Tài liệu Tính toán tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng theo tiêu chuẩn việt nam, singapore và thái lan

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------------------------- NGUYỄN PHƢỚC BÌNH TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ TÁC DỤNG LÊN NHÀ CAO TẦNG THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM, SINGAPORE VÀ THÁI LAN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Đà Nẵng – Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------------------------- NGUYỄN PHƢỚC BÌNH TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ TÁC DỤNG LÊN NHÀ CAO TẦNG THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM, SINGAPORE VÀ THÁI LAN Chuyên ngành Mã số : Kỹ thuật Xây dựng Công trình DD&CN : 60 58 02 08 LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. TRẦN ANH THIỆN Đà Nẵng – Năm 2019 ii TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ TÁC DỤNG LÊN NHÀ CAO TẦNG THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM, SINGAPORE VÀ THÁI LAN Học viên: Nguyễn Phước Bình Chuyên ngành: Kỹ thuật XDCT DD&CN Mã số: 60 58 02 08, Khóa: K32.XDD Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt – Việt Nam đang trong thời kỳ hội nhập thế giới, nền kinh tế mở gắn liền với sự phát triển của khoa học kỹ thuật làm tăng nhu cầu phát triển nhà ở, khách sạn, chung cư… Nhà cao tầng được xây dựng ngày càng nhiều khắp các tỉnh, thành phố trong cả nước. Việc nghiên cứu một số tiêu chu n của một số nước châu Á như Singapore, Thái Lan, Việt Nam và đưa ra chỉ dẫn tính toán chi tiết là rất cần thiết. Nghiên cứu này nhằm làm sáng tỏ vấn đề vận dụng các tiêu chu n tính toán tải trọng gió của Singapore, Việt Nam và Thái Lan để tính toán tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng với các điều kiện tự nhiên đặc thù của Việt Nam và đưa ra một số hạn chế của tiêu chu n Việt Nam TCVN 2737:1995 trong áp dụng tính toán gió động vào công trình nhà cao tầng. Từ khóa – Tải trọng gió, vận tộc gió, dạng địa hình, thành phần tĩnh, thành phần động. CALCULATION OF WIND LOAD ON HIGH-RISE BUILDINGS ACCORDING TO VIETNAM, SINGAPORE AND THAILAND STANDARDS Abstract - Vietnam is in the period of world integration; open economy associated with the development of science and technology lead to the increase in the demand for housing, hotel and apartment... High-rise buildings become more and more popular throughout the country. Investigation on wind load standards of Asian countries such as Singapore, Thailand, Vietnam is very necessary. This study aims to elucidate the standards of Singapore, Thailand, Vietnam to calculate the wind load acting on tall buildings with specific natural conditions of Vietnam and present the limitations of Vietnam standard TCVN 2737-1995 in determining wind load on high-rise buildings Key words - Wind load, wind velocity, terrain type, static component, dynamic component, . iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................i MỤC LỤC .................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................................vi DANH MỤC CÁC HÌNH .......................................................................................... vii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Lý do lựa chọn đề tài ............................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài ............................................................................1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................1 4. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................1 5. Nội dung nghiên cứu .............................................................................................2 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ..............................................................2 7. Bố cục luận văn .....................................................................................................2 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIÓ ..........................................................................3 1.1. Tổng quan về gió ......................................................................................................3 