CHƯƠNG 2. CÔNG TRÌNH PHONG ĐIỆN CHỊU TẢI TRỌNG GIÓ
2.3. Xác định tải trọng gió tác dụng lên công trình theo TCVN 2737:1995
2.3.3. Thành phần lực dọc hướng gió
Giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của tải trọng gió theo công thức (2.1):
W = W0.k(z).cx (daN/m2) (2.1)
Trong đó :
- Wo: giá trị áp lực gió theo bản đồ phân vùng, đơn vị daN/m2 . Tham chiếu phụ lục D và điều 6.4[2], được thể hiện ở Bảng 2.1.
Đối với vùng ảnh hưởng của bão được đánh giá là yếu (Phụ lục D [2]), giá trị của áp lực gió W0 được giảm đi 10 daN/m2 đối với vùng I-A, 12 daN/m2 đối với vùng II-A và 15 daN/m2 đối với vùng III-A.
Bảng 2.1. Áp lực gió theo bản đồ phân vùng áp lực gió lãnh thổ Việt Nam
(Nguồn Bảng 4 [2])
Vùng áp lực gió
I II III
IVB VB
IB IA IIB IIA IIIB IIIA
Wo (daN/m2) 65 55 95 83 125 110 155 185
12
Hình 2.1. Bản đồ phân vùng áp lực gió Việt Nam
- k(z): hệ số tính đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao và ảnh hưởng của dạng địa hình, vật cản xung quanh; Xác định theo quan niệm về sự phát triển vận tốc gió theo chiều cao, lấy theo hàm số mũ công thức 2.2:
13
( ) (2.2)
zg: Độ cao gradient mà tại đó vận tốc gió không còn bị ảnh hưởng bởi độ nhám của địa hình (với z > zg, gió là dòng chảy tầng).
m: Hệ số hàm số mũ.
Dựa vào công thức 2.2: Kết quả tính toán hệ số thay đổi áp lực gió theo độ cao và dạng địa hình K xác định theo Bảng 5, [2]
Bảng 2.2. Hệ số k để đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao và dạng địa hình (Nguồn bảng 5, [2]) Dạng địa hình
Độ cao Z, m
Độ cao Z,
A B C
3 1,00 0,80 0,47
5 1,07 0,88 0,54
10 1,18 1,00 0,66
15 1,24 1,08 0,74
20 1,29 1,13 0,80
30 1,37 1,22 0,89
40 1,43 1,28 0,89
50 1,47 1,34 0,97
60 1,51 1,38 1,03
80 1,57 1,45 1,18
100 1,62 1,51 1,25
150 1,72 1,63 1,40
200 1,79 1,71 1,52
250 1,84 1,78 1,62
300 1,84 1,84 1,70
350 1,84 1,84 1,78
>400 1,84 1,84 1,84
Mốc chuẩn để xác định chiều cao z, xác định theo phụ lục C [2].
Trường hợp mặt đất có độ dốc nhỏ so với phương nằm ngang i ≤ 0,3;
độ cao z được kể từ mặt đất đặt nhà và công trình tới điểm cần xét.
Trường hợp mặt đất có độ dốc 0,3< i <2, độ cao z được kể từ mặt cao trình quy ước z0 thấp hơn so với mặt đất thực tới điểm cần xét.
Mặt cao trình quy ước Z0 được xác định theo Hình G1 [2]
14
Trường hợp mặt đất có độ dốc i ≥ 2, mặt cao trình quy ước Z0 để tính độ cao z thấp hơn mặt đất thực được xác định theo Hình G2[2].
Bên trái C: Z0=Z1 Bên phải điểm D: Z0=Z2 Trên đoạn CD : Xác định Z0 bằng phương pháp nội suy tuyến tính.
- cx: hệ số khí động, phụ thuộc vào đặc điểm của công trình, xác định theo Bảng 6 [2].
Công trình có mặt xung quanh hình trụ tròn ( bể chứa, tháp làm nguội, ống khói), dây cáp, dây dẫn và bộ phận kết cấu dạng ống tròn và kín.
