mới. Quan hệ áp lực/vận tốc được sử dụng được giải quyết bởi một phương pháp chính xác. Sự cần thiết cho một quan hệ áp lực/vận tốc cải tiến được thảo luận một cách tóm tắt, và một vài thí nghiệm được thực hiện. Ứng dụng phương pháp thống kê cho hệ nhiều bậc tự do được giới thiệu, và một số thí nghiệm để tìm ra bản chất cơ bản của cấu trúc gió đã được mô tả. Cuối cùng, sự cần thiết cho những phương pháp thích hợp

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

cho lời giải của những bài toán phi tuyến được Harris chỉ ra.

Whitbread R. E (1963) [61] đã trình bày sự tính tốn những tham số dịng thổi khác nhau mà yêu cầu phải phù hợp trong hầm gió và kết luận rằng quy luật trong mơ hình của Jensen năm 1958 đã cung cấp những câu trả lời thỏa đáng sử dụng các thiết bị tạo nhám mặt sàn.

Nghiên cứu về tải trọng gió, Davenport (1967) [24] đưa ra phương pháp tính tốn tải trọng gió theo hệ số gió giật. Phương pháp này lấy phương pháp xác suất và thống kê để đánh giá hiệu quả tải trọng gió cho các tịa nhà bằng các đặc tính biến đổi tạm thời và biến đổi theo khơng gian của vận tốc gió, đưa ra “tải trọng gió tĩnh tương đương” đem lại hiệu ứng tải trọng lớn nhất tác dụng lên công trình. Nghiên cứu khác của Davenport cùng cộng sự (1999) [27] đã cũng cố và minh chứng một cách định lượng các nghiên cứu trước đó.

Davenport và Isyumov (1967) [28] đã thảo luận những kỹ thuật đang có khác nhau để mơ phỏng lớp biên khơng khí (Atmospheric Boundary Layer- ABL) trong các hầm thí nghiệm gió. Kết quả nhấn mạnh những đặc trưng của dịng chảy rối hồn tồn cho mơ hình chính xác bao gồm biên dạng của vận tốc, biên dạng mật độ dịng rối/xốy, tỷ lệ độ dài và phổ năng lượng nên được xây dựng sẵn cho gió tự nhiên. Sự thay đổi theo quy luật hàm mũ của vận tốc gió được đề xuất.

Vellozzi và Cohen (1968) [59] cơng bố một quy trình cho phản ứng gió dọc của nhà cao tầng trong đó một hệ số suy giảm được giới thiệu cho áp lực thay đổi trên mặt khuất gió của tịa nhà, có thể được hiểu như khơng có tương quan hồn hảo nào giữa áp lực thay đổi trên mặt đón gió và khuất gió của tịa nhà. Tuy nhiên, nó được trình bày bởi Simiu (1973a) [49] do cách thức mà trong đó hệ số này được áp dụng, quy trình của Vellozzi và Cohen đánh giá thấp các ảnh hưởng sự khuếch đại cộng hưởng.

Counihan J. (1969) [21] đánh giá việc sử dụng một hệ thống tạo lớp biên dạng hình elip và một hàng rào có lỗ để tạo một mơ phỏng về lớp biên của tường nhám. Kết quả cho thấy sự hợp lý giữa lớp biên dịng chảy được tạo ra và lớp biên khơng khí trung hịa nhận được.

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

Fujimoto và cộng sự (1975) [30] đã thử nghiệm mơ hình khí đàn hồi tỷ lệ 1/400 của của một nhà cao tầng mặt bằng hình chữ nhật (tỷ lệ kích thước 3 chiều của tòa nhà 1:1,2:3,75) trong một dòng chảy êm và hai lớp biên dòng chảy. Giá trị phản ứng dọc và ngang chiều gió được trình bày theo chiều giảm của vận tốc và một quan hệ của chúng được xác định. Hệ số gió giật thực nghiệm được so sánh với những kết quả nghiên cứu của Davenport (1967) [24]. Một mơ hình 4 bậc tự do được kiểm tra trong điều kiện gió tự nhiên, và ảnh hưởng của những dạng dao động riêng tần số cao đối với chuyển vị là không đáng kể và đối với gia tốc là khoảng 10%.

Parera (1978) [45] nghiên cứu tương tác giữa dao động dọc và ngang của gió đối với những kết cấu mảnh và cao tương ứng với tỷ lệ 1:1:6,3 sử dụng mơ hình khí đàn hồi một bậc tự do và hai bậc tự do. Một hệ thống khớp cacđăng cho phép phát triển mơ hình một bậc tự do hoặc hai bậc tự do. Cermak (1977) [20] phát triển một cách đáng kể cho các mơ hình trong phịng thí nghiệm về tần số dao động tự nhiên, về biên độ dao động và mô phỏng lớp biên khơng khí (ABL), trong khoảng thời gian từ năm 1960 đến năm 1990. Các công việc của ông đã giải quyết nhiều mặt khác nhau của những đặc tính lớp biên khơng khí và mơ phỏng một cách chi tiết. Từ đó tiêu chuẩn thiết kế hầm gió đã được thiết lập. Tiêu chuẩn đồng dạng toán học được thảo luận và phương trình chủ đạo đã được xây dựng. Sử dụng những hầm gió thử nghiệm ngắn với các thiết bị tạo dịng xốy và song chấn đã được phát thảo. Mơi trường khơng khí trong hầm gió đã được thiết kế khép kín với trần hầm gió linh hoạt, đồng thời trang bị thiết bị điều khiển nhiệt độ mơi trường.

Trên cơ sở phân tích và thực nghiệm, Vickery (1971) [60] phát triển một sự cải tiến của phương pháp hệ số gió giật, như những lưu ý của Vickery, phương pháp của ơng có xu hướng cho những kết quả một cách thận trọng với hệ số tỷ lệ giữa chiều dọc và chiều ngang của mặt cắt ngang tòa nhà lớn hơn 4. Vickery kết luận rằng phương pháp chính xác của ơng có thể dự đốn hệ số gió giật của một tịa nhà đến độ chính xác đặc trưng là 5-10% đối với những dữ liệu cơ bản được xác định rõ, so sánh với những phương pháp khác.

