Đang tải... (xem toàn văn)
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
Trường Đại học Giao thông Vận tải – Viện KH&CN XDGT Thí nghiệm hầm gió thiết kế kháng gió cho nhà cao tầng Wind Tunnel Tests for Wind-Resistant Design of High-rise Building Phạm Hoàng Kiên - ĐHGTVT Nguyễn Viết Trung - ĐHGTVT Ảnh hưởng tải trọng gió thiết kế KC nhà Nhà 10 tầng: tải trọng thẳng đứng định thiết kế (không cần tăng thêm kích thước cấu kiện xét tới tải trọng gió) Nhà 10 tầng: lượng vật liệu cần thiết phải bổ sung để chống Sự tăng trọng lượng thép thiết kế cao ốc lại tải trọng gió tăng không tuyến tính Tại nhà cao tầng lại nhạy cảm với tác động gió EQ design Số tầng vs Chu kỳ dao động Wind design High-rise buildings (Moderate EQ) Số tầng Chu kỳ dao động tầng 0.2s tầng 0.5s 10 tầng 1.0s 20 tầng 2.0s 30 tầng 3.0s 50 tầng 5.0s Wind Design is Dominant Tác động gió vs Tác động động đất Earthquake-Resistant Mu+Cu+Ku=F(t) Design u=[ug , f g , vg ,uc , vc ]T Wind-Resistant Design Mu+Cu+Ku=F(u,u,u,t) u=[ug , f g , vg ,uc , vc ]T Forced Vibration Self-excited Vibration Vai trò thí nghiệm hầm gió TK kháng gió Ảnh hưởng hình trạng kết cấu TK kháng gió Thí nghiệm hầm gió Hình trạng kết cấu ảnh hưởng lớn đến phân tách hình dạng dòng khí thổi qua kết cấu → có ảnh hưởng lớn đến tải trọng gió tượng động gây gió Vai trò thí nghiệm hầm gió TK kháng gió Ảnh hưởng hình trạng kết cấu TK kháng gió Giảm momen uốn gây tải trọng gió tới 25% Thí nghiệm hầm gió Tòa nhà China World Trade Centre (81 tầng, 330m), Bắc Kinh Vai trò thí nghiệm hầm gió TK kháng gió Xét tới ảnh hưởng điều kiện địa hình, hướng gió Thí nghiệm hầm gió Các tác động gió nhà cao tầng Tải trọng gió (wind loading) Along-wind loading Across-wind loading Torsion Wind Wind Vibration direction Vortex Dao động xoáy khí (Vortex-induced vibration) Các quy định liên quan đến TNHG tiêu chuẩn Tiêu chuẩn ASCE 7-05 Kết cấu có hình dạng không bình thường (irregular-shaped buildings) Kết cấu mà tác dụng tải trọng gió không xét đến thành phần tải trọng theo phương gió thối (along-wind loading) mà phải xét đến thành phần tải trọng vuông góc với phương gió thổi (across wind loading) Kết cấu xuất dao động xoáy khí (Vortex-induced Vibration) Kết cấu có khả xảy tượng ổn định khí động học (Galloping & Flutter) Kết cấu xuất dao động phía cuối gió phía trước có vật cản gió (wake-induced vibration due to upwind obstructions) Thí nghiệm hầm gió Các quy định liên quan đến TNHG tiêu chuẩn Tiêu chuẩn Nhật Bản Kết cấu nhà Cao tầng Thấp tầng Phương pháp đơn giản Trung tầng KC cứng Phương pháp thiết kế chi tiết Tải trọng gió theo phương gió thổi – Tải trọng gió tác dụng lên mái nhà – Kết cấu bao che Kếu cấu mảnh Tải trọng gió vuông góc với phương gió thổi Gió xoắn Kếu cấu đặc biệt mảnh Dao động xoáy khí Mất ổn định khí động học Thí nghiệm hầm gió Các quy định liên quan đến TNHG tiêu chuẩn Tiêu chuẩn Nhật Bản Kết cấu mảnh (cần xét đến tải trọng gió vuông góc với phương gió thổi momen xoắn) H 3 BD Kết cấu đặc biệt mảnh (cần xét đến dao động xoáy khí ổn định khí động học) Kết cấu có mặt cắt chữ nhật: UH UH H * * 0.83UTcr 0.83U Lcr đồng thời fT BD BD f L BD Kết cấu có mặt cắt hình tròn: H 7 Dm đồng thời UH 4.2 f L Dm UH: vận tốc gió thiết kế Các TNHG 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 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 tượng dao động gây gió; 4) Thí nghiệm để xác định môi trường gió; Thí nghiệm xác định áp lực gió Tải trọng gió để thiết kế kết cấu bao che (glass, curtain wall…) A qH : diện tích : áp lực vận tốc thiết kế (design velocity pressure) C *pi : hệ số áp lực cực đại (internal peak pressure coefficient) C *pi : hệ số áp lực cực đại (external peak pressure coefficient) W= Cˆ pe C *pi qH A Được xác định thí nghiệm hầm gió Thí nghiệm xác định áp lực gió Máy đo áp lực gió đa điểm Ống nối với lỗ đo Mô hình cứng (vật liệu thường dùng acryl đồng thau) Đường Kích kính lỗ đo áp khoảng 1mm thước mô hình phạm vi mô hình hóa địa hình xung quanh: ý đảm bảo thỏa mãn điền kiện Hệ số bịt (Blockage Effect) < 5% Thí nghiệm