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

37 S¬ 28 - 2017 Nghiên cứu thành phần động của tải trọng gió cho các công trình tháp, trụ thép Research of the dynamic component of the wind load for high-rise steel structures Đoàn Tuyết Ngọc, Vũ Lệ Quyên Tóm tắt Khi tính toán tải trọng gió động cho các công trình có chiều cao lớn chúng ta thường tính tổng tác động của gió bao gồm cả thành phần chuẩn tĩnh và cộng hưởng lên công trình. Việc này dẫn đến tính toán kết cấu không chính xác, giảm hiệu quả kinh tế nhất là với những công trình mang tính điển hình và phổ biến như tháp trụ thép, cột thu phát sóng. Bài báo nêu kiến nghị hiệu chỉnh tiêu chuẩn hiện hành đối với việc xác định các thành phần động của tải trọng gió với các công trình thép cao. Từ khóa: Tải trọng và tác động, công trình tháp trụ thép, tải trọng gió, thành phần chuẩn tĩnh, thành phần cộng hưởng Abstract When calculating the dynamic component of wind load for high-rise buildings, we usually calculate the total wind impact, including quasistatic and resonance components. This leads to inaccurate structural calculations, reducing economic efficiency especially with typical and popular constructions such as steel towers, transmission towers. The paper proposes a revision of the current standard for the determination of dynamic components of the wind load in high steel structures. Keywords: Loads and impacts, high-rise steel structures, wind load, quasistatic component, resonance component PGS.TS. Đoàn Tuyết Ngọc Khoa Xây dựng Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Email: TS. Vũ Lệ Quyên Khoa Xây dựng Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Email: Hiện nay, các công trình cao có chức năng đặc biệt như tháp, trụ thu phát để cung cấp truyền hình, phát thanh, truyền thông di động đóng vai trò rất quan trọng trong việc phát triển cơ sở hạ tầng và kinh tế xã hội. Nếu tại các khu đô thị ăng-ten có thể được đặt trên nóc các tòa nhà cao tầng, thì ở các vùng chưa phát triển, các công trình đặc biệt như tháp và cột thu phát sóng là vô cùng cần thiết. Với các công trình có độ cao lớn, chiều cao lớn hơn rất nhiều so với kích thước ngang (khoảng 8-200 lần) [1], tải trọng gió đóng vai trò chủ đạo và quyết định hình dạng kích thước của hệ kết cấu. Tác động của gió bao gồm hai thành phần: tĩnh và động. Khi xác định thành phần tĩnh, đặc điểm hạn chế cản gió của cột và tháp làm giảm giá trị của tải trọng gió so với các công trình có bề mặt cản lớn có cùng chiều cao. Giá trị của thành phần động phụ thuộc vào hệ số động lực ξ, được xác định bởi độ giảm loga của dao động δ [2]. Nếu với đa số các tòa nhà có δ > 0,3, thì với các công trình thép cao, mảnh có δ < 0.15, có nghĩa là kết cấu giảm chấn ở mức độ thấp, công trình dễ bị hư hại do ảnh hưởng của gió giật. Do tính chất hàng loạt và phổ thông của tháp và trụ thép nên cần phải tạo ra các kết cấu điển hình không tốn kém khi sản xuất và lắp dựng, nhưng đồng thời phải đảm bảo chất lượng, độ bền, độ ổn định hay nói cách khác – có trọng lượng tối thiểu với khả năng chịu lực lớn nhất. Điều kiện này được thực hiện khi tải trọng thực tế được xác định một cách chính xác, đặc biệt là thành phần động của tải trọng gió có đặc điểm ngẫu nhiên và tính phá hoại cao. Trong các nghiên cứu, thí nghiệm về ảnh hưởng của gió động cho các công trình tháp, trụ thép [3-5] cho thấy rằng thành phần động xuất hiện dưới tác dụng của gió giật dọc theo hướng gió bao gồm hai thành phần: thành phần chuẩn tĩnh (quasistatic), sinh ra bởi tác động của gió có tần số thấp gần với tần số tối đa của phổ năng lượng khi vận tốc gió thay đổi; thành phần cộng hưởng (resonance), gây ra bởi gió giật ở tần số cao trong vùng tần số dao động của bản thân công trình (hình 1). Ở hình 1 có thể thấy