bài giảng tác động của gió lên công trình

Bài giảng trình bày các cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán xác định tải trọng và tác động động lực của gió lên công trình xây dựng, bao gồm thành phần tĩnh, thành phần động của tải

động của gió lên công trình xây dựng và phương pháp thiết kế công 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 công trình xây dựng; Tính toán tải trọng gió lên công trình xây dựng; Các hiệu ứng đặc biệt của gió lên công 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 công nghiệp, Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy lợi biên soạn cuốn bài giảng “Tác động của gió lên công trình”

Bài giảng trình bày các cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán xác định tải trọng và tác động động lực của gió lên công 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 toán 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 toán kết cấu công trình

Tài liệu chắc chắn sẽ còn 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

Tác giả

Nguyễn Ngọc Thắng

1.1 Gió và tác động của gió lên công trình 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 toán tác dụng của 5

tải trọng gió lên công 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 không gian 1.1.4.7 Hệ số khí động C

1.1.4.8 Dạng địa hình

1.2 Tổng quan các nghiên cứu về tải trọng gió

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

1.3 Xác định tải trọng gió theo một số một số tiêu chuẩn

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

1.4 Nhận xét chương 1

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

TỔNG QUAN VỀ TẢI TRỌNG GIÓ

1.1 Gió và tác động của gió lên công trình

1.1.1 Khái niệm về gió, bão, lốc xoáy

Gió là sự chuyển động của dòng 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 27oC trở lên và ở ngoài biển, sự bốc hơi này hình thành dòng khí bốc ngược thẳng đứng, cộng với chuyển động xoay của trái đất quay quanh trục bản thân để tạo thành dòng xoáy ngang, từ đó cơn bão được hình thành Vận tốc tiếp tuyến của dòng xoáy ngang chính là vận tốc gió bão, có thể đạt đến 150km/h hoặc lớn hơn

Lốc xoáy là một hiện tượng khí tượng đặc biệt, là luồng gió xoáy có vận tốc

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 thông 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 còn 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

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 toán công trình

1.1.2 Tác dụng của gió lên công trình

Gió là sự vận động của luồng khí trong không gian, tác dụng của gió lên công 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 luôn luôn thay đổi Hai nguyên nhân này gây nên sự mạch động của luồng gió

Khi dòng thổi của gió vượt qua một công trình thì tất cả các vùng của ngôi 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 công trình phía đón gió xuất hiện áp lực dương, gây gió đẩy; ở sau công trình, phía khuất gió và ở hai mặt bên của công trình xuất hiện áp lực âm do gió hút

Trạng thái biến đổi của dòng thổi qua ngôi nhà phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ các kích thước các mặt của ngôi nhà, vào thể loại ngôi 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 toàn bộ mái xuất hiện áp lực hút, còn khi góc dốc khá lớn thì toàn bộ mái phía trước chịu áp lực dương, toàn bộ mái phía sau chịu áp lực âm

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

Áp lực và phân bố tải trọng

Tải trọng gió được phân loại và xác định tuỳ theo trạng thái dòng thổi tác động lên công 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 còn lại chịu áp lực hút Giá trị

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 thoát 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 ngoài do gió tác động lên công trình bao gồm áp lực ép, áp lực hút vuông 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, thô nhám thì lớp biên càng rối và ứng suất tiếp càng lớn

Tải trọng gió tác động lên công trình được xác định bằng tổng các tải trọng tác động lên tất cả các bề mặt của nó Khi công trình được coi là hoàn toàn kín thì chỉ có gió mặt ngoài, khi công trình hở hoàn toàn thì chỉ có gió lên mái; còn khi công 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 công trình Thông thường, các tác động này được phân tích theo các trục, các hướng và thông 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 công trình cao, mềm, độ thanh mảnh lớn sẽ có dao động Tuỳ theo phân bố độ cứng của công 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 công trình thấp, dao động này là không đáng kể, nhưng với các công 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 công trình cao bao gồm hai thành phần: thành phần tĩnh gây nên bởi áp lực gió lên công trình có bề mặt cản gió và thành phần động tạo thành bởi xung mạch động của tải trọng gió và lực quán tính sinh ra khi công trình có khối lượng bị dao động do gió thổi