xác định áp lực gió Các điều kiện đồng dạng Điều kiện đồng dạng dòng khí thổi Phân bố vận tốc gió trung bình (Mean Wind Speed Profile) Cường độ rối (Turbulence Intensity) Kích thước rối (Turbulence Scale) Spire Wind Test Model Roughness block Model of surround building Thí nghiệm xác định áp lực gió Các điều kiện đồng dạng Kích thước hình học hình trạng Số Reynolds: Thông thường thỏa mãn điều kiện đồng dạng số Reynolds Tuy nhiên có nhiều trường hợp kết cấu có mặt cắt có góc cạnh ảnh hưởng số Reynolds không lớn Trong trường hợp mắt cắt hình tròn elip, cần tạo độ nhám bề mặt mô hình Vận tốc gió quy đổi (Reduced Velocity) TCU H TCU H L p L m Thí nghiệm xác định tải trọng gió Trừ trường hợp xảy dao động vortex-induced hay galloping, chuyển vị cực đại gây gió tính thông qua tải trọng gió tác dụng lên hệ kết cấu đứng im sau: xˆ ( z ) x ( z ) g ( z ) x ( z ) : chuyển vị trung bình S x (n) : generalized displacement ( z )qH BHC f x ( z) power spectrum density (2 n0 )2 M x ( z) ( z) S x ( n) C f : generalized mean wind load coefficient M : generalized mass S x (n)dn (qH BHC 'f ) S f (n) n(2 n0 ) M n n0 4h n n 2 2 Thí nghiệm xác định tải trọng gió Có thể định nghĩa H f (t ) ( z ) f ( z; t )dz Cf C 'f f qH BH f qH BH S f ( n) nS f (n) f generalized wind load f : mean value of generalized wind load generalized fluctuating load coefficient Được xác định thí nghiệm hầm gió power spectrum density of generalized wind load Trong trường hợp dùng rocking mode để mô tả gần mode dao động: ( z) z H f (t ) M X (t ) H Momen gây lật đáy kết cấu Thí nghiệm xác định tải trọng gió Mô hình Thiết bị đo Thiết bị đo thành phần lực (five-component highfrequency force balance) Nguyên lý làm việc thiết bị đo Thí nghiệm xác định tải trọng gió Các điều kiện đồng dạng Điều kiện đồng dạng dòng khí thổi: Tương tự thí nghiệm xác định áp lực gió Kích thước hình học hình trạng: Tương tự thí nghiệm xác định áp lực gió Số Reynolds: Tương tự thí nghiệm xác định áp lực gió Vận tốc gió quy đổi (Reduced Velocity) UH UH nL p nL m 10 Thí nghiệm xác định tượng dao động Thiết bị thí nghiệm xác định tượng dao động gây gió Thí nghiệm xác định tượng dao động Mô hình đàn hồi Rocking Model 2D Model Lumped-mass Model Full-elastic Model 11 Thí nghiệm xác định tượng dao động Mô hình đàn hồi Lumped-mass Model Thí nghiệm xác định tượng dao động Các điều kiện đồng dạng Điều kiện đồng dạng dòng khí thổi Kích thước hình học hình trạng Số Reynolds Vận tốc gió quy đổi (Reduced Velocity) UH UH n L p n L m Điều kiện đồng dạng tỷ trọng (Mass Ratio) b b a p a m a : tỷ trọng không khí Điều kiện đồng dạng hệ số giảm chấn (Damping Ratio) hp hm 12 Thí nghiệm xác định môi trường gió Mô hình địa hình Mô hình giả Thí nghiệm xác định môi trường gió 13 [...].. .Thí nghiệm xác định các hiện tượng dao động Thiết bị trong thí nghiệm xác định các hiện tượng dao động gây ra bởi gió Thí nghiệm xác định các hiện tượng dao động Mô hình đàn hồi Rocking Model 2D Model Lumped-mass Model Full-elastic Model 11 Thí nghiệm xác định các hiện tượng dao động Mô hình đàn hồi Lumped-mass Model Thí nghiệm xác định các hiện tượng dao động... Reynolds Vận tốc gió quy đổi (Reduced Velocity) UH UH n 0 L p n 0 L m Điều kiện đồng dạng về tỷ trọng (Mass Ratio) b b a p a m a : tỷ trọng của không khí Điều kiện đồng dạng về hệ số giảm chấn (Damping Ratio) hp hm 12 Thí nghiệm xác định môi trường gió Mô hình địa hình Mô hình cây giả Thí nghiệm xác định môi trường gió 13 ... đến tải trọng gió tượng động gây gió Vai trò thí nghiệm hầm gió TK kháng gió Ảnh hưởng hình trạng kết cấu TK kháng gió Giảm momen uốn gây tải trọng gió tới 25% Thí nghiệm hầm gió Tòa nhà China World... Centre (81 tầng, 330m), Bắc Kinh Vai trò thí nghiệm hầm gió TK kháng gió Xét tới ảnh hưởng điều kiện địa hình, hướng gió Thí nghiệm hầm gió Các tác động gió nhà cao tầng Tải trọng gió (wind... Vibration Vai trò thí nghiệm hầm gió TK kháng gió Ảnh hưởng hình trạng kết cấu TK kháng gió Thí nghiệm hầm gió Hình trạng kết cấu ảnh hưởng lớn đến phân tách hình dạng dòng khí thổi qua kết cấu → có