xác định thành phần động của tải trọng gió dựa trên phân tích động lực học

Tuy nhiên các tiêu chuẩn này hướng dẫn sử dụng những công thức tính toán tĩnh học tương đương gần đúng để xác định lực do thành phần động của tải trọng gió gây ra mà không xét đến yếu tố

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Thành Phố Hồ Chí Minh tháng 03 năm 2016

NHẬN XÉT VỀ VIỆC HOÀN THÀNH LUẬN VĂN

Xác nhận Học Viên: Hoàng Trọng Khảm, LỚP: XD3, Khóa 2013-2016

Tên đề tài luận văn: Xác Định Thành Phần Động Của Tải Trọng Gió Dựa Trên Phân Tích Động Lực Học

Đủ điều kiện ra bảo vệ luận văn

TPHCM, Ngày 6 tháng 1 năm 2016

TS NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn này do tôi tìm hiểu và phát triển dựa vào các tài

liệu tham khảo đã được trích dẫn

Các thông tin, kết quả nghiên cứu của người khác sử dụng trong luận văn

này điều được trích dẫn đúng quy định Kết quả trong Luận văn hoàn toàn trung

thực và chưa được công bố ở nghiên cứu khác

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về công việc thực hiện của mình

Hoàng Trọng Khảm

Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng tôi đã nhận được rất nhiều

sự giúp đỡ từ thầy hướng dẫn, bạn bè và người thân Tôi chân thành cảm ơn những sự giúp đỡ và quan tâm đó

Đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy hướng dẫn TS Nguyễn Trọng Phước đã giúp tôi định hướng và có cái nhìn tổng quát về đề tài Trong quá trình làm luận văn Thầy hướng dẫn rất nhiệt tình và cung cấp những tài liệu quý báu giúp tôi hoàn thành luận văn trong thời gian sớm nhất

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy trưởng khoa Xây Dựng trường Đại Học

Mở TPHCM đó là TS Trần Tuấn Anh đã quan tâm và định hướng tôi những đề tài có ứng dụng thực tiễn

Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự cố gắng của bản thân nhưng cũng không thể tránh được những sai sót Kính mong các quý thầy cô đưa ra những nhận xét giúp tôi có những kiến thức và cái nhìn đúng đắn hơn

Xin trân trọng cảm ơn!

TÓM TẮT

Trong tính toán thiết kế khung nhà cao tầng cao trên 40m phải xét đến thành phần động của tải trọng gió Hiện nay tại Việt Nam để tính toán thành phần gió động này người thiết kế căn cứ vào các tiêu chuẩn Việt Nam là TCVN 229:1999 và TCVN 2737:1995

Tuy nhiên các tiêu chuẩn này hướng dẫn sử dụng những công thức tính toán tĩnh học tương đương gần đúng để xác định lực do thành phần động của tải trọng gió gây ra mà không xét đến yếu tố xung của vận tốc gió thay đổi theo thời gian ảnh hưởng đến sự làm việc của khung nhà Vì vậy có thể có nhiều trường hợp xung lực gió tác động lên hệ khung nhà cao tầng nguy hiểm hơn so với phương pháp tính toán theo TCVN

Do đó việc tính toán và nghiên cứu thành phần gió động theo lý thuyết Động lực học là một việc làm cần thiết, cũng là một tài liệu tham khảo cho người thiết kế có cái nhìn sâu hơn về vấn đề này

Luận văn này đưa ra các giả thiết và các chuỗi số liệu về áp lực gió tác dụng lên hệ kết cấu khung nhà nhiều tầng Kết quả tính toán cho thấy trong một vài trường hợp phương pháp tính toán thành phần động của tải trọng gió theo TCVN chưa phải là thiên về an toàn

