So8B 2020 ok bia pdf �������������� Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ Đặt vấn đề Các kết cấu mảnh thẳng đứng với nhiều đặc điểm và chức năng khác nhau đã và đang được xây dựng ở khắp nơi trên thế giới, t[.]
Khoa học Kỹ thuật Cơng nghệ Mơ hình giải tích đáp ứng khí động học kết cấu mảnh theo phương tác động gió Nguyễn Đình Kha1, Nguyễn Huy Cung2* Khoa Kỹ thuật xây dựng, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh Khoa Kỹ thuật xây dựng, Trường Đại học Công nghiệp TP Hồ Chí Minh Ngày nhận 10/3/2020; ngày chuyển phản biện 12/3/2020; ngày nhận phản biện 20/4/2020; ngày chấp nhận đăng 8/5/2020 Tóm tắt: Các kết cấu thẳng đứng cột ăng-ten, nhà cao tầng tháp trụ thư ng nhạy cảm với tác động gió, gây chuyển vị lớn dao động Do chất phức tạp gió, việc đưa mơ hình giải tích phù hợp để phân tích, đánh giá xác đáp ứng khí động lực học kết cấu mảnh khó khăn Những tiêu chuẩn hành cung cấp nhiều mơ hình khác để tính tốn đáp ứng kết cấu tác động gió bị giới hạn giả thiết Bài báo giới thiệu mơ hình giải tích mở rộng để tính tốn đáp ứng chuyển vị kết cấu mảnh thẳng đứng theo phương tác động gió, có xét đến tác động thành phần khác dịng rối khí Ví dụ số cho kết cấu thực tế minh họa cho phần lý thuyết hạn chế cách tính tốn phổ biến Từ khóa: dao động, dịng rối, kết cấu mảnh, khí động lực học, phương gió tác động Chỉ số phân loại: 2.1 Đặt vấn đề Các kết cấu mảnh thẳng đứng với nhiều đặc điểm chức khác xây dựng khắp nơi giới, tạo thành phần di sản văn hóa kiến trúc nhân loại Tầm quan trọng kết cấu đặt vấn đề an tồn bảo trì Do u cầu kiến trúc, công sử dụng tiến khoa học vật liệu, kết cấu ngày cao, mảnh Rất nhiều nghiên cứu dao động đáp ứng động kết cấu mảnh thẳng đứng tác động gió thực sở kế thừa kết nghiên cứu ngành khí động lực học lĩnh vực hàng khơng, chủ đề nghiên cứu phát triển lĩnh vực kỹ thuật gió 60 năm qua Nhiều phương pháp thiết lập để tính tốn đáp ứng kết cấu mảnh chịu tác động gió, bao gồm: cơng thức tốn học, phương pháp giải tích, phương pháp số, thí nghiệm hầm gió thí nghiệm tồn diện…[1] Ưu điểm ngành kỹ thuật gió việc sử dụng chung nhiều phương pháp kết hội tụ xác Các thí nghiệm đóng vai trị quan trọng việc kiểm chứng hồn chỉnh lý thuyết tính tốn dựa mơ hình nhiều giả thiết đơn giản hóa, cung cấp lời giải thực tế, góp phần tiên lượng vấn đề phát sinh trước thi cơng Việc nghiên cứu đáp ứng gió theo phương tác động (along-wind), đặc biệt kết cấu thẳng đứng (ví dụ tồ tháp, nhà chọc trời, cột điện, cột ăng-ten…) bắt đầu tiến hành từ thập niên 1960 nhờ đóng góp tiên phong Davenport [2, 3] Với nghiên cứu này, tác giả tính dạng dao động chuyển vị trung bình theo phương tác động gió Tác giả liên hệ: nguyenhuycung@iuh.edu.vn Nhiều mơ hình sau đề xuất để cải tiến nghiên cứu Davenport Tuy nhiên, nghiên cứu chưa hoàn thiện Các tiêu chuẩn thiết kế hành sử dụng nhiều mơ hình khác để tính tốn đáp ứng kết cấu gió theo phương tác động [4, 5] Trong đó, thành phần dịng rối vng góc với phương tác động thường bị bỏ qua [6, 7] Điều giúp cho kỹ sư thiết kế có cơng thức đơn giản việc tính tốn ứng xử kết cấu gió Tuy nhiên, dẫn tới kết thiếu xác thành phần dịng rối tác động đến chuyển vị theo phương tác động Xuất phát từ nhận xét trên, nghiên cứu nhằm mục tiêu giải hạn chế nghiên cứu trước việc tính tốn chuyển vị theo phương gió (along-wind) kết cấu mảnh thẳng đứng Bên cạnh đó, báo mở rộng mơ hình lý thuyết trước thơng qua việc xét thành phần dịng khí rối thường bị bỏ qua nghiên cứu tiêu chuẩn thiết kế chống gió Lý thuyết phân tích phổ đáp ứng