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

1.1.3.1 Cấu trúc

Gió được hình thành bởi hai yếu tố chủ yếu:

- 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 dòng 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 không 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:

Hình 1.1 Quan hệ vận tốc gió theo thời gian

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

( , ) = ( ) + ′( , ) (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 công 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 công trình Các thông số ảnh hưởng này có thể chia làm 3 nhóm chính sau đây:

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

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

+ Nhóm thông số đặc trưng cho tính chất động lực của bản thân công trình: hình khối công 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 …

1.1.4 Khảo sát các tham số ảnh hưởng đến việc tính toán tác dụng của tải trọng gió lên công trình

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

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

Hình 1.2 Vận tốc gió tại cao trình z

Đối với công 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 toàn bộ công trình) Nhưng với công trình cao, mềm do chúng khá nhạy cảm, chỉ cần một khoảng thời gian rất ngắn, các cơn gió giật đã bao trùm và

nhanh chóng vượt qua công 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

Bảng 1.1 Thời gian lấy vận tốc trung bình của một số tiêu chuẩn thiết kế

SốTT Tên tiêu chuẩn Nước Thời gian lấy TB vận tốc (s)

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*(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 V0

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 ô 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 V0 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)

Tiêu chuẩn Mỹ ASCE/SEI 7-16 [16] quy định: Vận tốc gió cơ sở V0 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 nông thôn, thoáng, vật cản phân bố chiều cao dưới 10m (tương đương dạng địa hình B theo TCVN) (Bảng 1.2)

Bảng 1.2 Các dạng địa hình gió theo một số tiêu chuẩn

Dạng địa hình theo TCVN 2737:1995

A thoáng, H<1.5m

B che chắn, 1.5m<H<10m

C che chắn mạnh,

10m<H Dạng địa hình theo

SNiP 2.01.07-85*

A thoáng, H<10m

B 10m<H<25m

C 25m<H Dạng địa hình theo

ASCE/SEI 7-16

D thoáng, mở, bờ

biển

C nông thôn, thoáng, H<9.1m

B thành thị

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 công 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:

V3s = 1,51 * V3600s

V600s = 1,07 * V3600s

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

Trong đó:

VZ - 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 V0 - vận tốc gió trung bình ở độ cao z0 (độ cao đặt máy đo vận tốc lấy số liệu, thông thường chọn z0=10m)

z - độ cao xác định vận tốc gió VZ

mt - hệ số, xác định từ số liệu đo đạc vận tốc gió ở lớp biên, m phụ thuộc

dạng địa hình, cấu trúc khí quyển, nhiệt độ và thời gian lấy trung bình vận tốc gió

Gọi zg là độ cao mà tại đó vận tốc gió không còn chịu ảnh hưởng của mặt đệm, ở các địa hình khác nhau, giá trị zg sẽ khác nhau

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

Trong đó: Vzg , Vz - vận tốc gió ở độ cao gradient và ở độ cao z

Để xác định được Vz cần phải biết 3 tham số mt, zg và Vzg Các tham số này đều phải xác định bằng thực nghiệm trên hệ thống tháp đo gió chuẩn và xử lý kết

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 zg và mt của Tiêu chuẩn Úc AS/NZS 1170.2-2011 để sử dụng, còn Vzg được tính thông qua V10 với thời gian lấy trung bình vận tốc gió là 3 giây) Giá trị zg và mt cuả một số tiêu chuẩn cho theo bảng 1.4

Bảng 1.4 Chiều cao gradient zg, số mũ mt và thời gian lấy trung bình vận tốc gió của một số tiêu chuẩn thiết kế

Số

TT Tiêu chuẩn

lấy TB (giây)

1 2 3 4

5 6

SNiP 01.07-85*

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

* Xác định hệ số độ cao:

Áp dụng công thức dùng hàm số mũ để tính vận tốc gió (1.6), lấy vận tốc gió V10 (tương ứng với độ cao z=10m) ở địa hình B làm chuẩn (giá trị nầy có thể đo được thông qua các máy đo); cần tính vận tốc gió Vg tại độ cao gradient zg=300m (ứng với địa hình B)

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

(1.8)

W

(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 zg và hệ số mt, 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 

Kz z z

10 

VVKzg g

V   

Vzgt zgB



Nhằm kể đến ảnh hưởng của việc thay đổi vận tốc gió theo thời gian đến phản ứng của công 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 dòng 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’ (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)= 0,0613V2(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’(z,t) bằng tích của một hàm ngẫu nhiên theo thời gian và một hàm của toạ độ z:

( V(z)'



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

rt- độ nhám của mặt đệm

z- độ cao tính toán; mt- hệ số thực nghiệm (Bảng 1.4)

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

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

- hệ số an toàn

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 αc cũng càng nhỏ TCVN 2737-95 lấy thời gian trung bình 3 giây, αc=1,395; rA= 0,002; rB = 0,005; rC = 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 không gian

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

)z( c t

t    2



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 công 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 không gian trên cơ sở xét công trình có khối lượng phân bố đều theo chiều cao và đường cong parabôn là dạng chuẩn của dao động thứ nhất Trường hợp công trình có mặt đón gió khá mảnh (B/H<0,2) thì hệ số  ngoài việc phụ thuộc vào hệ số đặc trưng cho dao động 1 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) công 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 công trình (hình khối, hình dạng bề mặt đón gió) Hệ số khí động C không chỉ có ở mặt đón gió mà ở mọi bề mặt của công 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, không có hoặc có rất ít vật cản cao

không quá 1,5 m

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

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

- Ngoài ra còn 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 nông thôn, 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 đô 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

1.2 Tổng quan các nghiên cứu về tải trọng gió

1.2.1 Các nghiên cứu ở nước ngoài

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

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 Đôi khi những dao động này có thể gây ra sự khó chịu cho những cư dân trong tòa nhà ngay khi nó không gây nguy hiểm cho các kết cấu của tòa nhà Vì vậy, đánh giá chính xác chuyển động công 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 tòa nhà hình dạng thông thường, đối với một tòa 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 tòa nhà cao tầng với một hình dạng bất thường hoặc thông thường theo tốc độ gió cao, phương pháp phân tích động được sử dụng để xác định tải trọng gió trên công 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 mô hình thật của tòa nhà đó Trước năm 1933, Dryden và Hill cũng đã tiến hành đo đạt tác động của gió trên một mô hình thu nhỏ của tòa 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 thông tin về những đặc tính của dòng chảy tới, và các lực khí động học phát sinh trên kết cấu Ảnh hưởng của sự hỗn loạn trong không 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]

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 dòng 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 dòng 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 toán

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 dòng rối thay đổi được mô 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

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

Whitbread R E (1963) [61] đã trình bày sự tính toán những tham số dòng thổi khác nhau mà yêu cầu phải phù hợp trong hầm gió và kết luận rằng quy luật trong mô 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 toán 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 tòa nhà bằng các đặc tính biến đổi tạm thời và biến đổi theo không 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 mô phỏng lớp biên không khí (Atmospheric Boundary Layer- ABL) trong các hầm thí nghiệm gió Kết quả nhấn mạnh những đặc trưng của dòng chảy rối hoàn toàn cho mô hình chính xác bao gồm biên dạng của vận tốc, biên dạng mật độ dòng rối/xoáy, 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] công 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 tòa nhà, có thể được hiểu như không có tương quan hoàn hảo nào giữa áp lực thay đổi trên mặt đón gió và khuất gió của tòa 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 mô phỏng về lớp biên của tường nhám Kết quả cho thấy sự hợp lý giữa lớp biên dòng chảy được tạo ra và lớp biên không khí trung hòa nhận được

