Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, các công trình xây dựng ngày càng được thiết kế cao và mảnh mai hơn, dẫn đến sự gia tăng các tác động phức tạp của gió lên kết cấu. Theo ước tính, hiện tượng dao động do gió gây ra là nguyên nhân chính dẫn đến các sự cố nghiêm trọng ở nhiều công trình cao tầng trên thế giới. Trong đó, hiện tượng galloping – một dạng dao động không ổn định do gió tác động lên kết cấu mảnh – đang trở thành vấn đề nghiên cứu cấp thiết, đặc biệt tại Việt Nam, nơi chưa có nhiều công trình và tài liệu nghiên cứu chuyên sâu về hiện tượng này.

Luận văn tập trung phân tích hiện tượng galloping của kết cấu mảnh, nhằm làm rõ vai trò của các biến thiên vận tốc gió theo chiều cao và sự liên kết giữa các mode dao động trong việc gây ra hiện tượng này. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi thời gian từ năm 2019 đến 2020, tại Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh, với mục tiêu phát triển các mô hình lý thuyết và phương pháp tính toán phù hợp cho kết cấu mảnh chịu tác động gió, đồng thời khảo sát thực nghiệm trên mô hình tháp Brancusi – một công trình thực tế có chiều cao 29m.

Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần làm rõ cơ chế dao động galloping mà còn cung cấp các công cụ tính toán và tham khảo quan trọng cho việc thiết kế kết cấu chịu gió tại Việt Nam. Điều này có ý nghĩa lớn trong việc nâng cao độ an toàn và hiệu quả kinh tế của các công trình cao tầng, đồng thời hỗ trợ phát triển tiêu chuẩn thiết kế phù hợp với điều kiện khí hậu và địa hình đặc thù của nước ta.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết dao động kết cấu và mô hình tường biên khí quyển. Lý thuyết dao động kết cấu được phát triển từ tiêu chuẩn Den Hartog, tập trung vào điều kiện xuất hiện hiện tượng galloping cho hệ thống một bậc tự do (1DOF) và mở rộng cho hệ hai bậc tự do (2DOFs) có xét đến sự liên kết giữa các mode dao động. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Hiện tượng galloping: dao động không ổn định do lực nâng và lực cản thay đổi theo vận tốc gió và hình dạng kết cấu.
  • Chế độ dao động (mode shape): các dạng biến dạng đặc trưng của kết cấu khi chịu tác động động lực học.
  • Biến thiên vận tốc gió theo chiều cao: mô hình vận tốc gió trung bình và dao động trong tầng biên khí quyển, được mô tả bằng các hàm logarit và các hệ số nhám bề mặt.
  • Ma trận khối lượng, ma trận giảm chấn và ma trận cứng: các thành phần trong phương trình động học của kết cấu đa bậc tự do.

Mô hình tường biên khí quyển được sử dụng để mô phỏng biến thiên vận tốc gió theo chiều cao, với các tham số như chiều cao tầng biên, chiều cao nhám bề mặt và hệ số biến thiên vận tốc gió trung bình theo công thức logarit. Lý thuyết này giúp xác định vận tốc gió tham chiếu và các biến thiên vận tốc gió ngẫu nhiên tác động lên kết cấu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu vận tốc gió thực nghiệm tại tầng biên khí quyển, các thông số kết cấu tháp Brancusi và kết quả thí nghiệm trong hầm gió CRIACIV tại Ý. Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình tháp cao 29m, gồm 15 module với các đặc tính vật liệu và hình học được xác định chi tiết.

Phương pháp phân tích sử dụng kết hợp mô hình toán học và mô phỏng số dựa trên hệ phương trình động học đa bậc tự do, áp dụng ma trận khối lượng, giảm chấn và cứng, cùng với các hệ số lực nâng và lực cản thu thập từ thí nghiệm hầm gió. Phương pháp chọn mẫu là mô hình thực nghiệm có kích thước tỷ lệ, nhằm đảm bảo tính đại diện cho kết cấu thực tế.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2/2019 đến tháng 8/2020, bao gồm các giai đoạn: thiết kế mô hình, thu thập dữ liệu vận tốc gió, xây dựng mô hình toán học, thực hiện thí nghiệm hầm gió, phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xác định vận tốc gió tới hạn U_cr cho hiện tượng galloping: Qua mô hình 2DOFs, vận tốc gió tới hạn được xác định khoảng 25,3 m/s tại chiều cao tham chiếu 10m, phù hợp với kết quả thí nghiệm trên mô hình tháp Brancusi. So với mô hình 1DOF, vận tốc tới hạn giảm khoảng 10%, cho thấy sự liên kết giữa các mode dao động làm tăng nguy cơ galloping.

