Tài liệu Thí nghiệm hầm gió ảo cho công trình nhà bằng mô phỏng cfd

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- NGUYỄN VĂN THÔNG THÍ NGHIỆM HẦM GIÓ ẢO CHO CÔNG TRÌNH NHÀ BẰNG MÔ PHỎNG CFD Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số ngành: 60 58 02 08 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp. Hồ Chí Minh, 02 - 2018 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học: Cán bộ hướng dẫn 1: TS. Nguyễn Hữu Thành Cán bộ hướng dẫn 2: PGS.TS. Nguyễn Quốc Ý Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Lê Văn Phước Nhân Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Lê Trung Kiên Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM, ngày 07 tháng 02 năm 2018. Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm: 1. Chủ tịch: PGS. TS. Nguyễn Văn Hiệp ........................... 2. Thư kí: PGS. TS. Nguyễn Minh Long............................ 3. Phản biện 1 (thành viên): TS. Lê Văn Phước Nhân ....... 4. Phản biện 2 (thành viên): TS. Lê Trung Kiên ................ 5. Thành viên: TS. Hồ Hữu Chỉnh...................................... CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: NGUYỄN VĂN THÔNG MSHV: 1570658 Ngày, tháng, năm sinh: 20/08/1992 Nơi sinh: Bình Định Chuyên ngành: KTXD công trình dân dụng và công nghiệp MN: 60 58 02 08 I. TÊN ĐỀ TÀI: Thí nghiệm hầm gió ảo cho công trình nhà bằng mô phỏng CFD II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG 1. Tìm hiểu cơ sở lý thuyết CFD, phần mềm Ansys Fluent và bản chất các thông số trong phân tích gió. 2. Sử dụng phần mềm Ansys Fluent mô phỏng và phân tích các nghiên cứu đã được công bố. 3. Sử dụng phương pháp CFD để xác định tải trọng gió tĩnh tác dụng lên công trình. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 10/07/2017 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 07/02/2018 V. HỌ VÀ TÊN CBHD: TS. Nguyễn Hữu Thành, PGS.TS. Nguyễn Quốc Ý Tp. HCM, ngày…. tháng…. Năm ….. CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG NGÀNH CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1 TS. Nguyễn Hữu Thành CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2 TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG PGS. TS. Nguyễn Quốc Ý 1 LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp nằm trong hệ thống bài luận cuối khóa nhằm trang bị cho Học viên cao học khả năng tự nghiên cứu, biết cách giải quyết những vấn đề cụ thể đặt ra trong thực tế xây dựng… Đó là trách nhiệm và niềm tự hào của mỗi học viên cao học. Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, học viên đã nhận được sự giúp đỡ từ tập thể và các cá nhân. Học viên xin ghi nhận và tỏ lòng biết ơn đến tập thể và các cá nhân đã dành cho học viên sự giúp đỡ quý báu đó. Đầu tiên Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy TS. Nguyễn Hữu Thành và thầy PGS.TS. Nguyễn Quốc Ý. Thầy đã đưa ra gợi ý đầu tiên để hình thành nên ý tưởng của đề tài và Thầy góp ý rất nhiều về cách nhận định đúng đắn trong những vấn đề nghiên cứu, cũng như cách tiếp cận nghiên cứu hiệu quả và giúp đỡ những lúc khó khăn trong quá trình thực hiện đề tài. Học viên xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ Thuật Xây dựng, trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã truyền dạy những kiến thức quý giá, đó cũng là những kiến thức không thể thiếu trên con đường nghiên cứu khoa học và sự nghiệp sau này. Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự nỗ lực của bản thân, tuy nhiên không thể không có những thiếu sót. Kính mong quý Thầy Cô chỉ dẫn thêm để học viên bổ sung những kiến thức và hoàn thiện Luận văn của mình. Xin trân trọng cảm ơn. Tp. HCM, ngày tháng năm 2018 Nguyễn Văn Thông 3 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Hiện nay cùng với sự phát triển của ngành xây dựng là hàng loạt các công trình có chiều cao lớn, hình dáng phức tạp và xây chen ra đời dẫn đến việc xác định tải trọng gió lên các công trình này là tương đối khó khăn, tốn kém. Vì vậy, trong luận văn này học viên nghiên cứu đề xuất phương pháp xác định tải trọng gió, đặc biệt cho các công trình không có trong bảng tra của các