Hình 2.2. Công trình có mặt xung quanh hình trụ tròn
15
Xác định hệ số khí động: Với phạm vi đề tài này, hệ số khí động được tính theo sơ đồ 35 trong bảng 6 [2]. Ứng với công trình có mặt xung quanh hình trụ tròn dạng ống khói, hệ số khí động C = Cx được xác định như sau:
(2.3)
Trong đó:
Hệ số k được xác định theo bảng 6.1 của sơ đồ 34 bảng 6 [2]
Bảng 2.3. Xác định hệ số k, theo bảng 6.1, [2]
e=2 5 10 20 35 50 100 ∞
= l/b k 0,6 0,65 0,75 0,85 0,9 0,95 1
Trong đó: l,b tương ứng với kích thước lớn nhất và nhỏ nhất của công trình hoặc bộ phận của nó trong mặt phẳng vuông góc hướng gió.
e: Xác định theo bảng 6.2. Trong bảng 6.2 có D = l/b với l,b tương ứng với kích thước lớn nhất và nhỏ nhất của công trình hoặc bộ phận của nó trong mặt phẳng vuông góc hướng gió.
Hệ số Cx∞ xác định theo hiểu đồ hình 2.4 với các mặt xù xì (với kết cấu thép, = 0,001) và phụ thuộc vào hệ số Reynolds, hệ số Reynolds là hệ số không thứ nguyên biểu thị cho độ lớn tương đối giữa ảnh hưởng gây bởi lực quán tính và lực ma sát trong (tính nhớt) lên dòng khí, được xác định như sau:
Hệ số Re được xác định theo công thức:
√ (2.4) Trong đó:
D: là đường kính công trình (m) W0: là áp lực gió (daN/m2)
k(z): là hệ số thay đổi áp lực gió ở độ cao z = h : là hệ số độ tin cậy, lấy bằng 1,2
(trích sơ đồ 35, bảng 6 [2]) Hình 2.3. Biểu đồ tra hệ số khí động
16
Hệ số tin cậy của tải trọng gió lấy bằng 1,2 . Giá trị áp lực gió Wo được xác định theo Bảng 4 [2] theo đó lãnh thổ Việt Nam được phân ra làm 05 vùng áp lực gió như trong Bảng 2.1. Chi tiết phân vùng áp lực gió trên lãnh thổ Việt Nam theo các địa danh xem trong Phụ lục A [2].
b. Thành phần động
Thành phần động của gió là thành phần tăng thêm tác dụng của tải trọng gió lên công trình có dao động, nhằm xét đến sự ảnh hưởng của sự mạch động của gió và lực quán tính sinh ra khi công trình dao động bởi gió.
Theo TCVN 2737:1995, thành phần động của tải trọng gió phải được kể đến khi tính các công trình trụ, tháp, ống khói, cột điện, thiết bị dạng cột, hành lang băng tải, các giàn giá lộ thiên..., các nhà nhiều tầng cao trên 40m, các khung ngang nhà công nghiệp một tầng một nhịp có độ cao trên 36m, tỷ số độ cao trên nhịp lớn hơn 1,5.
V(t,z) V(z) V’(t,z)
Hình 2.4. Phân chia thành phần tĩnh và thành phần động của tải trọng gió
Đối với các công trình cao và kết cấu mềm (ống khói, trụ, tháp,...) phải tiến hành kiểm tra tình trạng mất ổn định khí động.
Giá trị thành phần động của tải trọng gió tác động lên công trình được xác định cụ thể theo các công thức khác nhau dựa trên cơ sở so sánh tần số của các dạng dao động cơ bản đầu tiên f với giá trị tần số quy định fL. Giá trị tần số giới hạn fL này phụ thuộc vùng áp lực gió và loại công trình (độ giảm loga của công trình) được quy định theo điều 6.14 của TCVN 2737:1995 bảng 2.4 dưới đây:
Bảng 2.4. Giá trị giới hạn tần số dao động riêng fL theo TCVN 2737:1995 Vùng áp lực gió Tần số dao động riêng fL (s-1)
= 0,3 = 0,15
I 1,1 3,4
II 1,3 4,1
III 1,6 5,0
IV 1,7 5,6
V 1,9 5,9
17
= 0,3: với công trình bằng bêtông cốt thép, gạch đá hoặc khung thép có bọc kết cấu bao che.