chuyển vị áp dụng để xây dựng công thức tính đáp ứng chuyển vị kết cấu Phương pháp số dùng việc tính tốn, áp dụng lý thuyết cho kết cấu cụ thể Lý thuyết đề xuất minh họa ví dụ số cho cơng trình thực tế hạn chế mơ sử dụng Xét bối cảnh Việt Nam, việc nghiên cứu cần thiết ngày có nhiều nhà cao tầng xây dựng kết cấu mảnh cột ăng-ten, cột điện, tháp truyền hình… phổ biến Những kết cấu nhạy cảm với gió có biên độ dao động lớn Do đó, việc tính tốn thiết kế chống gió cho kết cấu cần xác để đảm bảo an tồn cho kết cấu Khoa học Kỹ thuật Công nghệ D D H along-wind bu eting response of a slender column K KD H gió theo phương gây dòng rối; chuyển vị theo phương vận tốc theo phương gia tốc theo phương độ cứng; hệ số cản; khối lượng hệ H Department of Civil Engineering, University of Technology, Viet Nam National University, Ho Chi Minh city Department of Civil Engineering, Industrial University of Ho Chi Minh city wind Received 10 March 2020; accepted May 2020 bstract: Slender vertical structures such as tall buildings, antenna masts, and towers are very sensitive to wind actions that give rise to large dynamic response Due to the complex nature of wind turbulence, it is complicated to model analytically the wind-induced responses of slender structures Current wind codes provide di erent models to evaluate dynamic responses but are limited to basic assumptions This paper presents a general formulation to evaluate the bu eting displacement of slender vertical structures in the along-wind direction, considering the e ects of di erent turbulent components An application for a real structure will illustrate the theory and point out the limitation of conventional approaches Keywords: aerodynamics, along-wind bu eting, slender structures, turbulence Hình Chuyển vị theo phương tác động gió lên tiết diện kết cấu Áp dụng giả thiết tính dừng dao động (quasi-steady theory) , lực tác động gió X sau [2]: ' = ρ 2 ' ' = ' X+ ' ' =ρ ' Mơ hình tính tốn đáp ứng chuyển vị Xem xét kết cấu mảnh thẳng đứng có chiều cao , bề rộng đón gió , có tiết diện hình hệ trục tọa độ Decartes Trục trùng với hướng trục kết cấu Kết cấu chịu tác động gió có vận tốc tức thời ) với góc tác động φ có thành phần vận tốc trung bình ) hướng với trục Đối với kết cấu thẳng đứng, ) biểu diễn [2]: + Phương trình chuyển động hệ theo phương tác động gió [8]: ' ' − ) ' =' +' lực gió trung bình tác động theo phương (2) ' lực thành phần chuyển vị gây Giả thiết bề mặt nhám địa hình đồng vị trí xét; phản ứng kết cấu giai đoạn đàn hồi tuyến tính; dạng dao động riêng ảnh hưởng đáng kể nhất; dạng dao động riêng lại (bậc hai trở lên) xem tác động không đáng kể có kết sau: = (1) đó, X ) thành phần rối theo phương tác động ) thành phần rối theo phương vuông góc với phương tác ) động (cross-wind), thời gian ' + ' ' Nội dung nghiên cứu ( ' hệ số khí động học đẩy (drag) hút (lift); ' đạo hàm hệ số khí động học đẩy tương ứng góc tác động; ρ tỷ trọng khí = +X + ρ Do vậy, kết cấu tuyến tính chuyển vị phân tích thành: Classi cation number: = X ∫' ψ1 (2π ) (8) hàm ngẫu nhiên theo thời gian Nếu xem gió q trình ngẫu nhiên có tính dừng, đồng HU L giá trị xử lý theo lý thuyết dao động ngẫu nhiên rút từ giá trị phương sai [1]: σ2 ∞ =∫ ψ dạng dao động riêng thứ kết cấu; O tần số riêng kết cấu dạng dao động riêng thứ 1 khối Khoa học Kỹ thuật Công nghệ lượng tương ứng dạng dao động thứ 1; phổ đáp ứng miền tần số; σ phương sai chuyển vị theo phương Áp dụng lý thuyết phân tích theo phổ, tốn sau: { ') { )( = ∫ ∫ (ρ +∫ ∫ (ρ ' ( ab