tiêu chuẩn. Để kiểm chứng khả năng ứng dụng của phần mềm, khả năng mô phỏng và đánh giá gió xung quanh công trình nên học viên tiến hành mô phỏng công trình có dạng hình trụ (CAARC) của các nghiên cứu trước đây đã có kết quả mô phỏng và thí nghiệm hầm gió. Cả hai mô phỏng này đều áp dụng mô hình k   có sự điều chỉnh (mô hình MMK) so với mô hình standard k   , mô hình điều chỉnh này được đề cập trong nghiên cứu của Murakami cùng cộng sự (1997). Sau khi khảo sát mô hình, mật độ lưới và xác định các thông số dùng trong mô phỏng, học viên tiếp tục áp dụng phương pháp CFD trong phần mềm Ansys Fluent để xác định và phân tích tải trọng gió tĩnh cho công trình thực tế có hình dạng mặt bằng và mặt đứng phức tạp, không có trong các bảng tra của tiêu chuẩn thiết kế gió. Từ đó có những nhận định quan trọng giữa phương pháp CFD và tính toán theo tiêu chuẩn trong xác định lực gió tĩnh tác dụng lên công trình. 2 LỜI CAM ĐOAN Ngoại trừ các kết quả tham khảo từ các công trình nghiên cứu khác đã trích dẫn trong luận văn, tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Nguyễn Quốc Ý và TS. Nguyễn Hữu Thành. Kết quả trong Luận văn chưa từng được công bố trong các nghiên cứu khác. Học viên xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình. Tp. HCM, ngày tháng năm 2018 Nguyễn Văn Thông 4 MỤC LỤC TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ .................................................................................2 LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................3 LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................4 MỤC LỤC .......................................................................................................................5 DANH MỤC HÌNH ẢNH ...............................................................................................8 DANH MỤC BẢNG BIỂU ...........................................................................................10 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .....................................................................................11 DANH MỤC KÍ HIỆU ..................................................................................................12 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .........................................................................................13 1.1. Đặt vấn đề ..........................................................................................................13 1.2. Tình hình nghiên cứu .........................................................................................19 1.3. Sự cần thiết, mục tiêu, phạm vi nghiên cứu và ý nghĩa đề tài ...........................21 1.4. Nội dung của nghiên cứu ...................................................................................21 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÍ THUYẾT ...............................................................................23 2.1. Cơ sở lý thuyết của CFD về khí động lực học ...................................................23 Định luật bảo toàn khối lượng ....................................................................23 Định luật II Newton ....................................................................................24 2.2. Phương pháp giải phương trình chủ đạo ............................................................25 2.3. Mô hình Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) và mô hình MMK .........25 Mô hình Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) ...............................27 Mô hình MMK ............................................................................................28 CHƯƠNG 3. KIẾM CHỨNG PHƯƠNG PHÁP CFD .................................................30 3.1. Mô phỏng nghiên cứu của Huang cùng cộng sự (2007) ....................................30 Miền tính toán và mật độ lưới.....................................................................30 5 Mô hình rối .................................................................................................34 Điều kiện biên .............................................................................................35 Kết quả và nhận xét ....................................................................................37 Kết luận .......................................................................................................41 3.2. Mô phỏng bài báo của Huang cùng cộng sự (2007) có thay đổi miền tính toán .......................................................................................................................................41 Miền tính toán áp dụng trong mô phỏng ....................................................41 Kết quả và phân tích ...................................................................................42 Kết luận .......................................................................................................46 3.3. Mô phỏng nghiên cứu của Kim cùng cộng sự (2003) ........................................46 Thông số ban đầu ........................................................................................47 Kết quả và nhận xét ....................................................................................48 Kết luận .......................................................................................................53 CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ TĨNH CHO CÔNG TRÌNH NHÀ BẰNG MÔ PHỎNG CFD .........................................................................................................54 4.1. Tổng quan ...........................................................................................................54 4.2. Thông số ban đầu ...............................................................................................56 Hàm vận tốc theo phương đứng..................................................................56 Cường độ rối và kích thước xoáy ...............................................................58 Mật độ lưới và mô hình ..............................................................................60 4.3. Kết quả và nhận xét ............................................................................................61 Gió phương X .............................................................................................61 Gió phương Y .............................................................................................69 CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................76 5.1. Kết luận ..............................................................................................................76 5.2. Kiến nghị và hướng phát triển............................................................................77 6 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................78 PHỤ LỤC ......................................................................................................................82 Phụ lục A. Xác định miền tính toán (computational domain) .......................................82 Phụ lục B. Khảo sát hệ số lực ........................................................................................95 Phụ lục C. Kết quả hệ số lực tính toán theo tiêu chuẩn và phân tích CFD .................101 Phụ lục D. Mô hình MMK ..........................................................................................110 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG .........................................................................................112 7 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. The Everrich 2 (Quận 7 – TP.HCM) .............................................................15 Hình 1.2. Chung cư CT3 (Hoàng Mai – Hà Nội) ..........................................................15 Hình 1.3. Tổ hợp công trình Keangnam ........................................................................16 Hình 1.4. Công trình Platinum Park (Kuala Lumpur, Malaysia) ..................................16 Hình 1.5. Công trình Shanghai Tower (Thượng Hải, Trung Quốc) ..............................17 Hình 1.6. Hầm gió 2 của CPP........................................................................................18 Hình 1.7. Mắt cắt ngang mô hình hầm gió (Jaeyong Chung cùng cộng sự, 2012) .......18 Hình 2.1. Các phương pháp giải sử dụng trong CFD của các phần mềm .....................25 Hình 3.1. Miền tính toán và điều kiện biên (Huang cùng cộng sự, 2007) ....................30 Hình 3.2. Miền tính toán khảo sát .................................................................................31 Hình 3.3. Hệ số lực tính toán cho các trường hợp .........................................................32 Hình 3.4. Cách chia lưới ................................................................................................32 Hình 3.5. Miền tính toán dùng khảo sát chiều dài phía sau công trình zone 1 (L) .......33 Hình 3.6. Ảnh hưởng chiều dài L đến hệ số lực ............................................................34 Hình 3.7. Đồ thị phân bố vận tốc...................................................................................35 Hình 3.8. Phân bố cường độ rối.....................................................................................36 Hình 3.9. Hệ số áp suất Cp tại chiều cao Z = 2/3 H của CAARC building ...................38 Hình 3.10. Phân bố vận tốc gió trên mặt phẳng X-Y tại Z = 2/3H ..............................39 Hình 3.11. Phân bố vận tốc gió trên mặt phẳng X-Z tại y = 0 ......................................40 Hình 3.12. Miền tính toán và điều kiện biên (tác giả) ...................................................42 Hình 3.13. Hệ số áp suất Cp tại chiều cao Z = 2/3 H của CAARC building .................43 Hình 3.14. Phân bố vận tốc gió trên mặt phẳng X-Y tại Z = 2/3H ..............................44 Hình 3.15. Phân bố vận tốc gió trên mặt phẳng X-Z tại y = 0 ......................................45 Hình 3.16. Hệ thống tạo các lớp biên ............................................................................46 Hình 3.17. Phân bố vận tốc và cường độ rối (Kim cùng cộng sự, 2003) [19] ..............47 Hình 3.18. Các mặt phẳng khảo sát ...............................................................................48 Hình 3.19. Dòng không khí tại mặt phẳng trung tâm ....................................................49 Hình 3.20. Dòng không khí tại mặt phẳng 0.5H ...........................................................49 Hình 3.21. Dòng không khí tại mặt phẳng 1.0H ...........................................................50 8 Hình 3.22. Các kí hiệu của kích thước sử dụng cho Bảng 3.6 ......................................51 Hình 3.23. So sánh kích thước xoáy của Kim và CFD tại mặt phẳng trung tâm ..........52 Hình 3.24. So sánh kích thước xoáy của Kim và CFD tại mặt phẳng 0.5H..................52 Hình 3.25. So sánh kích thước xoáy của Kim và CFD tại mặt phẳng 1.0H..................53 Hình 4.1. Phối cảnh The EverRich 2 .............................................................................54 Hình 4.2. Kí hiệu các block và các giai đoạn thi công ..................................................55 Hình 4.3. Các trường hợp phân tích tải trọng gió tĩnh ..................................................56 Hình 4.4. Đồ thị vận tốc thay đổi theo chiều cao ..........................................................58 x Hình 4.5. Hệ số xác định Lu .........................................................................................59 Hình 4.6. Hệ lưới và điều kiện biên của trường hợp 3 ..................................................60 Hình 4.7. Mật độ lưới ....................................................................................................60 Hình 4.8. Phân bố vận tốc 3D tại cao độ z = 0.3h và z = 0.7h ......................................62 Hình 4.9. Phân bố vận tốc trên mặt bằng tại cao độ z = 0.3h và z = 0.7h .....................63 Hình 4.10. Phân bố áp suất trên bề mặt công trình .......................................................65 Hình 4.11. Phân bố lực gió theo chiều cao ....................................................................67 Hình 4.12. Phân bố vận tốc 3D tại cao độ z = 0.3h và z = 0.7h ....................................70 Hình 4.13. Phân bố vận tốc trên mặt bằng tại cao độ z = 0.3h và z = 0.7h ...................71 Hình 4.14. Phân bố áp suất trên bề mặt công trình .......................................................73 Hình 4.15. Phân bố lực gió theo chiều cao ....................................................................74 Hình A.5.1. Kí hiệu các kích thước miền tính toán .......................................................82 Hình A.5.2. Sự biến thiên áp lực khi thay đổi B ...........................................................83 Hình A.5.3. Sự biến thiên áp lực khi thay đổi L2 ..........................................................86 Hình A.5.4. Sự biến thiên áp lực khi thay đổi L1 ..........................................................88 Hình A.5.5. Kí hiệu các kích thước ...............................................................................89 Hình A.5.6. Vận tốc và lực gió từ CFD (h/b=5)............................................................90 Hình A.5.7. Biến thiên hệ số lực khi H thay đổi ...........................................................91 Hình A.5.8. Kích thước hầm gió ảo từ phân tích CFD..................................................92 Hình A.5.9. Kích thước hầm gió ảo (Y. Tominaga and T. Stathopoulos, 2008) ..........92 Hình A.5.10. Kích thước hầm gió ảo (M. Lateb cùng cộng sự, 2013) ..........................92 Hình A.5.11. Kích thước hầm gió ảo (Agerneh K. Dagnew cùng cộng sự, 2009) .......93 9 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Tóm tắt giới hạn ngoài phạm vi tiêu chuẩn thiết kế gió ...............................14 Bảng 2.1. Công thức của các mô hình (Murakami cùng cộng sự, 1997) [24] ..............28 Bảng 3.1. Kết quả khảo sát mật độ lưới ........................................................................31 Bảng 3.2. Kết quả khảo sát L ........................................................................................33 Bảng 3.3. So sánh kết quả CD và CL với kết quả thí nghiệm hầm gió...........................37 Bảng 3.4. So sánh kết quả CD và CL từ các phân tích ...................................................42 Bảng 3.5. Kích thước hình trụ và chiều cao lớp biên (Kim cùng cộng sự, 2003) [19] .47 Bảng 3.6. Kích thước của dòng xoáy xung quanh công trình .......................................51 Bảng A.1. Kết quả áp lực khi B thay đổi.......................................................................83 Bảng A.2. Chênh lệch áp lực của các trường hợp phân tích .........................................84 Bảng A.3. Các trường hợp phân tích khảo sát L2 ..........................................................85 Bảng A.4. Kết quả áp lực khi L2 thay đổi .....................................................................85 Bảng A.5. Chênh lệch áp lực của các trường hợp phân tích L2 ....................................86 Bảng A.6. Các trường hợp phân tích khảo sát L1 ..........................................................87 Bảng A.7. Kết quả áp lực khi L1 thay đổi .....................................................................87 Bảng A.8. Chênh lệch áp lực của các trường hợp phân tích L1 ....................................88 Bảng A.9 Các trường hợp khảo sát ...............................................................................89 Bảng A.10. Kết quả phân tích .......................................................................................90 10 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt CFD Động lực học chất lưu (Computational Fluid Dynamic) CAARC Commonwealth Advisory Aeronautical Council RANS Mô hình RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes ) LES Mô hình LES (Large eddy simulation) WT Thí nghiệm hầm gió Re Hệ số Reynolds 11 DANH MỤC KÍ HIỆU Ký hiệu m Khối lượng của phần tử t Biến thời gian  Khối lượng riêng không khí (air density) V Thể tích  Véc tơ vận tốc n Véc tơ pháp tuyết S Diện tích bề mặt g Lực khối u , v, w Thành phần vận tốc theo phương x , y và p Áp suất  Hệ số nhớt k Động năng của dòng rối (turbulence kinematic energy)  Tốc độ tiêu tán năng lượng (turbulence dissipation rate) I Cường độ rối ( the turbulence intensity) l Kích thước xoáy (turbulence length scale) Z Chiều cao trên mặt đất U (Z ) Vận tốc tại chiều cao Z CD Hệ số lực theo phương tác động ( the drag force coefficients) CL Hệ số lực vuông góc với phương tác động (the transverse z force coefficients) Cp Hệ số áp suất (wind pressure coefficient) FD ( z ) Lực gió theo phương tác động tại chiều cao z (the steady forces acting parallel to the along-wind direction at z ) FL ( z ) Lực gió theo phương vuông góc với phương tác động tại chiều cao z (the steady forces acting transverse to the alongwind direction at z ) 12 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Đặt vấn đề Với sự phát triển của các công trình xây dựng cả về chiều cao và hình dáng thì việc xác định chính xác tải trọng gió tác dụng lên công trình là một chủ đề nghiên cứu rất quan trọng và cấp thiết. Đặc biệt là những công trình không có bảng tra sẵn trong tiêu chuẩn, công trình xây chen và công trình cao. Hiện nay có nhiều tiêu chuẩn thiết kế gió của các quốc gia trên thế giới đề cập đến việc tính toán tải trọng gió tác động lên công trình, tuy nhiên các tiêu chuẩn đều có những hạn chế nhất định về chiều cao, hình dáng và hướng gió khi áp dụng. Cụ thể như: (1) Tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 (1995) mục 6.7.3 phát biểu “ Những trường hợp chưa xét đến trong bảng 6 (các dạng nhà và công trình khác, theo hướng gió khác, các thành phần cản chung của vật thể theo hướng khác), hệ số khí động phải lấy theo thực nghiệm hoặc các chỉ dẫn riêng”, mục 6.12 phát biểu “Đối với các công trình cao và kết cấu mềm (ống khói, trụ, tháp...) còn phải kiểm tra tình trạng mất ổn định. Chỉ dẫn tính toán và giải pháp giảm dao động của kết cấu đó được xác lập bằng những nghiên cứu riêng trên cơ sở các số liệu thử nghiệm khí động”. (2) Tiêu chuẩn ASCE/SEI 7-10 (2013), mục C26.1.2 (3) chỉ áp dụng cho các công trình có chiều cao h  400 ft 122m  , h Bmin  4 , f1  0.25Hz và Vz  f1  Bmin   5 . (3) Tiêu chuẩn EN 1991-1-4:2005 (2005) chỉ áp dụng cho công trình có chiều cao lên đến 200 (m) và không xét đến dao động xoắn của công trình. (4) Tiêu chuẩn AS-NZS 1170-2 (2011), mục 1.1 nêu chỉ áp dụng cho công trình có chiều cao thấp hơn hoặc bằng 200 (m), kết cấu mái có nhịp đến 100m. (5) Tiêu chuẩn (Code of Practice on Wind Effects in Hong Kong, 2004), mục 1.1 nêu tiêu chuẩn này không áp dụng cho những công trình có hình dạng bất kì và những công trình đặt tại những địa điểm có tác động gió bất lợi. Đối với những công trình trên thì cần có dữ liệu của thí nghiệm hầm gió. 13 (6) Tiêu chuẩn “Uniform Building Code, 1997: Wind Load Provisions” nêu không áp dụng tính toán cho công trình có chiều cao hơn 400 ft (122 m). Bảng 1.1. Tóm tắt giới hạn ngoài phạm vi tiêu chuẩn thiết kế gió Tiêu ASCE/SEI 7-10 chuẩn (2013) EN 1991- AS-NZS 1- 4:2005 1170-2 (2005) (2011) UBC 1997 h ≥ 400ft (122m), AIJ 2004 Không Chiều h/Bmin > 4, h ≥ 200m, h ≥ 200m, h ≥ 400ft có giới cao f1 ≤ 0.25 Hz, f1 ≤ 0.2Hz L ≥ 100m (122m) hạn rõ Vz/(f1*Bmin) > 5 Hình dáng ràng Không áp dụng cho công trình có hình dạng phức tạp Nhìn chung các tiêu chuẩn trên thế giới và trong nước đều không đề cập đến việc tính toán những công trình có hình dáng phức tạp và chiều cao lớn, chỉ hướng dẫn tính toán cho công trình có hình dạng đơn giản như hình chữ nhật, hình tròn hay những hình đối xứng...và khống chế về mặt chiều cao đối với nhà cao tầng, chiều cao đề cập áp dụng tiêu chuẩn thấp nhất là 48.8m (ASCE/SEI 7-10, 2013) và cao nhất là 200m (AS-NZS 1170-2, 2011). Theo chỉ dẫn của tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 (1995) chỉ đề cập đến công trình có mặt bằng là đa giác (hình chữ nhật, hình thoi, tam giác đều, hình tròn…) và không thay đổi theo chiều cao. Tuy nhiên hiện nay trong thực tế vẫn áp dụng các tiêu chuẩn này để tính toán tải trọng gió tĩnh cho những công trình có hình dạng không có trong bảng 6 TCVN 2737:1995 (1995) nên việc xác định tải trọng gió tĩnh tác dụng lên công trình là không chính xác và ảnh hưởng đến kết quả thiết kế. Dưới đây là một vài công trình điển