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu của luận văn 3

1.3 Phương pháp thực hiện 4

1.4 Phạm vi luận văn 5

1.5 Cấu trúc luận văn 5

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 6

2.1 Giới thiệu 6

2.2 Khái niệm gió 6

2.3 Cách xác định tải trọng gió theo TCVN 8

2.4 Thực nghiệm Hầm gió 10

2.5 Tình hình nghiên cứu liên quan luận văn 12

2.6 Kết luận 19

CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 20

3.1 Giới thiệu 20

3.2 Thiết lập sơ đồ tính toán và các đặc trưng động lực học 20

3.3 Mô tả gió bằng các tải trọng dạng xung 26

3.4 Mô tả gió bằng các tải trọng theo chuỗi thời gian 29

3.5 Phương pháp số giải bài toán 32

3.6 Phương trình chuyển động 32

3.7 Thuật toán Newmark 35

3.8 Xây dựng phổ phản ứng 37

3.9 Lưu đồ tính toán 39

3.10 Kết luận chương 40

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ SỐ 41

4.1 Giới thiệu 41

4.2 Bài toán lý thuyết cho hệ kết cấu khi chịu tải trọng gió dạng xung 46

4.3 Bài toán thực tế cho hệ kết cấu khi chịu tải trọng gió dạng xung 55

4.4 Bài toán lý thuyết cho hệ kết cấu với tải trọng gió dạng chuỗi thời gian 62

4.5 Bài toán thực tế cho hệ kết cấu với tải trọng gió dạng chuỗi thời gian 65

4.6 Kết luận 70

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 71

5.1 Kết luận 71

5.2 Hướng phát triển 72

Tài liệu tham khảo 73

Phụ lục 76

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Lực gió tĩnh theo TCVN 8

Hình 2.2 Chi tiết cánh quạt của mô hình thực nghiệm Hầm gió 10

Hình 2.3 Mô hình máy bay A380 được thực nghiệm trong Hầm gió 11

Hình 3.1.Sơ đồ tính toán hệ thanh công xôn 21

Hình 3.2 Ma trận khối lượng thu gọn 22

Hình 3.3 Độ cứng tầng 1 23

Hình 3.4 Độ cứng tầng 2 23

Hình 3.5 Tải trọng xung hình sin 26

Hình 3.6 Tải trọng gió xung đôi nửa hình sin 27

Hình 3.7 Tải trọng gió xung ba nửa hình sin 27

Hình 3.8 Tải trọng xung hình chữ nhật 28

Hình 3.9 Tải trọng xung hình tam giác 29

Hình 3.10 Mô phỏng vận tốc gió cấp 9-10 theo thời gian 30

Hình 3.11 Vận tốc gió theo thời gian ở các độ cao 13; 33; 70; 160 feet 31

Hình 3.12 Sơ đồ thiết lập phương trình chuyển động 33

Hình 3.13 Kết cấu chịu tải trọng gió thay đổi theo thời gian 33

Hình 3.14 Sơ đồ lực tác dụng lên mỗi bậc tự do 34

Hình 3.15 Hệ kết cấu chịu tải trọng nửa hình sin 37

Hình 3.16 Phổ phản ứng 38

Hình 4.1 Mô hình thanh công xôn tòa nhà 20 tầng 41

Hình 4.2 Sơ đồ tính toán độ cứng 42

Hình 4.3 Sơ đồ mặt bằng cao ốc văn phòng 45

Hình 4.4 Mô hình khung không gian 45

Hình 4.5 Biểu đồ hệ số Kd tải trọng gió nửa hình sin 49

Hình 4.6 Tải trọng gió xung đôi nửa hình sin 50

Hình 4.7 Biểu đồ hệ số Kd tải trọng gió nửa hình sin 50

Hình 4.8 Tải trọng gió xung ba nửa hình sin 51

Hình 4.9 Biểu đồ hệ số Kd tải trọng gió nửa hình sin 51

Hình 4.10 Xung hình chữ nhật 51

Hình 4.11 Biểu đồ hệ số Kd xung hình chữ nhật 52

Hình 4.12 Tải trọng xung hình tam giác 53

Hình 4.13 Biểu đồ hệ số Kd xung hình tam giác 55

Hình 4.14 Phổ phản ứng hệ kết cấu 55

Hình 4.15 Mặt bằng chung cư 56

Hình 4.16 Chuyển vị do thành phần tĩnh gây ra 58

Hình 4.17 Chuyển vị do thành phần tĩnh và động gây ra 60

Hình 4.18 Biểu đồ môment tại chân cột C1 60

Hình 4.19 Biểu đồ chuyển vị tại vị trí là chân Cột C1 61

Hình 4.20 Biểu đồ môment tại vị trí là chân cột C1 40

Hình 4.21 Chuyển vị tại đỉnh cột C1 65

Hình 4.22 Chuyển vị tại đỉnh cột C1 66

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Giá trị áp lực gió W0 8

Bảng 2.2 Hệ số k 9

Bảng 4.1 Tải trọng gió tĩnh 48

Bảng 4.2 Thành phần động tải trọng gió 48

Bảng 4.3 Bảng so sánh hệ số động 56

Bảng 4.4 Thành phần tĩnh của tải trọng gió công trình chung cư 57

Bảng 4.5 Chu kì và tần số 58

Bảng 4.6 Bảng so sánh chuyển vị, môment, hệ số động 62

Bảng 4.7 Tổng lực gió tĩnh theo phương X 62

Bảng 4.8 Thành phần tĩnh tải trọng gió 63

Bảng 4.9 Thành phần động tải trọng gió 63

Bảng 4.10 So sánh hệ số động 64

Bảng 4.11 Thành phần tĩnh tải trọng gió công trình chung cư 65

Bảng 4.12 So sánh chuyển vị, môment, hệ số động 68

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT

Chữ viết tắt

TPHCM : Thành Phố Hồ Chí Minh

TCVN :Tiêu chuẩn Việt Nam

TCXD 229:1999 :Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió theo tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 :Tải trọng và tác động tiêu chuẩn thiết kế TCVN 2737-1995

ASCE 7-10 :Tiêu chuẩn Mỹ ASCE7-10

u Vectơ gia tốc của các bậc tự do

u Vectơ vận tốc của các bậc tự do

u Vectơ chuyển vị của các bậc tự do

Trong bài toán thiết kế kết cấu công trình, gió là một tải trọng có tác động quan trọng và ảnh hưởng trực tiếp đến sự bền vững của công trình xây dựng Vì sự tác động nguy hiểm và mật độ xuất hiện nên thường tải trọng này quyết định đến việc lựa chọn kết cấu cho công trình Hàng năm tại Việt Nam đặc biệt là các tỉnh phía Bắc và Miền Trung chịu khá nhiều thiệt hại do một vài cơn gió bão Gần đây, trên thế giới cũng đã xuất hiện nhiều cơn bão có tốc độ gió lên đến một vài trăm km/h Những cơn bão này gây ra những thiệt hại có thể là đáng kể với các công trình xây dựng và trở nên khó lường hơn trong tương lai Với mật độ bão càng ngày càng dày hơn thì những tác hại do nó gây ra sẽ càng tăng nếu không được con người quan tâm đúng mực

Tác hại của gió lên kết cấu xây dựng là khá nhiều và sau đây là một số liệt kê

cụ thể Điển hình của gió bão lớn là gây sụp công trình tháp truyền hình Nam Định sụp đổ năm 2012 và công trình tháp truyền hình Uông Bí bị phá hoại năm 2013…

Ngoài ra còn có rất nhiều công trình như nhà công nghiệp, công trình dàn khoan trên biển… cần con người quan tâm nhiều hơn nữa bởi những thiệt hại không chỉ về kinh tế mà nguy hiểm cả đến tính mạng con người khi những công trình này bị gió bão tàn phá Trên thế giới, vấn đề tác hại của gió cũng được quan tâm rất nhiều Một trường hợp tương đối hy hữu hơn dù gió không lớn nhưng cũng gây nguy hiểm

do tính chất tác dụng động theo thời gian như Cầu dây văng Tacoma Narrows bị phá hoại năm 1940 là một thí dụ về sức tàn phá do tác dụng động lực học gây ra Như vậy có thể thấy rằng không những chỉ các cơn bão lớn mới gây nguy hiểm công trình xây dựng mà đôi khi tác dụng động của cơn gió không lớn cũng có khả năng gây nguy hiểm thật sự cho công trình Sự nguy hiểm này không những do bão lớn mà còn do tính chất tác dụng động của gió lặp đi lặp lại dù không thật sự lớn Qua minh họa trên, những đề tài nghiên cứu về gió tác động lên kết cấu nhà cao tầng thu hút được rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trên thế giới và trong nước

Trong điều kiện Việt Nam, với công trình xây dựng dân dụng như nhà văn phòng và chung cư cao tầng (khoảng 20 tầng) có rất nhiều người sinh hoạt hoặc làm việc bên trong nó nên sự an toàn của kết cấu luôn được đặt lên hàng đầu Hiện nay các kĩ sư kết cấu khi thiết kế kết cấu loại này với những tòa nhà cao trên 40m thì TCVN qui định phải xét đến thành phần động của tải trọng gió Người thiết kế có thể căn cứ vào các tiêu chuẩn Việt nam là TCVN 229:1999 và TCVN 2737:1995 Những tiêu chuẩn này hướng dẫn tính toán tải trọng gió gồm 2 phần Thành phần tĩnh của tải trọng gió được tính toán bằng công thức đơn giản phần lớn phụ thuộc áp lực gió (hay vận tốc của cơn bão) và có xét đến sự thay đổi áp lực này theo chiều cao; thành phần này khá rõ ràng và gần như hoàn chỉnh trong tiêu chuẩn ngành và được áp dụng phổ biến Ngoài ra, thành phần động của tải trọng gió được tính toán bằng cách qui về lực tĩnh tương đương dựa vào thành phần gió tĩnh và đặc trưng động lực học (tần số, dạng dao động) của kết cấu theo công thức gần đúng và được cho là phụ thuộc vào lực quán tính và xung vận tốc gió

Tính toán tải trọng gió theo TCVN khá thuận lợi cho người thiết kế bởi vì đó

là những công thức rõ ràng và có thể áp dụng để tính toán Những chỉ dẫn trong

quan trọng của nó cho sự tồn tại của các công trình hiện nay Tuy nhiên trong các công thức hướng dẫn của TCVN ngoài những yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc của kết cấu như dạng địa hình, chiều cao, hình dạng nhà… thì các tiêu chuẩn ngành chủ yếu quan tâm đến độ lớn xung vận tốc gió tác động lên khung nhà cao tầng mà chưa quan tâm tới yếu tố biến thiên của vận tốc gió theo thời gian Ngoài ra cơ sở lý thuyết về phụ thuộc vào xung vận tốc gió và lực quán tính của TCVN chưa thật sự

rõ ràng Các công thức sơ bộ xác định đặc trưng động lực học như chu kỳ nhà, tần

số dao động, biên độ các dạng dao động, hệ số động lực học… được tính toán bằng các công thức toán học gần đúng hoặc dựa vào kinh nghiệm Xung vận tốc gió biến thiên như thế nào chắc chắn có ảnh hưởng đến nghiệm của bài toán, lực quán tính

do dao động của kết cấu khi chịu tải gió tác dụng động thay đổi ra sao và tất nhiên chúng sẽ ảnh hưởng đến thành phần động này của gió đều chưa được thể hiện rõ

Tiêu chuẩn ASCE 7-10 của Mỹ tính toán tải trọng gió có kể đến rất nhiều các

hệ số ảnh hưởng khác nhau như hệ số địa hình, hệ số gió giật, hệ số độ nhạy, hệ số

