Tài liệu Luận văn thạc sĩ xây dựng Tính toán tải trọng gió lên nhà cao tầng theo tiêu chuẩn eurocode

1 LỜI CẢM ƠN Sau hơn hai năm theo học tại lớp Cao học chuyên ngành Xây dựng Dân dụng và Công nghiê êp – Khoa Sau Đại học – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nô êi, tôi đã được phân công làm luâ nê văn tốt nghiê êp với đề tài: “Tính Toán Tải trọng gió lên nhà Cao tầng theo Tiêu chuẩn EUROCODE” Đối với mô êt kỹ sư thiết kế, viê êc tìm hiểu vâ nê dụng tiêu chuẩn vào tính toán là mô êt viê êc rất khó khăn, đă êc biê êt là vâ ên dụng và nghiên cứu tiêu chuẩn nước ngoài. Tuy nhiên, trong suốt thời gian thực hiê ên luâ nê văn, tôi đã luôn nhâ nê được sự giúp đỡ, quan tâm và chỉ bảo tâ nê tình của các thầy (cô) giáo, các chuyên gia của Viê ên Khoa học Công nghê ê Xây dựng, các bạn bè đồng nghiê êp. Vì vâ êy tôi đã có tinh thần và kiến thức để hoàn thành tốt và đúng thời hạn luâ nê văn của mình. Có được kết quả này, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn chính PGS.TS Lê Thanh Huấn - người đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiê nê luâ nê văn, đồng thời tôi cũng xin chân thành cảm ơn Khoa Sau đại học Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng - Bộ Xây dựng cùng các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ, đóng góp nhiều ý kiến trong quá trình thực hiện luận văn này. Do năng lực và thời gian nghiên cứu có hạn nên luận văn không thể tránh khỏi sai sót, tác giả mong muốn nhận được sự góp ý, chỉ bảo của thầy cô và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn. Hà Nô êi, ngày 10 tháng 03 năm 2011 Tác giả luâ nê văn Nguyễn Mạnh Cường 2 CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Đô ôc lâ ôp – Tự do – Hạnh Phúc LỜI CAM ĐOAN Kính gửi: Khoa sau đại học Trường Đại học Kiến trúc Hà Nô ôi. Tên tôi là: Nguyễn Mạnh Cường, là học viên lớp cao học chuyên ngành Xây dựng Dân dụng và Công nghiê êp khóa 2008-2011 của Khoa Sau Đại học trường Đại học Kiến trúc Hà Nô êi. Tôi được Khoa sau đại học – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nô êi cho phép làm luâ ên văn tốt nghiê êp dưới sự hướng dẫn chính của PGS.TS. Lê thanh Huấn với đề tài: "Tính toán tải trọng gió lên nhà cao tầng theo tiêu chuẩn EUROCODE" Tôi xin cam đoan toàn bộ nội trong trong luâ nê này là do tôi làm và hoàn toàn không có sự sao chép. Nếu sai tôi xin chịu sự xử lý theo qui chế đào tạo của nhà trường. Hà Nô êi, ngày 10 tháng 02 năm 2011 Người viết cam đoan Nguyễn Mạnh Cường 3 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU...............................................................................................................1 * Đặt vấn đề...................................................................................................1 * Mục đích nghiên cứu...................................................................................2 * Đối tượng nghiên cứu.................................................................................2 * Nội dung nghiên cứu...................................................................................2 CHƯƠNG 1: GIÓ, TẢI TRỌNG GIÓ, MỘT SỐ TIÊU CHUẨN VỀ TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ......................................................................................4 1.1. Tổng quan về gió.........................................................................................4 1.1.1. Khái niệm, nguyên nhân hình thành, phân loại...........................................4 1.1.2. Tính chất, đặc điểm của gió........................................................................7 1.2. Tác động của gió vào công trình và các biện pháp giảm thiểu..................8 1.2.1. Tác động của gió vào công trình.................................................................8 1.2.2. Các biện pháp giảm thiểu tác động của gió vào công trình........................9 1.3. Một số hệ thống tiêu chuẩn về tính toán tải trọng do gió..........................13 1.3.1. Tiêu chuẩn Việt Nam.................................................................................13 1.3.2. Tiêu chuẩn Trung Quốc.............................................................................17 1.3.3. Tiêu chuẩn Anh.........................................................................................18 1.4. Tiêu chuẩn EUROCODE..........................................................................20 