nếu như phổ của lực khí động học thông thường tác động lên công trình chỉ có 1 giá trị cực đại thì phổ phản ứng của công trình với gió giật (bao gồm chuyển vị, ứng suất) có hai giá trị cực đại. Đỉnh bên trái – vùng tần số thấp hay chuẩn tĩnh gần trùng với cực đại của phổ năng lượng gió giật, bên phải – vùng tần số cao hay cộng hưởng trùng với tần số dao động riêng của công trình ω0. Tỷ lệ chuyển vị của công trình gây ra bởi thành phần chuẩn tĩnh và cộng hưởng phụ thuộc vào chu kỳ dao động riêng được biểu diễn trên hình 2. Trong các tiêu chuẩn quy định hiện nay khi tính toán tác động của gió với công trình, chúng ta thường sử dụng phương pháp tính tổng tác động của gió (tác động chuẩn tĩnh và cộng hưởng). Giá trị tiêu chuẩn thành phần động của áp lực gió đối với công trình hoặc bộ phận kết cấu mà sơ đồ tính toán có dạng một bậc tự do có dạng [2]: W = Wp m ξ ς ν⋅ ⋅ ⋅ , (1) Trong đó: Wm – giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của áp lực gió ở độ cao tính toán; ξ – hệ số động lực; υ – hệ số tương quan không gian áp lực động của tải trọng gió, ς – hệ số áp lực động của tải trọng, xác định theo công thức của Davenport [2]: = 2 c tζ α γ , (2) Trong đó: αc – hệ số an toàn xét đến ảnh hưởng của hình dạng kết cấu; γt – cường độ rối được xác định bởi phương trình: = 10t vl z α γ σ −  ⋅    , (3) Trong đó: α – số mũ phụ thuộc vào sự thay đổi vận tốc gió theo chiều cao và dạng 38 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG KHOA H“C & C«NG NGHª địa hình (A,B,C); z – độ cao tính toán; σvl – mạch xung động tiêu chuẩn của vận tốc gió xác định bởi công thức: ( ) 1/2 0 = vl vlS dσ ω ω ∞      ∫ , (4) Trong đó: Svl(ω) – Mật độ phổ tương hỗ của xung dọc vận tốc gió; ω – tần số (rad/s). Hiện tại, theo tiêu chuẩn xây dựng sử dụng công thức thực nghiệm mật độ phổ tương hỗ của xung dọc vận tốc Davenport, thu được trên cơ sở phân tích phổ khi có gió mạnh có dạng như sau [6]: ( ) 2 2 0 0 4/32 2= 1 vl V u S u k ω ω  +  , (5) Trong đó: 0V – tốc độ gió trung bình ở độ cao tiêu chuẩn 10m; k0 - hệ số cản của bề mặt (k0 được lấy giá trị 0,005 với địa hình trống trải; 0,01 với địa hình nhiều cây cối và ngoại ô; 0,04 với khu vực thành phố); u – đại lượng được tính bởi công thức: L u V ω = , (6) Trong đó: L = 1200 m – quy mô chiều dài vùng gió; V – tốc độ gió trung bình ở độ cao đang xét. Thay các công thức từ (3) – (6) vào công thức (2), hệ số áp lực động của gió được xác định bởi công thức: 1/2 2 2 0 0 4/32 0 2 = 2 10 1 −∞                   +          ∫c L k V zV d L V α ω ζ α ω ωω (7) Biểu thức này cho tổng giá trị hệ số áp lực động ζ trên toàn bộ phổ biến động hỗn loạn của tốc độ gió. Theo đó, xác định được tất cả ứng xử của kết cấu trong trường hợp gió giật (chuyển vị, nội lực, ứng suất,...) trên cơ sở hệ số áp lực động ζ - cũng là giá trị tổng hệ số áp lực động diễn ra trong toàn bộ dải tần số của gió. Phương pháp này thường áp dụng cho các tòa nhà. Tuy nhiên, đối với các công trình thép có độ cao lớn, cần phải xác định phản ứng động học của công trình dưới tác dụng của gió giật theo hai giải tần số chuẩn tĩnh và cộng hưởng như: khi tính toán các công trình theo cường độ mỏi và tuổi thọ, khi tính toán các công trình có kết cấu chịu lực gắn ăng ten định hướng theo trạng thái giới hạn thứ hai, và khi tính toán dao động của giảm chấn được lắp đặt trên công trình [3],... Trong những trường hợp này cần phải sử dụng giá trị hệ số áp lực động ζ được xác định riêng cho các thành phần chuẩn tĩnh ζct và cộng hưởng ζch của phổ biến động hỗn loạn áp lực gió. Do vậy, đề xuất phân chia tần số khoảng từ 0 đến ∞ vào thành hai vùng: chuẩn tĩnh (0 – 0,5ω0) và cộng hưởng (0,5 ω0 – ∞). Lấy tích phân công thức (7) với hai vùng này, ta có: 1/2 0 1/32 1= 6 3 1 10 1 ct o z k L V α ζ ω −            −          +             , (8) 1/2 0 1/32 1= 6 3 10 1 ch o z k L V α ζ ω −                       +             , 9) Trong đó: ω0 - tần số dao động riêng của kết cấu. Khi đó, các thành phần động của áp lực gió không xác định theo công thức (1), mà theo biểu thức sau [4]: 2 2W W Wp pct pch= + , (10) W Wpct ct m ct ct ctk ξ ζ ν= , (11) W Wpch ch m ch ch chk ξ ζ ν= , (12) Trong công thức (11) hệ số động lực chuẩn tĩnh ξct bằng 1, hệ số động lực cộng hưởng ξch trong công thức (12) được tính theo công thức sau [5]: *ch C π ξ δ = , (13) Trong đó δ là sự suy giảm dao động của kết cấu, C* là hệ số phụ thuộc vào sự suy giảm của dao động được dẫn trong bảng 1 [5]. Hình 1. Phổ năng lượng phản ứng động học của công trình phụ thuộc vào tần số Hình 2. Tỷ lệ chuyển vị công trình do thành phần chuẩn tĩnh và thành phần cộng hưởng gây ra phụ thuộc vào chu kỳ dao động riêng của công trình 39 S¬ 28 - 2017 Hệ số tương quan υct = 1 trong (11), và υch trong (12) được xác định theo biểu đồ trong hình 3 [4]. Trong đó h – chiều cao của công trình; c – đặc trưng kích thước tiết diện ngang; hV – tốc độ gió trung bình ở độ cao h. Trong hình 2 các đường cong đánh số 0,5; 1; 2; 3 đặc trưng cho tỷ lệ h/c. Công thức (11) và (12) khác với công thức (1) chỉ bởi một yếu tố: hệ số chuẩn tĩnh kct trong (11) và hệ số cộng hưởng kch trong (12). Các hệ số này đặc trưng cho tỷ lệ tham gia của mỗi thành phần (chuẩn tĩnh và cộng hưởng) trong giá trị ứng xử động học của công trình khi gió giật. Tỷ lệ tham gia này cũng được biểu thị trên hình 4, trong đó các giá trị kct và kch được biểu diễn phụ thuộc vào chu kỳ dao động của công trình [3]. Thay các đại lượng trên vào công thức (11) và (12) ta có: W W 1 1 Wpct ct m ct ct m ctk kζ ζ= ⋅ ⋅ ⋅ = , (14) *W W 3,14 W 3,87 W 0,1 8,1 pch ch m ch ch ch m ch ch ch m ch ch k C k k π ζ ν δ ζ ν ζ ν = = = ⋅ ⋅ (15) Qua các phân tích trên thấy rằng việc xác định ứng xử của các công trình với gió giật theo các dải tần số chuẩn tĩnh và tần số cộng hưởng cho kết cấu cao và mảnh cho phép: - Tính toán chính xác hơn áp lực gió động tác dụng lên công trình so với phương pháp hiện hành. - Có được giá trị biên độ dao động tính toán chính xác hơn, vì các công trình có giảm chấn thấp có quá trình chuyển vị liên tục. - Thiết kế và lắp đặt bộ giảm chấn phù hợp để giảm biên độ dao động (giảm biên độ dao động của công trình trong dải tần số cộng hưởng)./. Bảng 1: Giá trị của hệ số C* phụ thuộc vào độ giảm loga dao động δ δ C* δ C* 0,01 9,3 0,1 8,1 0,02 9,14 0,112 7,9 0,03 9,1 0,15 7,5 0,04 8,9 0,2 7,14 0,05 8,78 0,25 6,6 0,08 8,4 0,3 6,2 Hình 4. Tỷ lệ thành phần hệ số chuẩn tĩnh và cộng hưởng phụ thuộc vào chu kỳ dao động riêng Hình 3. Biểu đồ xác định hệ số tương quan trong phạm vi cộng hưởng của tần số tùy thuộc vào giá trị của h/c và 0 hh / Vω 0 hh / Vω 2 chν Tài liệu tham khảo 1. Phạm Văn Hội, Nguyễn Quang Viên, Phạm Văn Tư, Đoàn Ngọc Tranh, Hoàng Văn Quang, Kết cấu thép (Công trình dân dụng và công nghiệp), Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 232-233, 1998. 2. TCXD 229-1999: Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió. 3. Остроумов Б. В., Исследования, разработка и внедрение высотных сооружений с гасителями колебаний, Дис. доктора техн. наук, Москва, 317-324, 2003. 4. Остроумов Б.В., Гусев М.А., Бредов, Методика расчета высоких гибких сооружений с низким демпфированием на пульсационную составляющую ветровой нагрузк, Промышленное и гражданское строительство № 5, ЦНИИПСК им. Мельникова, 9-11, 2008. 5. Никитин П.В. Расчет высотных сооружений на воздействие порывов ветра. Промышленное и гражданское строительство, № 6, ЦНИИПСК им. Мельникова, 21-22, 2006. 6. Davenport A. C, The Spectrum of Horizontal Gustiness Near the Ground in High Winds, J. Royal Meteorol, Soc. 87, 1961.