Fujimoto và cộng sự (1975) [30] đã thử nghiệm mô 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 mô 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 mô hình khí đàn hồi một bậc tự do và hai bậc tự do Một hệ thống khớp cacđăng cho phép phát triển mô hình một bậc tự do hoặc hai bậc tự do Cermak (1977) [20] phát triển một cách đáng kể cho các mô hình trong phòng thí nghiệm về tần số dao động tự nhiên, về biên độ dao động và mô phỏng lớp biên không 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 không khí và mô 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 dòng xoáy và song chấn đã được phát thảo Môi trường không 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 môi 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 ông 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 ông có thể dự đoán hệ số gió giật của một tòa 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

Sự phân tích kết cấu không 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 mô hình phù hợp trong các biểu thức của nó với các đặc tính vật lý của dòng 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 ông 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 tòa 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 thông số khí tượng Ông cho thấy rằng phản ứng động lực học của các kết cấu cao không 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 ông mô 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 toán 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

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 toán về gió

Bài toán 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 mô hình kết cấu chuẩn, được gọi là mô hình thu nhỏ và ba chiều một cách tương ứng Sự giải quyết của bài toán được mô 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 mô tả bằng hai ví dụ

Solari G (1985) [53] trình bày một mô hình toán 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 dòng xoáy tương đương trong không gian tương quan chéo hoàn toàn 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 toán 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 dòng rối tương đương là một mô hình toán Solari G (1988) [55], phát biểu kỹ thuật phổ gió tương đương là một mô hình toán học theo gió được sơ đồ hóa

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 không gian hoàn 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 mô 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 mô 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 mô 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 tòa nhà từ các phép đo cân bằng lực được xem xét ngắn gọn Đối với các tòa nhà có cùng hình dạng 3-D, nguyên nhân của sự không chắc chắn trong dự đoán phản ứng của kỹ thuật không chỉ là từ sai sót trong hiệu chỉnh hình dạng, mà còn từ những hạn chế trong việc không thể cho phép

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 tòa nhà với sự rung lắc không tuyến tính và hình chế độ xoắn không 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 mô 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 Ngoài ra, phản ứng dự đoán bằng sử dụng sự đo đạt phổ năng lượng của gió dọc, gió ngang và phản ứng xoắn cho nhiều hình dạng tòa nhà thử nghiệm trong một hầm gió được mô 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 tòa nhà và các kết cấu công trình phụ thuộc vào nhiều yếu tố, quan trọng nhất trong các số đó là những đặc tính khí tượng của gió, dạng

tiếp xúc, đặc tính khí động học và cơ học của công 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 công trình Ngoài ra, áp lực gió cục bộ lên các bộ phận bao che bên ngoài và những hiệu ứng, những tác động của các tòa nhà lên gió trong các khu vực người đi bộ cũng được lưu ý Điều này bao gồm những hình dạng khác thường của tòa 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 tòa nhà cao 244 mét thông qua số liệu đo đạt được trên mô hình thực Tòa 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 không gian đô 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 thông 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

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 đoán của các qui tắc và tiêu chuẩn trong điều kiện dòng thổi tương tự Các tác giả trình bày một đánh giá toàn 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 đoán 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 thông 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 mô tả các phương pháp đo độ rung sử dụng để thử nghiệm các tòa nhà và trình bày các phương pháp tin cậy đánh giá chu kỳ tự nhiên và giảm xóc từ kiểm tra độ rung môi trường xung quanh Báo cáo còn mô 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 tòa nhà và các đặc

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 mô 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 mô hình thực của phản ứng phát sinh của gió đối với những nhà cao tầng điển hình ở Singapore, và đề xuất một mô 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 tòa nhà dựa trên mô hình thử nghiệm cân bằng lực trong hầm gió

