Bài thuyết trình 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
thiết kế các cao ốc
lại tải trọng gió tăng
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
5 tầng
0.2s
0.5s
1.0s
2.0s
3.0s
5.0s
10 tầng
20 tầng
30 tầng
50 tầng
Wind design
High-rise buildings
(Moderate EQ)
Wind Design is Dominant
Tác động của gió vs Tác động của động đất
Earthquake-Resistant
Design
M(t)
u=[ug, fg,vg,uc,vc]T
Forced Vibration
Wind-Resistant
Design
M
u=[ug, fg,vg,uc,vc]T
Self-excited
Vibration
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
Tải trọng gió
(wind loading)
Along-wind
loading
Across-wind
loading
Torsion
Wind
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
tầng
Kếu cấu
mảnh
Kếu cấu đặc
biệt mảnh
Trung tầng
KC cứng
Phương
pháp đơn
giản
Tải trọng gió
vuông góc với
Dao động do
Phương pháp thiết kế chi
tiết
Tải trọng gió theo
phương gió thổi – Tải
trọng gió tác dụng lên
mái nhà – Kết cấu bao
che
xoáy khí
phương gió thổi Mất ổn định khí
Gió xoắn
động học
Thí nghiệm hầm gió
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:
UH
UH
H
0.83U*
0.83UL*cr hoặc
4 đồng thời
Tcr
fT BD
fL BD
BD
Kết cấu có mặt cắt hình tròn:
UH
H
đồng thời
4.2 trong đó UH: vận tốc gió thiết kế
7
fLDm
Dm
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= C C q A
pi
pe
H
: diện tích
A
qH
: áp lực vận tốc thiết kế (design velocity pressure)
C*pi
C*pi
: hệ số áp lực trong cực đại (internal peak pressure coefficient)
: hệ số áp lực ngoài cực đại (external peak pressure coefficient)
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)
T U
T U
p
m
C
H
C
H
L
L
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:
: chuyển vị trung bình
ˆ
x(z)
x(z) x(z) g(z)
: generalized displacement
power spectrum density
: generalized mean wind load
coefficient
Sx (n)
(z)qH BHCf
x(z)
(2n0 )2 M
Cf
M
0
: generalized mass
x (z) (z)
Sx (n)dn
(qH BHC' )2
f
Sx (n)
2 4h2 n n
2
2
n(2n0 )4 M n
0
0
Thí nghiệm xác định tải trọng gió
Có thể định nghĩa
(z)f (z;t)dz
generalized wind load
f 0
f
Cf
: mean value of
generalized wind load
f
qH BH
f
Được xác định bằng
thí nghiệm hầm gió
C'f
generalized fluctuating
load coefficient
qH BH
nSf (n)
2f
power spectrum density of
generalized wind load
S
Trong trường hợp có thể dùng rocking mode để mô tả gần đúng mode dao động:
(z) z H
(t)
Momen gây lật tại đáy kết cấu
f
H
9
Thí nghiệm xác định tải trọng gió
Mô hình
Thiết bị đo
Thiết bị đo 5 thành phần lực
(five-component high-
frequency force balance)
Nguyên lý làm việc của thiết bị đo
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)
U
U
H
p
m
H
nL
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
Model
Lumped-mass Full-elastic
Model
Model
2D 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)
UH
UH
n0 L
n0 L
p
m
Điều kiện đồng dạng về tỷ trọng (Mass Ratio)
a
a
b
b
a
: tỷ trọng của không khí
p
m
Điều kiện đồng dạng về hệ số giảm chấn (Damping Ratio)
hp hm
12
Thí nghiệm xác định môi trường gió
Mô hình địa hình
Mô hình cây giả
Thí nghiệm xác định môi trường gió
13
13 trang
31/03/2022
8920
Bạn đang xem tài liệu "Bài thuyết trình Đề tài: Thí nghiệm hầm gió trong thiết kế kháng gió cho nhà cao tầng", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_thuyet_trinh_de_tai_thi_nghiem_ham_gio_trong_thiet_ke_kh.pdf