áp suất bên trong…và có phần hướng dẫn các mô hình thực nghiệm Hầm gió Tuy nhiên trong tiêu chuẩn tính toán này không tính toán thành động của tải trọng gió như trong tiêu chuẩn Việt Nam và cơ sở lý thuyết để có thể tính thành phần động này cũng không thật sự rõ ràng Các hệ số để xác định cũng không thật sự phù hợp với tải trọng gió ở Việt nam do nhiều sự khác biệt về địa lý, vùng miền, qui luật phân phối gió nên tương đối khó áp dụng vào thiết kế ở Việt nam

Qua những phân tích trên, có thể thấy rằng việc phân tích đầy đủ tính chất tác dụng động của gió lên kết cấu nhà dân dụng dạng chung cư hay cao ốc văn phòng trong điều kiện Việt nam là chưa thật sự rõ ràng về bản chất; Luận văn này muốn đi tìm hiểu về vấn đề trên đây bằng lý thuyết Động lực học kết cấu để đưa ra những đánh giá làm cơ sở giúp người làm thiết kế tham khảo và nhìn nhận sâu hơn

về vấn đề này

1.2 Mục tiêu của luận văn

Luận văn này phân tích định lượng thành phần động của tải trọng gió tác động lên kết cấu nhà dân dụng có số tầng khoảng 20 tầng Để thực hiện được vấn đề trên luận văn phân tích ứng xử cho kết cấu dưới tác động của tải trọng gió theo thời

gian bằng lý thuyết động lực học kết cấu Hàm tải trọng gió theo thời gian được mô

tả ở nhiều dạng khác nhau như một số dạng xung với thời gian thay đổi, tác động theo chuỗi thời gian từ kết quả mô phỏng của hầm gió của tài liệu tham khảo Ewing (2005) Từ đó, phổ phản ứng được xác định tương ứng với từng dạng tải trọng và xác định được thành phần động tương ứng Ngoài ra, luận văn cũng thực hiện tính toán thành phần động (hệ số động) của tải trọng gió theo TCVN lên kết cấu tương ứng để so sánh với nghiệm của bài toán phân tích động lực học ở trên Hiện nay ở Việt Nam đang thiết kế và thi công rất nhiều tòa nhà chung cư và cao ốc có qui mô như trên do đó đây là một đề tài có nhiều ý nghĩa thực tiễn

1.3 Phương pháp thực hiện

Để thực hiện được mục tiêu trên đây, phương pháp nghiên cứu được áp dụng trong luận văn này là nghiên cứu lý thuyết và khảo sát số trên máy tính Các nội dung được thực hiện được sơ lược trình bày như sau:

- Tìm hiểu lý thuyết động lực học của hệ nhiều bậc tự do, phản ứng của hệ này với các trường hợp tải trọng dạng xung, tải trọng chu kỳ và tải trọng tổng quát; Phân tích các số liệu thu thập được bao gồm chu kỳ, tần số tòa nhà, qui luật tải trọng tác dụng… làm cơ sở thực hiện các bài toán cụ thể

- Thiết lập phương trình động lực học cho khung nhà cao 20 tầng với mô hình 20 bậc tự do tương ứng bao gồm tính toán ma trận khối lượng, ma trận độ cứng, ma trận cản, vectơ tải trọng; tải trọng gió được mô tả dưới dạng xung khác nhau với thời gian khác nhau và dùng một qui luật biến thiên dựa vào kết quả thực nghiệm của hầm gió từ nghiên cứu khác để phân tích động lực học kết cấu

- Lập trình bằng phần mềm Matlab trên máy tính để giải quyết bài toán và đánh giá kết quả hệ số động từ TCVN và từ lời giải bài toán động lực học

- Ngoài ra, luận văn cũng sử dụng phần mềm ETABS hỗ trợ tính toán cho một thí dụ số phức tạp hơn, một khung nhà không gian đầy đủ các thành phần kết cấu sàn, dầm, cột, vách Phần mềm này giúp việc mô hình khung nhà, gán tải trọng động của gió theo thời gian, thực hiện các bước tính toán tự động hóa bằng phương pháp phần tử hữu hạn Từ đó đánh giá kết quả thành phần động của tải gió

1.4 Phạm vi luận văn

Luận văn này tập trung nghiên thành phần động của tải trọng gió Đối tượng của nghiên cứu là khung các tòa nhà cao từ 15 đến 25 tầng vì hiện nay những kết cấu khung nhà này đang được thiết kế và thi công rất phổ biến ở Việt Nam Những tòa nhà cao hơn 25 tầng rất ít gặp hơn trong thiết kế, vì vậy luận văn giới hạn phạm

vi nghiên cứu Tuy vậy, cơ sở lý thuyết này có thể khảo sát cho các kết cấu cao tầng hơn nữa

Các khung nhà cao tầng chịu ảnh hưởng của gió bão tác động khá phức tạp Các trận lốc xoáy, vòi rồng, gió giật… diễn biến rất đa dạng và phức tạp nên việc nghiên cứu gặp nhiều khó khăn Trong phạm vi của đề tài nghiên cứu này không xem xét đến các vấn đề đó

Nội dung của luận văn cũng không mô phỏng tải trọng gió trong thực tế theo thời gian vì có rất nhiều tác giả trong và ngoài nước đã thực hiện điều này Luận văn chỉ trích dẫn và sử dụng các biểu đồ tải trọng gió đã được mô phỏng

1.5 Cấu trúc luận văn

Luận văn này được trình bày trong 5 chương như sau Sau chương giới thiệu, chương 2 sẽ trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu; chương này gồm có giới thiệu về hiện tượng gió, cách tính toán áp lực gió, tính toán thành phần tĩnh và thành phần động theo TCVN, sơ lược tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Chương

3 trình bày toàn bộ cơ sở lý thuyết luận văn bao gồm lý thuyết hệ nhiều bậc tự do, thiết lập phương trình chuyển động và phương pháp giải bài toán Các kết quả số được trình bày trong chương 4 gồm các kết quả của bài toán khung phẳng và bài toán khung không gian Và các kết luận sơ lược được trình bày trong chương 5

2.2 Khái niệm gió

Gió là một hiện tượng trong tự nhiên hình thành do sự chuyển động của không khí trên một quy mô lớn Gió được phân loại theo quy mô, tốc độ, nguồn gốc hình thành, vị trí và ảnh hưởng Không khí luôn luôn chuyển động từ nơi khí

áp cao về nơi khí áp thấp Sự chuyển động của không khí sinh ra gió Gió có nhiều cường độ khác nhau, từ mạnh đến yếu Nó có thể có vận tốc từ trên 1 km/h cho đến gió trong tâm các cơn bão có vận tốc khoảng 300 km/h

Gió được hình thành do sự chuyển động ngang của không khí so với mặt đất Trong khí quyển trái đất không khí có thể chuyển động theo nhiều hướng bất

kì, nhưng duy nhất chỉ có hướng chuyển động theo chiều thẳng đứng là ở thế cân bằng, còn trong các hướng khác đều bị tác dụng của sự chênh lện khí áp

Nguyên nhân trực tiếp hình thành gió là sự phân bố không đều của khí áp trên bề mặt đất Không khí ở vùng áp suất cao hơn, tức là khối lượng lớn hơn sẽ chuyển về vùng mà áp suất ở đó thấp hơn, tức là khối lượng nhỏ hơn Còn nguyên nhân cơ bản dẫn đến sự phân bố không đồng đều của khí áp là sự phân bố không đồng đều của nhiệt độ không khí Nơi có nhiệt độ không khí cao, mật độ không khí

sẽ thấp và theo đó khí áp cũng thấp và ngược lại Như vậy sự chênh lệch nhiệt độ không khí tạo nên sự chênh lệch khí áp

Bề mặt mà trên đó khí áp bằng nhau ở tất cả mọi điểm gọi là đẳng áp Giao tuyến của mặt đẳng áp với mặt ngang nào đó là đường đẳng áp, tức là đường cùng