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

Sự phân tích kết cấu khơng gian chịu tải trọng ngẫu nhiên mang lại một biểu thức của phản ứng động lực học nó phản ánh một cách rõ ràng ảnh hưởng của gió dọc tương quan chéo của tải trọng. Ảnh hưởng này và sai số bao gồm sự bỏ qua hoặc đánh giá nó cao quá, sau đó được đánh giá bằng cách sử dụng các giả thuyết được chấp nhận và những kết quả thí nghiệm có sẵn trong các tài liệu nghiên cứu. Một số giả thuyết đó được phân tích với mục tiêu cải tiến hơn nữa độ chính xác của hệ số gió giật bằng các mơ hình phù hợp trong các biểu thức của nó với các đặc tính vật lý của dịng chảy thực. Simiu (1973a) [49] đã cho thấy rằng bằng cách kết hợp gió dọc tương quan chéo giữa phía đón và phía khuất gió, phần động của phản ứng và hệ số phản ứng gió giật bị giảm đáng kể. Sau đó ơng cho thấy rằng bằng cách xem xét sự thay đổi của phổ đối với chiều cao, phản ứng tiếp tục suy giảm. Simiu (1976) [50] cũng cho thấy rằng phản ứng động lực học và hệ số gió giật được đánh giá bằng cách sử dụng một trong hai hoặc là Davenport (1967) [24] hoặc Vickery (1971) [60] có thể là cao bằng vài trăm phần trăm, trong khi phản ứng động lực học và hệ số gió giật đó sử dụng Vellozzi và Cohen (1968) [59] là thấp hơn. Theo Simiu, đối với một tịa nhà điển hình, hệ số gió giật là 1,96, trong khi sử dụng cách tiếp cận giống Davenport là 2,83, sử dụng Vickery là 3,83 và sử dụng Vellozzi và Cohen là 1.53. Qua đó cho thấy do cách thức mà trong đó hệ số này được áp dụng, quy trình của Vellozzi và Cohen đánh giá thấp các ảnh hưởng sự khuếch đại cộng hưởng. Sau đó Simiu đã phát triển một quy trình cho việc xác định của phản ứng gió dọc tích hợp với thơng số khí tượng. Ơng cho thấy rằng phản ứng động lực học của các kết cấu cao khơng gian có thể được mô tả như một tổng của sự phân bố do áp lực trên mặt đón gió, áp lực trên mặt khuất gió, và sự tương quan chéo của những áp lực đó. Sau đó ơng mơ tả dạng cải tiến của phổ gió dọc trong đó sự biến đổi của phổ đối với chiều cao được tính đến. Một chương trình tính tốn của độ lệch và gia tốc do gió dọc được phát triển tích hợp với sự thay đổi của khí động lực học và khí tượng bởi Simiuand Lozier (1975), sau đó được tiếp tục điều chỉnh bởi Simiu (1980) [51].

Yang và Lin (1981) [62] đã sử dụng ma trận chuyển cho sự phân tích dao

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

động do gió sinh ra của một nhà nhiều tầng. Sự đóng góp của Yang và cộng sự (1981), Kareem (1986), Islam và cộng sự (1990) và Kareem (1992) đối với dự đoán phản ứng động lực học của những tòa nhà cao tầng có mặt bằng hình chữ nhật sử dụng lý thuyết dao động ngẫu nhiên/công thức ma trân hoán đổi, sự đo đạt áp lực trên các mặt đón gió và khuất gió và đánh giá sự tích phân hiệp biến (Analysis Covariance- ANCOVA) đã cung cấp những lời giải giải tích của bài tốn về gió.

Bài tốn phản ứng động lực học gió dọc của kết cấu đối với những lực sinh ra bởi dòng khí rối được giải quyết trong bài báo của Solari G. (1982) [52]. Bắt đầu từ công thức cổ điển, sự nghiên cứu phân tích ứng xử của hai mơ hình kết cấu chuẩn, được gọi là mơ hình thu nhỏ và ba chiều một cách tương ứng. Sự giải quyết của bài tốn được mơ tả trong bài báo dẫn đến một biểu thức của phản ứng gió dọc. Sự đơn giản đáng kể và độ chính xác rất cao của phương pháp đề xuất được chỉ ra trong điều kiện chung và được mơ tả bằng hai ví dụ.

Solari G. (1985) [53] trình bày một mơ hình tốn học tiếp theo được mô tả như một quá trình Gauss ổn định ngẫu nhiên tạo thành một biên dạng vận tốc trung bình (Average Speed Profile- ASP) và một dao động dịng xốy tương đương trong khơng gian tương quan chéo hoàn tồn. Độ chính xác cao của kết quả có thể đạt được khi đánh giá phản ứng động lực học gió dọc của những kết cấu bằng cách thức của phương pháp này, và phạm vi ứng dụng rộng rãi mà quy trình này cho phép; làm cho nó thích hợp một cách đặc biệt cho sự tính tốn kỹ thuật thực hành và ứng dụng các tiêu chuẩn.

Solari G. (1987) [54] xây dựng một định nghĩa thống nhất lý thuyết của “phổ phản ứng gió” và ứng xử kết cấu đối với gió giật có thể được đánh giá, với một độ chính xác cao và đơn giản, bởi một sự phân tích gần đúng động lực học và một cách tiếp cận tĩnh tương đương. Phương pháp được trình bày ở đây được dựa vào kỹ thuật phổ gió tương đương, nhờ đó gió được biểu đồ hóa như một quy trình Gauss ổn định ngẫu nhiên được đặc trưng bởi một biên dạng vận tốc trung bình trên một sự dao động dịng rối tương đương là một mơ hình tốn. Solari G. (1988) [55], phát biểu kỹ thuật phổ gió tương đương là một mơ hình tốn học theo gió được sơ đồ hóa

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

như một quy trình Gauss ổn định ngẫu nhiên được hình thành một biên dạng tốc độ trung bình đối với một sự dao động dòng rối tương đương trong khơng gian hồn toàn nhất quán được thêm vào.

