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

Nghiên cứu thành phần động của tải trọng gió<br /> cho các công trình tháp, trụ thép<br /> Research of the dynamic component of the wind load for high-rise steel structures<br /> Đoàn Tuyết Ngọc, Vũ Lệ Quyên<br /> <br /> <br /> Tóm tắt Hiện nay, các công trình cao có chức năng đặc biệt như tháp, trụ thu phát để cung<br /> cấp truyền hình, phát thanh, truyền thông di động đóng vai trò rất quan trọng trong việc<br /> Khi tính toán tải trọng gió động cho các phát triển cơ sở hạ tầng và kinh tế xã hội. Nếu tại các khu đô thị ăng-ten có thể được<br /> công trình có chiều cao lớn chúng ta đặt trên nóc các tòa nhà cao tầng, thì ở các vùng chưa phát triển, các công trình đặc<br /> thường tính tổng tác động của gió bao biệt như tháp và cột thu phát sóng là vô cùng cần thiết.<br /> gồm cả thành phần chuẩn tĩnh và cộng<br /> Với các công trình có độ cao lớn, chiều cao lớn hơn rất nhiều so với kích thước<br /> hưởng lên công trình. Việc này dẫn đến ngang (khoảng 8-200 lần) [1], tải trọng gió đóng vai trò chủ đạo và quyết định hình<br /> tính toán kết cấu không chính xác, giảm dạng kích thước của hệ kết cấu. Tác động của gió bao gồm hai thành phần: tĩnh và<br /> hiệu quả kinh tế nhất là với những công động. Khi xác định thành phần tĩnh, đặc điểm hạn chế cản gió của cột và tháp làm<br /> trình mang tính điển hình và phổ biến giảm giá trị của tải trọng gió so với các công trình có bề mặt cản lớn có cùng chiều cao.<br /> như tháp trụ thép, cột thu phát sóng.<br /> Giá trị của thành phần động phụ thuộc vào hệ số động lực ξ, được xác định bởi độ<br /> Bài báo nêu kiến nghị hiệu chỉnh tiêu giảm loga của dao động δ [2]. Nếu với đa số các tòa nhà có δ > 0,3, thì với các công<br /> chuẩn hiện hành đối với việc xác định trình thép cao, mảnh có δ < 0.15, có nghĩa là kết cấu giảm chấn ở mức độ thấp, công<br /> các thành phần động của tải trọng gió trình dễ bị hư hại do ảnh hưởng của gió giật.<br /> với các công trình thép cao.<br /> Do tính chất hàng loạt và phổ thông của tháp và trụ thép nên cần phải tạo ra các<br /> Từ khóa: Tải trọng và tác động, công trình tháp kết cấu điển hình không tốn kém khi sản xuất và lắp dựng, nhưng đồng thời phải đảm<br /> trụ thép, tải trọng gió, thành phần chuẩn tĩnh, bảo chất lượng, độ bền, độ ổn định hay nói cách khác – có trọng lượng tối thiểu với<br /> thành phần cộng hưởng khả năng chịu lực lớn nhất. Điều kiện này được thực hiện khi tải trọng thực tế được<br /> xác định một cách chính xác, đặc biệt là thành phần động của tải trọng gió có đặc điểm<br /> ngẫu nhiên và tính phá hoại cao.<br /> Trong các nghiên cứu, thí nghiệm về ảnh hưởng của gió động cho các công trình<br /> Abstract tháp, trụ thép [3-5] cho thấy rằng thành phần động xuất hiện dưới tác dụng của gió<br /> When calculating the dynamic component of giật dọc theo hướng gió bao gồm hai thành phần: thành phần chuẩn tĩnh (quasistatic),<br /> wind load for high-rise buildings, we usually sinh ra bởi tác động của gió có tần số thấp gần với tần số tối đa của phổ năng lượng<br /> calculate the total wind impact, including khi vận tốc gió thay đổi; thành phần cộng hưởng (resonance), gây ra bởi gió giật ở tần<br /> quasistatic and resonance components. This số cao trong vùng tần số dao động của bản thân công trình (hình 1). Ở hình 1 có thể<br /> leads to inaccurate structural calculations, thấy nếu như phổ của lực khí động học thông thường tác động lên công trình chỉ có<br /> reducing economic efficiency especially 1 giá trị cực đại thì phổ phản ứng của công trình với gió giật (bao gồm chuyển vị, ứng<br /> with typical and popular constructions such suất…) có hai giá trị cực đại. Đỉnh bên trái – vùng tần số thấp hay chuẩn tĩnh gần trùng<br /> as steel towers, transmission towers. The với cực đại của phổ năng lượng gió giật, bên phải – vùng tần số cao hay cộng hưởng<br /> paper proposes a revision of the current trùng với tần số dao động riêng của công trình ω0.<br /> standard for the determination of dynamic Tỷ lệ chuyển vị của công trình gây ra bởi thành phần chuẩn tĩnh và cộng hưởng<br /> components of the wind load in high steel phụ thuộc vào chu kỳ dao động riêng được biểu diễn trên hình 2.<br /> structures. Trong các tiêu chuẩn quy định hiện nay khi tính toán tác động của gió với công<br /> Keywords: Loads and impacts, high-rise steel trình, chúng ta thường sử dụng phương pháp tính tổng tác động của gió (tác động<br /> structures, wind load, quasistatic component, chuẩn tĩnh và cộng hưởng). Giá trị tiêu chuẩn thành phần động của áp lực gió đối với<br /> resonance component công trình hoặc bộ phận kết cấu mà sơ đồ tính toán có dạng một bậc tự do có dạng [2]:<br /> Wp = Wm ⋅ ξ ⋅ ς ⋅ν<br /> , (1)<br /> Trong đó: Wm – giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của áp lực gió ở độ cao tính toán;<br /> ξ – hệ số động lực; υ – hệ số tương quan không gian áp lực động của tải trọng gió,<br /> ς – hệ số áp lực động của tải trọng, xác định theo công thức của Davenport [2]:<br /> ζ = 2α c γ t , (2)<br /> PGS.TS. Đoàn Tuyết Ngọc<br /> Khoa Xây dựng Trong đó: αc – hệ số an toàn xét đến ảnh hưởng của hình dạng kết cấu; γt – cường<br /> Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội độ rối được xác định bởi phương trình:<br /> Email: −α<br />  z <br /> TS. Vũ Lệ Quyên γ t = σ vl ⋅  <br /> Khoa Xây dựng  10  , (3)<br /> Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội<br /> Email: Trong đó: α – số mũ phụ thuộc vào sự thay đổi vận tốc gió theo chiều cao và dạng<br /> <br /> <br /> <br /> S¬ 28 - 2017 37<br />  KHOA H“C & C«NG NGHª<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Phổ năng lượng phản ứng Hình 2. Tỷ lệ chuyển vị công trình do thành phần chuẩn tĩnh và thành<br /> động học của công trình phụ thuộc phần cộng hưởng gây ra phụ thuộc vào chu kỳ dao động riêng của công<br /> vào tần số trình<br /> <br /> <br /> <br /> địa hình (A,B,C); z – độ cao tính toán; σvl – mạch xung động chuẩn tĩnh và cộng hưởng như: khi tính toán các công trình<br /> tiêu chuẩn của vận tốc gió xác định bởi công thức: theo cường độ mỏi và tuổi thọ, khi tính toán các công trình có<br /> 1/ 2 kết cấu chịu lực gắn ăng ten định hướng theo trạng thái giới<br /> ∞  hạn thứ hai, và khi tính toán dao động của giảm chấn được<br /> σ vl =  ∫ Svl (ω ) d ω  lắp đặt trên công trình [3],...