1.4.1. Tổng quan về tiêu chuẩn EUROCODE....................................................20 1.4.2. Tóm lược EN 1991-1-4.............................................................................21 1.4.3. Các đề tài đã nghiên cứu ứng dụng tiêu chuẩn vào Việt Nam..................22 CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG DO GIÓ VÀO NHÀ CAO TẦNG THEO TIÊU CHUẨN EUROCODE..................................................................23 2.1. Các tính huống thiết kế đặc biệt................................................................23 2.2. Mô hình hoá các tác động của gió.............................................................23 2.2.1. Tính chất của gió.......................................................................................23 2.2.2. Đặc trưng tác động của gió.......................................................................23 2.2.3. Giá trị đặc trưng........................................................................................23 2.2.4. Các mô hình..............................................................................................24 2.3. Vận tốc và áp lực gió................................................................................24 4 2.3.1. Cơ sở tính toán..........................................................................................24 2.3.2. Giá trị vận tốc gió cơ bản..........................................................................24 2.3.3. Vận tốc gió hiệu dụng theo độ cao............................................................26 2.3.4. Hệ số thay đổi vận tốc gió theo độ cao và dạng địa hình..........................27 2.3.5. Hệ số áp lực theo độ cao...........................................................................31 2.4. Tác động của gió.......................................................................................33 2.4.1. Áp lực gió lên bề mặt công trình...............................................................33 2.4.2. Tải trọng gió..............................................................................................34 2.5. Các hệ số kết cấu: CsCd.............................................................................35 2.5.1. Khái niệm chung.......................................................................................35 2.5.2. Một số trường hợp xác định nhanh CsCd...................................................35 2.5.3. Trình tự tính toán.......................................................................................40 2.5.4. Hệ số B2, R2, kp..........................................................................................41 2.6. Áp lực và hệ số khí động...........................................................................43 2.6.1. Lựa chọn các hệ số khí động học..............................................................43 2.6.2. Hệ số khí động cho các công trình............................................................43 2.6.3. Lực ma sát.................................................................................................55 2.6.4. Tính toán các bộ phận kết cấu hình chữ nhật............................................56 2.6.5. Tính toán các bộ phận kết cấu hình lăng trụ.............................................58 2.6.6. Tính toán các bộ phận kết cấu hình trụ.....................................................59 2.6.7. Xác định giá trị λ.....................................................................................62 CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG DO GIÓ THEO TIÊU CHUẨN EUROCODE VÀ THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM........................65 3.1. Giới thiệu công trình tính toán..................................................................65 3.2. Tính toán tải trọng gió tác dụng vào công trình theo tiêu chuẩn EUROCODE.......................................................................................................67 3.3. Tính toán tải trọng do gió tác dụng vào công trình theo tiêu chuẩn Việt Nam ...................................................................................................................68 3.4. So sánh kết quả tính toán..........................................................................68 3.4.1. So sánh tải trọng gió tác dụng vào công trình...........................................68 