Holmes and Lewis (1987) [32], [34] thực hiện việc mở rộng thí nghiệm đo đạc áp lực thay đổi theo thời gian bằng việc sử dụng các ống nối đường kính nhỏ để truyền áp lực từ điểm kết nối hoặc điểm nút đến bộ phận cảm biến đo áp lực. Công việc của họ thực sự đã cung cấp đầy đủ các hướng dẫn để phát triển hàng loạt các hệ thống tối ưu cho việc đo đạc sự thay đổi áp lực trên những mơ hình nhà thí nghiệm trong hầm gió. Những nghiên cứu sau này khi lựa chọn hệ thống ống nối để đo áp lực gió phần lớn đều dựa vào ý tưởng của Holmes and Lewis.

Một kỹ thuật thử nghiệm mới trong hầm gió đã được phát triển, sử dụng sự tích hợp áp lực cục bộ, được đo bởi hệ thống thu nhận áp lực đồng bộ (Synchronous Pressure Acquisition Network- SPAN), để xác định đáp ứng tổng thể do gió sinh ra. Phương thức tải trọng tích hợp áp lực (Integrated pressure modal load -IPML) có một tiềm năng trong việc giải quyết tất cả các hạn chế của kỹ thuật cân bằng lực tần số cao truyền thống trong khi vẫn đảm bảo ưu điểm tương tự mà kỹ thuật này có trong việc mơ hình hóa khí đàn hồi. Phát thảo cách tiếp cận và mô tả nhiều kết quả thực nghiệm bao gồm sự so sánh trùng khớp với những thử nghiệm cân bằng lực tần số cao đã thực hiện bởi Steckley và cộng sự (1992) [57].

Katagiri và cộng sự (1995) [38] đã mô tả một mô hình khí đàn hồi (Elastic Asmospheric Model- EAM) nhiều bậc tự do mới. Những kết quả của mơ hình nhiều bậc tự do được so sánh với những thử nghiệm cân bằng lực động lực học và những kết quả của thử nghiệm mô hình khí đàn hồi hai bậc tự do và đã nhận được sự đồng ý cao.

D.Y.N. Yip và R.G.J. Flay (1995) [64] nêu rõ các lý thuyết hiện đang được sử dụng để dự đoán gió- phản ứng gây ra của tịa nhà từ các phép đo cân bằng lực được xem xét ngắn gọn. Đối với các tịa nhà có cùng hình dạng 3-D, ngun nhân của sự khơng chắc chắn trong dự đốn phản ứng của kỹ thuật không chỉ là từ sai sót trong hiệu chỉnh hình dạng, mà cịn từ những hạn chế trong việc không thể cho phép

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

với các điều kiện ghép và chế độ hiệu ứng cao hơn. Một kỹ thuật phân tích dữ liệu cân bằng lực mới được thiết kế để khắc phục những hạn chế này được mô tả. Phương pháp mới giúp loại bỏ sự cần thiết phải đoán yếu tố điều chỉnh chế độ hình dạng cho tịa nhà với sự rung lắc khơng tuyến tính và hình chế độ xoắn khơng đồng dạng. Một số kết quả của các nghiên cứu phân tích đã được trình bày để chứng minh hiệu quả của phương pháp mới.

Yukio Tamurab, Ning Lina, Chris Letchforda, Bo Liangc and Osamu Nakamurad (1996) [66] đã nghiên cứu 9 mơ hình với mặt cắt ngang hình chữ nhật khác nhau và được thử nghiệm trong một hầm gió để nghiên cứu các đặc trưng của lực gió tác động lên nhà cao tầng. Dữ liệu những lực gió cục bộ tác dụng lên lăng trụ chữ nhật được báo cáo tóm tắt trong “Kỷ yếu của hội thảo chuyên đề về kỹ thuật gió”, được tổ chức bởi Hiệp hội về kỹ thuật gió Nhật Bản ở Tokyo năm 1996. Trong bài báo này, những lực gió cục bộ tác động lên nhà cao tầng được nghiên cứu trong số hạng trung bình và những hệ số lực trung bình quân phương (Root Mean Square- RMS), mật độ phổ năng lượng, sự tương quan hướng đối với nhịp khung và bước công trình phù hợp.

T. Kijewskit và A. Kareem (1998) [41] đã đưa ra sự đánh giá và so sánh 7 tiêu chuẩn xây dựng lớn trên thế giới, với sự thảo luận cụ thể về sự đánh giá gió ngang, gió dọc và phản ứng xoắn, trong đó ứng dụng đối với tòa nhà cho trước. Những tiêu chuẩn nổi bật trong nghiên cứu này là tiêu chuẩn Hoa Kỳ, Nhật Bản, Úc, Anh, Canada, Trung Quốc, Châu Âu. Ngồi ra, phản ứng dự đốn bằng sử dụng sự đo đạt phổ năng lượng của gió dọc, gió ngang và phản ứng xoắn cho nhiều hình dạng tịa nhà thử nghiệm trong một hầm gió được mơ tả và so sánh giữa phản ứng dự đoán sử dụng dữ liệu trong hầm gió và sự đánh giá của một vài tiêu chuẩn. Nghiên cứu này cống hiến không chỉ so sánh những đánh giá phản ứng của những tiêu chuẩn Quốc tế, mà còn giới thiệu một tập hợp dữ liệu mới của hầm gió cho sự thừa nhận giá trị của hầm gió dựa vào các biểu thức thực nghiệm.

Độ nhạy gió của các tịa nhà và các kết cấu cơng trình phụ thuộc vào nhiều yếu tố, quan trọng nhất trong các số đó là những đặc tính khí tượng của gió, dạng

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

tiếp xúc, đặc tính khí động học và cơ học của cơng trình. Một bảng tóm tắt của những yếu tố khác nhau đã được A.G. Davenport (1998) [26] trình bày bao gồm những chỉ số ảnh hưởng tương đối lên phản ứng tổng thể của tòa nhà.

N. Isyumov (1999) [35] khái quát tác động của gió lên kết cấu nhà cao tầng với sự nhấn mạnh về tải trọng gió và phản ứng tổng thể của cơng trình. Ngồi ra, áp lực gió cục bộ lên các bộ phận bao che bên ngoài và những hiệu ứng, những tác động của các tịa nhà lên gió trong các khu vực người đi bộ cũng được lưu ý. Điều này bao gồm những hình dạng khác thường của tịa nhà và kết cấu, chúng được định vị, xếp đặt phức tạp hoặc trong những hệ thống động lực học mà lực gió bị khuếch đại, thay đổi theo thời gian và những chuyển động của chúng có thể lần lượt làm thay đổi trường lực gió.