<br /> 0  , (4) Trong những trường hợp này cần phải sử dụng giá trị hệ<br /> Trong đó: Svl(ω) – Mật độ phổ tương hỗ của xung dọc vận số áp lực động ζ được xác định riêng cho các thành phần<br /> tốc gió; ω – tần số (rad/s). chuẩn tĩnh ζct và cộng hưởng ζch của phổ biến động hỗn loạn<br /> Hiện tại, theo tiêu chuẩn xây dựng sử dụng công thức áp lực gió. Do vậy, đề xuất phân chia tần số khoảng từ 0 đến<br /> thực nghiệm mật độ phổ tương hỗ của xung dọc vận tốc ∞ vào thành hai vùng: chuẩn tĩnh (0 – 0,5ω0) và cộng hưởng<br /> Davenport, thu được trên cơ sở phân tích phổ khi có gió (0,5 ω0 – ∞). Lấy tích phân công thức (7) với hai vùng này,<br /> mạnh có dạng như sau [6]: ta có:<br /> 1/ 2<br />   <br /> 2k0 V02 u 2<br /> Svl (ω ) =   <br />      z  −α<br /> 4/3<br /> ω 1 + u 2  1<br /> , (5) ζ ct = 6 3k0 1 −   <br /> 2 1/3<br />     ωo L      10 <br /> Trong đó: V0 – tốc độ gió trung bình ở độ cao tiêu chuẩn   1 +    <br /> 10m; k0 - hệ số cản của bề mặt (k0 được lấy giá trị 0,005 với     V     , (8)<br /> địa hình trống trải; 0,01 với địa hình nhiều cây cối và ngoại<br /> 1/ 2<br /> ô; 0,04 với khu vực thành phố); u – đại lượng được tính bởi   <br /> công thức:   <br /> ωL   1    z  −α<br /> u= ζ ch = 6 3k0    <br /> 2 1/3<br /> V , (6)     ωo L      10 <br />   1 +    <br /> Trong đó: L = 1200 m – quy mô chiều dài vùng gió; V –<br /> tốc độ gió trung bình ở độ cao đang xét.<br />     V     , 9)<br /> Thay các công thức từ (3) – (6) vào công thức (2), hệ số Trong đó: ω0 - tần số dao động riêng của kết cấu.<br /> áp lực động của gió được xác định bởi công thức: Khi đó, các thành phần động của áp lực gió không xác<br /> 1/ 2 định theo công thức (1), mà theo biểu thức sau [4]:<br />  2 <br />  2k V 2  ω L   Wp<br /> = 2<br /> Wpct 2<br /> + Wpch<br /> ∞ 0 0   −α<br /> <br /> ζ = 2α c  ∫  V  dω   z  , (10)<br /> 4/3    Wpct = kct Wmξ ct ζ ctν ct<br />  0   ω L 2    10  , (11)<br />  ω 1 +    <br />    V    Wpch = kch Wmξ chζ chν ch<br /> (7) , (12)<br /> Biểu thức này cho tổng giá trị hệ số áp lực động ζ trên Trong công thức (11) hệ số động lực chuẩn tĩnh ξct bằng<br /> toàn bộ phổ biến động hỗn loạn của tốc độ gió. Theo đó, 1, hệ số động lực cộng hưởng ξch trong công thức (12) được<br /> xác định được tất cả ứng xử của kết cấu trong trường hợp tính theo công thức sau [5]:<br /> gió giật (chuyển vị, nội lực, ứng suất,...) trên cơ sở hệ số áp π<br /> lực động ζ - cũng là giá trị tổng hệ số áp lực động diễn ra ξ ch =<br /> trong toàn bộ dải tần số của gió. Phương pháp này thường δ C* , (13)<br /> áp dụng cho các tòa nhà. Tuy nhiên, đối với các công trình Trong đó δ là sự suy giảm dao động của kết cấu, C* là<br /> thép có độ cao lớn, cần phải xác định phản ứng động học hệ số phụ thuộc vào sự suy giảm của dao động được dẫn<br /> của công trình dưới tác dụng của gió giật theo hai giải tần số trong bảng 1 [5].