3.4.2. So sánh chuyển vị ngang của công trình do tác động của gió..................68 3.5. Nhận xét đánh giá.....................................................................................68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.............................................................................68  Kết luận.....................................................................................................68  Kiến nghị...................................................................................................68 TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................68 5 PHỤ LỤC A: PHÂN VÙNG ÁP LỰC GIÓ TRÊN LÃNH THỔ VIỆT NAM THEO ĐỊA DANH..............................................................................................68 6 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Số bão và áp thấp nhiệt đới trung bình trên biển Đông trong thời kỳ 1928 đến 1944 và 1947 đến 1980..........................................................................6 Bảng 1.2: Áp lực gió theo bản đồ phân vùng áp lực gió lãnh thổ Việt Nam......14 Bảng 2.1: Giá trị vận tốc gió tính trung bình trong 3 giây với chu kỳ lặp 20 năm theo bản đồ phân vùng áp lực gió trên lãnh thổ Việt Nam..................................25 Bảng 2.2: Giá trị vận tốc gió cơ bản vb tương ứng với các vùng áp lực gió.......26 trên lãnh thổ Việt Nam........................................................................................26 Bảng 2.3: Loại địa hình và các thông số địa hình..............................................28 Bảng 2.4: Giá trị Cr(z) theo chiều cao và các dạng địa hình...............................30 Bảng 2.5: Giá trị Ce(z) theo chiều cao và các dạng địa hình...............................31 Bảng 2.6: Áp lực gió tiêu chuẩn (q p) theo các vùng áp lực gió trên lãnh thổ Việt Nam ...................................................................................................................32 Bảng 2.7: Hệ số áp lực ngoài dọc các bức tường công trình hình chữ nhật........45 Bảng 2.8: Hệ số áp lực bên ngoài cho mái phẳng...............................................48 Bảng 2.9: Hệ số áp lực bên ngoài cho mái dốc một chiều..................................50 Bảng 2.10: Hệ số áp lực bên ngoài cho mái dốc 2 phía......................................52 Bảng 2.11: Hệ số áp lực bên ngoài cho mái dốc nhiều phía................................53 Bảng 2.12: Hệ số ma sát cho các loại cấu kiện...................................................55 Bảng 2.13: Hệ số lực cho các loại lăng trụ..........................................................58 Bảng 2.14: Hệ số độ nhám tương ứng với các bề mặt........................................60 Bảng 2.15: Giá trị độ mảnh với các công trình có mặt bằng hình trụ, đa giác, hình tròn, cấu trúc mạng tinh thể.........................................................................62 7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Lợi dụng địa hình để giảm bớt tác hại gió, làm thay đổi tốc độ và hướng gió.............................................................................................................10 Hình 1.2: Trồng cây và rào giậu để giảm bớt tốc độ gió.....................................10 Hình 1.3: Hình dáng công trình đơn giản để bớt cản gió....................................11 Hình 1.4: Mái nghiêng 30o – 45o để giảm bớt tốc mái do áp lực âm...................11 Hình 1.5: Mái hiên rời giảm sự chìa ra của mái..................................................11 Hình 1.6: Kích thước các lỗ cửa ở các tường đối diện xấp xỉ bằng nhau...........12 Hình 1.7: Đảm bảo cánh cửa đóng vừa lỗ cửa....................................................12 Hình 1.8: Bản đồ phân vùng áp lực gió lãnh thổ Việt Nam................................14 Hình 2.1: Đồ thị chuyển vâ ên tốc trung bình trong các khoảng thời gian............26 Hình 2.2: Minh họa các dạng địa hình................................................................28 Hình 2.3: Đánh giá phạm vi ảnh hưởng của địa hình..........................................30 Hình 2.4: Giá trị của Ce(z) theo chiều cao và dạng địa hình...............................32 Hình 2.5: Áp lực trên bề mặt...............................................................................33 Hình 2.5a: CsCd cho kết cấu nhà thép nhiều tầng có mặt bằng hình chữ nhật