1.1.1. Khái niệm, nguyên nhân hình thành và phân loại...........................................3 1.1.2. Tần suất bão trên biển Đông ...........................................................................5 1.1.3. Hướng di chuyển và dạng đường đi của bão trên biển Đông .........................5 1.1.4. Mật độ bão và mùa bão ở Việt Nam ...............................................................6 1.1.5. Tính chất, đặc điểm của gió ............................................................................6 1.2. Tác động của gió vào công trình và các biện pháp giảm thiểu ................................7 1.2.1. Tác động của gió vào công trình .....................................................................7 1.2.2. Các biện pháp giảm thiểu tác động của gió vào công trình [4] ......................8 1.3. Mô hình hoá các tác động của gió ..........................................................................11 1.3.1. Đặc trưng tác động của gió ...........................................................................11 1.3.2. Giá trị đặc trưng ............................................................................................11 1.3.3. Các mô hình ..................................................................................................12 1.3.4. Các đề tài đã nghiên cứu ứng dụng tiêu chu n vào Việt Nam ......................12 1.4. Thí nghiệm ống thổi khí động (Wind tunnel test) ..................................................12 CHƢƠNG 2. SO SÁNH LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ LÊN NHÀ CAO TẦNG THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM, SINGAPORE VÀ THÁI LAN....................................................................................................................15 2.1. Một số tiêu chu n về tính toán tải trọng gió ...........................................................15 2.1.1. Tiêu chu n Việt Nam [1] ..............................................................................15 2.1.2. Tiêu chu n DPT 1311-50 ..............................................................................18 iv 2.1.3. Tiêu chu n SS EN 1991-1-4 .........................................................................26 2.2. Tác động của gió ....................................................................................................28 2.2.1. Áp lực gió lên bề mặt công trình ..................................................................28 2.2.2. Tải trọng gió ..................................................................................................29 2.2.3. Vận tốc và áp lực gió ....................................................................................30 2.3. Tổng hợp so sánh giữa các tiêu chu n tính toán tải trọng gió ................................32 2.3.1. Dạng địa hình ................................................................................................32 2.3.2. Vận tốc gió cơ sở ..........................................................................................35 2.3.3. Thành phần tải trọng gió ...............................................................................39 2.3.4. Hạn chế của tiêu chu n TCVN 2737:1995 ...................................................40 CHƢƠNG 3. VÍ DỤ TÍNH TOÁN .............................................................................41 3.1. Giới thiệu công trình tính toán ...............................................................................41 3.1.1. Các thông số kết cấu của công trình .............................................................42 3.2. Tính toán tải trọng gió tác dụng vào công trình theo tiêu chu n TCVN 2737:1995 ......................................................................................................................44 3.2.1. Xác định vận tốc gió cơ bản .........................................................................44 3.2.2. Xác định vận tốc gió theo chiều cao .............................................................44 3.2.3. Xác định áp lực gió theo độ cao....................................................................44 3.2.4. Xác định giá trị tiêu chu n thành