ψ1 ψ1 1 + ∫ ∫ ρ − )' − ' ) 2 XX ψ1 ψ1 ψ1 ψ1 tính } 2 X 1 } 1 (10) (XX ) ' 2 1 1 XX (12) 1 ' (13) 1 1 2 Lý thuyết tính giá trị cực đại chuyển vị cho [8] Giá trị cực đ 2( ) Lý thuyết tính giá trị cực đại chuyển vị cho [8] Giá trị cực đại chuyển vị độ cao tổng chuyển vị trung bình chuyển vị lớn độ cao đó: = max (14) ⋅σ + X ( 1, , ) X a Phổ gió XX XX Hàm phổ (10) thành phần rối = function) *1 X = = a χ 1 + χ ln( / ) X 17T [1 + 9.5T ] U ( 1, ) ⋅ ( 2, ) (21) (22) (23) tính tương tự CohXX cơng thức Ví dụ số Lý thuyết đề xuất nêu áp dụng để tính tốn đáp ứng khí động lực học cơng trình tiếng “Endless Column” Romania chịu tác động tải trọng gió [11] hình Bảng tóm tắt thơng số kết cấu kỹ thuật chính, bảng mơ tả thơng số gió tác động địa hình (15) 2 (16) (17) tra ) hàm gắn kết (coherence *1 cho [2, 9, 10]: ⋅ * chiều cao nhám bề mặt ( , ; ) = coh ( 1, ; ) phổ vận tốc gió thành phần rối theo X phương độ cao ; CohXX X ( 1, ) ⋅ X ( , ) với tỷ số thành phần rối u’ cho [2, 9, 10]: X (19) vận tốc gió trung bình cao độ 10 m ( , ; ) = coh XX ( , ; ) *1 số Karman; Hàm phổ thành phần dòng rối XX (20) hệ số đỉnh (Peak factor) theo phương tác động xác định lý thuyết phân bố cực trị tiệm cận phổ hệ số tác động theo phương đứng theo phương tác động gió; T= vận tốc nhám bề mặt điều chỉnh từ vận tốc bảng theo [8]; CohXX 19) nhám ứng với địa hình đồng cỏ Phổ gió Đối với kết cấu thẳng đứng thành phần dịng rối X khơng tương quan (non-correlated) với theo [2] Do đó, cơng thức (9) viết lại thành: XX (11) (18) coh XX ( , ; ) exp X = X + địa hình; X 1200 ⋅ (10) ong phổ thành phần rối a’, b’, với (a, χ= Hình Cột Endless Column (Nguồn http://www.romania-insider.com/) Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Bảng Thông số kết cấu tháp Endless Column [11] Ký hiệu Giá trị Chiều cao kết cấu: H (m) 29 Bề rộng mặt đón gió: b (m) 0,9 Khối lượng cơng trình: M (tấn) 31 Tần số dao động riêng thứ 1: n1 (Hz) 0,513 Dạng dao động riêng thứ 1: ψ1 (z) z/L)1,75 Bảng Hệ số khí động lực học tương ứng góc tác động [11] Góc tác động φ D 00 50 450 1,093 1,087 1,503 -0,0014 -0,159 0,020 -0,060 0,062 c'D Hình Độ chệch chuyển vị đỉnh kết cấu góc Bảng Thơng số gió địa hình [11] Ký hiệu Giá trị Tỷ trọng khí ρ (kg/m 3) 1,225 Chiều cao nhám địa hình z0 (m) 0,05 Hàm vận tốc gió trung bìnhU Vận tốc gió tác độngU Hệ số tác động ( ) (z) (m/s) zu Hệ số đỉnh gx U (z) (x/H)0,15 0~40 3,5 Hình Độ chệch chuyển vị đỉnh kết cấu góc Kết thảo luận Hình 3, 4, thể biến đổi giá trị σ X (uu ) ( ) , σ X ( vv ) ( ) σ X ( ) đỉnh cơng trình z = H tương ứng hướng tác động gió , , 45 U ( H ) thay đổi Ở hình với hướng gió tương ứng góc tác động , giá trị s X nằm gần trùng với giá trị σ X (uu ), giá trị σ X ( vv ) nhỏ khơng đáng kể Trong đó, theo hình với góc tác động , giá trị σ X ( uu ) nhỏ giá trị σ X ( vv ) vận tốc U ( H ) = ~ 30 m/s U ( H ) > 30 ~ 35 m/s giá trị σ X (uu ) lại bắt đầu vượt lên lớn Nhận xét tương tự hình với góc tác động 45 Từ nhận thấy vai trò thành phần rối u’ v’ chuyển vị kết cấu Ở vận tốc gió lớn vai trị u’ đáng kể Ngược lại, vận tốc gió nhỏ vừa phải, vai trò v’ quan trọng Thành phần thường bị bỏ qua tiêu chuẩn chống gió Hình Độ chệch chuyển vị đỉnh kết cấu góc 45 Khoa học Kỹ thuật Cơng nghệ Hình 6, so sánh chuyển vị đỉnh kết cấu góc 45 tính theo phương pháp báo nghiên cứu Solari [11], với tháp Endless Column thông số gió địa hình nêu Nghiên cứu [11] xét đến ảnh hưởng thành phần dịng khí rối theo phương gió u’ (longitudinal turbulent component) đến chuyển vị theo phương tác động gió bỏ qua thành