Nghiên cứu của T. Kijewski và A. Kareem (1999) [39] đề cập đến một trong những vấn đề nan giải trong tòa nhà chọc trời hiện đại bằng cách kiểm tra những đặc tính động lực học của một tịa nhà cao 244 mét thông qua số liệu đo đạt được trên mơ hình thực. Tịa nhà được xem xét đã được nghiên cứu trong suốt khoảng thời gian 5 năm, trong thời gian đó nó được thực nghiệm trong nhiều trường hợp gió mạnh. Dữ liệu áp lực và gia tốc được tập hợp trong suốt thời gian này đã tạo điều kiện hết sức thuận lợi để nghiên cứu phản ứng của nhà cao tầng dưới tác động của gió trong khơng gian đơ thị và trích xuất các đặc tính động lực học, đặc biệt độ nhớt bản thân trên toàn bộ cao độ khác nhau của lực kích thích thơng qua một kỹ thuật chủ bao gồm kỹ thuật giảm ngẫu nhiên và phổ đánh giá tự động hồi quy (Autoregressive-AR) cho dữ liệu ngẫu nhiên.

Nikolai Popov (2000) [44] đã so sánh những đặc điểm chính về tải trọng gió theo tiêu chuẩn Nga và một số tiêu chuẩn khác. Tất cả những giá trị trung bình của những tham số và tải trọng của những cơn gió giật cụ thể như: Áp lực gió cơ bản, những yếu tố quan trọng (hệ số khu vực và hệ số hình dạng cũng như các hệ số động lực học) đã được thảo luận trong bài báo này. Bên cạnh đó, những giá trị của hệ số động lực học của cơn gió giật trong lời giải giải tích chính xác được số hoá cho 4 loại kết cấu khác nhau và so sánh với những tiêu chuẩn đã được xem xét và

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

chọn lọc. Kết quả cho thấy rằng, trong những kết cấu khảo sát, thì ứng xử của gió giật được đánh giá là thấp trong tiêu chuẩn Âu châu, ngược lại trong tiêu chuẩn của Nga thì lại đánh giá cao hơn trong hầu hết các trường hợp so sánh.

Theo Zhou Y., T. Kijewski và A. Kareem (2002) [67] hầu hết các qui tắc và tiêu chuẩn quốc tế cung cấp các hướng dẫn và qui trình để đánh giá những tác động gió dọc trên các cấu trúc cao tầng. Mặc dù sử dụng chung cách tiếp cận ''hệ số gió giật- GLF”, tồn tại phân tán khá lớn hiệu ứng gió dự đốn của các qui tắc và tiêu chuẩn trong điều kiện dòng thổi tương tự. Các tác giả trình bày một đánh giá tồn diện các nguồn phân tán thông qua việc so sánh các lực gió dọc và tác động của chúng trên các tòa nhà cao tầng được đề nghị bởi các qui tắc và tiêu chuẩn quốc tế lớn: ASCE 7-98 (Hoa Kỳ), AS 1170.2-89 (Úc), NBC-1995 (Canada), RLB-AIJ-1993 (Nhật Bản), và Eurocode -1993 (Châu Âu), được xem xét trong nghiên cứu này. Sự so sánh xem xét định nghĩa của các đặc tính gió, tải trọng gió trung bình, GLF, tải trọng gió tĩnh tương đương, và các hiệu ứng tải trọng gió kèm theo. Cần lưu ý rằng những phân bố trong tải trọng gió dự đốn và tác động của chúng chủ yếu phát sinh từ các thay đổi trong định nghĩa của các đặc điểm trường gió trong các qui tắc và tiêu chuẩn tương ứng.

Thiết kế của tòa nhà cao tầng thường bị ảnh hưởng bởi gió gây rung động –gia tốc ảnh hưởng đến người cư ngụ. Do đó, thời gian rung động và giảm xóc trở nên thơng số quan trọng trong việc xác định chuyển động. Yoon S.W. (2003) [65] tiến hành nghiên cứu, đo đạc trên một số nhà cao tầng điển hình tại Hàn Quốc. Báo cáo này là có liên quan với chu kỳ tự nhiên và tỷ lệ giảm xóc của nhà thép. Nó mơ tả các phương pháp đo độ rung sử dụng để thử nghiệm các tịa nhà và trình bày các phương pháp tin cậy đánh giá chu kỳ tự nhiên và giảm xóc từ kiểm tra độ rung mơi trường xung quanh. Báo cáo cịn mơ tả những phát hiện từ đo lường tỷ lệ đầy đủ của rung động nhỏ của 21 dạng nhà cao tầng. Công thức hồi quy của các tần số tự nhiên và tỷ lệ giảm xóc cho nhà cao tầng khung thép được tác giả đề nghị.

Nhà càng cao ảnh hưởng bởi gió càng đáng kể – những chuyển động phát sinh như gia tốc và chuyển vị ngang. Do đó độ cứng kết cấu của tịa nhà và các đặc

</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">

tính động lực học (thời gian dao động, lực cản nhớt) trở thành những thông số quan trọng trong việc xác định những chuyển động đó. Phương pháp xấp xỉ và các biểu thức thực nghiệm được sử dụng để lượng hóa những tham số này ở giai đoạn thiết kế có xu hướng tiến về giá trị tới hạn khác nhau một cách đáng kể. Theo quan điểm này, nó cần được kiểm tra làm thế nào những tòa nhà thực trong phổ phản ứng với tải trọng gió động để xác minh một mơ hình thực cho ứng xử động lực học của tòa nhà. Nghiên cứu của Balendra T. v à c ộ n g s ự (2003) [18] mô tả những kết quả từ sự đo đạt trên mơ hình thực của phản ứng phát sinh của gió đối với những nhà cao tầng điển hình ở Singapore, và đề xuất một mơ hình dự báo thực nghiệm cho chu kỳ dao động và biểu thức gần đúng, liên quan đến tốc độ gió đối với gia tốc của tịa nhà dựa trên mơ hình thử nghiệm cân bằng lực trong hầm gió.

