TIỂU LUẬN: Mô hình hóa các công trình trong ống thổi khí động

1. Đặt vấn đề

Xác định tải trọng gió lên công trình bằng thí nghiệm trong ống thổi khí động có nhiều ý nghĩa trong nghiên cứu và thiết kế. Công tác này sẽ giúp phát hiện được ra các hiện tượng mất ổn định khí động và một số hienẹ tượng khác do gió gây ra mà khi tính toán bằng tiêu chuẩn sẽ khó hoặc không thực hiện được. Ngoài ra, công tác này còn có nhiều ý nghĩa trong việc giảm giá thành của công trình xây dựng vì tải trọng gió lên công trình khi xác định bằng thí nghiệm trong ống thổi khí động thường nhỏ hơn khoảng 15% so với tải trọng khi xác định bằng tiêu chuẩn. Trong các công đoạn quan trọng và có ảnh hưởng rất lớn đến kết quả thí nghiệm. Công đoạn này khá phức tạp, đòi hỏi phải có các kiến thức về mô hình hóa và về gió

2. Mục tiêu của thí nghiệm trong ống thổi khí động

- Xác định các tải trọng tác động đến công trình dưới tác động của gió;

- Hình dạng của lớp biên (boundary layer profile) và cường độ nhiễu loạn;

- Cường độ và khoảng tời gian của gió lớn nhất;

- Ảnh hưởng của các công trình xung quanh đến công trình;

- Các hiện tượng kéo, kích động xoáy và tách dòng từ bề mặt công trình;

- Các phản ứng động học như: hiện tượng kích động xoáy vàv lock-in (vortex sheđing and lọc-in phenomenon); galloping, torsional divergence, flutter và buffeting response;

- Tải trọng tác động lên các lớp vật liệu bao che;

- Các tác động đối với vùng lân cận (sự ổn định của các phương tiện giao thông và người đi bộ);

- Tác động cuảt chuyển động gió đến con người;

- Tác động của va chạm mạnh;

- Sự phá hoại của các vật thể bay đến các kết cấu;

- Sự xâm nhập của độ ẩm;

- Các vấn đề về kiểm soát ô nhiễm.

3. Các điều kiện cần thiết cho thí nghiệm trong ống thổi khí động

a) Đảm bảo điều kiện tương tự về phân bố theo chiều cao của vận tốc gió

Sự phân bố theo chiều cao của vận tốc gió thực và của vận tốc trong ống thổi khí động phải tương tự như nhau.

b) Đảm bảo điều kiện tương tự về sự phân bố của độ rối l_v­, l_u, l_w

Sự phân bố độ rối của vận tốc gió thực và của vận tốc gió trong ống thổi khí động phải tương tự như nhau.

c) Phổ năng lượng của vận tốc gió

Phổ năng lượng của vận tốc gió thực và của vận tốc gió trong ống thổi khí động phải tương tự như nhau.

d) Mô hình  thí nghiệm và địa hình xung quanh sẽ được mô phỏng như đúng như thực tế

e) Diện tích chắn gió của mô hình phải nhỏ hơn 8% diện tích mặt cắt ngang của ống thổi khí động, trừ trường hợp có điều chỉnh kết quả, để tránh hiện tượng blockage (nếu diện tích chắn gió của mô hình lớn quá sẽ làm sai kết quả đo)

f) Gradient áp lực gió dọc trong khu vực thí nghiệm cần được kể đến

g) Các ảnh hưởng của số Revnolds đối với áp lực và các lực phải được giảm thiểu

h) Các tính năng của thiết bị đo phải đáp ứng các yêu cầu của từng thí nghiệm

4. Phân loại mô hình thí nghiệm

Các loại mô hình thí nghiệm trong ống thổi khí động được thể hiện trong hình 1.

Hình 1. Sơ đồ các loại mô hình thí nghiệm trong ống thổi khí động

Hình 2. Thí nghiệm trong ống thổi khí động cho công trình Trung tâm tài chính thế giới Thượng Hải 

5. Vật liệu chế tạo mô hình

5.1. Vật liệu chính

Vật liệu làm mô hình thường bằng gỗ, xốp, hợp kim, nhôm hoặc bằng nhựa methyl methacrylate (với tên thường gọi Plexiglas, Lucite hoặc Perspex).