áp suất Khí áp từ đường đẳng áp này đến đường đẳng áp khác trên cùng một mặt phẳng có thể hạ xuống và có thể tăng lên, tạo nên hiệu áp suất, sự cân bằng khí áp ngang bị phá vỡ, không khí bắt đầu dịch chuyển từ vùng áp suất cao hơn đến vùng

áp suất thấp hơn

Gió được đặc trưng bằng vectơ tốc độ Trong thực tế, tốc độ gió chỉ biểu thị đại lượng trị số tốc độ, chính trị số này gọi là tốc độ gió, còn hướng của vectơ tốc

độ là hướng gió Tốc độ gió có đơn vị là m/s hoặc km/h Ngoài ra còn có bảng tốc

độ gió tính bằng cấp theo bảng Bôpho Theo bảng này toàn bộ tốc độ gió có thể chia làm 12 cấp Bảng Bôpho liên hệ lực của gió với những hiệu ứng khác nhau của gió như mức độ gây sóng trên biển, sự lay động của cành và thân cây, sự lan truyền của khói…Mỗi cấp của bảng đều mang một tên nhất định Ví dụ, cấp không của bản Bôpho tương ứng với gió lặng, nghĩa là hoàn toàn không có gió Gió cấp 4 theo bảng Bôpho gọi là gió vừa và tương ứng với tốc độ 5-7m/s; gió cấp 7 là gió mạnh với tốc độ 12-15m/s; gió cấp 9 là gió với tốc độ 18-21m/s; gió cấp 12 là gió trong bão với tốc độ lớn hơn 29m/s

Người ta thường phân biệt tốc độ gió trung bình qua thời gian quan trắc ngắn và tốc độ gió tức thời, dao động rất mạnh và có khi lớn hơn hay nhỏ hơn tốc

độ gió trung bình rất nhiều Ở mặt đất thường thấy tốc độ gió trung bình 4-8m/s, rất ít khi vượt qua 12-15m/s Khi có gió giật và cuồng phong tốc độ gió có thể vượt quá 30m/s và trong từng cơn gió giật đạt 65m/s, có những cơn gió giật đạt 100m/s Trong các cơn xoáy cỡ nhỏ tốc độ có thể đạt hơn 100m/s

Tốc độ gió phụ thuộc vào sự chênh lệch khí áp hay còn gọi là gradient áp Khi gradient áp lớn thì tốc độ gió lớn và ngược lại Trong trường hợp gradient quá lớn sẽ tạo ra các trận bão, gió giật, lốc xoáy…Tốc độ gió sẽ bị giảm đi đáng kể do

sự ma sát giữa không khí và mặt đất Khi tính toán lực gió trong TCVN 2737:1995

có xét đến yếu tố địa hình

2.3 Cách xác định tải trọng gió theo TCVN

- Áp lực gió được kí hiệu là W0 Phân vùng gió W0 trên lãnh thổ Việt Nam theo địa danh hành chính được thành lập trong bảng 4 TCVN 2737:1995 dựa vào bản đồ phân vùng áp lực gió tỷ lệ 1:1.000.000 do Viện Khí tượng Thuỷ văn Quốc gia cấp

Bảng 2.1 Giá trị áp lực gió W0 Nếu công trình được xây dựng tại các vùng có địa hình hiểm trở và gần các trạm quan trắc khí tượng thì có thể tính giá trị áp lực gió W0 theo công thức được nêu trong mục 6.4.4 TCVN 2737:1995 với v0 là vận tốc gió đo ở độ cao 10m so với mốc chuẩn

Hệ số thay đổi theo độ cao được kí hiệu k Các giá trị của hệ số k có kể đến

sự thay đổi áp lực gió theo độ cao so với mốc chuẩn và dạng địa hình Hệ số này tra cứu trong bảng 5 TCVN 2737:1995

Bảng 2.2 Hệ số k

- Thành phần động của tải trọng gió trong TCVN 229:1999 được tính toán phụ thuộc vào tần số dao động thứ nhất f1 của công trình và tần số giới hạn fL Nếu giá trị của f1 > fL thành phần động của tải trọng gió được tính toán theo mục 4.2 TCVN 229:1999 Trong trường hợp này thành phần động của tải trọng gió chỉ cần xét đến xung của vận tốc gió phụ thuộc vào giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh có kể đến hệ số áp lực động và hệ số tương quan không gian; được tính bằng công thức sau đây

Đối với các công trình có tần số dao động riêng cơ bản fs < fL thì thành phần động của tải trọng gió được tính toán theo mục 4.5 TCVN 229:1999 Trong trường hợp này công thức tính toán thành phần động phụ thuộc vào khối lượng tập trung từng phần công trình có kể đến hệ số động lực học, biên độ dao động của mode và hệ số không thứ nguyên được tính bằng công thức sau đây

 

WP ji M j . i i y ji (2.4)

2.4 Thực nghiệm Hầm gió

Hầm gió là một thiết bị mô phỏng có cấu trúc hình ống hoặc đường dẫn và

có thể tạo ra gió bởi một cánh quạt lớn Sau đây là 2 hình ảnh cánh quạt của mô hình hầm gió

Hình 2.2a Chi tiết cánh quạt của mô hình thực nghiệm Hầm gió, (tienphong, 2010)

Hình 2.2b Chi tiết cánh quạt của mô hình thực nghiệm Hầm gió, (tienphong, 2010)

Tòa nhà hoặc các đối tượng cần thí nghiệm được đặt vào khu vực của hầm gió và kết nối với các máy đo đạc, thu nhận ảnh hưởng của các luồng khí xung quanh vật thể và các lực khí động lực học tác động lên chúng Với các số liệu thu được, các nhà thiết kế sẽ xác định trạng thái mô hình và các thành phần mô hình trong quá trình hoạt động ngoài thực tế Ngoài ra hầm gió còn xác định rõ hiệu năng và loại trừ các lỗi kĩ thuật trên một thiết kế mới nhằm giảm thiểu rủi ro trong quá trình sử dụng và giá thành của sản phẩm Từ các thực nghiệm này sẽ cho ra các thiết kế tối ưu đưa vào thiết kế và sử dụng Dưới đây là một mô hình thực nghiệm của máy bay A380 trong hầm gió

Hình 2.3 Mô hình máy bay A380 thực nghiệm trong Hầm gió, (kenh14, 2011) Đối với phương pháp nghiên cứu thí nghiệm trên mô hình trong Hầm gió có nhiều ưu điểm như có thể chủ động trong quá trình nghiên cứu, chi phí chế tạo mô hình ít hơn so nghiên cứu thực nghiệm tại hiện trường, thời gian tiến hành thí nghiệm nhanh hơn, có thể tiến hành thí nghiệm bất kỳ lúc nào, có thể nghiên cứu được nhiều vấn đề cùng một lần làm thí nghiệm,…Từ những ưu điểm của phương pháp này có thể thấy phương pháp nghiên cứu thí nghiệm bằng mô Hầm gió giúp chúng ta chủ động trong việc nghiên cứu tác động gió lên công trình