phần tĩnh của áp lực gió tác dụng lên công trình .......................................................................................................................45 3.2.5. Xác định thành phần động của tải trọng gió tác dụng lên công trình ...........45 3.3. Tính toán tải trọng gió tác dụng vào công trình theo SS EN 1991-1-4 ..................48 3.3.1. Xác định vận tốc gió cơ bản .........................................................................48 3.3.2. Xác định hệ số vận tốc gió trung bình theo độ cao và dạng địa hình ...........48 3.3.3. Xác định hệ số áp lực theo độ cao ................................................................49 3.3.4. Xác định hệ số Cf ..........................................................................................50 3.3.5. Xác định hệ số kết cấu Cs và Cd ....................................................................50 3.4. Tính toán tải trọng gió tác dụng vào công trình theo tiêu chu n DPT 1311-50 .....53 3.4.1. Xác định vận tốc gió cơ bản .........................................................................53 3.4.2. Xác định hệ số độ quan trọng đối với tải trọng gió Iw ..................................53 3.4.3. Xác định áp lực gió từ vận tốc gió ................................................................54 3.4.4. Xác định hệ số độ cao và địa hình Ce ...........................................................54 3.4.5. Xác định hệ số động Cg .................................................................................54 3.4.6. Xác định hệ số khí động Cp...........................................................................54 3.5. So sánh kết quả tính toán ........................................................................................55 v 3.5.1. So sánh tải trọng gió tác dụng lên công trình tính theo TCVN 2737-1995, SS EN 1991-1-4 và DPT 1311-50 .................................................................................55 3.5.2. So sánh chuyển vị ngang của công trình do tác động của gió ......................58 3.6. Nhận xét đánh giá ...................................................................................................61 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................63 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................64 PHỤ LỤC vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Số bão và áp thấp nhiệt đới trên biển Đông từ 1928 đến 1980 ....................... 5 Bảng 2.1: Áp lực gió theo bản đồ phân vùng áp lực gió lãnh thổ Việt Nam ............... 15 Bảng 2.2: Hệ số độ quan trọng ..................................................................................... 19 Bảng 2.3: Vận tốc gió tiêu chu n và hệ số gió bão ....................................................... 21 Bảng 2.4: Loại địa hình và các thông số địa hình ........................................................ 28 Bảng 2.5: 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.................................................... 30 Bảng 2.6: Giá trị vận tốc gió cơ bản vb tương ứng với các vùng áp lực gió trên lãnh thổ Việt Nam........................................................................................................................ 31 Bảng 2.7: Thông tin về phân loại dạng địa hình theo các tiêu chu n khác nhau .......... 32 Bảng 2.8: So sánh phân loại địa hình theo 3 tiêu chu n ................................................ 32 Bảng 2.9: Các nhóm phân dạng địa hình ....................................................................... 35 Bảng 2.10: Thông số xác định vận tốc gió cơ sở theo các tiêu chu n........................... 36 Bảng 2.11: Áp lực gió tiêu chu n (W(20y,3’’,B) ứng với các vùng áp lực gió .................. 37 Bảng 2.12: Vận tốc gió tiêu chu n (v(20y,3’’,B) ứng với các vùng áp lực gió .................. 37 Bảng 2.13: Hệ số chuyển đổi gió 3s từ chu kỳ 20 năm sang các chu kỳ khác .............. 38 Bảng 2.14: Giá trị vận tốc gió cơ bản, áp lực gió quy đổi từ TCVN 2737:1995 sang SS EN 1991-1-4, DPT 1311-50 .......................................................................................... 38 Bảng 3.1: Diaphragm ..................................................................................................... 43 Bảng 3.2: Các dạng dao động ........................................................................................ 44 Bảng 3.3: Tải trọng gió – TCVN 2737:1995; Phương X (Y) ....................................... 45 Bảng 3.4: Tải trọng gió – TCVN 2737:1995; Phương X (Y) ....................................... 48 Bảng 3.5: Tải trọng gió - SS EN 1991-1-4, phương Y.................................................. 53 Bảng 3.6: Tải trọng gió - DPT 1311-50; Phương X(Y) ................................................ 54 Bảng 3.7: So sánh tải trọng gió theo TCVN 2737-1995; SS EN 1991-1-4 - Phương Y và DPT 1311-50............................................................................................................. 55 Bảng 3.8: So sánh Chuyển vị ngang do tải trọng gió tính theo TCVN 2737-1995; SS EN 1991-1-4 - Phương Y và DPT 1311-50 ................................................................... 58 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Lợi dụng địa hình để giảm bớt tác hại của gió, làm thay đổi tốc độ và hướng gió [4] .............................................................................................................................. 8 Hình 1.2: Trồng cây và rào giậu để giảm bớt tốc độ gió [4] ........................................... 8 Hình 1.3: Hình dáng công trình đơn giản để bớt cản gió [4] .......................................... 9 Hình 1.4: Mái nghiêng 30o – 45o để giảm bớt tốc mái do áp lực âm [4]......................... 9 Hình 1.5: Kích thước các lỗ cửa ở các tường đối diện xấp xỉ bằng nhau [4] ................ 10 Hình 1.6: Đảm bảo cánh cửa đóng vừa lỗ cửa [4] ......................................................... 10 Hình 2.1: Bản đồ phân vùng áp lực gió lãnh thổ Việt Nam .......................................... 16 Hình 2.2: Phân vùng vận tốc gió tiêu chu n Thái Lan .................................................. 20 Hình 2.3: Hệ số áp lực bên ngoài, Cp và C*p cho các công trình mái bằng có chiều cao lớn hơn chiều rộng ......................................................................................................... 25 Hình 2.4: Áp lực gió trên bề mặt ................................................................................... 29 Hình 2.5: Đồ thị chuyển vận tốc trung bình trong các khoảng thời gian ...................... 31 Hình 2.6: Đồ thị chuyển vận tốc trung bình trong các khoảng thời .............................. 37 Hình 3.1: Mặt bằng kết cấu điển hình ........................................................................... 41 Hình 3.2: Mô hình Etabs 3D của công trình – ví dụ 3.2 ............................................... 42 Hình 3.3: Biểu đồ giá trị tiêu chu n tải trọng gió tính theo TCVN 2737-1995 ............ 56 Hình 3.4: Biểu đồ giá trị tiêu chu n tải trọng gió tính theo SS EN 1991-1-4 ............... 57 Hình 3.5: Biểu đồ giá trị tiêu chu n tải trọng gió tính theo DPT 1311-50 .................... 57 Hình 3.6: Biểu đồ so sánh giá trị tiêu chu n tải trọng gió tính theo TCVN 2737-1995, SS EN 1991-1-4 và DPT 1311-50 ................................................................................. 58 Hình 3.7: Biểu đồ giá trị chuyển vị ngang theo TCVN 2737-1995 .............................. 59 Hình 3.10: Biểu đồ so sánh giá trị chuyển vị ngang theo TCVN 2737-1995, SS EN 1991-1-4 và DPT 1311-50 ............................................................................................. 61 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Việt Nam đang trong thời kỳ hội nhập thế giới, nền kinh tế mở gắn liền với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nhu cầu phát triển nhà ở, khách sạn, chung cư…tăng cao. Nhà cao tầng phát triển khắp các tỉnh, thành phố trong cả nước làm cho bộ mặt đô thị ngày càng đổi mới không ngừng. Việc phát triển nhà cao tầng là một tất yếu hiện nay để đáp ứng nhu cầu nhà ở do dân số tăng cao, diện tích đất xây dựng thiếu trầm trọng và giá đất xây dựng tăng cao. Khi thiết kế nhà cao tầng bên cạnh việc thiết kế kiến trúc người kỹ sư cần lưu ý việc thiết kế kết cấu cho công trình, nó giữ vai trò quyết định