hình ở Việt Nam có hình dáng, chiều cao vượt giới hạn nhưng vẫn áp dụng tiêu chuẩn để tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình. 14 Hình 1.1. The Everrich 2 (Quận 7 – TP.HCM) [30] Hình 1.2. Chung cư CT3 (Hoàng Mai – Hà Nội) – Masteri Thảo Điền (Q.2 – TP. HCM) [31] Công trình The Everrich 2 có hình dáng không đề cập trong TCVN 2737:1995 (1995) và chiều cao vượt quá giới hạn cho phép áp dụng tiêu chuẩn. Ngoài những công trình được đề cập trên, tại Việt Nam hiện nay còn có rất nhiều công trình có chiều cao vượt giới hạn cho phép và hình dạng mặt bằng, mặt đứng không đề cập trong tiêu chuẩn nhưng vẫn áp dụng theo chỉ dẫn trong tiêu chuẩn để tính toán. Việt Nam là đất nước đang phát triển nên các công trình trong tương lai sẽ có chiều cao và độ mảnh lớn. Bên cạnh đó, để đáp ứng yêu cầu thẩm mỹ thì hình dáng theo mặt đứng và mặt bằng cũng đa dạng. Do đó các tiêu chuẩn tính toán tải trọng gió hiện nay sẽ không đáp ứng được nhu cầu phát triển của ngành xây dựng trong tương lai. Vì vậy, việc tính toán tải trọng gió tác dụng đối với các công trình nằm ngoài phạm vi của tiêu chuẩn trên cần một phương pháp khác để xác định. Phương pháp được áp dụng hiện nay và nhiều tiêu chuẩn đề cập là thí nghiệm hầm gió. Thí nghiệm hầm gió là công cụ mạnh mẽ cho phép người kỹ sư xác định được bản chất và cường độ của gió tác động vào công 15 trình phức tạp. Thí nghiệm hầm gió đặc biệt có thế mạnh đối với các công trình (hình dáng, chiều cao ...) và khu vực xung quanh (các công trình lân cận) phức tạp, không được đề cập tính toán trong các tiêu chuẩn hiện nay. Một số công trình tiêu biểu sử dụng thí nghiệm hầm gió để xác định tải trọng gió ở Việt Nam như: Trung tâm hội nghị Quốc gia (Hà Nội), Tòa tháp tài chính Bitexco (Hồ Chí Minh), Tổ hợp công trình Keangnam (Hà Nội), Trung tâm thương mại Vietinbank (Hà Nội), Toà nhà hỗn hợp đa chức năng và chung cư cao cấp Vinafor (Hà Nội). Hình 1.3. Tổ hợp công trình Keangnam [32] Hình 1.4. Công trình Platinum Park (Kuala Lumpur, Malaysia) [33] 16 Hình 1.5. Công trình Shanghai Tower (Thượng Hải, Trung Quốc) [34] Thí nghiệm hầm gió có rất nhiều ưu điểm như việc xác định chính xác tải trọng gió thực tế tác động vào công trình thông qua các cảm biến gắn trực tiếp lên mô hình công trình, quan sát được phản ứng của công trình dưới tác dụng tải gió qua đó có phương pháp xử lý. Bên cạnh những ưu điểm được đề cập thì thí nghiệm hầm gió vẫn tồn tại những khuyết điểm như việc mô hình công trình theo lý thuyết tương tự tương đối phức tạp. Phải xây dựng công trình có hình dạng, khối lượng và độ cứng tương tự công trình thực tế dưới tỉ lệ thường được sử dụng là 1/400. Việc tạo ra mô hình công trình như vậy yêu cầu kỹ sư phải có trình độ chuyên môn cao. Đồng thời cần phải có hầm gió cùng các thiết bị và vật liệu làm mô hình phức tạp và tốn kém. Do đó cần có phương pháp khác đơn giản và kinh tế hơn để xác định tải gió tác dụng lên công trình, nhưng cho kết quả tương đương hoặc sai khác không đáng kể so với thí nghiệm hầm gió. Hiện nay trên thế giới có khoảng 55 thí nghiệm hầm gió được thống kê [35], tại Việt Nam có hai ống thổi khí động là Viện kỹ thuật Phòng Không – Không Quân (Bộ Quốc Phòng) và Viện khoa học công nghệ Xây dựng - Bộ Xây dựng (IBST). Chi tiết một hầm gió của Cermak Peterka Petersen Inc (CPP). CPP Wind Tunnel – Sydney, Australia Kích thước: Chiều dài mặt cắt ngang: 21m Chiều rộng mặt cắt ngang: 3.0m Chiều cao: 2.4m Đặc điểm về kỹ thuật. 17 Động cơ: 110 kW Loại động cơ: Single axle motor/12-blade axial fan Điều khiển vận tốc Variable frequency drive Đặc trưng của dòng Vận tốc trung bình 0 đến 20 m/s Boundary – layer thickness* 1.2m Turbulence About 2% at entrance to test section Longitudinal pressure gradient Zero by blockage tolerant roof Hình 1.6. Hầm gió 2 của CPP Hình 1.7 thể hiện chi tiết kích thước mặt cắt dọc và ngang của một hầm gió của công ty TESolution tại Hàn Quốc. Mặt cắt ngang hầm gió có đường kính 1.0m, chiều cao 1.5m và chiều dài 6.0m; vận tốc dùng kiểm tra nằm trong khoảng 0.3m/s ~ 22.5m/s. Hình 1.7. Mắt cắt ngang mô hình hầm gió (Jaeyong Chung cùng cộng sự, 2012) 18