Mặc dù phương pháp GLF truyền thống đảm bảo một dự đốn chính xác về chuyển vị của cơng trình, nhưng nó tỏ ra khơng đáp ứng được một dự đốn tin cậy cho các thành phần phản ứng khác của cơng trình. Để khắc phục nhược điểm này, Ahsan Kareem, Yin Zhou (2003) [17] đề xuất một phương pháp thiết kế nhất quán cho việc xác định tải trọng thiết kế cho các cơng trình cao tầng. Tác giả chỉ ra một mơ hình thay thế, trong đó hệ số gió giật được xác định dựa trên moment uốn tại đáy công trình thay cho chuyển vị trong phương pháp truyền thống. Moment cực hạn tại đáy công trình được tính tốn bằng cách nhân moment bình quân tại đáy cơng trình với hệ số gió giật mà các tác giả đề nghị. Moment tại đáy cơng trình sau đó được phân phối cho các tầng thành các lực tại các tầng theo quy trình tương tự như việc phân chia lực cắt đáy trong thiết kế kháng chấn. Những ví dụ tính tốn số cho thấy sự tiện lợi trong sử dụng và tính chính xác của cách tiếp cận mới này so với cách tiếp cận truyền thống.

Holmes J. (2003) [32] thảo luận những tiến bộ đạt được trong việc tìm hiểu tải trọng gió tác động lên kết cấu/cơng trình, và các khía cạnh liên quan đến kỹ thuật về gió, các vấn để nỗi bật trong năm 2003, và những triển vọng cho các năm tiếp theo.

Mitra D. và Kasperski M. (2006) [42] đã tiến hành nhiều thử nghiệm trong

</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">

hầm gió xác định tỉ lệ hình học thích hợp cho mơ phỏng lớp biên trong hầm gió.

Vận tốc trung bình, vận tốc trung bình qn phương của gió và tỷ lệ thích hợp nhận được tại các chiều cao khác nhau.

Sự tồn cầu hóa của cơng nghiệp xây dựng cũng như sự pháp triển của các quy phạm/tiêu chuẩn về tính tốn tải trọng gió, nên cần hiểu rõ hơn về sự khác biệt cơ bản giữa các tiêu chuẩn. Những nghiên cứu của Zhou và cộng sự (2002) [67] và của Tamura và cộng sự (2005) [58] đã tìm ra các khái niệm khác nhau giữa các tiêu chuẩn nói về đặc tính của gió, bao gồm: biên dạng vận tốc gió trung bình, biên dạng cường độ nhiễu loạn, phổ gió, tương quan gió-kết cấu, là các nhân tố chính làm ảnh hưởng đến sự dự đốn trước khả năng ứng xử của cơng trình.

Rachel Bashor và Ahsan Kareem (2009) [46] so sánh một cách bao quát về tải trọng gió và tác động của nó lên nhà cao tầng được tiến hành ở 6 quy phạm và tiêu chuẩn quốc tế chính. Các quy phạm, tiêu chuẩn đó là: Tải trọng thiết kế tối thiểu cho cơng trình và cấu trúc của hiệp hội kỹ sư dân dụng Hoa Kỳ [ASCE 2005], Tiêu chuẩn Úc và Niu Di Lân [SAA 2002], Tiêu chuẩn xây dựng quốc gia Canada [NRC 2005], Kiến nghị của Viện kiến trúc Nhật Bản [AIJ 2004], Tiêu chuẩn Châu Âu [Erocode 2004], Tiêu chuẩn quốc tế 4354 [ISO 2009]. Tất cả các tiêu chuẩn trên đều sử dụng GLF để đánh giá tác động và ảnh hưởng của gió dọc lên các kết cấu cao nhưng có sự khác nhau trong đánh giá tải trọng gió ngang và gió xoắn. Các phương diện so sánh là các quy định về cường độ thiết kế của gió theo hướng của gió tới, phương vng góc và xoắn cũng như là các yêu cầu về sử dụng. Các tiêu chuẩn đều sử dụng cơ sở lý thuyết trong việc tính tốn tải trọng, các phương trình được viết lại theo một hình thức chung để so sánh các thông số một cách riêng biệt. Mặc dù các tiêu chuẩn xác định tải trọng gió dọc đều sử dụng dao động ngẫu nhiên để xác định GLF nhưng các tham số của chúng được xác định theo các cách khác nhau. Những tham số này được viết lại dưới một hình thức nhất quán và được so sánh với nhau. Một vài điểm khác nhau khi sử dụng các tiêu chuẩn quốc tế là việc sử dụng các thuật ngữ khác nhau và việc đưa các hệ số vào sử dụng trong những điều kiện khác nhau, điều này gây ra khó khăn cho người thiết kế khi làm việc trong

</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">

môi trường tồn cầu. Việc viết lại các phương trình cơ bản theo một hình thức tổng quát sẽ giúp cho người thiết kế giải mã được các khía cạnh của các quy phạm/tiêu chuẩn khác nhau và hiểu được kết quả khác nhau trong sự ứng xử của kết cấu công trình.

Dae Kun Kwon, Ahsan Kareem (2013) [22] đã nghiên cứu các điểm khác nhau và tương đồng trong các tiêu chuẩn ASCE/SEI 7-10 (Hoa Kỳ), AS/NZS 1770.2:2011 (Úc và Niu Di Lân), AIJ 2004 (Nhật Bản), CNS 2012 (Trung Quốc), NBCC 2010 (Canada), Eurocode 2010 (Châu Âu), ISO 2009 (Quốc Tế) và IWC 2012 (Ấn Độ) về ảnh hưởng của tải trọng gió lên nhà cao tầng. Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cho thấy các thông số liên quan đến đặc tính vận tốc gió đóng góp nhiều nhất vào sự khác biệt rõ ràng trong kết quả phản ứng gió như lực cắt đáy, mơ men đáy, gia tốc đỉnh.