Mặc dù phương pháp GLF truyền thống đảm bảo một dự đoán chính xác về chuyển vị của công trình, nhưng nó tỏ ra không đáp ứng được một dự đoán tin cậy cho các thành phần phản ứng khác của công 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 công trình cao tầng Tác giả chỉ ra một mô 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 toán bằng cách nhân moment bình quân tại đáy công trình với hệ số gió giật mà các tác giả đề nghị Moment tại đáy công 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 toán 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/công 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

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

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

Sự toàn cầu hóa của công nghiệp xây dựng cũng như sự pháp triển của các quy phạm/tiêu chuẩn về tính toán 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 đoán trước khả năng ứng xử của công 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 công 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 vuông 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 toán 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

môi trường toàn 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, mô men đáy, gia tốc đỉnh

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

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

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 ngoài 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 công trình trong suốt tuổi thọ thiết kế Áp lực vận tốc thiết kế qH 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 không 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 toán 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

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 toàn, các tòa nhà phải không bị sụp đổ khi chịu các cơn gió rất mạnh với chu kỳ lặp là 500 năm

Tiêu chuẩn tính toán 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 quân trong 10 phút, chu kỳ lặp 30 năm, ở độ cao 10m, địa hình dạng B Đối với thiết kế, để nâng độ an toàn 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 dòng khí bị nhiễu bởi các công trình xung quanh, mặt khác những nhà cao tầng rất quan trọng, có yêu cầu nâng cao độ an toàn 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]

1.2.2 Các nghiên cứu ở trong nước

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 công trình

Ngoài 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 phòng thí nghiệm gió thuộc Viện khoa học công nghệ xây dựng- Bộ xây dựng (IBST), Viện kỹ thuật Phòng không-Không quân- Bộ quốc phòng, trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh

Tính toán 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 vuông góc với hướng gió Tác dụng động theo phương luồng gió làm tăng tải trọng gió lên công trình Dao động theo phương vuông góc với hướng gió gây ra bởi những cơn lốc có tên gọi là lốc Karman Dưới tác động của nó, những công trình thanh mãnh, những công 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 công 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 công 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 xoáy lên các công 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 không khí thay đổi khi lốc xoáy và lực nâng do thành phần vận tốc thẳng đứng) để dễ tính toán sau đó tổng hợp lại

Tác giả Nguyễn Võ Thông [11] đã đề xuất điều chỉnh khi thiết lập các công thức tính toán 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 toán 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 toán kết cấu ở trạng thái giới hạn thứ hai, giá trị hệ số độ tin cậy của tải trọng gió γ = 1,0; còn 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 công trình có niên hạn 50 năm

Khi tính toán 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 thông 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 phòng thí nghiệm gió IBST, tác giả Nguyễn Kiên Cường [42] đã tiến hành các mô hình nhà cao tầng có mặt bằng hình vuông, 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 đoán các phản ứng gióngang của nhà cao tầng mặt bằng hình vuông với tỷ lệ lên đến 9

1.3 Xác định tải trọng gió theo một số một số tiêu chuẩn

1.3.1 Theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ ASCE/SEI 7- 16

1.3.1.1 Áp lực gió đơn vị

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

q = 0.613K K K K V (N/m2) (1.26) Trong đó:

- Kz 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

- Kzt 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 toán cụ thể trong mục 26.8.2 [16] Trong điều kiện địa hình thông thường, Kzt =1

- Kd là hệ số kể đến tác động của luồng gió theo hướng chính lên công trình Kd được trình bày cụ thể trong bảng 26.6 [16] Khi tính toán hệ khung chịu lực chính, Kd = 0.85

- Ke 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]

- Cp - hệ số áp lực bên ngoài, lấy theo hình 27.3-1, 27.3-2 và 27.3-3 [16] - (GCpi) - Hệ số áp lực bên trong phụ thuộc chủ yếu vào mức độ kín hở của công trình ASCE đã chia các công trình xây dựng ra làm 3 loại: nhà kín, nhà kín một phần và nhà hở thông qua tỷ số giữa diện tích các ô mở với diện tích của toàn bộ các bề mặt bao che, lấy theo bảng 26.13.1 [16]

- G là hệ số gió giật, xác định như sau:

+ Với nhà cứng và các kết cấu khác (f1 ≥ 1(Hz)):

vz1+1,7.g I QG=0,925.