phần khác dòng rối Kết so sánh cho thấy chênh lệch không đáng kể hai phương pháp Điều thể mức độ xác tính tốn nghiên cứu Mặt khác, vai trò thành phần rối theo phương gió u’ đáng kể chuyển vị, thành phần khác bỏ qua Điều hợp lý góc 450 trục đối xứng tiết diện kết cấu nên hệ số khí động học D nhỏ, làm cho chuyển vị thành phần rối v’ khơng đáng kể thể phương trình (13) Đối với góc khác có D lớn hơn, vai trò thành phần dòng rối v’ đáng kể thảo luận Kết luận Với sở lý thuyết ví dụ số đề cập, báo giới thiệu cách tính tốn đáp ứng kết cấu mảnh thẳng đứng theo phương tác động gió, có xét đầy đủ vai trò thành phần dòng rối theo phương khác Ví dụ số áp dụng cho kết cấu thực tế vai trò quan trọng thành phần khí rối theo phương vng góc với hướng gió Đối với kết cấu mảnh thẳng đứng, thành phần thường bị bỏ qua tính đáp ứng chuyển vị theo phương tác động tiêu chuẩn tính tốn Do đó, việc bỏ qua thành phần khí rối dẫn tới kết khơng xác việc tính tốn thiết kế kết cấu chống gió ảnh hưởng bất lợi an toàn kết cấu LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Quỹ phát triển khoa học công nghệ quốc gia (NAFOSTED) thơng qua đề tài mã số 107.042017.321 Nhóm nghiên cứu xin trân trọng cảm ơn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Y Kim, K You, J You (2014), “Across and along-wind responses of tall building”, Journal of Central South University, 21, pp.4404-4408 [2] G Solari, F Tubino (2007), “Wind e ects on buildings and design of wind-sensitive structures”, International Centre for Mechanical Sciences, New York, USA, pp.137-163 [3] A.G Davenport (1961), “The spectrum of horizontal gustiness near the ground in the high wind”, Quart J Roy Meteorol Soc., 87, pp.194-211 Hình So sánh giá trị cực đại chuyển vị đỉnh kết cấu góc nghiên cứu [11] báo [4] ASCE (2010), Minimum design loads for buildings and other structures, ASCE/SEI 7-10 [5] Eurocode (1992), Actions on structures - General actions - Part 1-4: Wind actions [6] E Simiu (2011), Design of buildings for wind A guide for ASCE 7-10 Standard users and designers of special structures, John Wiley & Sons [7] I Calotescu, and G Solari (2016), “Alongwind load e ects on free-standing lattice towers”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 155, pp.182-196 [8] E Simiu, R Scanlan (1996), Wind e ects on structures - Fundamentals and application to design, John Wiley & Sons [9] G Solari, G Picardo (2001), “Probabilistic 3-D turbulence modeling for gust bu eting of structures”, Probabilistic Engineeering Mechanics, 16, pp.73-86 [10] G Picardo, G Solari (2002), “3D gust e ect factor slender vertical structures”, Probabilistic Engineeering Mechanics, 17, pp.143-155 Hình So sánh giá trị cực đại chuyển vị đỉnh kết cấu góc 45 nghiên cứu [11] báo [11] G Solari (2013), “Brancusi endless column: A masterpiece of art and engineering”, Internal Journal of High-Rise Building, 3(2), pp.193-212 ... trình tiếng “Endless Column” Romania chịu tác động tải trọng gió [11] hình Bảng tóm tắt thơng số kết cấu kỹ thuật chính, bảng mơ tả thơng số gió tác động địa hình (15) 2 (16) (17) tra ) hàm gắn... z/L)1,75 Bảng Hệ số khí động lực học tương ứng góc tác động [11] Góc tác động φ D 00 50 450 1,093 1,087 1,503 -0,0014 -0,159 0,020 -0,060 0,062 c''D Hình Độ chệch chuyển vị đỉnh kết cấu góc Bảng Thơng... χ= Hình Cột Endless Column (Nguồn http://www.romania-insider.com/) Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Bảng Thông số kết cấu tháp Endless Column [11] Ký hiệu Giá trị Chiều cao kết cấu: H (m) 29 Bề rộng