với các bức tường thẳng đứng bao ngoài, độ cứng và khối lượng phân bố đều, tần số xác định theo công thức (2.22)............................................................................36 Hình 2.5b: CsCd cho kết cấu nhà bê tông cốt thép nhiều tầng có mặt bằng hình chữ nhật với các bức tường thẳng đứng bao ngoài, độ cứng và khối lượng phân bố đều, tần số xác định theo công thức (2.22).....................................................36 Hình 2.5c: CsCd cho kết cấu dạng trụ tròn bằng thép không có lớp đệm (tần số dao động riêng xác định theo công thức (2.23)) với 1=1000 và Ws/Wt=1.0.....37 Hình 2.5d: CsCd cho kết cấu dạng trụ tròn bằng bê tông cốt thép không có lớp đệm (tần số dao động riêng xác định theo công thức (2.23)) với  1=700 và Ws/Wt=1.0............................................................................................................37 Hình 2.5e: CsCd cho kết cấu dạng trụ tròn bằng thép có lớp đệm (tần số dao động riêng xác định theo công thức (2.23)) với 1=1000 và Ws/Wt=1.0......................38 Hình 2.6: Các thông số hình học của kết cấu dạng trụ tròn................................39 Hình 2.7: Các hình dạng cấu trúc thuộc phạm vi áp dụng công thức (2.24).......41 Hình 2.8: Đồ thị xác định giá trị áp lực gió ngoài, C pe, cho công trình với diện tích chịu tải nằm trong khoảng từ 1m2 đến 10m2................................................44 Hình 2.9: Chiều cao tham chiếu theo h , b và đường profile của áp lực gió......45 Hình 2.10: Sơ đồ Phân khu cho nhà hình chữ nhật.............................................46 Hình 2.11: Sơ đồ Phân khu cho mái phẳng.........................................................47 Hình 2.12: Sơ đồ Phân khu cho mái dốc một chiều............................................49 Hình 2.13: Sơ đồ Phân khu cho mái dốc 2 phía..................................................51 Hình 2.14: Sơ đồ Phân khu cho mái dốc 4 phía..................................................53 8 Hình 2.15: Hệ số áp lực bên ngoài cho mái vòm với mặt bằng hình chữ nhật...54 Hình 2.16: Hệ số áp lực bên ngoài cho chỏm cầu với mặt bằng hình tròn.........55 Hình 2.17: Diện tích tham chiếu chịu ma sát do gió...........................................56 Hình 2.18: Hệ số lực, Cf,0, với các cấu kiện mặt cắt hình chữ nhất sắc nét.........57 Hình 2.19: Hệ số r cho mặt cắt hình vuông có vo tròn góc...............................57 Hình 2.20: Mặt cắt tiết diện đa giác....................................................................58 Hình 2.21: Biểu đồ phân phối áp lực trên các vị trí trụ tròn...............................60 Hình 2.22: Biểu đồ hệ số lực cho kết cấu dạng trụ.............................................61 Hình 2.23: Biểu đồ nội suy giá trị  λ..................................................................63 Hình 2.24: Mô tả định nghĩa hệ số độ kín bề mặt...............................................63 Hình 2.25: Sơ đồ khối quy trình tính toán tải trọng gió lên công trình...............64 9 10 1 MỞ ĐẦU * Đặt vấn đề Với sự tiến bộ không ngừng của khoa học công nghệ, các công trình xây dựng trên Thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đang phát triển với cấp tiến về chiều cao cũng như độ phức tạp. Khi chiều cao của công trình càng tăng thì mức độ phức tạp khi tính toán thiết kế cũng gia tăng theo. Đặc biệt là việc xác định phản ứng của công trình trước các yếu tố tác động của điều kiện bên ngoài như tải trọng do gió, động đất, tải trọng nổ,… Để giải quyết điều này việc tiến hành nghiên cứu, cập nhật và biên soạn hệ thống các tiêu chuẩn thiết kế mới là vấn đề cấp thiết. Ở Việt Nam hiện nay, hệ thống các tiêu chuẩn về thiết kế kết cấu công trình xây dựng nói chung được hình thành qua nhiều năm, chủ yếu dựa trên sự chuyển dịch từ các tiêu chuẩn của Nga (Liên Xô cũ), Anh, Mỹ, ISO, Trung Quốc, Úc… Khi thiết kế một công trình, các tiêu chuẩn đưa vào sử dụng đòi hỏi sự liên quan chặt chẽ với nhau về tải trọng, vật liệu khi đưa vào trong tính toán nghĩa là hệ thống tiêu chuẩn phải có tính đồng bộ cao. Việc song song tồn tại nhiều loại tiêu chuẩn theo các nước khác nhau đang phá vỡ tính đồng bộ đó. Để xây dựng đồng bộ hệ thống tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam theo hướng đổi mới và hội nhập, Bộ Xây dựng đang có chủ trương sẽ đổi mới thay thế dần các tiêu chuẩn trong hệ thống tiêu chuẩn cũ. Theo phương hướng