đến khả năng chịu lực, bền vững và ổn định cho công trình. Một trong những vấn đề mà người thiết kế cần quan tâm đó là việc xác định tải trọng ngang (tải trọng gió tĩnh + gió động, động đất) là yếu tố quyết định đến nội lực và chuyển vị của công trình. Việc nghiên cứu một số tiêu chu n của một số nước Châu Á: Singapore, Thái Lan và 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 tác dụng lên nhà cao tầng theo tiêu chuẩn Việt Nam, Singapore và Thái lan” làm nội dung để nghiên cứu. Hướng nghiên cứu này nhằm làm sáng tỏ vấn đề vận dụng các tiêu chu n: Singapore, Việt Nam và Thái Lan để tính toán tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng với các điều kiện tự nhiên đặc thù của Việt Nam. 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài - Nghiên cứu tính toán tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng theo các tiêu chu n Việt Nam, Singapore và Thái Lan. - So sánh kết quả tính toán tải trọng gió tác dụng vào một nhà cao tầng cụ thể. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu là: Tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng có chiều cao trên 40m. - Phạm vi nghiên cứu: Theo tiêu chu n của các nước Việt Nam, Singapore và Thái Lan. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Tìm hiểu các khái niệm về gió bão và nguyên nhân hình thành. - Nghiên cứu quy trình tính toán tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng theo các tiêu chu n: Việt Nam (TCVN 2737:1995 và TCXD 229:1999), Singapore (SS EN 2 1991-1-4:2009), Thái Lan (DPT 1311-50). Phân tích so sánh quan điểm tính toán và số liệu tính toán giữa các tiêu chu n. - Áp dụng tính toán tải trọng gió lên một công trình nhà cao tầng theo các tiêu chu n trên. 5. 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. - Tìm hiểu một số giải pháp làm giảm thiểu tác hại của gió bão. - Tìm hiểu tiêu chu n về tính toán tải trọng gió tác dụng vào công trình của một số nước trên thế giới. - Tìm hiểu các tiêu chu n: Singapore, Thái Lan 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 các tiêu chu n nêu trên với các bổ sung thay thế phù hợp với điều kiện khí hậu đặc thù của Việt Nam. - Ví dụ tính toán tải trọng gió tác dụng vào một nhà cao tầng cụ thể theo các tiêu chu n nêu trên và so sánh kết quả tính toán. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Giúp cho người nghiên cứu, thiết kế có thể hệ thống một cách tường minh về lý thuyết tính toán khả năng chịu tải trọng gió (tải trọng tỉnh và động theo ngang nhà) theo các tiêu chu n. - Giúp cho người thiết kế có thể dễ dàng ứng dụng vào công tác tính toán, thiết kế kết cấu các công trình cao tầng chịu tải trọng gió theo một số tiêu chu n của Châu Á. 7. Bố cục luận văn Mở đầu Chương 1: Tổng quan về gió. Chương 2: So sánh lý thuyết tính toán tải trọng gió lên nhà cao tầng theo tiêu chu n Việt Nam, Singapore và Thái Lan Chương 3: Ví dụ tính toán Kết luận và Kiến nghị 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIÓ 1.1. Tổng quan về gió 1.1.1. Khái niệm, nguyên nhân hình thành và 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, đ y 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 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. 4 - 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 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 5 Việt Nam, trước hết phải nói đến những hoạt động của chúng trên biển Đông. 1.1.2. Tần suất 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 trên biển Đông từ 1928 đến 1980 Tháng Áp 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 thấp Trung 0.04 bình Bão Bão Tổng số 3 0.02 0.04 0.04 0.31 0.35 0.74 0.42 0.22 0.18 0.06 1 2 6 27 23 76 71 103 80 65 31 Trung 0.06 0.02 0.04 0.12 0.53 0.45 1.48 1.39 2.01 1.56 1.27 0.60 bình Tổng số và áp Trung thấp bình 5 1 3 8 29 39 94 109 124 91 74 34 0.1 0.02 0.06 0.16 0.57 0.76 1.83 2.13 2.43 1.78 1.45 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% 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. 1.1.3. Hướng di chuyển và dạng đường đi 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. 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. 6 1.1.4. 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. 