- Vật liệu gỗ:

Ưu điểm: rẻ.

Nhược điểm: khó quan sát các thiết bị bên trong mô hình, khó chế tạo các mô hình phức tạp.

- Vật liệu nhựa:

Ưu điểm: dễ tạo hình (có thể uốn cong với nhiệt độ khoảng 200^oC ), dễ quan sát các thiết bị bên trong mô hình;

Nhược điểm: đắt hơn vật liệu gỗ.

5.2. Vật liệu phụ

- Các viên chì để tạo khối lượng;

- Các lò xo;

- Các thanh và tấm nhựa để làm mô hình;

- Các chất dùng làm vật liệu cản (mật ong, dầu nhờn,...)

- Các loại keo liên kết.

6. Các quy luật mô hình hóa

Cơ sở của các thí nghiệm trong ống thổi khí động là giả thiết rằng các lực và phản ứng của kết cấu được tỷ lệ theo tương quan điều kiện gió và hệ số tỷ lệ kết cấu.

Tỷ lệ hình học của mô hình cho các kết cấu thông thường là 1/300 đến 1/400, đối với các kết cấu cầu thông thường là 1/200.

Các tham số phi thứ nguyên trong thí nghiệm ống thổi khí động được thể hiện ở bảng 1.

Bảng 1. Các tham số phi thứ nguyên trong thí nghiệm ống thổi khí động

6.1. Mô hình cứng (dùng để đo áp lực bề mặt)

Cấu tạo mô hình thí nghiệm phải thỏa mãn các phương trình tương tự sau:

        D_thuc = m.D _{mohinh                                                      ­}(9)

        A_thuc = m². A _mohinh                                                  (10)

6.2. Mô hình xoay (dùng để đo lực, mômen)

Cấu tạo mô hình này phải thỏa mãn các phương trình tương tự như mô hình cứng (dùng để đo lực, mômen và áp lực bề mặt).

6.3. Mô hình đàn hồi khí (để đo dịch chuyển tĩnh và ứng suất)

Cấu tạo mô hình này khi các mô hình mềm được sử dụng cho việc đo độ võng hoặc ứng suất thì các tham số tương tự là số Reynolds, số Froude, số đàn hồi. Tuy nhiên do không thể thỏa mãn đồng thời cả ba tham số này cho nên số Froude và số đàn hồi được kết hợp lại. Các phương trình tương tự là:

Thông thường thì khó có thể tương tự được tỷ lệ E/D vì các vật liệu có mô đun đàn hồi chuẩn là không sẵn có. Có nhiều phương pháp để xấp xỉ. Độ cứng chính xác có thể có được bằng cách thay đổi tiết diện và phủ lên mô hình một lớp làm nhẵn hoặc gắn các lò xo để tạo ra các phần tử cứng tương đối. Ứng suất và chuyển dịch được lấy trực tiếp thông qua E và được tỷ lệ thông qua hệ số tỷ lệ m. Khối lượng riêng được điều chỉnh thông qua các khối lượng có gắn thêm (việc chì,...).

Để tương tự lực cắt (gradient vận tốc), độ nhám bề mặt của nền ống thổi khí động phải theo phương trình  sau:

6.4. Mô hình cứng (để đo lực, mômen và dao động)

Vì các mô hình mềm thường đắt và khó chế tạo, các dao động do gió thường được tương tự bằng các mô hình cứng được gắn trên thanh cứng và chất lỏng hoặc trên các hệ thống cân bằng lực tần số cao. Sự dao động của kết cấu phụ thuộc vào hình dạng, tần số và độ cản và các giá trị thực về khối lượng và độ cứng sẽ không tương ứng.

Mô hình thí nghiệm dạng này phải thỏa mãn các phương trình tương tự sau:

Đối với kết cấu có hai bậc tự do, tất cả các tham số tương tự phải áp dụng cho cả hai mô hình. Ví dụ, các thí nghiệm mặt cắt cầu có các dao động theo phương đứng và xoay, để mô phỏng các chuyển dịch thẳng đứng và xoay của công trình thực.