Nguyễn Hoài Nam và Nguyễn Võ Thông (2014) đã nghiên cứu tác động của gió lên mái công trình thấp tầng bằng thí nghiệm mô hình trong ống thổi khí động Đây là luận văn tiến sĩ của trường Đại Học Kiến Trúc Hà Nội Đề tài nghiên

cứu này trình bày quan điểm thiệt hại do gió mạnh, gồm bão, tố, lốc là thiệt hại lớn nhất trong các loại thiên tai Do tần suất xuất hiện lớn, tác hại gián tiếp nhiều, phạm vi ảnh hưởng rộng nên gió mạnh thường gây ra các tổn thất to lớn về kinh tế cũng như tính mạng con người Hiện nay mặc dù công tác dự báo bão đã có nhiều tiến bộ, nhưng thiệt hại do bão gây ra vẫn vô cùng lớn Tác dụng của tải trọng gió lên công trình có đặc trưng rất phức tạp, bản thân nó chứa các đặc trưng ngẫu nhiên và thay đổi theo thời gian, không gian Tải trọng gió chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố: Vị trí, địa hình, độ cao, hướng gió, hình dạng công trình,… nên việc tính toán gặp nhiều khó khăn Để giải quyết vấn đề này ta có thể sử dụng các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để tìm ra những khu vực, vị trí của công trình chịu ảnh hưởng nhiều nhất áp lực gió, từ đó có thể đưa ra những biện pháp làm giảm áp lực này tránh gây hư hại cho công trình Cùng với việc khảo sát và phân tích trên đề tài nghiên cứu đã đưa ra giải pháp thí nghiệm mô hình nhà thấp tầng trong ống thổi khí động giúp ta có thể xác định được những vị trí bị ảnh hưởng nhiều nhất của áp lực gió; những vị trí bị hư hại trước kéo theo sự hư hại cho kết cấu hoặc công trình, từ đó có biện pháp chủ động làm giảm áp lực tại những vị trí này, giảm hư hỏng do gió gây ra cho công trình

Viện Khoa học công nghệ Xây dựng Bộ Xây dựng (2008) đã thực hiện đề tài nghiên cứu: Xác định hệ số khí động cho một số dạng nhà công nghiệp thấp tầng bằng thí nghiệm trong ống thổi khí động Các nhà nghiên cứu trên thế giới đã tiến hành hàng loạt các thí nghiệm trong hầm gió, các thí nghiệm này chủ yếu liên quan đến 4 vấn đề chính sau: Sự phân bố áp lực gió lên các dạng mái khác nhau; đánh giá ảnh hưởng của cấu tạo mái và vật liệu mái đến sự phân bố áp lực; đánh giá ảnh hưởng giữa các công trình và đánh giá áp lực lớn nhất lên mái và sự biến thiên của áp lực này Đề tài này đã chọn công trình nhà công nghiệp 1 tầng có cửa trời là đối tượng nghiên cứu trong hầm gió Đây cũng là loại công trình hay bị hư hỏng mái do gió mạnh ở nước ta Bằng các số liệu thực nghiệm thu được bài báo

đã tính toán được hệ số khí động cho kết cấu nhà công nghiệp

Ở Việt Nam hiện nay không có những Hầm gió đủ lớn và hiện đại để làm thí nghiệm cho các nhà cao tầng, ngoài ra chi phí thí nghiệm rất tốn kém vì vậy mô hình này rất ít được sử dụng ở Việt Nam

2.5 Tình hình nghiên cứu liên quan luận văn

Các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước đã trình bày nhiều đề tài về gió liên quan đến luận văn Các đề tài sau đây được quan tâm

- Các đề tài nghiên cứu trong nước

Nguyễn Trọng Phước và Đỗ Kiến Quốc (1999) đã tiến hành phân tích động lực học cho kết cấu nhà cao tầng chịu tác dụng của tải trọng gió Đó là đề tài được trình bày tại Hội nghị Khoa học và Công nghệ lần thứ 7 tại ĐHBK TPHCM năm

1999 Trong nghiên cứu này, lý thuyết động lực học kết cấu được áp dụng để phân tích phản ứng của nhà nhiều tầng khi chịu tác dụng tải trọng gió Bài báo đã tiến hành phân tích phản ứng cho công trình Cao ốc văn phòng cao 24 tầng Nhiều dạng xung của tải trọng gió như nửa xung hình sin, xung hình chữ nhật, xung hình tam giác…được áp dụng để phân tích bài toán Cùng với các kết quả số trong các bảng tính và đồ thị được thể hiện trong các hình cụ thể qua đó bài báo đưa ra nhiều kết luận quan trọng Đó là hệ số động thu được từ các kết quả phân tích phù hợp với phương pháp tĩnh tương đương theo TCVN Tiếp theo đối với các mô hình 2 hoặc 3 xung liên tiếp cho kết quả hệ số động lớn hơn qui phạm nhiều, điều này chứng tỏ tính theo qui phạm kém an toàn hơn so với phân tích bằng lý thuyết động lực học Những kết luận của bài nghiên cứu này làm cơ sở để luận văn tiếp tục nghiên cứu sâu hơn hệ số động của phân tích động lực học so với TCVN

Nguyễn Ngọc Tình và Nguyễn Văn Lâm (hoinghikhoahoc, 2006) trình bày Phân tích định tính tác động của lốc xoáy lên công trình xây dựng và quan điểm phòng chống Trong phần đầu tiên đề tài này đã đưa ra các khái niệm, nguyên nhân

và tác hại của lốc xoáy Lốc xoáy là gió có cường độ rất mạnh từ 60 km/h đến 500 km/h Những nơi lốc xoáy đi qua thường gây tác hại rất lớn, có thể nói lốc xoáy là một trong những loại hình thiên tai khủng khiếp nhất trên trái đất Lốc xoáy tác động lên công trình do hai yếu tố đó là gió mạnh và sự thay đổi áp suất đột ngột

Vì vậy lực tác động lên công trình do lốc xoáy tại những vị trí khác nhau trên công trình khác nhau cả về hướng và độ lớn, khác nhau về nguyên nhân Mức độ phức tạp của sự tác động phụ thuộc vào kích thước và hình dáng của công trình, công trình có kích thước càng lớn các lực tác động vào công trình càng phức tạp và ngược lại Khi lốc xoáy đi qua áp suất thay đổi đột ngột gây ra áp lực chênh lệch rất lớn có hướng từ trong ra ngoài tác động lên kết cấu bao che Mặt khác lực tác động lên công trình do gió mạnh và do lực hút ngang của lốc xoáy cũng có hướng

khác nhau, cụ thể là tại thời điểm xuất hiện áp lực gió lớn nhất thì gần như đồng thời xuất hiện lực hút lớn nhất tác động lên công trình nhưng có phương vuông góc với phương áp lực gió và hướng vào tâm lốc xoáy Các cấu kiện cột, lõi của công trình là các cấu kiện chịu lực nén và uốn đồng thời theo hai phương với những giá trị đáng kể như nhau Cùng với những số liệu lốc xoáy tại Việt Nam và các phân tích bài báo đã đưa ra các quan điểm phòng chống hữu hiệu cho các công trình Đó

là nên thiết kế công trình theo hướng giảm tải trọng do lốc xoáy gây ra như tránh các kết cấu bao che kín cả công trình; tạo thuận lợi cho việc cân bằng áp suất trong

và ngoài công trình như bố trí cửa thông gió Tiếp theo cần thiết kế đảm bảo sao cho kết cấu bao che tại tất cả các vị trí trên công trình chịu được áp lực cục bộ do gió mạnh và do áp suất chênh lệch gây ra Và cuối cùng tăng cường hệ giằng không gian đủ cứng cho toàn nhà, đặc biệt là đối với công trình có kích thước lớn Những kết luận của nghiên cứu này cho thấy mức độ nguy hiểm của công trình khi chịu ảnh hưởng gió mạnh mà cụ thể ở đây là lốc xoáy, từ đó cần có nhiều sự quan tâm hơn nữa của các nhà nghiên cứu nhằm hạn chế tối đa những thiệt hại của gió gây ra với công trình