- f1 - tần số dao động thứ nhất của kết cấu

- Iz, gQ, Q, gR, R, gv – được tính như trong mục 26.9.4 và 26.9.5 [16]

1.3.2 Theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1991-1.4 (2005)

1.3.2.1 Vận tốc gió cơ sở Vb

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 Vb,0, là giá trị vận tốc gió đo được trung bình trong 10 phút không 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]:

- Cseason là hệ số kể đến yếu tố theo mùa, có thể tìm thấy trong các phụ lục quốc gia, trong trường hợp không có lấy giá trị bằng 1

1.3.2.2 Vận tốc gió hiệu dụng theo độ cao

Vận tốc gió hiệu dụng Vm(z) ở độ cao z trên một địa hình phụ thuộc vào độ nhám (gồ ghề) địa hình và vận tốc gió cơ bản (Vb) được xác định theo [29]:

Vm(z) = Cr(z) C0(z) Vb (1.31) Trong đó:

- Cr(z) là hệ số thay đổi vận tốc gió theo độ cao và dạng địa hình:

Cr(z) = kr ln(z/z0) khi zmin ≤ z ≤ zmax (1.32)

- z0 là chiều dài nhám, lấy theo Bảng 4.1 [29]

- kr là hệ tố địa hình phụ thuộc vào chiều dài nhám z0

kr = 0.19 (z0/z0,II)0.07 (1.34) - z0, z0,II là chiều dài nhám, lấy theo Bảng 4.1 [29]

- zmin là chiều cao tối thiểu lấy theo Bảng 4.1 [29] - zmax = 200m

- C0(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 qp(z)

Được xác định theo công thức [29]:

qp(z) = [1+7 Iv(z)]/2 ρ.Vm2(z) = Ce(z) qb (1.35) Trong đó:

- ρ là tỷ trọng khí quyển, ρ= 1.25 kg/m3;

- qb là giá trị áp lực gió tiêu chuẩn được xác định theo công thức:

qb = 1/2 ρ Vb (1.36) - Iv(z) là cường độ rối

Iv (z) =σv / Vm(z) (1.37) - σv là độ lệch chuẩn của gió rối, cho bởi:

σv= kr · Vb · kI

- kI là hệ số rối, lấy bằng 1.0

- Ce(z) - hệ số mở rộng,có thể xác định theo:

Ce(z) = Cr2(z) [( 1 + 7 Iv(z)] (1.38)

1.3.2.4 Áp lực gió lên bề mặt công trình

+ Áp lực gió tác dụng vào bề mặt bên ngoài công trình We, được xác định theo [27]:

Trong đó:

qp(ze) - là giá trị áp lực vận tốc đỉnh bên ngoài;

Cpe - hệ số áp lực gió cho các mặt bên ngoài, chỉ dẫn trong chương 7 [29]; ze - chiều cao tham chiếu cho áp lực bên ngoài, phụ thuộc vào hình dạng và kích thước công trình

+ Áp lực gió tác dụng vào bề mặt bên trong công trình Wi, được xác định theo biểu thức:

Wi = qp(zi) Cpi (1.40) Trong đó:

qp(zi) là giá trị áp lực vận tốc đỉnh bên trong

Cpi là hệ số áp lực gió cho các mặt bên trong, chỉ dẫn trong chương 7 [29]

- Cf là hệ số áp lực cho toàn bộ kết cấu hoặc các bộ phận kết cấu, giá trị cho các dạng công trình xem chương 7,8 [29]