đó, trong thời gian gần đây Bộ đã cho ban hành tiêu chuẩn TCXDVN 356:2005 “Kết cấu bêtông và bêtông cốt thép” (theo tiêu chuẩn SNIP 2.03.01-84*) và tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 “Thiết kế công trình chịu động đất” (theo tiêu chuẩn Châu âu EN 1998). Việc ban hành các tiêu chuẩn mới, mặc dù theo chủ trương thay thế dần dần hệ thống tiêu chuẩn cũ nhưng việc tồn tại đồng thời các tiêu chuẩn theo các hệ thống tiêu chuẩn thuộc các nước khác nhau đã gây ra những khó khăn nhất định trọng việc sử dụng, áp dụng trong thực tế. Đặc biệt là đối với tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006. Tiêu chuẩn này được biên soạn dựa trên cơ sở chấp nhận EN 1998 có bổ sung thay thế các phần mang tính đặc thù của Việt Nam. Tuy nhiên, nội dung của tiêu chuẩn là xây dựng các qui định, hướng dẫn bổ sung cho việc thiết kế các công trình trong vùng chịu động đất. Việc tính toán thiết kế các công trình vẫn phải tuân thủ các tiêu chuẩn thiết kế trong hệ thống tiêu chuẩn của Châu Âu (EN) như: EN 1991-1; EN 1992-1-1; EN 1993-1-1; EN 1994-11… 2 Do đó, khi thiết kế kết cấu nhà cao tầng có kể đến tải trọng động đất theo tiêu chuẩn TCXDN 375:2006, tải trọng do gió tác động vào công trình cũng nên tính toán theo tiêu chuẩn tương ứng là EN 1991-1-4. Các tiêu chuẩn nằm trong hệ thống tiêu chuẩn chung Châu Âu EN được xây dựng trên nguyên tắc đó là đưa ra các giả thiết, những chỉ dẫn tính toán chung kèm theo các qui định kỹ thuật rất chặt chẽ, rõ ràng. Trên cơ sở đó mỗi nước phải có những nghiên cứu phù hợp với những điều kiện thực tế riêng của mình như tiêu chuẩn BS EN 1991-1-4:2005 của Anh, tiêu chuẩn NF EN 1991-14:2005 của Pháp… Vì vậy, để áp dụng EN 1991-1-4:2004 vào Việt Nam cũng phải dựa trên nguyên tắc đó và cần có sự nghiên cứu đưa ra chỉ dẫn tính toán để các kỹ sư có thể sử dụng mà không bị bỡ ngỡ. Việc nghiên cứu EN 1991-1-4:2004 và đưa ra chỉ dẫn tính toán chi tiết là rất cần thiết. Nhưng đây là một vấn đề phức tạp, để hiểu và vận dụng cho đúng là rất khó không chỉ đối với các kỹ sư thiết kế mà còn đối với cả các nhà khoa học nên cần có thời gian đầu tư nghiên cứu. Vì vậy, tác giả chọn đề tài luận văn: “Tính toán tải trọng gió lên nhà cao tầng theo tiêu chuẩn EUROCODE” làm nội dung nghiên cứu. Hướng nghiên cứu này nhằm làm sáng tỏ về vấn đề vận dụng tiêu chuẩn EUROCODE để tính toán tải trọng gió vào công trình mà điển hình là nhà cao tầng với các điều kiện tự nhiên đặc thù của Việt Nam. * Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu EN 1991-1-4:2004 để đưa ra quy trình tính toán tải trọng gió tác dụng lên kết cấu nhà cao tầng theo phương gió thổi. Nghiên cứu các công thức chuyển đổi và điều chỉnh cần thiết khác khi áp dụng tiêu chuẩn vào tính toán công trình tại Việt Nam. Đánh giá, nhận xét kết quả tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình tính theo tiêu chuẩn EUROCODE và tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành (TCVN 2727:1995) thông qua một ví dụ cụ thể. * Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là: Tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng theo phương gió thổi tính toán theo quan điểm của tiêu chuẩn EUROCODE * Nội dung nghiên cứu Tìm hiểu các khái niệm về gió bão, nguyên nhân hình thành gió và các số liệu thống kê về gió bão ở Việt Nam. 3 Tìm hiểu một số giải pháp làm giảm thiểu tác hại của gió bão Tìm hiểu tiêu chuẩn về tính toán tải trọng gió tác dụng vào công trình của một số nước trên thế giới. Tìm hiểu tiêu chuẩn EN 1991-1-4 và đưa ra quy trình toán toán tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng xây dựng ở Việt Nam theo quan điểm của tiêu chuẩn EUROCODE với các bổ sung thay thế phù hợp với điều kiện khí hậu đặc thù của Việt Nam. Ví dụ thực tế áp dụng tính toán tải trọng gió lên công trình nhà cao tầng tính theo tiêu chuẩn EUROCODE và theo tiêu chuẩn Việt Nam để có cái nhìn tổng quát. 4 CHƯƠNG 1: GIÓ, TẢI TRỌNG GIÓ, MỘT SỐ TIÊU CHUẨN VỀ TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ 1.1. Tổng quan về gió [4,6,7] 1.1.1. Khái niệm, nguyên nhân hình thành, phân loại Gió là một hiện tượng trong tự nhiên hình thành do sự chuyển động của không khí. Nguyên nhân hình thành gió là do bề mặt trái đất tiếp nhận sự chiếu sáng, đốt nóng của mặt trời không đều, sẽ có nhiệt độ không đều. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa các vị trí gây nên sự chênh lệch về khí áp, ở nơi có nhiệt độ gia tăng, không khí nóng lên (hạ áp) và bị không khí lạnh (áp suất lớn) ở xung quanh dồn vào, đẩy lên cao, tạo thành dòng thăng. Dòng thăng này làm hạ khí áp tại nơi đó, không khí lạnh ở vùng xung quanh di chuyển theo chiều nằm ngang đến thay thế cho lượng không khí đã bị bay lên vì nóng, tạo thành gió ngang. Quy luật tự nhiên là không khí thường xuyên chuyển động theo cả chiều nằm ngang và thẳng đứng. Không khí di chuyển theo chiều nằm ngang càng mạnh thì gió thổi càng lớn. Bão là một xoáy khí có đường kính lớn (tới vài trăm km). Nguyên nhân hình thành bão là do trên các đại dương nhiệt đới, ở vùng gần xích đạo, mặt biển bị đốt nóng (trên 170), nước bốc hơi mạnh và tạo thành vùng khí áp rất thấp, không khí lạnh hơn ở xung quanh lùa tới, bị đốt nóng và bay lên. Quá trình này tiếp diễn liên tục, hơi nước bốc lên cao, gặp lạnh và ngưng tụ lại, nhiệt lượng toả ra do ngưng hơi rất lớn, lại làm cho hơi nước bốc lên mạnh hơn. Đó là tiềm năng nuôi dưỡng và phát triển bão. Khối khí lạnh từ bán cầu tràn về phía xích đạo, trái đất lại đang quay quanh trục của nó. Điều này làm cho dòng khí xoáy mãnh liệt hơn, và cơn bão được hình thành. Trong quá trình phát triển chu kì của mỗi cơn bão được phân chia thành các giai đoạn như sau: - - - - Nhiễu động nhiệt đới: giai đoạn hình thành, khi khí hậu không ổn định và nhiễu loạn Xoáy tụ nhiệt đới: bắt đầu một chuyển động khép kín qua các đại dương (ngược chiều kim đồng hồ ở Bắc bán cầu và cùng chiều kim đồng hồ ở Nam bán cầu). Năng lượng của nó được thu từ hơi nước biển ấm có nhiệt độ cao hơn 170C Áp thấp nhiệt đới: là xoáy tụ nhiệt đới mạnh và rộng hơn, với vận tốc gió trung bình đến 17m/s Bão nhiệt đới: là áp thấp nhiệt đới mạnh và rộng hơn, với vận tốc gió 5 trung bình đến 33m/s - - Bão lớn (cuồng phong): là bão nhiệt đới rất mạnh, với vận tốc gió trung bình lớn hơn 33m/s, trong đó có những cơn gió mạnh vận tốc còn lớn hơn nhiều Giai đoạn bão tan: khi vận tốc gió giảm, đồng thời với việc gia tăng áp lực khí quyển Lốc là một hiện tượng khí tượng đặc biệt. Một vùng khí quyển hẹp có áp suất đột ngột giảm, nảy sinh sự đối lưu của các dòng khí ở các vùng xung quanh, tạo nên dòng xoáy có đường kính từ vài chục mét đến vài km, di chuyển ngang trong khoảng vài chục ki-lô-mét. Sức gió ở vùng xa tâm thì nhỏ nhưng càng vào trong xoáy càng mạnh lên, ở giữa thì hình thành một cái lõi (vòi rồng). Lốc thường xuất hiện bất ngờ, có thể ở bất kỳ nơi nào (đồng bằng, trung du, miền núi) chứ không nhất thiết là ở biển như bão, nhưng vận tốc gió thì rất mạnh và đột ngột lên tới 70 đến 80m/s (252 đến 288km/h). Với sức mạnh như vậy, lốc như một vòi rồng hút theo mọi thứ mà nó gặp trên đường đi: đất, nước, vật liệu, xe cộ, người, mọi đồ vật… Trừ các công trình được xây dựng đặc biệt, nói chung các công trình xây dựng thông thường không chịu được lốc. Bão và lốc khác nhau ở điều kiện hình thành, sức mạnh và đặc tính tác dụng nhưng bản chất của gió bão và gió lốc thì giống nhau: đều là gió mạnh và có đầy đủ các đặc tính tác dụng của gió. Do vậy tác dụng của gió bão và gió lốc lên công trình là như nhau nên trong thực tế người ta thường gọi chung đó là tác dụng của gió. Gió đặc trưng bởi hướng và vận tốc. Chiều di chuyển của dòng khí tạo thành hướng gió: gọi theo tên nơi xuất phát có 16 hướng gió tương ứng với 16 phương vị địa lý. Vận tốc gió là vận tốc di chuyển của dòng khí qua một điểm nhất định. Có thể biểu thị vận tốc gió theo các đơn vị khác nhau như ngành hàng hải và hàng không tính bằng hải lý/giờ. Khi dùng đơn vị SI vận tốc gió tính bằng đơn vị m/s hoặc km/h. Trên địa cầu có ba loại gió chính là: gió Tín Phong, gió Tây Ôn Đới, gió Đông Cực. Gió Tín Phong thổi từ đai cao áp 30 độ B-N đến đai áp thấp 0 độ (xích đạo), gió Tây ôn Đới thổi từ đai cao áp 60 độ B-N về 90 độ B-N, còn gió Đông Cực thổi từ đai cao áp 90 độ B-N đến Vòng Cực B-N. Do sự vận động tự quay của trái đất, gió Tín Phong và gió Tây Ôn Đới 6 không thổi thẳng theo hướng kinh tuyến mà hơi lệch về phía tay phải ở nửa cầu Bắc và về phía tay trái ở nửa cầu Nam (nếu nhìn xuôi theo chiều gió thổi) theo Lực Coriolis. Tín Phong và gió Tây Ôn Đới tạo thành hai hoàn lưu khí quyển quan trọng nhất trên bề mặt Trái Đất. Gió có nhiều cường độ khác nhau, từ mạnh đến yếu. Nó có thể có vận tốc từ trên 1km/h cho đến gió trong tâm các cơn bão có vận tốc khoảng 300km/h. Việt Nam nằm trong khu vực Đông Nam Á. trải dài trên 15 vĩ tuyến của vành đai nhiệt đới bán cầu Bắc. Bờ biển Việt Nam tiếp cận biển Đông, một bộ phận của ổ bão Tây Bắc Thái Bình Dương. Khi mới về bão và áp thấp nhiệt đới ảnh hưởng đến Việt Nam, trước hết phải nói đến những hoạt động của chúng trên biển Đông.  