Nguyễn Văn Phó (2002) có một đề tài nghiên cứu Tác động của lốc lên công trình và phòng chống lốc cho công trình xây dựng Đề tài này đưa ra nhận định lốc xoáy ở Việt Nam rất đáng quan tâm do đặc điểm địa hình cũng như thời tiết ở nước ta có những vùng thường xuyên có lốc xoáy Hiện nay các phương tiện thông tin đại chúng thường xuyên đưa tin về lốc xoáy và tác hại thảm khốc của chúng ở khắp mọi miền đất nước Luận văn đưa ra nhiều quan điểm hạn chế tác động lốc xoáy lên công trình như đối với công trình bê tông cốt thép dầm sàn đổ toàn khối, hệ sàn cứng ngang đem lại sự tối ưu cho hệ giằng cứng cần thiết nói trên; Đối với những công trình kết cấu thép có kết cấu bao che bằng tôn như nhà công nghiệp, nhà kho, nhà tạm thì hệ giằng không gian đủ cứng để truyền lực là hết sức cần thiết Đề tài này chỉ dừng lại bằng cách đưa ra các quan điểm phòng chống thiệt hại nhưng chưa thể đưa ra các công thức tính toán cho một loại công trình cụ thể Các nhà nghiên cứu sau này có thể phát triển đề tài này bằng cách nghiên cứu tính toán với các kết cấu thực tế

Nguyễn Ngọc Tình (2006) đã trình bày Lực tác động lên ngôi nhà do thay đổi áp suất không khí khi lốc xoáy đi qua và được đăng trên Tạp chí Khoa học Công nghệ Việt Nam Lốc xoáy tác động lên công trình do hai yếu tố là gió mạnh

và sự thay đổi áp suất đột ngột Vì vậy lực tác động lên công trình do lốc xoáy tại những vị trí khác nhau trên công trình khác nhau cả về hướng và độ lớn, khác nhau

về nguyên nhân Mức độ phức tạp của sự tác động phụ thuộc vào kích thước và hình dáng của công trình, công trình có kích thước càng lớn các lực tác động vào công trình càng phức tạp và ngược lại Khi lốc xoáy đi qua áp suất thay đổi đột ngột gây ra áp lực chênh lệch rất lớn có hướng từ trong ra ngoài tác động lên kết cấu bao che Mặt khác lực tác động lên công trình do gió mạnh và do lực hút ngang của lốc xoáy cũng có hướng khác nhau, cụ thể là tại thời điểm xuất hiện áp lực gió lớn nhất thì gần như đồng thời xuất hiện lực hút lớn nhất tác động lên công trình nhưng có phương vuông góc với phương áp lực gió và hướng vào tâm lốc xoáy Như vậy các cấu kiện cột, lõi của công trình là các cấu kiện chịu lực nén và uốn đồng thời theo hai phương với những giá trị đáng kể như nhau Đề tài này có những nhận định cơ sở về phương tác dụng lực do lốc xoáy gây ra nhưng cũng như

đề tài trên chưa có tính toán và kết luận với một loại công trình thực tế

Nguyễn Ngọc Tình (2007) đã nghiên cứu tác động của lốc xoáy lên công trình xây dựng có xét đến điều kiện Việt Nam Đó là đề tài Luận án tiến sĩ kỹ thuật Lốc xoáy ở Việt Nam không dữ dội như ở Mỹ và một số nơi khác trên thế giới Song theo số liệu thống kê thực tế thì cường độ của lốc là đáng kể, cần phải quan tâm khi xây dựng các công trình quan trọng và đặc biệt quan trọng Hiện nay chưa

đủ số liệu để xem xét và xác định một cách đầy đủ nhưng theo sự miêu tả hư hại

do lốc gây ra thì đa số các trận lốc xảy ra ở Việt Nam đều với cường độ 110 km –

170 km/h làm mái ngói bị tốc, xe hơi bị đẩy ngang hay lật và cấp 170 – 240 km/h làm cây đổ, xe hơi bị đưa đi một khoảng ngắn, nhà gỗ bị đổ Còn đối với mức 240 – 320 km/h ít khi xảy ra ở Việt Nam, song theo số liệu ghi nhận được trong thời gian qua thì cũng đã xảy ra vài lần

Nguyễn Văn Hoan (2008) đã mô phỏng nhiều cấp độ khác nhau của tải trọng gió Đó là đề tài luận văn thạc sĩ trình bày tại Đại Học Bách Khoa năm 2008

Đề tài này dùng một phương pháp mô phỏng tải trọng gió để phát sinh các băng vận tốc, từ đó phân tích một kết cấu cụ thể nhằm tính toán phản ứng của nó với các băng vận tốc đã mô phỏng Đề tài sử dụng các số liệu gió được lấy từ Phân Viện Khí tượng Thủy Văn và Môi trường khu vực phía Nam để mô phỏng vận tốc gió tại Quận Gò Vấp TPHCM Cùng với các biểu đồ mô phỏng tải trọng gió luận văn này đã phân tích phản ứng của một kết cấu nhà cao tầng chịu các băng vận tốc mô phỏng Kết quả cho thấy mỗi băng vận tốc khác nhau thì gây nên phản ứng của kết cấu rất khác nhau, mặc dù chúng được mô phỏng từ cùng một số liệu đầu vào Luận văn dự đoán phản ứng lớn nhất của kết cấu bằng cách phân tích nó chịu tác dụng của một số lượng hữu hạn các băng vận tốc rồi xây dựng biểu đồ tần suất tích luỹ của phản ứng đỉnh, từ đó có thể dự đoán được phản ứng lớn nhất của kết cấu tương ứng với một xác suất nhất định

Ngoài ra còn có những đề tài tốt nghiệp luận văn thạc sĩ của các tác giả trong nước mô phỏng tải trọng gió sau đây

Nguyễn Ngọc Anh Tuấn (2014) đã mô phỏng hiện tượng gió hú tại các công trình cao tầng tại TPHCM bằng phương pháp số Đó là một đề tài luận tốt nghiệp văn thạc sỹ tại Đại Học Bách Khoa năm 2014

Nguyễn Công Quang (2014) đã nghiên cứu hiện tượng gió hú tại các công trình cao tầng Đó cũng là một đề tài luận văn cao học tại Đại Học Bách Khoa năm 2014

- Các đề tài nghiên cứu trên thế giới

Calotescu (2012) đã sử dụng phần mềm chuyên ngành để tính toán tải trọng gió tác động lên công trình nhà cao tầng Bài báo đưa ra nhận định sự phát triển của những tiêu chuẩn tải trọng gió ra đời sau sự phát triển của các nghiên cứu phân tích và thử nghiệm Như vậy qui phạm gió đã trở nên ít trực quan và nghiêng nhiều hơn về phía tính toán tự động Trong bối cảnh này, có một nhu cầu cho thiết kế và ứng dụng phần mềm để giảm bớt việc sử dụng các tiêu chuẩn gió và để cung cấp một sự hiểu biết tốt hơn về các quá trình tính toán tải trọng gió Bài báo này giới thiệu một ứng dụng phần mềm được tạo ra và thực hiện cho việc tính toán tải trọng gió trên các kết cấu lấy tiêu chuẩn NP 082-2004 Các mục đích của phần mềm là

tòa nhà công nghiệp và tháp Để xác nhận các kết quả thu được với các ứng dụng phần mềm, một ví dụ thiết kế điển hình là một tòa nhà làm bằng thép cao 84,1 m

và có hình dạng chữ nhật kích thước 32,2 m × 20,65 m Bài báo đã phân tích và tính toán được áp lực gió cho công trình này bằng phần mềm chuyên ngành đã nói

ở trên

Mendis và cộng sự (2007) đã trình bày bài báo về tải trọng gió tác động lên nhà cao tầng Bài báo này đã phân tích quan điểm tính toán đơn giản của tải trọng gió tĩnh phổ biến áp dụng để thiết kế điển hình thấp đến cấu trúc trung tầng, đối với các công trình cao tầng thì quan điểm tính toán này không an toàn Mặt khác phương pháp tính toán đơn giản như vậy có thể dẫn đến kết quả sai và kết cấu làm việc dưới khả năng chịu lực tới hạn của nó Phương pháp phân tích tĩnh tính toán xấp xỉ với áp lực trên đỉnh tòa nhà bởi các số liệu của áp lực gió và các hệ số áp lực trung bình Các hệ số áp lực trung bình được đo trong hầm gió hoặc bằng cách kiểm tra toàn diện và được cho bởi giả thiết Những ưu điểm của phương pháp tĩnh

