Thí nghiệm hầm gió trong thiết kế kháng gió nhà cao tầng

Trường Đại học Giao thông Vận tải – Viện KH&CN XDGT

Thí nghiệm hầm gió trong thiết kế
kháng gió cho nhà cao tầng
Wind Tunnel Tests for Wind-Resistant
Design of High-rise Building
Phạm Hoàng Kiên - ĐHGTVT
Nguyễn Viết Trung - ĐHGTVT

Ảnh hưởng của tải trọng gió trong thiết kế KC nhà
 Nhà

dưới 10 tầng: tải

trọng thẳng đứng quyết
định thiết kế (không cần
tăng thêm kích thước
cấu kiện khi xét tới tải
trọng gió)
 Nhà

trên 10 tầng:

lượng vật liệu cần thiết
phải bổ sung để chống
Sự tăng của trọng lượng thép trong
thiết kế các cao ốc

lại tải trọng gió tăng
không tuyến tính.



1


Tại sao nhà cao tầng lại nhạy cảm với tác động của gió
EQ design

Số tầng vs Chu kỳ dao động

Wind design

High-rise buildings
(Moderate EQ)

Số tầng

Chu kỳ
dao động
cơ bản

2 tầng

0.2s

5 tầng

0.5s

10 tầng

1.0s

20 tầng

2.0s

30 tầng

3.0s

50 tầng

5.0s

Wind Design is Dominant

Tác động của gió vs Tác động của động đất
Earthquake-Resistant
Mu+Cu+Ku=F(t)
Design
u=[ug , f g , vg ,uc , vc ]T

Wind-Resistant
Design

Mu+Cu+Ku=F(u,u,u,t)
u=[ug , f g , vg ,uc , vc ]T

Forced Vibration

Self-excited
Vibration



2


Vai trò của thí nghiệm hầm gió trong TK kháng gió
Ảnh hưởng của hình trạng kết cấu trong TK kháng gió

Thí nghiệm
hầm gió

Hình trạng của kết cấu ảnh hưởng lớn đến sự phân tách và hình dạng
của dòng khí khi thổi qua kết cấu → có ảnh hưởng rất lớn đến tải
trọng gió và các hiện tượng động gây ra bởi gió.

Vai trò của thí nghiệm hầm gió trong TK kháng gió
Ảnh hưởng của hình trạng kết cấu trong TK kháng gió

Giảm được momen uốn gây
ra bởi tải trọng gió tới 25%

Thí nghiệm
hầm gió

Tòa nhà China World Trade Centre
(81 tầng, 330m), Bắc Kinh



3


Vai trò của thí nghiệm hầm gió trong TK kháng gió

Xét tới ảnh hưởng của điều kiện địa hình, hướng gió

Thí nghiệm hầm gió

Các tác động của gió đối với nhà cao tầng

Tải trọng gió
(wind loading)

Along-wind
loading

Across-wind
loading

Torsion

Wind

Wind

Vibration direction

Vortex

Dao động do xoáy khí
(Vortex-induced vibration)



4


Các quy định liên quan đến TNHG trong tiêu chuẩn
Tiêu chuẩn ASCE 7-05
 Kết

cấu có hình dạng không bình thường (irregular-shaped buildings)

 Kết

cấu mà dưới tác dụng của tải trọng gió không chỉ xét đến thành phần tải

trọng theo phương gió thối (along-wind loading) mà phải xét đến cả thành
phần tải trọng vuông góc với phương gió thổi (across wind loading)
 Kết

cấu có thể xuất hiện các dao động do xoáy khí (Vortex-induced

Vibration)
 Kết

cấu có khả năng xảy ra các hiện tượng mất ổn định khí động học

(Galloping & Flutter)
 Kết

cấu có thể xuất hiện những dao động phía cuối gió do phía trước nó có

vật cản gió (wake-induced vibration due to upwind obstructions)

Thí nghiệm hầm gió

Các quy định liên quan đến TNHG trong tiêu chuẩn
Tiêu chuẩn Nhật Bản

Kết cấu nhà
Cao tầng
Thấp
tầng

Phương
pháp đơn
giản

Trung tầng
KC cứng

Phương pháp thiết kế chi
tiết
Tải trọng gió theo
phương gió thổi – Tải

trọng gió tác dụng lên
mái nhà – Kết cấu bao
che

Kếu cấu
mảnh

Tải trọng gió
vuông góc với
phương gió thổi
Gió xoắn

Kếu cấu đặc
biệt mảnh

Dao động do
xoáy khí
Mất ổn định khí
động học

Thí nghiệm hầm gió



5


Các quy định liên quan đến TNHG trong tiêu chuẩn
Tiêu chuẩn Nhật Bản
 Kết

cấu mảnh (cần xét đến cả tải trọng gió vuông

góc với phương gió thổi và momen xoắn)

H
3
BD
 Kết

cấu đặc biệt mảnh (cần xét đến dao động do

xoáy khí và mất ổn định khí động học)


Kết cấu có mặt cắt chữ nhật:


 UH
UH
H
*
*
 0.83UTcr
 0.83U Lcr
hoặc
 4 đồng thời 

fT BD
BD


 f L BD


Kết cấu có mặt cắt hình tròn:

H
7
Dm

đồng thời

UH
 4.2
f L Dm

trong đó UH: vận tốc gió thiết kế

Các TNHG trong thiết kế kháng gió cho nhà cao tầng
1) Thí nghiệm xác định áp lực gió để tính toán tải
trọng gió thiết kế cho các kết cấu bao che;
2) Thí nghiệm xác định tải trọng gió để tính toán tải
trọng thiết kế cho kết cấu khung chịu lực;