Theo Giáo sư Yasushi Uematsu, Đại học Tohoku [63] phương pháp tính tốn tải trọng gió được trình bày trong Sổ tay hướng dẫn về các loại tải trọng đối với các

<i>tòa nhà (Guidelines for Loads on Buildings) do Viện Kiến trúc Nhật Bản ban hành </i>

năm 1981 dựa trên các thí nghiệm và quan sát phù hợp với phương pháp GLF mà Davenport [24] đã đề xuất. Tải trọng gió có hai dạng, dạng thứ nhất cho các khung kết cấu và dạng thứ hai cho các bộ phận bên ngồi. Vận tốc gió thiết kế được lấy bằng cách xét đến tần số xuất hiện của các trận gió mạnh và mức độ an toàn của cơng trình trong suốt tuổi thọ thiết kế. Áp lực vận tốc thiết kế q<small>H</small> được lấy bằng áp lực vận tốc ở chiều cao tiêu chuẩn H của tòa nhà. Ảnh hưởng của những biến đổi tạm thời và biến đổi theo khơng gian của vận tốc gió hoặc áp lực gió được đánh giá bằng phương pháp xác suất thống kê được biểu diễn bằng GLF. Các điều kiện gió được phân loại theo “độ gồ ghề mặt đất”. Năm 2000, Tiêu chuẩn Xây dựng Nhật được chỉnh sửa toàn bộ với việc tính tốn tải trọng gió bằng phương pháp xác suất thống kê giống như nhiều nước khác.

Khi thiết kế các tòa nhà, thường giả định ba điều kiện tới hạn sau [63]: tiêu chuẩn sử dụng, tiêu chuẩn phá hủy và tiêu chuẩn an toàn. Các tiêu chuẩn thiết kế được xác định với từng điều kiện tới hạn đó. Ví dụ như các tiêu chuẩn sử dụng cho

</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">

các tòa nhà cao tầng được xác định bằng cách xét tới dao động (khả năng cư trú, tiêu chuẩn sử dụng) do gió lớn gây ra, tức xét mối quan hệ giữa gia tốc ứng xử cực đại với vận tốc gió trong chu kỳ lặp là 1 năm và tần số dao động riêng của tòa nhà. Khi xác định các tiêu chuẩn phá hủy, các bộ phận kết cấu vẫn phải nằm trong giới hạn đàn hồi khi chịu các cơn gió rất mạnh với chu kỳ lặp là 50 năm. Khi xác định các tiêu chuẩn an tồn, các tịa nhà phải không bị sụp đổ khi chịu các cơn gió rất mạnh với chu kỳ lặp là 500 năm.

Tiêu chuẩn tính tốn tải trọng gió của Trung Quốc cũng theo nguyên tắc của phương pháp GLF của Davenport [24]. Áp lực gió cơ bản của nhà cao tầng lấy theo “Qui phạm tải trọng kết cấu xây dựng GB 50009-2012”, trong đó áp lực gió lấy bình qn trong 10 phút, chu kỳ lặp 30 năm, ở độ cao 10m, địa hình dạng B. Đối với thiết kế, để nâng độ an tồn nên dùng áp lực gió với chu kỳ lặp 50 năm, vì vậy áp lực gió trong quy phạm nhân với hệ số 1,1. Với nhà cao tầng xây mới trong nhóm nhà đã có, áp lực gió càng phức tạp và bất lợi, vì nó chịu ảnh hưởng dịng khí bị nhiễu bởi các cơng trình xung quanh, mặt khác những nhà cao tầng rất quan trọng, có yêu cầu nâng cao độ an tồn thiết kế chống gió bão và có thể tồn tại hàng trăm năm nên cần nhân thêm hệ số tầm quan trọng 1,1. Vậy so với quy phạm, hệ số lấy chung bằng 1,2 [15].

<i><b>1.2.2. Các nghiên cứu ở trong nước </b></i>

Trước tình hình biến đổi khí hậu, thời tiết thay đổi bất thường, tần suất xuất hiện gió bão ngày càng nhiều, ảnh hưởng trực tiếp đến nước ta, nhất là khu vực Duyên hải Miền Trung. Hơn nữa nhiều công trình cao, khẩu độ lớn phát triển rất nhanh, đòi hỏi cần quan tâm nhiều hơn đến tác động của gió bão, nhằm giảm thiểu rủi ro cho con người và cơng trình.

Ngồi tiêu chuẩn tính tải trọng gió biên soạn từ tiêu chuẩn Nga, nhiều nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng đã được thực hiện. Bên cạnh cũng đã có một số nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành tại các phịng thí nghiệm gió thuộc Viện khoa học công nghệ xây dựng- Bộ xây dựng (IBST), Viện kỹ thuật Phịng khơng-Khơng qn- Bộ quốc phịng, trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh.

</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35">

Tính tốn tải trọng gió lên nhà cao tầng theo nghiên cứu, tổng hợp của GS Mai Hà San (1991) [3] được phân tích thành tác động song song với hướng gió và tác động vng góc với hướng gió. Tác dụng động theo phương luồng gió làm tăng tải trọng gió lên cơng trình. Dao động theo phương vng góc với hướng gió gây ra bởi những cơn lốc có tên gọi là lốc Karman. Dưới tác động của nó, những cơng trình thanh mãnh, những cơng trình có chiều cao lớn hay khẩu độ lớn, có thể sinh ra hiện tượng gió giật, va đập, những lực ngẫu nhiên có thể phát sinh gây ra cộng hưởng dẫn đến nguy hiểm.

Khi nghiên cứu về tải trọng gió tác dụng lên cơng trình cao, tác giả Nguyễn Quang Viên và cộng sự [7] đã phân tích các tham số ảnh hưởng, xem xét so sánh tác dụng động của gió theo một số tiêu chuẩn trên thế giới và tiêu chuẩn Việt nam. Trong một nghiên cứu khác, tác giả cũng bàn luận về một phương pháp xác định tác dụng của tải trọng gió lên cơng trình cao [8], cách phân phối tải trọng ngang trong nhà hệ khung-vách-lõi [9].

Nguyễn Ngọc Tình (2007) [6] nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng số về lốc xốy lên các cơng trình xây dựng và tác giả đã đề xuất phương pháp tính. Theo đó, tác giả đã tách lực tác động của lốc xoáy thành ba thành phần (áp lực chính diện theo TCVN, lực động do áp suất khơng khí thay đổi khi lốc xoáy và lực nâng do thành phần vận tốc thẳng đứng) để dễ tính tốn sau đó tổng hợp lại.

