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

Hướng dẫn tính toán tải trọng gió tác dụng lên kết cấu cao tầng bằng mô phỏng thí nghiệm hầm gió. Áp dụng thí nghiệm hầm gió để phân tích tải trọng tác động lên công trình trong trường hợp phức tạp. TCVN 2737

Trang 1

Thí nghiệm hầm gió trong thiết kế

kháng gió cho nhà cao tầng

Wind Tunnel Tests for Wind-Resistant

Design of High-rise Building

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

Phạm Hoàng Kiên - ĐHGTVT Nguyễn Viết Trung - ĐHGTVT

Ảnh hưởng của tải trọng gió trong thiết kế KC nhà

Sự tăng của trọng lượng thép trong

thiết kế các cao ốc

 Nhà dưới 10 tầng: tải trọng thẳng đứng quyết định thiết kế (không cần tăng thêm kích thước cấu kiện khi xét tới tải trọng gió)

 Nhà trên 10 tầng:

lượng vật liệu cần thiết phải bổ sung để chống lại tải trọng gió tăng không tuyến tính.

Trang 2

Wind design

EQ design

High-rise buildings

(Moderate EQ) Wind Design is Dominant

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

Số tầng

Chu kỳ dao động

cơ bản

2 tầng 0.2s

5 tầng 0.5s

10 tầng 1.0s

20 tầng 2.0s

30 tầng 3.0s

50 tầng 5.0s

Số tầng vs Chu kỳ dao động

Wind-Resistant

Design

Earthquake-Resistant

Tác động của gió vs Tác động của động đất

Mu+Cu+Ku=F(t) u=[ , , , , ]T

g g g c c

u f v u v

Mu+Cu+Ku=F(u,u,u,t) u=[ , , , , ]T

g g g c c

u f v u v

Self-excited Vibration

Trang 3

Vai trò của thí nghiệm hầm gió trong TK kháng gió

Hình trạng của kết cấu ảnh hưởng lớn đến sự phân tách và hình dạng

của dòng khí khi thổi qua kết cấu → có ảnh hưởng rất lớn đến tải

trọng gió và các hiện tượng động gây ra bởi gió.

Thí nghiệm hầm gió

Ảnh hưởng của hình trạng kết cấu trong TK kháng gió

Giảm được momen uốn gây

ra bởi tải trọng gió tới 25%

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

Thí nghiệm

hầm gió

Ảnh hưởng của hình trạng kết cấu trong TK kháng gió

Trang 4

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

Các tác động của gió đối với nhà cao tầng

Wind

Along-wind

loading

Across-wind

loading

Torsion

Vortex Vibration direction

Wind

Tải trọng gió (wind loading)

Dao động do xoáy khí

(Vortex-induced vibration)

Trang 5

Các quy định liên quan đến TNHG trong tiêu chuẩn

Tiêu chuẩn ASCE 7-05

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

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

trọng theo phương gió thối (along-wind loading) mà phải xét đến cả thành

phần tải trọng vuông góc với phương gió thổi (across wind loading)

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

Vibration)

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

(Galloping & Flutter)

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

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

Tiêu chuẩn Nhật Bản

Kết cấu nhà

Thấp

tầng Trung tầng

Cao tầng

Kếu cấu mảnh Kếu cấu đặc biệt mảnh

KC cứng

Phương

pháp đơn

giản

Tải trọng gió vuông góc với phương gió thổi Gió xoắn

Dao động do xoáy khí Mất ổn định khí động học

Phương pháp thiết kế chi

tiết

Tải trọng gió theo

phương gió thổi – Tải

trọng gió tác dụng lên

mái nhà – Kết cấu bao

Trang 6

Tiêu chuẩn Nhật Bản

 Kết cấu mảnh (cần xét đến cả tải trọng gió vuông

góc với phương gió thổi và momen xoắn)

 Kết cấu đặc biệt mảnh (cần xét đến dao động do

xoáy khí và mất ổn định khí động học)

 Kết cấu có mặt cắt chữ nhật:

 Kết cấu có mặt cắt hình tròn:

3

H

BD

4

H

0.83

H

Lcr L

U

f BD









0.83

H

Tcr T

U

f BD





7

m

H

D  đồng thời H 4.2

U

f D  trong đó U H: vận tốc gió thiết kế

Các TNHG trong thiết kế kháng gió cho nhà cao tầng

1) Thí nghiệm xác định áp lực gió để tính toán tải

trọng gió thiết kế cho các kết cấu bao che;