3) Thí nghiệm để xác định các hiện tượng dao động
gây ra bởi gió;
4) Thí nghiệm để xác định môi trường gió;



6


Thí nghiệm xác định áp lực gió
Tải trọng gió để thiết kế các kết cấu bao che (glass, curtain wall…)





A
qH

: diện tích
: áp lực vận tốc thiết kế (design velocity pressure)

C *pi

: hệ số áp lực trong cực đại (internal peak pressure coefficient)

C *pi

: hệ số áp lực ngoài cực đại (external peak pressure coefficient)

W= Cˆ pe  C *pi qH A

Được xác định bằng thí nghiệm hầm gió

Thí nghiệm xác định áp lực gió

Máy đo áp lực
gió đa điểm

Ống nối với các lỗ đo
 Mô

hình cứng (vật liệu thường được dùng

là tấm acryl hoặc bằng đồng thau)
 Đường
 Kích

kính các lỗ đo áp khoảng 1mm

thước của mô hình và phạm vi mô

hình hóa địa hình xung quanh: chú ý đảm
bảo thỏa mãn điền kiện là Hệ số bịt
(Blockage Effect) < 5%



7


Thí nghiệm xác định áp lực gió
Các điều kiện đồng dạng
 Điều

kiện đồng dạng đối với dòng khí thổi



Phân bố của vận tốc gió trung bình (Mean Wind Speed Profile)



Cường độ rối (Turbulence Intensity)



Kích thước rối (Turbulence Scale)

Spire
Wind
Test Model
Roughness block
Model of surround building

Thí nghiệm xác định áp lực gió
Các điều kiện đồng dạng
 Kích



thước hình học và hình trạng

Số Reynolds:
Thông thường không thể thỏa mãn điều kiện đồng dạng đối với số

Reynolds. Tuy nhiên có nhiều trường hợp kết cấu có mặt cắt có góc
cạnh và như vậy ảnh hưởng của số Reynolds sẽ không lớn. Trong
trường hợp mắt cắt là hình tròn hoặc elip, cần tạo độ nhám trên bề
mặt của mô hình.
 Vận

tốc gió quy đổi (Reduced Velocity)

 TCU H   TCU H 

 

 L  p  L m



8


Thí nghiệm xác định tải trọng gió
Trừ trường hợp xảy ra các dao động như vortex-induced hay galloping,
chuyển vị cực đại gây ra bởi gió có thể tính được thông qua tải trọng gió tác

dụng lên hệ kết cấu đứng im như sau:

xˆ ( z )  x ( z )  g ( z )

x ( z ) : chuyển vị trung bình

S x (n) : generalized displacement

 ( z )qH BHC f

x ( z) 

power spectrum density

(2 n0 )2 M

 x ( z)   ( z)
S x ( n) 





0

C f : generalized mean wind load
coefficient

M : generalized mass

S x (n)dn

(qH BHC 'f ) 2 S f (n)



n(2 n0 ) 4 M 2  1   n n0 



  4h  n n  

2 2

2

2

0

Thí nghiệm xác định tải trọng gió
Có thể định nghĩa
H

f (t )    ( z ) f ( z; t )dz
0

Cf 
C 'f 

f
qH BH

f
qH BH

S f ( n) 

nS f (n)



2
f

generalized wind load

f : mean value of

generalized wind load

generalized fluctuating
load coefficient

Được xác định bằng
thí nghiệm hầm gió

power spectrum density of
generalized wind load

Trong trường hợp có thể dùng rocking mode để mô tả gần đúng mode dao động:

 ( z)  z H
f (t ) 

M X (t )
H

Momen gây lật tại đáy kết cấu



9


Thí nghiệm xác định tải trọng gió

Mô hình

Thiết bị đo

Thiết bị đo 5 thành phần lực
(five-component highfrequency force balance)

Nguyên lý làm việc của thiết bị đo

Thí nghiệm xác định tải trọng gió
Các điều kiện đồng dạng
 Điều

kiện đồng dạng đối với dòng khí thổi:

Tương tự như trong thí nghiệm xác định áp lực gió


Kích thước hình học và hình trạng:
Tương tự như trong thí nghiệm xác định áp lực gió



Số Reynolds:
Tương tự như trong thí nghiệm xác định áp lực gió

 Vận

tốc gió quy đổi (Reduced Velocity)

 UH   UH 

 

 nL  p  nL m



10


Thí nghiệm xác định các hiện tượng dao động
Thiết bị trong thí
nghiệm xác định các
hiện tượng dao động
gây ra bởi gió

Thí nghiệm xác định các hiện tượng dao động

Mô hình đàn hồi

Rocking
Model

2D Model

Lumped-mass
Model

Full-elastic
Model



11


Thí nghiệm xác định các hiện tượng dao động

Mô hình đàn hồi

Lumped-mass Model

Thí nghiệm xác định các hiện tượng dao động

Các điều kiện đồng dạng
 Điều

kiện đồng dạng đối với dòng khí thổi

Kích thước



hình học và hình trạng

Số Reynolds

 Vận

tốc gió quy đổi (Reduced Velocity)

 UH   UH 

 

 n 0 L  p  n 0 L m


Điều kiện đồng dạng về tỷ trọng (Mass Ratio)

 b   b 
   
 a  p  a m


 a : tỷ trọng của không khí

Điều kiện đồng dạng về hệ số giảm chấn (Damping Ratio)

hp  hm



12


Thí nghiệm xác định môi trường gió

Mô hình địa hình

Mô hình cây giả

Thí nghiệm xác định môi trường gió



13