Tác giả Nguyễn Võ Thông [11] đã đề xuất điều chỉnh khi thiết lập các cơng thức tính tốn thành phần tĩnh và động của tải trọng gió trong dự thảo TCVN 2737:2011 trên cơ sở số liệu gió quy định trong QCVN 02:2009/BXD và tuân thủ phương pháp tính tốn nêu trong tiêu chuẩn hiện hành của Nga СНиП 2.01.07-85* (2009). Theo tác giả, cần chuyển đổi vận tốc gió lấy trung bình 3 giây và chu kỳ lặp 20 năm theo QCVN 02:2009/BXD sang vận tốc gió lấy trung bình 10 phút và chu kỳ lặp 5 năm theo tiêu chuẩn Nga СНиП 2.01.07-85*. Khi tính tốn kết cấu ở trạng thái giới hạn thứ hai, giá trị hệ số độ tin cậy của tải trọng gió γ = 1,0; cịn khi tính toán kết cấu ở trạng thái giới hạn thứ nhất, giá trị hệ số độ tin cậy của tải trọng gió γ=1,65 cho cơng trình có niên hạn 50 năm.

</div><span class="text_page_counter">Trang 36</span><div class="page_container" data-page="36">

Khi tính tốn tải trọng gió theo TCVN 2737:1995, theo tác giả Nguyễn Đại Minh và cộng sự [4] đề nghị đối với nhà cao hơn 20 tầng thường có tuổi thọ 100 năm không phải là 50 năm, nên ngoài hệ số độ tin cậy 1,2 phải nhân thêm với hệ số tầm quan trọng 1,15 (tương ứng như trong QCVN 02:2009/BXD hệ số chuyển đổi chu kỳ lặp từ 20 năm lên 100 năm là 1.37). Vấn đề chuyển đổi tải trọng gió ứng với gió trung bình 3 giây và gió trung bình 10 phút cũng được tác giả đề cập, so sánh.

Khi nghiên cứu thành phần động của tải trọng gió trong nhà cao tầng, tác giả Hồ Việt Hùng [2] tiến hành khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố tới tỉ trọng của thành phần động. Kết quả cho thấy đối với các điều kiện thường gặp trong thiết kế, thì tỉ trọng của thành phần động nằm trong một khoảng nhất định, có thể xác định nhanh thơng qua thành phần gió tĩnh. Theo kinh nghiệm thiết kế tác giả đề xuất, nhà cao tầng thường được xây dựng trong thành phố, có dạng địa hình B, và hệ số độ cứng k= 9; từ các kết quả tính toán cho thấy tỉ lệ giữa thành phần động và thành phần tĩnh nằm trong khoảng 30% ~ 45%. Khi cần kiểm tra nhanh, có thể sử dụng tỉ lệ 40% để xác định sơ bộ giá trị thành phần động của tải trọng gió.

Nghiên cứu trên ống thổi khí động, Nguyễn Hoài Nam, 2014 [5] đã đưa ra 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.

Hầu hết các nghiên cứu các nhà có tỷ số bề rộng trên chiều cao nhỏ hơn hoặc bằng 6. Bằng mô phỏng số và nghiên cứu trong ống thổi tại phịng thí nghiệm gió IBST, tác giả Nguyễn Kiên Cường [42] đã tiến hành các mơ hình nhà cao tầng có mặt bằng hình vng, hình chữ nhật với tỷ số bề rộng trên chiều cao nhà từ 6 đến 9 dựa trên tiêu chuẩn Úc và tiêu chuẩn Nhật, đây là hai tiêu chuẩn cho phép ước tính cả gió dọc và gió ngang. Với tiêu chuẩn Nhật, phản ứng của các tòa nhà hình chữ nhật với các tỉ lệ lên đến 9 với độ sai khác trong vòng 15%, mặc dù giới hạn chỉ là 6. Tiêu chuẩn Úc cũng đã được tìm thấy có khả năng dự đốn các phản ứng gióngang của nhà cao tầng mặt bằng hình vng với tỷ lệ lên đến 9.

<b>1.3. Xác định tải trọng gió theo một số một số tiêu chuẩn </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 37</span><div class="page_container" data-page="37">

<i><b>1.3.1. Theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ ASCE/SEI 7- 16 </b></i>

1.3.1.1. Áp lực gió đơn vị

ASCE 7-16 dựa trên phân tích động lượng của trường gió đưa ra cơng thức xác định áp lực gió đơn vị q [16]:

q = 0.613K K K K V (N/m<small>2</small>) (1.26) Trong đó:

- K<small>z</small> là hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao cũng như theo mức độ luồng gió tiếp xúc với địa hình. Để xác định hệ số này, ASCE 7-16 chia các dạng địa hình xây dựng ra làm 3 loại B, C, D (Bảng 1.2). Có thể tra hệ số Kz theo mục 26.10.1 [16] phụ thuộc vào chiều cao z và dạng địa hình.

- K<small>zt</small> là hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió khi gió vượt lên hoặc va đập vào các dạng địa hình khác nhau, ví dụ như sườn đồi, chóp núi hay vách dốc đứng. Kzt được tính tốn cụ thể trong mục 26.8.2 [16]. Trong điều kiện địa hình thơng thường, K<small>zt</small> =1.

- K<small>d</small> là hệ số kể đến tác động của luồng gió theo hướng chính lên cơng trình. Kd được trình bày cụ thể trong bảng 26.6 [16]. Khi tính tốn hệ khung chịu lực chính, K<small>d</small> = 0.85.

- K<small>e</small> là hệ số độ cao mặt đất, lấy theo mục 26.9 [16]

- V là vận tốc gió (m/s) trong điều kiện tiêu chuẩn luồng gió thổi trong thời gian 3s tại cao độ 10m so với mặt đất tự nhiên, xét ở dạng địa hình C (tương đương dạng địa hình B theo TCVN). Giá trị V được trình bày trong bảng 26.5 [16].