Tần số bão trên biển Đông Trung bình mỗi năm có 12 cơn bão và Áp thấp nhiệt đới hoạt động trên biển Đông, năm nhiều nhất có tới 18 cơn bão (1961, 1964, 1973, 1974), năm ít nhất cũng có 4 cơn bão (1969). Bão và áp thấp nhiệt đới hoạt động trên biển Đông bao gồm những cơn hình thành tại chỗ và những cơn di chuyển từ Thái Bình Dương vào. Trung bình trong 100 cơn bão hoạt động trên biển Đông có khoảng 45 cơn bão sinh ra tại đây và 55 cơn bão từ Thái Bình Dương di chuyển vào. Bảng 1.1: Số bão và áp thấp nhiệt đới trung bình trên biển Đông trong thời kỳ 1928 đến 1944 và 1947 đến 1980 (Nguồn bảng 2 chương II [6]) Tháng Áp thấp Bão Tổng số 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 2 0 1 2 2 16 18 38 21 11 9 3 Trung bình 0.04 Tổng số 3 0.02 0.04 0.04 0.31 0.35 0.74 0.42 0.22 0.18 1 2 6 27 23 76 71 103 80 65 0.06 31 Trung bình 0.06 0.02 0.04 0.12 0.53 0.45 1.48 1.39 2.01 1.56 1.27 0.60 Bão Tổng số và áp thấp Trung bình 5 0.1 1 3 8 29 39 94 109 124 91 74 0.02 0.06 0.16 0.57 0.76 1.83 2.13 2.43 1.78 1.45 34 0.66 Bão và áp thấp nhiệt đới hoạt động trên biển Đông nhiều nhất vào tháng 8 và tháng 9; ít nhất vào tháng 2, tháng 3. Song không có tháng nào là không có bão. Nếu quy định mùa bão gồm những tháng có số bão trung bình đạt từ 8% 7 số bão trung bình hàng năm trở lên thì mùa bão ở biển Đông diễn ra từ tháng 7 đến tháng 11, nghĩa là muộn hơn mùa bão Tây Bắc Thái Bình Dương.  Hướng di chuyển và dạng đường đi trung bình của bão trên biển Đông Hướng di chuyển trung bình của bão trên biển Đông tương đối đơn giản: ở nửa phía Nam biển Đông, bão di chuyển chủ yếu theo hướng Tây, đổ bộ vào khu vực Trung Trung Bộ hoặc Nam Trung Bộ; trong khi ở nửa phía Bắc, bão di chuyển chủ yếu theo hướng Tây Tây - Bắc đến Tây – Bắc đổ bộ vào bờ biển Bắc Trung Bộ, bờ biển Bắc Bộ hoặc bờ biển phía Đông Nam lục địa Trung Quốc. Một chi tiết đáng quan tâm là hướng bão trung bình ở khu vực phía Nam đảo Hải Nam hơi lệch trái so với các điểm xung quanh.  Mật độ bão và mùa bão ở Việt Nam Mật độ bão ở mỗi khu vực là tổng mật độ bão và áp thấp nhiệt đới của các tỉnh, trong đó mật độ bão của mỗi tỉnh là tỷ số giữa số cơn bão và áp thấp nhiệt đới trung bình năm với chiều dài bờ biển tính bằng kinh tuyến. Việt Nam được phân làm 4 khu vực: - - - - Khu vực 1: từ Quảng Ninh đến Thanh Hóa có trị số mật độ bão và áp thấp nhiệt đới trung bình là 0.97, trong đó Hải Phòng có mật độ rất cao (1.70), ngược lại Thái Bình có mật độ rất thấp (0.30) Khu vực 2: từ Nghệ An đến Quảng Bình có mật độ bão và áp thấp nhiệt đới trung bình là 0.57, chỉ kém khu vực 1 trong đó Hà Tĩnh thấp nhất (0.40), Quảng Bình cao nhất (0.72) Khu vực 3: từ Quảng Trị đến Ninh Thuận có mật độ bão và áp thấp nhiệt đới trung bình là 0.40, thấp hơn các khu vực phía Bắc, trong đó Khánh Hòa thấp nhất (0.30), Ninh Thuận cao nhất (0.67) Khu vực 4: từ Bình Thuận vào Nam Bộ có mật độ bão và áp thấp nhiệt đới trung bình là 0.07, thấp nhất trong cả nước Mùa bão ở Việt Nam là từ tháng 6 đến tháng 11. Khu vực 1 có mùa bão từ tháng 6 đến tháng 9, bão nhiều nhất là trong tháng 8. Khu vực 2 có mùa bão từ tháng 7 đến tháng 10, bão nhiều nhất là trong tháng 10. Khu vực 3 có mùa bão diễn ra phức tạp: từ tháng 3 đến tháng 6 có bão lác đác, sang tháng 7, tháng 8 ít hẳn đi và đến tháng 10, tháng 11 bão nhiều lên và kéo dài cho đến tháng 12. Khu vực 4, bão và áp thấp nhiệt đới chủ yếu xảy ra trong hai tháng 10 và 11. 1.1.2. Tính chất, đặc điểm của gió 8 Gió được hình thành là do sự khác biệt về nhiệt độ của khí quyển, do sự tự quay của Trái Đất, và do sự nóng lên không đồng đều của các lục địa và đại dương. Gió có thể di chuyển rất nhẹ nhàng ở mức khó có thể cảm nhận được hoặc nó có thể thổi quá mạnh và nhanh chóng. Tốc độ đi và phạm vi ảnh hưởng của gió là không đồng nhất giữa các khu vực, nó phụ thuộc vào vị trí địa lý và điều kiện địa hình. Gió có một đặc điểm rất quan trọng là ảnh hưởng đến các vật xung quanh: - - Gió tác động đến sự vận động của biển như: hiện tượng tạo sóng (sóng là một trong sự vận động của biển) Một số loài cây cũng phát tán quả và hạt nhờ gió như: hoa bồ công anh, hạt trâm bầu... Gió thường có lợi cho con người. Nó có thể làm quay các cánh quạt của các cối xay gió giúp chúng ta tạo ra nguồn điện, đẩy thuyền buồm, thả diều… Nó là một trong những nguồn năng lượng sạch. Nhưng đôi khi gió lại có hại cho đời sống của con người. Đó là trong các cơn bão, gió có vận tốc cao dễ làm ngã đổ cây cối, cột đèn, làm tốc mái nhà… gây thiệt hại nghiêm trọng đối với cơ sở vật chất, sức khỏe và tính mạng của con người. Thời điểm xuất hiện và tốc độ gió là không tuân theo quy luật, gió có thể xuất hiện tại một thời điểm và hướng bất kỳ với tốc độ mạnh yếu khác nhau. 1.2. Tác động của gió vào công trình và các biện pháp giảm thiểu 1.2.1. Tác động của gió vào công trình [4,5] Gió thổi gây áp lực lên mọi vật cản trên đường đi của nó, gọi là áp lực gió. Áp lực này tỷ lệ với bình phương vận tốc gió. Theo thời gian, vận tốc gió luôn luôn thay đổi gây nên sự mạch động của gió. Vì thế gió bão gây áp lực lớn lên công trình, rất nguy hiểm và có sức phá hoại rất lớn. Khi gió thổi vượt qua một công trình thì tất cả các vùng của công trình đó đều chịu một áp lực nhất định. Phía đón gió xuất hiện áp lực trội đập trực tiếp vào mặt đón; ở phía sau công trình, phía khuất gió và ở bên hông (mặt bên) công trình xuất hiện áp lực âm do gió hút. Trạng thái biến đổi của dòng thổi qua công trình phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ các kích thước của các mặt để tạo thành hình khối, vào thể loại và trạng thái 9 bề mặt công trình. Trạng thái dòng thổi còn phụ thuộc vị trí tương đối của công trình so với các công trình lân cận và cảnh quan khu vực (bờ cao, sườn dốc, núi đồi, thung lũng…). Trạng thái này ảnh hưởng đến góc tới của dòng thổi, làm thay đổi cả định tính, định lượng của áp lực gió lên công trình. Dưới tác dụng của tải trọng gió, các công trình cao, mềm, độ thanh mảnh lớn sẽ có dao động. Tuỳ theo phân bố độ cứng của công trình mà dao động này có thể theo phương bất kỳ trong không gian. Thông thường chúng được phân tích thành hai phương chính: phương dọc và phương ngang luồng gió, trong đó dao động theo phương dọc luồng gió là chủ yếu. Với các công trình thấp, dao động này là không đáng kể; nhưng với các công trình cao khi dao động sẽ phát sinh lực quán tính làm tăng thêm tác dụng của tải trọng gió. Tác dụng của gió lên công trình bị chi phối chủ yếu bởi vận tốc và hướng thổi của nó. Vì vậy mọi tham số làm biến đổi hai yếu tố này sẽ làm ảnh hưởng đến trị số và hướng của tác dụng. Các thông số này có thể chia làm 3 nhóm chính sau đây: - - - Nhóm các thông số đặc trưng cho tính ngẫu nhiên của tải trọng: vận tốc, độ cao, xung áp lực động Nhóm các thông số đặc trưng cho địa hình: Độ nhám môi trường mà gió đi qua, loại địa hình, mức độ che chắn Nhóm thông số đặc trưng của bản thân công trình: hình khối công trình và hình dạng bề mặt đón gió; các yếu tố ảnh hưởng của dao dộng riêng (chu kỳ, tần số, giá trị, khối lượng và cách phân bố khối lượng, dạng và độ tắt dần của dao động) 1.2.2. Các biện pháp giảm thiểu tác động của gió vào công trình [5] Các giải pháp kỹ thuật nhằm phòng ngừa và giảm nhẹ các thiệt hại do tác động của gió bão và lốc xoáy gây ra cho công trình xây dựng trong các vùng bị ảnh hưởng của thiên tai. Các giải pháp kỹ thuật cho nhà bao gồm các mặt từ quy hoạch, kiến trúc, kết cấu, vật liệu đến thi công.  Các giải pháp quy hoạch - Khi chọn địa điểm xây dựng, nên chú ý lợi dụng địa hình, địa vật để chắn gió bão cho công trình. Làm nhà tập trung thành từng khu vực, bố trí các nhà nằm so-le với nhau để giảm thiểu ảnh huởng của gió 10 bão. Trồng cây thành rào lũy, xây tường chắn để làm đổi hướng hoặc cản bớt tác dụng của gió. - Cần tránh làm nhà tại các nơi trống trải, giữa cánh đồng, ven làng, ven sông, ven biển, trên đồi cao hoặc giữa 2 sườn đồi, sườn núi. Tránh bố trí các nhà thẳng hàng, dễ tạo túi gió hoặc luồng xoáy nguy hiểm Hình 1.1: Lợi dụng địa hình để giảm bớt tác hại gió, làm thay đổi tốc độ và hướng gió [5] Hình 1.2: Trồng cây và rào giậu để giảm bớt tốc độ gió [5]  Các giải pháp kiến trúc - - Kích thước nhà phải hợp lý, tránh nhà mảnh và dài. Đơn giản nhất là mặt bằng hình vuông và hình chữ nhật có chiều dài không lớn hơn 2,5 lần chiều rộng Hình dáng ngôi nhà cần giản đơn, tránh lồi ra lõm vào. Bố trí mặt bằng các bộ phận cần hợp lý, tránh mặt bằng có thể tạo túi hứng gió như mặt bằng hình chữ L, chữ T và chữ U…