<br /> <br /> <br /> <br /> 38 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG<br />  ν ch2<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Tỷ lệ thành phần hệ số chuẩn tĩnh và cộng hưởng phụ<br /> thuộc vào chu kỳ dao động riêng<br /> <br /> Bảng 1: Giá trị của hệ số C* phụ thuộc vào độ giảm loga dao<br /> động δ<br /> <br /> δ C* δ C*<br /> 0,01 9,3 0,1 8,1<br /> 0,02 9,14 0,112 7,9<br /> hω0 / Vh<br /> 0,03 9,1 0,15 7,5<br /> 0,04 8,9 0,2 7,14<br /> Hình 3. Biểu đồ xác định hệ số tương<br /> quan trong phạm vi cộng hưởng của 0,05 8,78 0,25 6,6<br /> tần số tùy thuộc vào giá trị của h/c 0,08 8,4 0,3 6,2<br /> và hω0 / Vh<br /> <br /> <br /> <br /> Hệ số tương quan υct = 1 trong (11), và υch trong (12) vị liên tục.<br /> được xác định theo biểu đồ trong hình 3 [4]. - Thiết kế và lắp đặt bộ giảm chấn phù hợp để giảm biên<br /> Trong đó h – chiều cao của công trình; c – đặc trưng kích độ dao động (giảm biên độ dao động của công trình trong dải<br /> thước tiết diện ngang; Vh – tốc độ gió trung bình ở độ cao h. tần số cộng hưởng)./.<br /> Trong hình 2 các đường cong đánh số 0,5; 1; 2; 3 đặc trưng<br /> cho tỷ lệ h/c.<br /> Công thức (11) và (12) khác với công thức (1) chỉ bởi một<br /> yếu tố: hệ số chuẩn tĩnh kct trong (11) và hệ số cộng hưởng<br /> kch trong (12). Các hệ số này đặc trưng cho tỷ lệ tham gia<br /> của mỗi thành phần (chuẩn tĩnh và cộng hưởng) trong giá trị<br /> ứng xử động học của công trình khi gió giật. Tỷ lệ tham gia<br /> này cũng được biểu thị trên hình 4, trong đó các giá trị kct và Tài liệu tham khảo<br /> kch được biểu diễn phụ thuộc vào chu kỳ dao động của công 1. Phạm Văn Hội, Nguyễn Quang Viên, Phạm Văn Tư, Đoàn<br /> trình [3]. Ngọc Tranh, Hoàng Văn Quang, Kết cấu thép (Công trình<br /> dân dụng và công nghiệp), Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ<br /> Thay các đại lượng trên vào công thức (11) và (12) ta có: thuật, Hà Nội, 232-233, 1998.<br /> W<br /> = pct kct Wm ⋅1 ⋅ ζ =<br /> ct ⋅ 1 kct Wmζ ct 2. TCXD 229-1999: Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải<br /> , (14) trọng gió.<br /> <br /> π 3. Остроумов Б. В., Исследования, разработка и внедрение<br /> Wpch = kch Wm ζ chν ch высотных сооружений с гасителями колебаний, Дис.<br /> δ C* доктора техн. наук, Москва, 317-324, 2003.<br /> 4. Остроумов Б.В., Гусев М.А., Бредов, Методика расчета<br /> 3,14<br /> = kch Wmζ ch=<br /> ν ch 3,87 ⋅ kch Wmζ chν ch высоких гибких сооружений с низким демпфированием<br /> 0,1 ⋅ 8,1 (15)<br /> на пульсационную составляющую ветровой нагрузк,<br /> Промышленное и гражданское строительство № 5,<br /> Qua các phân tích trên thấy rằng việc xác định ứng xử ЦНИИПСК им. Мельникова, 9-11, 2008.<br /> của các công trình với gió giật theo các dải tần số chuẩn tĩnh 5. Никитин П.В. Расчет высотных сооружений на<br /> và tần số cộng hưởng cho kết cấu cao và mảnh cho phép: воздействие порывов ветра. Промышленное и<br /> гражданское строительство, № 6, ЦНИИПСК им.<br /> - Tính toán chính xác hơn áp lực gió động tác dụng lên Мельникова, 21-22, 2006.<br /> công trình so với phương pháp hiện hành. 6. Davenport A. C, The Spectrum of Horizontal Gustiness Near<br /> - Có được giá trị biên độ dao động tính toán chính xác the Ground in High Winds, J. Royal Meteorol, Soc. 87, 1961.<br /> hơn, vì các công trình có giảm chấn thấp có quá trình chuyển<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> S¬ 28 - 2017 39<br />