</div><span class="text_page_counter">Trang 38</span><div class="page_container" data-page="38">

- C<small>p</small> - hệ số áp lực bên ngồi, lấy theo hình 27.3-1, 27.3-2 và 27.3-3 [16]. - (GC<small>pi</small>) - Hệ số áp lực bên trong phụ thuộc chủ yếu vào mức độ kín hở của cơng trình. ASCE đã chia các cơng trình xây dựng ra làm 3 loại: nhà kín, nhà kín một phần và nhà hở thơng qua tỷ số giữa diện tích các ơ mở với diện tích của toàn bộ các bề mặt bao che, lấy theo bảng 26.13.1 [16].

<i>- G là hệ số gió giật, xác định như sau: </i>

+ Với nhà cứng và các kết cấu khác (f<small>1</small> ≥ 1(Hz)):

<small>vz1+1,7.g .I .QG=0,925.</small>

- f<small>1</small> - tần số dao động thứ nhất của kết cấu.

- I<small>z</small>, g<small>Q</small>, Q, g<small>R</small>, R, g<small>v</small> – được tính như trong mục 26.9.4 và 26.9.5 [16].

<i><b>1.3.2. Theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1991-1.4 (2005) </b></i>

1.3.2.1. Vận tốc gió cơ sở V<small>b</small>

Giá trị vận tốc gió cơ sở trong tiêu chuẩn Châu Âu EN được xác định thông qua giá trị vận tốc độ gió tiêu chuẩn tham chiếu V<small>b,0</small>, là giá trị vận tốc gió đo được trung bình trong 10 phút khơng phân biệt hướng gió và thời gian của năm với xác suất vượt một lần trong 50 năm ở độ cao 10m kể từ mặt đất ở khu vực có dạng địa hình II tương ứng với địa hình B của TCVN (EN chia ra 5 dạng địa hình từ 0 đến IV). Giá trị vận tốc gió cơ sở được xác định theo công thức [29]:

</div><span class="text_page_counter">Trang 39</span><div class="page_container" data-page="39">

- C<small>season </small>là hệ số kể đến yếu tố theo mùa, có thể tìm thấy trong các phụ lục quốc gia, trong trường hợp khơng có lấy giá trị bằng 1.

1.3.2.2. Vận tốc gió hiệu dụng theo độ cao

Vận tốc gió hiệu dụng V<small>m</small>(z) ở độ cao z trên một địa hình phụ thuộc vào độ nhám (gồ ghề) địa hình và vận tốc gió cơ bản (V<small>b</small>) được xác định theo [29]:

V<small>m</small>(z) = C<small>r</small>(z) . C<small>0</small>(z) .V<small>b</small> (1.31) Trong đó:

- C<small>r</small>(z) là hệ số thay đổi vận tốc gió theo độ cao và dạng địa hình:

C<small>r</small>(z) = k<small>r</small>. ln(z/z<small>0</small>) khi z<small>min </small>≤ z ≤ z<small>max</small> (1.32)

- z<small>0 </small>là chiều dài nhám, lấy theo Bảng 4.1 [29]

- k<small>r </small>là hệ tố địa hình phụ thuộc vào chiều dài nhám z<small>0</small>

k<small>r</small> = 0.19 (z<small>0</small>/z<small>0,II</small>)<small>0.07</small> (1.34) - z<small>0</small>, z<small>0,II </small>là chiều dài nhám, lấy theo Bảng 4.1 [29]

- z<small>min</small> là chiều cao tối thiểu lấy theo Bảng 4.1 [29] - z<small>max</small> = 200m

- C<small>0</small>(z) - hệ số orography (kể đến địa hình đồi núi, vách đá,…) lấy bằng 1, ngoại trừ trường hợp có các ghi chú khác.

1.3.2.3. Áp lực gió theo độ cao q_p(z)

Được xác định theo công thức [29]:

q<small>p</small>(z) = [1+7. I<small>v</small>(z)]/2 . ρ.V<small>m</small>²(z) = C<small>e</small>(z) . q<small>b </small> (1.35) Trong đó:

- ρ là tỷ trọng khí quyển, ρ= 1.25 kg/m<small>3</small>;

- q<small>b </small>là giá trị áp lực gió tiêu chuẩn được xác định theo công thức:

q<small>b </small>= 1/2 .ρ. V<small>b</small> (1.36) - I<small>v</small>(z) là cường độ rối.

I<small>v</small> (z) =σ<small>v </small>/ V<small>m</small>(z) (1.37) - σ<small>v </small>là độ lệch chuẩn của gió rối, cho bởi:

σ<small>v</small>= k<small>r</small> · V<small>b</small> · k<small>I</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 40</span><div class="page_container" data-page="40">

- k<small>I</small> là hệ số rối, lấy bằng 1.0

- C<small>e</small>(z) - hệ số mở rộng,có thể xác định theo:

C<small>e</small>(z) = C<small>r</small>²(z) [( 1 + 7. I<small>v</small>(z)] (1.38)

1.3.2.4. Áp lực gió lên bề mặt cơng trình

+ Áp lực gió tác dụng vào bề mặt bên ngồi cơng trình W<small>e</small>, được xác định theo [27]:

Trong đó:

q<small>p</small>(z<small>e</small>) - là giá trị áp lực vận tốc đỉnh bên ngồi;

C<small>pe</small> - hệ số áp lực gió cho các mặt bên ngoài, chỉ dẫn trong chương 7 [29]; z<small>e</small> - chiều cao tham chiếu cho áp lực bên ngồi, phụ thuộc vào hình dạng và kích thước cơng trình.

+ Áp lực gió tác dụng vào bề mặt bên trong cơng trình W<small>i</small>, được xác định theo biểu thức:

W<small>i </small>= q<small>p</small>(z<small>i</small>). C<small>pi </small> (1.40) Trong đó:

q<small>p</small>(z<small>i</small>) là giá trị áp lực vận tốc đỉnh bên trong.

C<small>pi </small>là hệ số áp lực gió cho các mặt bên trong, chỉ dẫn trong chương 7 [29].

- C<small>f </small>là hệ số áp lực cho toàn bộ kết cấu hoặc các bộ phận kết cấu, giá trị cho các dạng cơng trình xem chương 7,8 [29].

</div>