= 0,15: với công trình bằng thép có bệ móng bêtông cốt thép (tháp, trụ, cột điện, ống khói bằng thép,...).
- Với công trình có f (Hz) > fL
Thành phần động của tải trọng gió chỉ cần kể đến tác dụng của xung vận tốc gió. Khi đó giá trị tiêu chuẩn thành phần động của áp lực gió Wpj tác dụng lên phần thứ j của công trình được xác định theo công thức 2.5.
(2.5)
Trong đó:
Wj: giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của tải trọng gió, tác dụng lên phần thứ j của công trình.
j: hệ số áp lực động của tải trọng gió ở độ cao ứng với phần thứ j của công trình lấy theo bảng 2.5
Bảng 2.5. Hệ số áp lực động trích theo TCVN 2737:1995 Độ cao Hệ số áp lực động tương ứng với dạng địa hình
(m) A B C
<5 0,318 0,517 0,754
10 0,303 0,486 0,684
20 0,289 0,457 0,621
40 0,275 0,429 0,563
60 0,267 0,414 0,532
80 0,262 0,403 0,511
100 0,258 0,395 0,496
150 0,251 0,381 0,468
200 0,246 0,371 0,450
250 0,242 0,364 0,436
300 0,239 0,358 0,425
350 0,236 0,353 0,416
> 480 0,231 0,343 0,398
: hệ số tương quan không gian, ảnh hưởng của hình dạng và hình khối công trình tại nơi cần xác định thành phần động của tải trọng gió, phụ thuộc vào mặt phẳng cần tính toán tải trọng so với hướng
18
gió thổi, thông qua các thông số trung gian và , xác định theo các bảng 2.6 và 2.7 dưới đây:
Bảng 2.6. Xác định các tham số và theo TCVN 2737:1995 Khi bề mặt tính toán song song với mặt
phẳng tọa độ
zOx B h
zOy 0,4a h
xOy B a
Bảng 2.7. Hệ số tương quan không gian v theo TCVN2737:1995 Tham số
(m)
Hệ số tương quan không gian khi = (m)
5 10 20 40 80 160 350
0,1 0,95 0,92 0,88 0,83 0,76 0,67 0,56
5 0,89 0,87 0,84 0,80 0,73 0,65 0,54
10 0,85 0,84 0,81 0,77 0,71 0,64 0,53
20 0,80 0,78 0,76 0,73 0,68 0,61 0,51
40 0,72 0,72 0,70 0,67 0,63 0,57 0,48
80 0,63 0,63 0,61 0,59 0,56 0,51 0,44
160 0,53 0,53 0,52 0,50 0,47 0,44 0,38
Khi bề rộng mặt đón gió không đổi, có thể xác định thành phần động theo luật phân bố theo chiều cao công thức 2.6:
(2.6)
- Với công trình có f1 (Hz) < fL
Hình 2.5. Hệ tọa độ cơ bản khi xác định hệ số tương quan không gian theo TCVN 2737:1995
19
Thành phần động của tải trọng gió phải kể đến tác dụng của cả xung vận tốc gió và lực quán tính của công trình. Khi đó các công trình hoặc bộ phận kết cấu có tần số dao động riêng cơ bản thứ s thoả mãn bất đẳng thức: fs < fL < fs+1 thì cần tính toán thành phần động của tải trọng gió với s dạng dao động đầu tiên. Giá trị tiêu chuẩn thành phần động của tải trọng gió tác dụng lên phần thứ j ứng với dạng dao động thứ i được xác định theo công thức 2.7:
(2.7)
Trong đó:
Mj: khối lượng tập trung của phần thứ j
j: hệ số động lực ứng với dạng dao động thứ i, không thứ nguyên, phụ thuộc vào thông số i và độ giảm lôga của dao động:
Trong đó:
W0: giá trị áp lực gió tiêu chuẩn lấy theo bảng 2.1, đơn vị daN/m2;
√
(2.8)
: Hệ số độ tin cậy của tải trọng gió, = 1,2
Đường cong 1 - ứng với các công trình bê tông cốt thép và gạch đá, nhà khung thép có bao che, = 0,3;
Đường cong 2 - ứng với tháp thép, trụ thép, ống khói bằng thép, các thiết bị dạng cột có đế bê tông cốt thép, = 0,15;
Yji: dịch chuyển ngang tỉ đối của trọng tâm phần công trình thứ j ứng với dạng dao động riêng thứ i, không thứ nguyên.
Đối với công trình có mặt bằng đối xứng cho phép lấy yji bằng dịch chuyển do tải trọng ngang phân bố đều đặt tĩnh gây ra.
i: Hệ số được xác định bằng cách chia công trình n phần, trong phạm vi mỗi phần tải trọng gió có thể coi như là không đổi:
∑
∑ (2.9)
Với:
Hình 2.6. Đồ thị xác định hệ số động lực theo TCVN 2737:1995
20
Mj: khối lượng phần thứ j của công trình;
WFj: giá trị tiêu chuẩn thành phần động của tải trọng gió tác dụng lên phần thứ j của công trình, ứng với các dạng dao động khác nhau khi chỉ kể đến ảnh hưởng của xung vận tốc, có thứ nguyên là lực, xác định theo công thức: WFj = Wj. j.Sj. (với j là diện tích đón gió của phần j của công trình).
Đối với nhà nhiều tầng mặt bằng đối xứng, có độ cứng, khối lượng và bề rộng mặt đón gió không đổi theo chiều cao, có f1 < fL cho phép xác định giá trị tiêu chuẩn thành phần động của áp lực gió ở độ cao z theo công thức:
(2.10)
- Với WpH - giá trị tiêu chuẩn thành phần động của áp lực gió ở độ cao H của đỉnh công trình.
Đối với công trình hoặc các bộ phận kết cấu mà sơ đồ tính toán có dạng một bậc tự do và có f1 < fL, giá trị tiêu chuẩn thành phần động của áp lực gió được xác định theo công thức:
(2.11)
Giá trị tính toán thành phần động của tải trọng hoặc áp lực gió được xác định theo công thức:
(2.12)
Trong đó:
W: là giá trị tiêu chuẩn của tải trọng gió hoặc áp lực gió, được xác định theo các công thức như trên.
: hệ số độ tin cậy của tải trọng gió, lấy bằng 1,2.
: hệ số điều chỉnh tải trọng gió theo thời gian sử dụng giả định của công trình, xác định theo bảng 12 [2].
- Tần số dao động riêng fi: Đối với các công trình dạng ống khói hoặc công trình có mặt cắt ngang hình vành khuyên thì tần số dao động riêng được xác định theo (Công thức 2.14 được trích từ phụ lục B [3]).
√ (2.13)
Trong đó:
fi: là tần số dao động riêng thứ i xác định theo công thức (2.13) hoặc xác định bằng phương pháp số thông qua các phần mềm (ETABS hoặc SAP 2000).
EJ: là độ cứng chống uốn của công trình (kN.m2).
H: là chiều cao của công trình (m).
g: là gia tốc trọng trường.
21
q: là trọng lượng đơn vị dài theo chiều cao công trình (kN/m). Do tháp turbine điện gió có khối lượng tập trung lớn tại đỉnh nên phải xét đến khối lượng tập trung quy đổi theo Phụ lục B2.2 [3].
Trong đó:
∑ (2.14)
q’: là trọng lượng phân bố đều Pj: trọng lượng tập trung thứ j
Yji: xác định theo công thức B.25, không thứ nguyên
(2.15) Trong đó, các hệ số i và i ứng với ba dạng dao động đầu tiên lấy bằng:
(2.16)
Với công trình có mặt bằng có tiết diện tròn, cũng giống như các công trình có mặt bằng có tiết diện khác như: chữ nhật, chữ U, L, chữ thập... thì độ lớn của thành phần lực gió dọc hướng gió đều phụ thuộc vào hình dạng bên ngoài của công trình như: chiều cao, bề rộng, địa hình. Riêng với công trình có mặt bằng có tiết diện tròn thì độ lớn của thành phần lực gió dọc hướng gió còn phụ thuộc rất nhiều vào tính chất của bề mặt tiếp xúc và tính nhớt của dòng khí tác động lên công trình mà đặc trưng là hệ số Reynolds.