đó là đơn giản, đã thực hành nhiều trước đó, các số liệu về cơn gió được sử dụng trực tiếp Tuy nhiên phương pháp này không thích hợp cho các kết cấu rất lớn hoặc đối với những công trình có phản ứng động lực đáng kể Các phân tích thu được từ bài viết này đã có giá trị cho bài luận văn

Ewing (2005) đã trình bày quan điểm tải trọng gió là một yếu tố quan trọng trong việc thiết kế các tòa nhà và kết cấu Những nỗ lực để thiết kế và xây dựng kết cấu kháng gió đòi hỏi một sự hiểu biết về các đặc tính thời gian của gió Mục đích của bài viết này là để mô hình động lực học chuỗi thời gian của gió và cung cấp dữ liệu hữu ích cho các kĩ sư Với các số liệu gió bài viết chỉ ra rằng GARCH-

M là một công cụ mô hình rất phù hợp với gió Mô hình GARCH-M sử dụng trong bài báo cùng độ lệch chuẩn, phương sai bài báo đã mô phỏng vận tốc gió theo chuỗi thời Cùng với đã thu thập được 9000 dữ liệu vận tốc gió đo được trong vòng 15 phút Ewing đã phân tích và vẽ các đồ thị chuỗi vận tốc gió theo thời gian Law (2005) đã tính toán vận tốc gió biến thiên theo thời gian từ những phản ứng kết cấu bằng cách đo số liệu từ các thiết bị mô phỏng Nghiên cứu này xác định tải trọng gió theo thời gian khác nhau từ các phản ứng của một kết cấu Các

dao động của tốc độ gió được mô phỏng như một quá trình ngẫu nhiên đa biến ergodic Phương trình xác định được xây dựng trong không gian trạng thái, và nó được giải quyết với qui chuẩn để có được tải trọng gió từ phản hồi cấu trúc mô phỏng Một cột chống cao 50m là đối tượng để xác nhận tính hiệu quả của phương pháp được đề xuất Cột chống được mô hình hóa bởi các phần tử dầm cột tương đương, các kết nối giữa những phần tử dầm cột được giả định là liên kết cứng Sử dụng các thuật toán và lý thuyết động lực học bài báo đã trình bày các kết quả số

và đồ thị biểu diễn vận tốc gió tại các nút của kết cấu

Huang và Chalabi (1994) sử dụng phân tích chuỗi thời gian để mô hình và

dự báo tốc độ gió Một phương pháp mô hình tuyến tính tự hồi quy thời gian khác nhau (AR) được sử dụng để mô hình và dự báo tốc độ gió Cách tiếp cận mô hình này có kể đến đặc tính bất định tốc độ gió Một bộ lọc Kalman được sử dụng để ước lượng các thông số thời gian khác nhau của mô hình AR Các thuật toán được

sử dụng để dự báo tốc độ gió từ 1 h đến trước đó vài giờ Một tập hợp các dữ liệu tốc độ gió được phân tích Một chuỗi dữ liệu bao gồm 2024 giờ giá trị tốc độ gió thu được từ trạm thời tiết của Văn phòng Khí tượng tại Herstmonceux, Anh Tốc

độ gió được đo bằng máy đo tốc độ gió và đăng nhập vào hệ thống DALE của Văn phòng khí tượng thuỷ văn Bằng thuật toán tuyến tính hồi qui này bài báo đã mô phỏng được các biểu đồ vận tốc gió theo thời gian phục vụ việc nghiên cứu

Nichita cùng các cộng sự (2002) sử dụng những máy phát tốc độ gió và các công cụ toán học để mô phỏng vận tốc gió trong khoảng thời gian dài Giả lập này bao gồm hai hệ thống Một phần mềm mô phỏng thời gian thực (RTSS), mà thực hiện các mô hình toán học của các Tuabin gió và chứa các máy phát điện tạo sức gió (WG) Một hệ thống theo dõi điện (ETS), mà nhận được điểm thiết lập từ RTSS và cung cấp một biến đầu ra Bằng thuật toán và mô hình mô phỏng này bài báo đã thu được các biểu đồ vận tốc gió theo chuỗi thời gian

Sfetsos (1999) tiến hành so sánh các phương pháp dự báo tốc độ gió khác nhau bằng cách phân tích chuỗi thời gian Bài báo này trình bày một phương pháp

so sánh các dự báo khác nhau, sử dụng phân tích chuỗi thời gian, trên dữ liệu tốc

độ gió trung bình hàng giờ Ngoài các tuyến tính truyền thống (ARMA) các mô

hình và các nguồn cấp dữ liệu thường được người sử dụng nạp vào và các mạng thần kinh lặp lại, các phương pháp khác cũng được kiểm tra bao gồm các hệ thống suy luận Neuro-Fuzzy (ANFIS) và các mạng logic của thần kinh Các mô hình phát triển được đánh giá về khả năng của chúng tạo ra dự báo chính xác và nhanh chóng Bằng thuật toán nói trên bài báo này đã cho kết quả là các biểu đồ vận tốc gió theo chuỗi thời gian có đơn vị giờ

Sfetsos (2001) đã trình bày một phương pháp mới cho việc dự báo về dữ liệu tốc độ gió trung bình theo giờ sử dụng phân tích chuỗi thời gian Các điểm ban đầu cho phương pháp này chủ yếu là một dữ liệu mà không có dự báo cho phương pháp tiếp cận dữ liệu hàng giờ, có thể được tìm thấy trong các tài liệu, dựa trên phân tích chuỗi thời gian hoặc các mô hình khí tượng, mang đến cho lỗi dự báo thấp hơn đáng kể so với phương pháp sơ cấp liên tục Điều này đã được kết hợp với các đặc tính của dữ liệu tốc độ gió, được xác định bởi các giá trị phổ năng lượng, phân biệt bằng khoảng cách phổ trong khoảng thời gian từ 20 phút và 2 giờ Phương pháp cuối cùng được đề xuất dựa trên nhiều bước dự báo của 10 phút dữ liệu trung bình và trung bình tiếp theo để tạo ra các dự báo theo giờ trung bình Khi áp dụng cho hai bộ dữ liệu độc lập, một quy ước trong đó sử dụng tốc độ gió trung bình hàng giờ trong quá khứ giá trị là đầu vào cho các mô hình dự báo Bằng thuật toán nói trên bài báo đã xây dựng được các biểu đồ vận tốc gió theo thời gian

2.6 Kết luận

Chương này đã được trình bày xong bao gồm các vấn đề liên quan tải trọng gió, thực nghiệm hầm gió và tình hình nghiên cứu liên quan luận văn

Nghiên cứu về thành phần động của tải trọng gió bằng lý thuyết Động lực học

đã nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước trong thời gian gần đây như đã trình bày trong các phần trên Tuy nhiên các đề tài trên đây vẫn còn tồn tại nhiều vấn đề cần nghiên cứu thêm giống như phần nhận xét mà luận văn đã trình bày đoạn cuối sau mỗi đề tài của các tác giả