6.5 Mô hình đàn hồi khí ( dùng để đo dao động)

Mô hình thí nghiệm dạng này phải thỏa mãn các phương trình tương tự sau:

Việc thỏa mãn đồng thời các mối quan hệ theo các phương trình trên là rất khó.

D_thục  = m₁.D_mohinh                                                               (20)

E_thuc  = m₂.E_mohinh                                               (21)

và các phương trình liên hệ khác sẽ là:

Các ứng suất, chuyển vị (x) và góc xoay (θ) được xác định thông qua các phương trình sau:

σ_thuc =  m₂.σ_mohinh                                                  (24)

x_thuc = m₁. x_mohinh                                                          (25)

θ_thuc = θ_mohinh                                                                                      (26)

7. Ví dụ áp dụng cho mô hình nhà cao tầng

Phần này trình bày ví dụ mô hình hóa cho công trình nhà cao tầng. Đối với công trình loại này người ta thường dùng mô hình cứng .

Công trình có các thông số cơ bản như sau:

- Chiều cao, chiều rộng, chiều dài: h,b, l;

- Khối lượng riêng: ρ_s^th;

- Tần số dao động riêng theo phương x và y của công trình thực: n_x^th và n_y^th;

7.1. Xác định các tỷ lệ cho mô hình

a) Mômen quán tính của mô hình

b) Độ cứng của mô hình

θ = λ/h                                                                     (29)

θ – Góc xoay của mô hình dưới tác dụng của lực kéo F;

λ – chuyển bị tại đỉnh của mô hình dưới tác dụng của lực kéo F.

G_θ = F.z/θ = F.z/(λ/h)                                              (30)

c) Tần số dao động riêng của mô hình

d) Tỷ lệ về thời gian.

T_r = Tg^mh/Tg^th = n^th/n^mh                         (33)

trong đó:

Tg^mh- thời gian thí nghiệm trong ống thổi khí động;

Tg^th – thời gian ngoài thực tế;

 n^th -   tần số dao động riêng của công trình thực.

e) Tỷ lệ vận tốc

V_r = L_r/T_r

d) Độ cản của mô hình

 Độ cản của mô hình dùng trong thí nghiệm được tạo bằng chất lỏng (dầu, mật ong) hoặc bằng từ trường. Thông thường trong các thí nghiệm, thường dùng độ cản là 1% đối với kết cấu thép, 1,5% đối với kết cấu liên hợp thép hình và bê tông, và 2% đối với kết cấu bê tông cốt thép.

7.2. Các giá trị cần đo đạc

M_x và M_y (mômen theo hai phương X và Y tại chân mô hình) là hàm của vận tốc gió và hướng gió tác dụng lên mô hình. Đây là hai thông số chính xác định thông qua các phuiến đo biến dạng gắn trên thanh kim loại.

8. Kết luận

Thí nghiệm mô hình các dạng công trình trong ống thổi khí động phục vụ rất nhiều cho công tác nghiên cứu và thiết kế. Công việc này đòi hỏi cán bộ nghiên cứu phải có các kiến thức về mô hình hóa và về gió. Tùy theo yêu cầu của thí nghiệm mà chúng ta áp dụng loại mô hình thích hợp và đối với từng loại mô hình sẽ có các yêu cầu khác nhau. Đến nay Phòng Thí nghiệm gió – Viện KHCN xây dựng đã tiến hành thí nghiệm cho một số công trình:

-         Trung tâm hội nghị Quốc gia (Hà Nội).

-         Tòa Tháp Tài chính Bitexco (Hồ Chí Minh).

-         Tổ hợp công trình Keangnam (Hà Nội).

-         Tòa nhà PV GAS (Hồ CHí Minh)

-         Tòa nhà Petroland (Hồ CHí Minh)

-         Tòa nhà Trụ sở Hải Quan (Hà Nội)

-         Nhà ga hành khách quốc tế sân bay Đà Nẵng

 

Hình 3: Một số công trình ở Việt Nam đã tiến hành ống thổi khí động

Các cán bộ nghiên cứu tại Việt Nam và Viện KHCN Xây dựng đang từng bước nắm vững công việc này để phục vụ công tác vận hành phòng thí nghiệm gió.

 (Tiểu luận sử dụng một số nguồn tin: T/C KHCN Xây dựng, số 4/2006)    

Related posts: