Nghiên cứu thành phần động của tải trọng gió cho các công trình tháp, trụ thép

Khi tính toán tải trọng gió động cho các công trình có chiều cao lớn chúng ta thường tính tổng tác động của gió bao gồm cả thành phần chuẩn tĩnh và cộng hưởng lên công trình. Bài viết nêu kiến nghị hiệu chỉnh tiêu chuẩn hiện hành đối với việc xác định các thành phần động của tải trọng gió với các công trình thép cao.

Nghiên cứu thành phần động tải trọng gió cho cơng trình tháp, trụ thép Research of the dynamic component of the wind load for high-rise steel structures Đoàn Tuyết Ngọc, Vũ Lệ Qun Tóm tắt Khi tính tốn tải trọng gió động cho cơng trình có chiều cao lớn thường tính tổng tác động gió bao gồm thành phần chuẩn tĩnh cộng hưởng lên cơng trình Việc dẫn đến tính tốn kết cấu khơng xác, giảm hiệu kinh tế với cơng trình mang tính điển hình phổ biến tháp trụ thép, cột thu phát sóng Bài báo nêu kiến nghị hiệu chỉnh tiêu chuẩn hành việc xác định thành phần động tải trọng gió với cơng trình thép cao Từ khóa: Tải trọng tác động, cơng trình tháp trụ thép, tải trọng gió, thành phần chuẩn tĩnh, thành phần cộng hưởng Abstract When calculating the dynamic component of wind load for high-rise buildings, we usually calculate the total wind impact, including quasistatic and resonance components This leads to inaccurate structural calculations, reducing economic efficiency especially with typical and popular constructions such as steel towers, transmission towers The paper proposes a revision of the current standard for the determination of dynamic components of the wind load in high steel structures Keywords: Loads and impacts, high-rise steel structures, wind load, quasistatic component, resonance component Hiện nay, cơng trình cao có chức đặc biệt tháp, trụ thu phát để cung cấp truyền hình, phát thanh, truyền thơng di động đóng vai trò quan trọng việc phát triển sở hạ tầng kinh tế xã hội Nếu khu thị ăng-ten đặt tòa nhà cao tầng, vùng chưa phát triển, cơng trình đặc biệt tháp cột thu phát sóng vơ cần thiết Với cơng trình có độ cao lớn, chiều cao lớn nhiều so với kích thước ngang (khoảng 8-200 lần) [1], tải trọng gió đóng vai trò chủ đạo định hình dạng kích thước hệ kết cấu Tác động gió bao gồm hai thành phần: tĩnh động Khi xác định thành phần tĩnh, đặc điểm hạn chế cản gió cột tháp làm giảm giá trị tải trọng gió so với cơng trình có bề mặt cản lớn có chiều cao Giá trị thành phần động phụ thuộc vào hệ số động lực ξ, xác định độ giảm loga dao động δ [2] Nếu với đa số tòa nhà có δ > 0,3, với cơng trình thép cao, mảnh có δ < 0.15, có nghĩa kết cấu giảm chấn mức độ thấp, cơng trình dễ bị hư hại ảnh hưởng gió giật Do tính chất hàng loạt phổ thông tháp trụ thép nên cần phải tạo kết cấu điển hình không tốn sản xuất lắp dựng, đồng thời phải đảm bảo chất lượng, độ bền, độ ổn định hay nói cách khác – có trọng lượng tối thiểu với khả chịu lực lớn Điều kiện thực tải trọng thực tế xác định cách xác, đặc biệt thành phần động tải trọng gió có đặc điểm ngẫu nhiên tính phá hoại cao Trong nghiên cứu, thí nghiệm ảnh hưởng gió động cho cơng trình tháp, trụ thép [3-5] cho thấy thành phần động xuất tác dụng gió giật dọc theo hướng gió bao gồm hai thành phần: thành phần chuẩn tĩnh (quasistatic), sinh tác động gió có tần số thấp gần với tần số tối đa phổ lượng vận tốc gió thay đổi; thành phần cộng hưởng (resonance), gây gió giật tần số cao vùng tần số dao động thân cơng trình (hình 1) Ở hình thấy phổ lực khí động học thơng thường tác động lên cơng trình có giá trị cực đại phổ phản ứng cơng trình với gió giật (bao gồm chuyển vị, ứng suất…) có hai giá trị cực đại Đỉnh bên trái – vùng tần số thấp hay chuẩn tĩnh gần trùng với cực đại phổ lượng gió giật, bên phải – vùng tần số cao hay cộng hưởng trùng với tần số dao động riêng công trình ω0 Tỷ lệ chuyển vị cơng trình gây thành phần chuẩn tĩnh cộng hưởng phụ thuộc vào chu kỳ dao động riêng biểu diễn hình Trong tiêu chuẩn quy định tính tốn tác động gió với cơng trình, thường sử dụng phương pháp tính tổng tác động gió (tác động chuẩn tĩnh cộng hưởng) Giá trị tiêu chuẩn thành phần động áp lực gió cơng trình phận kết cấu mà sơ đồ tính tốn có dạng bậc tự có dạng [2]: Wp = Wm ⋅ ξ ⋅ ς ⋅ν , (1) Trong đó: Wm – giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh áp lực gió độ cao tính tốn; ξ – hệ số động lực; υ – hệ số tương quan không gian áp lực động tải trọng gió, ς – hệ số áp lực động tải trọng, xác định theo cơng thức Davenport [2]: PGS.TS Đồn Tuyết Ngọc Khoa Xây dựng Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Email: TS Vũ Lệ Quyên Khoa Xây dựng Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Email: ζ = 2α c γ t , (2) Trong đó: αc – hệ số an toàn xét đến ảnh hưởng hình dạng kết cấu; γt – cường độ rối xác định phương trình:  z  γ t = σ vl ⋅    10  −α , (3) Trong đó: α – số mũ phụ thuộc vào thay đổi vận tốc gió theo chiều cao dạng S¬ 28 - 2017 37 KHOA HC & CôNG NGHê Hỡnh Ph nng lng phản ứng động học cơng trình phụ thuộc vào tần số Hình Tỷ lệ chuyển vị cơng trình thành phần chuẩn tĩnh thành phần cộng hưởng gây phụ thuộc vào chu kỳ dao động riêng cơng trình địa hình (A,B,C); z – độ cao tính tốn; σvl – mạch xung động tiêu chuẩn vận tốc gió xác định cơng thức: 1/ ∞  σ vl =  ∫ Svl (ω ) d ω  0  , (4) Trong đó: Svl(ω) – Mật độ phổ tương hỗ xung dọc vận tốc gió; ω – tần số (rad/s) Hiện tại, theo tiêu chuẩn xây dựng sử dụng công thức thực nghiệm mật độ phổ tương hỗ xung dọc vận tốc Davenport, thu sở phân tích phổ có gió mạnh có dạng sau [6]: Svl (ω ) = chuẩn tĩnh cộng hưởng như: tính tốn cơng trình theo cường độ mỏi tuổi thọ, tính tốn cơng trình có kết cấu chịu lực gắn ăng ten định hướng theo trạng thái giới hạn thứ hai, tính tốn dao động giảm chấn lắp đặt cơng trình [3], Trong trường hợp cần phải sử dụng giá trị hệ số áp lực động ζ xác định riêng cho thành phần chuẩn tĩnh ζct cộng hưởng ζch phổ biến động hỗn loạn áp lực gió Do vậy, đề xuất phân chia tần số khoảng từ đến ∞ vào thành hai vùng: chuẩn tĩnh (0 – 0,5ω0) cộng hưởng (0,5 ω0 – ∞) Lấy tích phân cơng thức (7) với hai vùng này, ta có: 1/          z  −α   ζ ct = 3k0 1 −    1/3     ωo L      10    1 +         V     , 2k0 V02 u ω 1 + u  4/3 , (5) Trong đó: V0 – tốc độ gió trung bình độ cao tiêu chuẩn 10m; k0 - hệ số cản bề mặt (k0 lấy giá trị 0,005 với địa hình trống trải; 0,01 với địa hình nhiều cối ngoại ô; 0,04 với khu vực thành phố); u – đại lượng tính cơng thức: u= ωL V ,            z  −α ζ ch = 3k0     1/3     ωo L      10    1 +         V     (6) Trong đó: L = 1200 m – quy mơ chiều dài vùng gió; V – tốc độ gió trung bình độ cao xét Thay công thức từ (3) – (6) vào công thức (2), hệ số áp lực động gió xác định cơng thức: 1/    2k V  ω L    0  ∞ V   dω  ζ = 2α c  ∫  4/3    ω L 2    ω 1 +         V    z     10  Biểu thức cho tổng giá trị hệ số áp lực động ζ toàn phổ biến động hỗn loạn tốc độ gió Theo đó, xác định tất ứng xử kết cấu trường hợp gió giật (chuyển vị, nội lực, ứng suất, ) sở hệ số áp lực động ζ - giá trị tổng hệ số áp lực động diễn toàn dải tần số gió Phương pháp thường áp dụng cho tòa nhà Tuy nhiên, cơng trình thép có độ cao lớn, cần phải xác định phản ứng động học cơng trình tác dụng gió giật theo hai giải tần số 38 9) Khi đó, thành phần động áp lực gió khơng xác định theo công