3.2 Thiết lập sơ đồ tính toán và các đặc trưng động lực học

3.2.1 Sơ đồ thanh công xôn có hữu hạn điểm tập trung khối lượng

Kết cấu nhà cao tầng trong thực tế thường là hệ có vô hạn bậc tự do Số bậc

tự do được lựa chọn tùy vào bài toán và trường hợp cụ thể và tính chất quan trọng của khối lượng tập trung mi Để đơn giản hóa và có thể lập trình tính toán trên phần mềm Matlab khung nhà nhiều tầng được qui về hệ có hữu hạn bậc tự do Để chọn số bậc tự do cho tòa nhà cao tầng luận văn này sử dụng phương pháp dồn khối lượng và phương pháp phần tử hữu hạn để rời rạc hóa, số bậc tự do bằng với

số tầng

Kết cấu tòa nhà được giả thiết là cột chịu tải trọng liên kết với các sàn phía trên, khối lượng của cột là rất bé so với khối lượng sàn nên bỏ qua khối lượng cột Toàn bộ khối lượng của kết cấu được tập trung ở các cao độ sàn tương ứng Sàn được giả thiết là cứng tuyệt đối và toàn bộ hệ này đặt trên một nền cứng Khối lượng của từng sàn được kí hiệu là m1, m2, mN Độ cứng của từng tầng được kí hiệu là k1, k2, kN

Sơ đồ tính toán được chọn là hệ thanh công xôn có hữu hạn điểm tập trung khối lượng Vị trí của các điểm tập trung đặt tương ứng với cao trình trọng tâm của

Hình 3.1 Sơ đồ tính toán hệ thanh công xôn

3.2.2 Lựa chọn các ma trận tính chất của kết cấu

Việc tính toán ma trận khối lượng, ma trận độ cứng và ma trận cản cho hệ một bậc tự do khá đơn giản nhưng với hệ vô hạn bậc tự do như hệ kết cấu nhà cao tầng thì việc thiết lập các ma trận này một cách chính xác rất khó khăn Để tính toán trở nên đơn giản hơn cần thiết lập các ma trận khối lượng và ma trận độ cứng thu gọn Đỗ Kiến Quốc và Lương Văn Hải (2010)

- Để thiết lập ma trận khối lượng thu gọn cần xem khối lượng phân bố trên các phần tử của kết cấu thu gọn về nút theo những nguyên tắc đơn giản tĩnh học Toàn bộ khối lượng tập trung tại các mức trong sơ đồ tính toán bằng tổng giá trị các khối lượng của kết cấu chịu lực, kết cấu bao che, trang trí, khối lượng của các thiết bị cố định và các khối lượng khác Việc tính toán và tổ hợp khối lượng tập trung này tuân theo qui định TCVN 2737:1995 Khi kể đến khối lượng tạm thời trên công trình trong việc tính toán động lực tải trọng gió cần sử dụng hệ số chiết giảm khối lượng bằng 0.5 cho công trình bê tông cốt thép

Hình 3.2 Ma trận khối lượng thu gọn

Ma trận khối lượng thu gọn là một ma trận đường chéo có dạng dưới đây, trong đó mij=0 vì gia tốc tại khối lượng nào chỉ gây ra lực quán tính tại khối lượng đó

1 2

0 0

0 0

0 0 n

m m M

Hình 3.3 Độ cứng tầng 1 (Chopra, 1980)

Hình 3.4 Độ cứng tầng 2 (Chopra, 1980) Thiết lập sơ đồ tính toán tương tự cho các tầng phía trên Kết quả tính toán

ma trận độ cứng cho tòa nhà N tầng có dạng sau đây

- Tần số và dạng dao động riêng của tòa nhà được xác định từ phương trình

vi phân thuần nhất không có cản

0

M u Ku



Do tính chất tuần hoàn nên chọn nghiệm của phương trình (3.1) là:

1 2

f T

Công thức tính ma trận cản được tính theo Reyleigh bằng tổng của hai biểu thức ma trận và khối lượng nhân với các hệ số

Xem khối lượng và độ cứng tỉ lệ với cản thông qua các hệ số 0và 1 khi

đó ta có biểu thức liên quan sau đây

1/ w w 2

i j

3.3 Mô tả gió bằng các tải trọng dạng xung

Tải trọng dạng xung thường là tải trọng tác dụng không theo qui luật nào ngoài những giả định của người nghiên cứu là các xung hình sin, xung hình chữ nhật, xung hình tam giác…Tải trong xung thường tác dụng trong một khoảng thời gian ngắn và đột ngột vì vậy những kết quả thu được từ chuyển vị, vận tốc, gia tốc của hệ thường trong thời gian ngắn; theo mục 2.5 tài liệu Đỗ Kiến Quốc và Lương Văn Hải (2010) Vì tải trọng gió không tuân theo bất kì qui luật nào nên luận văn giả thiết tải trọng gió là các xung có dạng sau đây

- Tải trọng xung đơn nửa hình sin có sơ đồ như hình dưới đây Tại thời điểm ban đầu giá trị của tải trọng bằng không sau đó tăng từ từ đến giá trị P0 rồi giảm xuống lại giá trị 0 sau một chu kì

Hình 3.5 Tải trọng xung hình sin

Hệ kết cấu chịu tác động cưỡng bức của tải trọng nửa hình sin trong suốt pha I Pha II hệ kết cấu dao động tự do không có tải trọng tác dụng Biên độ của tải trọng P0 là một vec tơ có N dòng 1 cột với P1, P2, PN lần lượt là áp lực gió tĩnh tính toán được tại các cao độ tầng 1, tầng 2,… tầng N Bước thời gian luận văn chọn  t 0.01 s , giá trị thời gian lần lượt là 0.01(s), 0.02(s),…N(s) Vectơ P0 và vectơ Pt được kí hiệu như sau

Tải trọng xung đôi, xung ba nửa hình sin

Hệ kết cấu như hình 3.5 chịu tác dụng tải trọng gió có dạng xung đôi, xung

ba nửa hình sin được giả thiết thông qua trường hợp của xung đơn nửa hình sin Sơ

đồ tải trọng gió trong trường hợp này được biểu diễn thông qua hình vẽ sau đây

Hình 3.6 Tải trọng gió xung đôi nửa hình sin

Hình 3.7 Tải trọng gió xung ba nửa hình sin

Đối với xung đôi nửa hình sin, hệ kết cấu chịu tác động cưỡng bức của tải trọng nửa hình sin trong pha I và pha III Pha II và pha IV hệ kết cấu dao động tự

do không có tải trọng tác dụng Vectơ tải trọng P0 và Pt giống như trường hợp xung đơn nửa hình sin

Đối với xung ba nửa hình sin, hệ kết cấu chịu tác động cưỡng bức của tải trọng nửa hình sin trong pha I, pha III pha V và Pha II và pha IV và pha VI hệ kết cấu dao động tự do không có tải trọng tác dụng Vectơ tải trọng P0 và Pt tương

tự trên

- Tải trọng xung chữ nhật

Hình 3.8 tải trọng xung hình chữ nhật Trong pha I tải trọng tăng đột ngột đến giá trị P0 và giữ nguyên không đổi Pha II hệ dao động tự do Biên độ của tải trọng P0 là một vec tơ có N dòng 1 cột với P1, P2, PN lần lượt là áp lực gió tĩnh tính toán được tại các cao độ tầng 1, tầng 2,… tầng N Vectơ P0 và vectơ Pt có cùng biên độ tải trọng và có giá trị như sau

1 2 0

P

- Tải trọng xung tam giác

Hình 3.9 tải trọng xung hình tam giác

Biểu thức xung của tải trọng có dạng   0

3.4 Mô tả gió bằng các tải trọng theo chuỗi thời gian

Hiện nay tại trung tâm khí tượng thủy văn Miền Nam không có những thiết

bị hiện đại để đo liên tiếp vận tốc gió theo thời gian, số lần đo trung bình một ngày Trung tâm này thực hiện khoảng 7 lần do đó không thể đáp ứng giải quyết bài toán Động lực học Từ những số liệu đo đạc của các trung tâm khí tượng thủy văn nhiều nhà nghiên cứu đã mô phỏng được vận tốc gió theo chuỗi thời gian

Nguyễn Văn Hoan (2008) dùng lý thuyết hàm ngẫu nhiên và phân phối Weibull để mô phỏng tải trọng gió Một vài biểu đồ mô phỏng tải trọng gió của Hoan như sau