1.1.5. Tính chất, đặc điểm của gió 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, đ y 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 7 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 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 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 8 hình dạng bề mặt đón gió; các yếu tố ảnh hưởng của dao động 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 [4] 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. 1.2.2.1. 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 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 .... 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 của gió, làm thay đổi tốc độ và hướng gió [4] Hình 1.2: Trồng cây và rào giậu để giảm bớt tốc độ gió [4] 1.2.2.2. Các giải pháp kiến trúc 9 - 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… - Độ dốc mái cao (30o – 45o), để giảm bớt tốc mái do áp lực âm. Tránh những hình dạng mái nhà có thể tạo dòng rối cục bộ. Mái góc, mái viền tránh chìa quá rộng. Nên sử dụng mái hiên rời nhằm giảm sự chìa ra của mái. - Cửa trước cửa sau, kích thước xấp xỉ bằng nhau. Cửa đóng khít, vừa, đủ then, đủ chốt, ngăn ngừa gió lay. Hình 1.3: Hình dáng công trình đơn giản để bớt cản gió [4] Hình 1.4: Mái nghiêng 30o – 45o để giảm bớt tốc mái do áp lực âm [4] 10 Hình 1.5: Kích thước các lỗ cửa ở các tường đối diện xấp xỉ bằng nhau [4] Hình 1.6: Đảm bảo cánh cửa đóng vừa lỗ cửa [4] 1.2.2.3. Các giải pháp kết cấu công trình * Giải pháp chung: - Làm đổi hướng hoặc cản bớt tác dụng của gió. - Chống đổ ngang, đổ dọc, đổ xiên. - Chống tốc một phần hoặc bay cả mái. - Chống đổ do xoắn. - Chống đổ do mất ổn định tổng thể. * Các yêu cầu kỹ thuật chung: - Về tổng thể phải có liên kết chặt chẽ, liên tục cho các kết cấu từ mái tới móng theo cả 2 phương: Phương ngang và phương thẳng đứng. - Ưu tiên hệ kết cấu gồm cột và dầm tạo ra một lưới không gian có độ cứng tốt. Hệ kết cấu càng đơn giản, càng rõ ràng càng tốt. - Nên dùng cột chống đứng bên trong nhà và những vùng mở rộng. - Kiểm tra các nhịp lớn và các phần công - sơn. - Khoảng cách giữa các thanh xà gồ, kèo trên khung mái phải hợp lý. 11 - Tăng cường kết cấu xung quanh những phòng quan trọng, đòi hỏi an toàn nhất, có thể làm chỗ trú n cho những người đang có mặt trong khi x y ra thiên tai. * Các giải pháp nhằm làm giảm giá trị thành phần tĩnh của tải trọng gió: - Giảm mức độ phức tạp của mặt đón gió, nhằm giảm hệ số khí động Cx cho các mặt ngoài. Khi mặt ngoài nhiều ô - văng, lô - gia, ban - công… Các lồi lõm thô ráp này sẽ gây hiện tượng gió lồng, gió xoáy tại các góc chuyển hướng, áp lực gió sẽ tăng đột biến. - Vị trí công trình cao không nên đặt ở nơi có độ dốc quá lớn, địa hình sườn dốc sẽ làm hệ số k tăng lên. Trong điều kiện có thể nên chọn vị trí bằng phẳng hơn hoặc thoải hơn. * Các giải pháp nhằm giảm giá trị thành phần động của tải trọng gió: - Hữu hiệu nhất là tìm cách làm giảm khối lượng và phân bố khối lượng hợp lí để giảm giá trị lực quán tính sinh ra khi dao động. - Giảm trọng lượng kết cấu: Chọn vật liệu có cường độ cao, khả năng chịu lực lớn (thép, bê tông mác cao…) - Giảm trọng lượng vật liệu kiến trúc: Tường ngăn, tường bao, gạch lát, cửa, cầu thang, các vật liệu kiến trúc khác, dùng tường mỏng hơn, sử dụng vật liệu tường nhẹ hơn… - Lựa chọn hình dáng công trình hợp lý: Sao cho diện tích mặt đón gió và khối lượng càng lên cao càng giảm dần. Công trình thon dần, sẽ có mặt đón gió giảm dần, giá trị của thành phần tĩnh của tải gió càng lên cao càng nhỏ. Đồng thời biên độ và hệ số động lực trong bài toán dao động riêng cũng nhỏ hơn, dao động tắt nhanh hơn và vì vậy thành phần động sẽ bé hơn. 1.3. Mô hình hoá các tác động của gió 1.3.1. Đặc trưng tác động của gió Các tác động của gió được đặc trưng bởi một tập hợp của các áp lực đơn hoặc lực tương đương với lực tác động cực hạn của gió hỗn loạn. Ngoại trừ trường hợp có ghi chú riêng, tác động của gió nên được phân loại là các tác động thay đổi. 1.3.2. Giá trị đặc trưng Tác dụng của gió lên công trình bị chi phối chủ yếu bởi vận tốc và hướng 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 ảnh hưởng 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.