2) Thí nghiệm xác định tải trọng gió để tính toán tải

trọng thiết kế cho kết cấu khung chịu lực;

3) Thí nghiệm để xác định các hiện tượng dao động

gây ra bởi gió;

4) Thí nghiệm để xác định môi trường gió;

Trang 7

Thí nghiệm xác định áp lực gió

Tải trọng gió để thiết kế các kết cấu bao che (glass, curtain wall…)

W= Cpe Cpi q AH

A

H

q

*

pi

C

: diện tích

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

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

*

pi

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

Được xác định bằng thí nghiệm hầm gió

Máy đo áp lực gió đa điểm

Ống nối với các lỗ đo

 Mô hình cứng (vật liệu thường được dùng

là tấm acryl hoặc bằng đồng thau)

 Đường kính các lỗ đo áp khoảng 1mm

 Kích thước của mô hình và phạm vi mô

hình hóa địa hình xung quanh: chú ý đảm

bảo thỏa mãn điền kiện là Hệ số bịt

(Blockage Effect) < 5%

Trang 8

Các điều kiện đồng dạng

 Điều kiện đồng dạng đối với dòng khí thổi

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

 Cường độ rối (Turbulence Intensity)

 Kích thước rối (Turbulence Scale)

Wind

Roughness block

Spire

Test Model

Model of surround building

Kích thước hình học và hình trạng

Số Reynolds:

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

Reynolds Tuy nhiên có nhiều trường hợp kết cấu có mặt cắt có góc

cạnh và như vậy ảnh hưởng của số Reynolds sẽ không lớn Trong

trường hợp mắt cắt là hình tròn hoặc elip, cần tạo độ nhám trên bề

mặt của mô hình

Vận tốc gió quy đổi (Reduced Velocity)

Trang 9

Thí nghiệm xác định tải trọng gió

Trừ trường hợp xảy ra các dao động như vortex-induced hay galloping,

chuyển vị cực đại gây ra bởi gió có thể tính được thông qua tải trọng gió tác

dụng lên hệ kết cấu đứng im như sau:

ˆ( ) ( ) ( )

x z x z g z

2 0

( )

(2 )

H f

z q BHC

x z

n M







0

( ) ( ) ( )

x z z S n dn x

' 2 2

( ) ( ) ( )

H f f x

q BHC S n

S n



( )

x z : chuyển vị trung bình

( )

x

S n : generalized displacement power spectrum density

f

C : generalized mean wind load coefficient

M : generalized mass

Có thể định nghĩa

generalized wind load

: mean value of generalized wind load

power spectrum density of generalized wind load

0

( ) H ( ) ( ; )

f t   z f z t dz

f

H

f

C

q BH



f

H

C

q BH





2

( ) ( ) f

f

nS n

S n





f

generalized fluctuating load coefficient

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

( )z z H

( )

( ) M X t

f t

H

 Momen gây lật tại đáy kết cấu

Được xác định bằng thí nghiệm hầm gió

Trang 10

Mô hình

Thiết bị đo

Thiết bị đo 5 thành phần lực

(five-component

high-frequency force balance)

Nguyên lý làm việc của thiết bị đo

Điều kiện đồng dạng đối với dòng khí thổi:

Tương tự như trong thí nghiệm xác định áp lực gió

Kích thước hình học và hình trạng:

Số Reynolds:

Trang 11

Thí nghiệm xác định các hiện tượng dao động

Thiết bị trong thí

nghiệm xác định các

hiện tượng dao động

gây ra bởi gió

Mô hình đàn hồi

Rocking

Model 2D Model Lumped-mass Model Full-elastic Model

Trang 12

Mô hình đàn hồi

Lumped-mass Model

Điều kiện đồng dạng đối với dòng khí thổi

Kích thước hình học và hình trạng

Số Reynolds

Điều kiện đồng dạng về tỷ trọng (Mass Ratio)

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

n L n L



a p a m



    a : tỷ trọng của không khí

p m

h h

Trang 13

Thí nghiệm xác định môi trường gió

Mô hình địa hình

Mô hình cây giả

Thí nghiệm xác định môi trường gió

Định dạng
Số trang	13
Dung lượng	1,35 MB