Đề xuất cách tính tải trọng gió theo TCVN 2737-1995 cho công trình có hình dạng phức tạp

Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học 588 ĐỀ XUẤT CÁCH TÍNH TẢI TRỌNG GIÓ THEO TCVN 2737-1995 CHO CÔNG TRÌNH CÓ HÌNH DẠNG PHỨC TẠP Đặng Sĩ Khiêm*, Nguyễn Việt Khánh, Lê Ích Trọng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh *Tác giả liên lạc: dangsikhiem@gmail.com TÓM TẮT Bài báo mô tả phương pháp xác định hệ số áp lực gió lên các công trình có hình dạng phức tạp. Mô phỏng hầm gió bằng Robot Structural Analysis Professional và Flow Design cũng như phân tích dựa trên TCVN 2737-1995, EN 1991-1-4 và ASCE 7-05 được thực hiện trên một số công trình có hình dạng phức tạp điển hình. Kết quả của thí nghiệm hầm gió cho công trình “MR&S” đã được sử dụng để xác minh kết quả phân tích này. Bên cạnh đó, việc mô phỏng hầm gió sử dụng các phần mềm thương mại để xác định hệ số áp lực gió cho công trình có hình dạng phức tạp là khả thi và hiệu quả. Từ khóa: Hệ số áp lực gió, hệ số khí động; mô phỏng áp lực gió; mô phỏng thí nghiệm hầm gió; ống thổi khí động. AN APPROACH IN DETERMINATION OF WIND LOAD FOR IRREGULAR SHAPED BUILDING ACCORDING TO VIETNAMESE STANDARD 2737-1995 Dang Si Khiem*, Nguyen Viet Khanh, Le Ich Trong Ho Chi Minh City University of Technology and Education *Corresponding Author: dangsikhiem@gmail.com ABSTRACT The article described an approach in determination of the pressure coefficient on irregular shaped buildings. The wind tunnel simulation on Robot Structural Analysis Professional and Flow Design software as well as analytical method according to TCVN 2737-1995, EN 1991-1-4 and ASCE 7-05 are performed in several of typical irregular shaped buildings. The results of wind tunnel for “MR&S” project were used for verifying it. Therefore, the use of wind tunnel simulation on commercial software to determine the wind pressure coefficient for irregular shaped buildings is perfectly useful. Keywords: Pressure coefficient, wind load simulation, wind tunnel, wind tunnel simulation experiment. TỔNG QUAN Trong nhiều năm qua, thực tế cho thấy các công trình nhà cao tầng đòi hỏi độ tin cậy ngày càng cao đối với quy trình tính tóa n và thiết kế tải trọng gió. Việc lựa chọn hệ số khí động ảnh hưởng rất lớn đến tải trọng gió tác động lên nhà cao tầng, đặc biệt là công trình có hình dạng phức tạp. Để tính tóa n hệ số này, người ta sử dụng phương pháp chiếu vuông góc theo TCVN 2737-1995. Thế nhưng, liệu việc áp dụng TCVN 2737-1995 cho các công trình có hình dạng phức tạp có hiệu quả và khả thi, trong khi hệ số khí động dường như phụ thuộc vào sự khuếch đại gió tại bề mặt công trình. Xuất phát từ những yêu cầu thực tế và kế thừa các kết quả đạt được của các nhà nghiên cứu trong nước và trên thế Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học 589 giới, các tác giả nghiên cứu đề xuất một giải pháp mới “sử dụng phần mềm để mô phỏng tải trọng gió qua mô hình ống thổi khí động” để xác định hệ số áp lực gió. Bằng cách xây dựng mô hình tính gió sử dụng phần mềm Robot Structural Analysis Professional và Flow Design. Tải trọng gió được mô phỏng qua mô hình ống thổi khí động trên phần mềm sẽ được thể hiện, từ đó mô hình có thể dự báo được đối tượng chính là tải trọng gió cho công trình. Phương pháp này có thể dự báo được độ chính xác của TCVN 2737-1995 về tải trọng gió tác động lên công trình nhà cao tầng có hình dạng phức tạp. Kết quả thu được từ nghiên cứu là cơ sở để áp dụng thiết kế tải trọng gió cho dự án thực tế “MR&S”. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phương pháp giải tích: Các tác giả sử dụng cách thức tính tóa n được đề cập đến trong TCVN 2737-1995, ASCE 7- 05, EN 1991-1-4 để xác định giá trị áp lực gió cho các công trình có hình dạng đơn giản và phức tạp. Phương pháp số: Sử dụng phần mềm Robot Structural Analysis Professional (RSAP) và Flow Design (FD) để mô phỏng các dòng khí đặc trưng cho cường độ gió của vùng địa hình được xét tác dụng lên công trình. Ngoài ra, các tác giả còn kiểm chứng và đối chiếu áp lực gió tác dụng vào bề mặt công trình giữa mô phỏng phần mềm với thực tiễn, từ đó đưa ra cách tính hệ số khí động c và đề xuất thông qua công trình thực tế “MR&S”. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Áp lực gió tác dụng lên công trình có hình dạng đơn giản Công trình được mô hình và thực hiện quá trình mô phỏng thí nghiệm dựa trên phần mềm Robot Structural Analysis Professional với cùng kích thước tỷ lệ thực, profile vận tốc gió, vận tốc gió cơ sở, độ cao gradient địa hình v.v. Giá trị áp lực gió thu được tương đồng với kết quả tính tóa n giải tích theo TCVN 2737-1995 và EN 1991-1-4 (Hình 1). Cho thấy độ tin cậy từ phần mềm so với tính tóa n giải tích theo tiêu chuẩn quy định. Hình 1. Giá trị áp lực gió theo tiêu chuẩn và phần mềm cho công trình có hình dạng đơn giản Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học 590 Áp lực gió tác dụng lên công trình có hình dạng phức tạp Các tác giả đề xuất một công trình có hình dạng phức tạp về mặt bằng, mặt đứng và tiến hành mô phỏng số dựa trên phần mềm RSAP (hình chữ H). Giá trị hệ số áp lực gió được xử lý và đề xuất cho các công trình có hình dạng khác nhau. Công trình có dạng chữ H (cùng kích thước đón gió với công trình có hình dạng đơn giản 30x30x36m) làm ví dụ tính tóa n đặc trưng cho công trình có hình dạng phức tạp, giá trị áp lực gió được thể hiện ở Hình 2. Hình 25. Giá trị áp lực gió tính theo tiêu chuẩn và phần mềm cho công trình dạng chữ H Giá trị áp lực tính tóa n theo tiêu chuẩn cho công trình dạng chữ H được thực hiện dựa trên phương pháp hình chiếu vuông góc mặt đón gió. Kết quả phân tích cho thấy giá trị áp lực gió khi tính tóa n bằng phần mềm RSAP cho công trình có hình dạng phức tạp lớn hơn so với phương pháp tính tóa n giải tích thông thường. Những vùng góc cạnh chịu ứng suất cục bộ có áp lực lớn. Từ đây có thể thấy được khi tính tóa n giá trị áp lực gió theo phương pháp giải tích không đảm bảo được độ an toàn. Từ những đánh giá trên, các tác giả tiến hành mô phỏng một số công trình có hình dạng phức tạp khác nhau về mặt đứng và mặt bằng, mô phỏng hầm gió bằng phần mềm RSAP nhằm xác định giá trị áp lực gió cho các mặt khác nhau và đề xuất hệ số áp lực gió cho một vài công trình có hình dạng điển hình. Áp lực gió tác dụng lên công trình dự án“MR&S” kết hợp thí nghiệm ống thổi khí động Kết quả phân tích cho thấy tính tóa n theo ba tiêu chuẩn có sự sai lệch, đặc biệt khi kể đến yếu tố địa hình và sự thay đổi giá trị áp lực gió theo độ cao. Điều này cho thấy sự bất cập khi áp dụng phương pháp giải tích để tính tóa n cho các công trình có hình dạng phức tạp. Các giá trị hệ số áp lực gió thu được bằng phần mềm Flow Desgin ở Hình 6 được xác định bằng cách ghi nhận qua 10 lần đo và được xác định thông qua giá trị trung bình. Giá trị chỉ được ghi nhận khi dòng khí chạy ổn định và được thể hiện ở biểu đồ biến thiên hệ Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học 591 số áp lực gió theo thời gian qua các mặt. Kết quả thí nghiệm cho thấy hệ số áp lực gió thu được từ thí nghiệm bằng ống thổi khí động và mô phỏng số bằng phần mềm RSAP có sự sai lệch. Sự sai lệch này chủ yếu do phần mềm RSAP không mô phỏng được hình dạng địa hình trong quá trình tính tóa n gắn áp lực. Giá trị hệ số áp lực gió được tính tóa n bằng phần mềm RSAP có vùng phân bố và những điểm gây ứng suất cục bộ lên các bề mặt chính diện tương đối giống với thí nghiệm ống thổi khí động. KẾT LUẬN Sử dụng TCVN 2737-1995 để xác định tải trọng gió là thiên về hướng an toàn khi quy về trung bình trên bề mặt đón gió. Khi hình dạng công trình thay đổi, tại các vị trí dòng rối không khí bị khuếch đại cục bộ dưới các ảnh hưởng chắn khí của sự thay đổi hình dáng bất thường (hình chữ H, chữ U, chữ C,...), thì phân vùng áp lực gió tại đó lớn hơn nhiều so với giá trị trung bình. Sử dụng phần mềm Robot Structural Analysis Professional và Flow Design để mô phỏng tính tóa n cho công trình nhà cao tầng có hình dạng phức tạp cho thấy tính khả thi và hiệu quả, hệ số áp lực gió cho công trình nhà cao tầng có hình dạng phức tạp là dự báo được. Bên cạnh đó, sử dụng phần mềm số để tính tóa n tải trọng gió cho thấy một cách tổng quát ảnh hưởng của gió lên công trình thông qua biểu đồ màu và áp lực cục bộ được thể hiện, cùng với đó là sự thuận tiện trong việc lưu trữ số liệu và sử dụng lại sau này. Hạn chế của bài báo là mới xét đến công trình có độ cao dưới 40 m, chưa xét đến ảnh hưởng từ gió động và hệ số áp lực gió lên các mặt nhà công nghiệp thấp tầng, vẫn đề cần được giải quyết trong các nghiên cứu về sau. TÀI LIỆU THAM KHẢO EN 1991-1-4 (2005). Wind actions for EN 1991-Erocode 1, actions on structures. MARTIN AND CHOCK. Topographic wind speed-up and directionality factors for use in the city and county of Honolulu Building Code, USA. PETER IRVIN, ROY DENOON AND DAVID SCOTT. Wind tunnel testing of High-Rise Buildings. VŨ THÀNH TRUNG VÀ NGUYỄN QUỲNH HOA (2013). Đánh giá Profile vận tốc gió theo tiêu chuẩn của một số nước. Tạp chí Khoa học và Công nghệ Xây dựng số 2/2013.