thức (1), mà theo biểu thức sau [4]: 2 Wpct + Wpch Wpct = kct Wmξ ct ζ ctν ct (7) , Trong đó: ω0 - tần số dao động riêng kết cấu = Wp −α (8) 1/ , (10) , (11) Wpch = kch Wmξ chζ chν ch , (12) Trong công thức (11) hệ số động lực chuẩn tĩnh ξct 1, hệ số động lực cộng hưởng ξch cơng thức (12) tính theo cơng thức sau [5]: ξ ch = π δ C* , (13) Trong δ suy giảm dao động kết cấu, C* hệ số phụ thuộc vào suy giảm dao động dẫn bảng [5] TP CH KHOA HC KIƯN TRC - XY DẳNG ν ch2 Hình Tỷ lệ thành phần hệ số chuẩn tĩnh cộng hưởng phụ thuộc vào chu kỳ dao động riêng Bảng 1: Giá trị hệ số C* phụ thuộc vào độ giảm loga dao động δ hω0 / Vh Hình Biểu đồ xác định hệ số tương quan phạm vi cộng hưởng tần số tùy thuộc vào giá trị h/c hω0 / Vh Hệ số tương quan υct = (11), xác định theo biểu đồ hình [4] δ C* δ C* 0,01 9,3 0,1 8,1 0,02 9,14 0,112 7,9 0,03 9,1 0,15 7,5 0,04 8,9 0,2 7,14 0,05 8,78 0,25 6,6 0,08 8,4 0,3 6,2 υch (12) Trong h – chiều cao cơng trình; c – đặc trưng kích thước tiết diện ngang; Vh – tốc độ gió trung bình độ cao h Trong hình đường cong đánh số 0,5; 1; 2; đặc trưng cho tỷ lệ h/c Công thức (11) (12) khác với công thức (1) yếu tố: hệ số chuẩn tĩnh kct (11) hệ số cộng hưởng kch (12) Các hệ số đặc trưng cho tỷ lệ tham gia thành phần (chuẩn tĩnh cộng hưởng) giá trị ứng xử động học cơng trình gió giật Tỷ lệ tham gia biểu thị hình 4, giá trị kct kch biểu diễn phụ thuộc vào chu kỳ dao động cơng trình [3] Thay đại lượng vào cơng thức (11) (12) ta có: W = kct Wm ⋅1 ⋅ ζ = kct Wmζ ct pct ct ⋅ Wpch = kch Wm = , (14) π ζ chν ch δ C* 3,14 ν ch 3,87 ⋅ kch Wmζ chν ch kch Wmζ ch= 0,1 ⋅ 8,1 (15) Qua phân tích thấy việc xác định ứng xử cơng trình với gió giật theo dải tần số chuẩn tĩnh tần số cộng hưởng cho kết cấu cao mảnh cho phép: - Tính tốn xác áp lực gió động tác dụng lên cơng trình so với phương pháp hành - Có giá trị biên độ dao động tính tốn xác hơn, cơng trình có giảm chấn thấp có q trình chuyển vị liên tục - Thiết kế lắp đặt giảm chấn phù hợp để giảm biên độ dao động (giảm biên độ dao động cơng trình dải tần số cộng hưởng)./ Tài liệu tham khảo Phạm Văn Hội, Nguyễn Quang Viên, Phạm Văn Tư, Đoàn Ngọc Tranh, Hồng Văn Quang, Kết cấu thép (Cơng trình dân dụng công nghiệp), Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 232-233, 1998 TCXD 229-1999: Chỉ dẫn tính tốn thành phần động tải trọng gió Остроумов Б В., Исследования, разработка и внедрение высотных сооружений с гасителями колебаний, Дис доктора техн наук, Москва, 317-324, 2003 Остроумов Б.В., Гусев М.А., Бредов, Методика расчета высоких гибких сооружений с низким демпфированием на пульсационную составляющую ветровой нагрузк, Промышленное и гражданское строительство № 5, ЦНИИПСК им Мельникова, 9-11, 2008 Никитин П.В Расчет высотных сооружений на воздействие порывов ветра Промышленное и гражданское строительство, № 6, ЦНИИПСК им Мельникова, 21-22, 2006 Davenport A C, The Spectrum of Horizontal Gustiness Near the Ground in High Winds, J Royal Meteorol, Soc 87, 1961 S¬ 28 - 2017 39 ... HC & CôNG NGHê Hỡnh Ph nng lng phản ứng động học cơng trình phụ thuộc vào tần số Hình Tỷ lệ chuyển vị cơng trình thành phần chuẩn tĩnh thành phần cộng hưởng gây phụ thuộc vào chu kỳ dao động. .. Hồng Văn Quang, Kết cấu thép (Cơng trình dân dụng công nghiệp), Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 232-233, 1998 TCXD 229-1999: Chỉ dẫn tính tốn thành phần động tải trọng gió Остроумов Б В., Исследования,... hệ số áp lực động diễn toàn dải tần số gió Phương pháp thường áp dụng cho tòa nhà Tuy nhiên, cơng trình thép có độ cao lớn, cần phải xác định phản ứng động học cơng trình tác dụng gió giật theo