Đề tài 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 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 2D Model Lumped-mass Full-elastic Model Model 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 Các điều kiện đồng dạng  Điều kiện đồng dạng đối với dòng khí thổi Kích thước hình học và hình trạng  Số Reynolds  Vận tốc gió quy đổi (Reduced Velocity) UU    HH    n L n L 00 pm    Điều kiện đồng dạng về tỷ trọng (Mass Ratio)     bb      a : tỷ trọng của không khí  aa pm    Điều kiện đồng dạng về hệ số giảm chấn (Damping Ratio) hhpm 12 Thí nghiệm xác định môi trường gió Mô hình địa hình Mô hình cây giả Thí nghiệm xác định môi trường gió 13