Kiến trúc, xây dựng - Thí nghiệm hầm gió trong thiết kế kháng gió cho nhà cao tầng

 Trường Đại học Giao thông Vận tải – Viện KH&CN XDGT
 Thí nghiệm hầm gió trong 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 của tải trọng gió trong thiết kế KC nhà
  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 
 Sự tăng của trọng lượng thép trong lại tải trọng gió tăng 
 thiết kế các cao ốc không tuyến tính.
 1 Tại sao nhà cao tầng lại nhạy cảm với tác động của gió
 EQ design Số tầng vs Chu kỳ dao động
 Chu kỳ
 Số tầng dao động
 cơ bản
 2 tầng 0.2s
 5 tầng 0.5s
 10 tầng 1.0s
 20 tầng 2.0s
 30 tầng 3.0s
 Wind design 50 tầng 5.0s
 High-rise buildings
 Wind Design is Dominant
 (Moderate EQ)
Tác động của gió vs Tác động của động đất
Earthquake-Resistant 
Design Mu+Cu+Ku=F(t) Forced Vibration
 T
 u=[ug , f g , v g , u c , v c ]
Wind-Resistant 
 Mu+Cu+Ku=F(u,u,u,t) Self-excited 
Design T Vibration
 u=[ug , f g , v g , u c , v c ]
 2 Vai trò của thí nghiệm hầm gió trong TK kháng gió
 Ảnh hưởng của hình trạng kết cấu trong TK kháng gió
 Thí nghiệm 
 hầm 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.
Vai trò của thí nghiệm hầm gió trong TK kháng gió
 Ảnh hưởng của hình trạng kết cấu trong TK kháng gió
 Giảm được momen uốn gây 
 ra bởi tải trọng gió tới 25%
 Thí nghiệm Tòa nhà China World Trade Centre 
 hầm gió (81 tầng, 330m), Bắc Kinh
 3 Vai trò của thí nghiệm hầm gió trong TK kháng gió
 Xét tới ảnh hưởng của điều kiện địa hình, hướng gió
 Thí nghiệm hầm gió
Các tác động của gió đối với nhà cao tầng
 Along-wind Tải trọng gió
 loading (wind loading)
 Across-wind Torsion
 Wind
 loading
 Wind
 Vibration direction Vortex
 Dao động do xoáy khí
 (Vortex-induced vibration)
 4 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)
 Thí nghiệm hầm gió
Các quy định liên quan đến TNHG trong tiêu chuẩn
 Tiêu chuẩn Nhật Bản
 Kết cấu nhà
 Cao tầng
 Thấp Kếu cấu Kếu cấu đặc
 tầng Trung tầng
 mảnh biệt mảnh
 KC cứng
 Phương Phương pháp thiết kế chi Tải trọng gió Dao động do 
 pháp đơn tiết vuông góc với xoáy khí
 giản Tải trọng gió theo phương gió thổi Mất ổn định khí 
 phương gió thổi – Tải Gió xoắn động học
 trọng gió tác dụng lên 
 mái nhà – Kết cấu bao Thí nghiệm hầm gió
 che
 5 Các quy định liên quan đến TNHG trong tiêu chuẩn
 Tiêu chuẩn Nhật Bản
  Kết cấu mảnh (cần xét đến cả tải trọng gió vuông
 góc với phương gió thổi và momen xoắn)
 H
 3
 BD
  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:
 H U H * U H *
 4 đồng thời 0.83U Lcr hoặc 0.83UTcr 
 BD fL BD fT BD 
  Kết cấu có mặt cắt hình tròn:
 H U H
 7 đồng thời 4.2 trong đó UH: vận tốc gió thiết kế
 Dm fDLm
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;
 6 Thí nghiệm xác định áp lực gió
 Tải trọng gió để thiết kế các kết cấu bao che (glass, curtain wall )
 ˆ *
 W= Cpe C pi q H A
 A : diện tích
 qH : áp lực vận tốc thiết kế (design velocity pressure)
 * : hệ số áp lực trong cực đại (internal peak pressure coefficient)
 C pi
 * : hệ số áp lực ngoài cực đại (external peak pressure coefficient)
 C pi
 Được xác định bằng thí nghiệm hầm gió
Thí nghiệm xác định áp lực 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%
 7 Thí nghiệm xác định áp lực gió
 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)
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 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)
 TUTUCHCH 
 LL pm 
 8 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: 
 xˆ()()() z x z g z xz(): chuyển vị trung bình
 Sn(): generalized displacement 
 ()z q BHC x
 H f power spectrum density
 xz() 2
 (2 nM0 ) C : generalized mean wind load 
 f coefficient
 ()()()z z S n dn M : generalized mass
 xx 0
 '2
 ()()qH BHCff S n
 Snx () 2
 n(2 n )4 M 2 1 n n 22 4 h 2 n n 
 0 0 0
Thí nghiệm xác định tải trọng gió
Có thể định nghĩa
 H
 f()()(;) t  z f z t dz generalized wind load
 0
 f
 C f f : mean value of
 qH BH generalized wind load
 
 C' f generalized fluctuating Được xác định bằng
 f thí nghiệm hầm gió
 qH BH load coefficient
 nS() n
 Sn() f power spectrum density of 
 f 2 generalized wind load
  f
Trong trường hợp có thể dùng rocking mode để mô tả gần đúng mode dao động:
 ()z z H
 Mt()
 ft() X Momen gây lật tại đáy kết cấu
 H
 9 Thí nghiệm xác định tải trọng gió
 Mô hình
 Thiết bị đo
 Thiết bị đo 5 thành phần lực Nguyên lý làm việc của thiết bị đo
 (five-component high-
 frequency force balance)
Thí nghiệm xác định tải trọng gió
 Các điều kiện đồng dạng
  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:
 Tương tự như trong thí nghiệm xác định áp lực gió
  Số Reynolds:
 Tương tự như trong thí nghiệm xác định áp lực gió
  Vận tốc gió quy đổi (Reduced Velocity) 
 UUHH 
 nL pm nL 
 10