  2. Ảnh hưởng của biến thiên vận tốc gió theo chiều cao: Biến thiên vận tốc gió trung bình theo chiều cao tuân theo quy luật logarit với hệ số nhám bề mặt z0 = 0,05 m, tương ứng với địa hình có cây cối và công trình thấp. Biến thiên này làm tăng biên độ dao động kết cấu lên đến 15% so với giả định vận tốc gió đồng nhất.

  3. Vai trò của ma trận giảm chấn và liên kết mode: Kết quả phân tích ma trận cho thấy sự liên kết giữa các mode dao động làm giảm hiệu quả giảm chấn, dẫn đến tăng biên độ dao động và giảm vận tốc gió tới hạn. Cụ thể, biên độ dao động tăng khoảng 20% khi xét liên kết mode so với giả định mode tách rời.

  4. So sánh với tiêu chuẩn quốc tế: Kết quả vận tốc gió tới hạn và điều kiện galloping phù hợp với tiêu chuẩn EN 1991-1-4 và các nghiên cứu quốc tế, tuy nhiên có sự khác biệt do điều kiện địa hình và đặc tính kết cấu tại Việt Nam. Điều này nhấn mạnh sự cần thiết điều chỉnh tiêu chuẩn thiết kế phù hợp với điều kiện thực tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng galloping là do sự thay đổi lực nâng và lực cản theo vận tốc gió và hình dạng kết cấu, đặc biệt khi vận tốc gió vượt quá ngưỡng tới hạn. Biến thiên vận tốc gió theo chiều cao làm tăng sự không đồng nhất của lực tác động, từ đó làm tăng biên độ dao động.

So với các nghiên cứu trước đây trên thế giới, luận văn đã mở rộng mô hình từ 1DOF sang 2DOFs, cho phép đánh giá chính xác hơn sự tương tác giữa các mode dao động. Điều này giúp giải thích tại sao các công trình cao tầng mảnh mai dễ bị galloping hơn so với dự đoán truyền thống.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ vận tốc gió tới hạn theo chiều cao, bảng so sánh biên độ dao động giữa các mô hình 1DOF và 2DOFs, cũng như biểu đồ phân bố vận tốc gió trung bình theo chiều cao theo mô hình logarit. Các bảng số liệu chi tiết về ma trận khối lượng, giảm chấn và cứng cũng hỗ trợ minh họa cho phân tích.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế kết cấu chịu gió an toàn hơn, đồng thời đề xuất các tiêu chuẩn thiết kế phù hợp với điều kiện khí hậu và địa hình Việt Nam, góp phần giảm thiểu rủi ro do hiện tượng galloping gây ra.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng mô hình 2DOFs trong thiết kế kết cấu mảnh: Khuyến nghị các kỹ sư sử dụng mô hình đa bậc tự do để tính toán hiện tượng galloping, nhằm nâng cao độ chính xác và an toàn cho công trình. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án thiết kế hiện tại và tương lai.

  2. Xây dựng tiêu chuẩn thiết kế gió phù hợp với điều kiện Việt Nam: Cần phát triển và cập nhật tiêu chuẩn thiết kế gió, bao gồm các tham số vận tốc gió trung bình và biến thiên theo địa hình đặc thù. Chủ thể thực hiện: Bộ Xây dựng và các viện nghiên cứu trong vòng 2 năm tới.

  3. Tăng cường thí nghiệm hầm gió và mô phỏng số: Đầu tư trang thiết bị và nghiên cứu thí nghiệm hầm gió để thu thập dữ liệu thực nghiệm chính xác, phục vụ cho việc hiệu chỉnh mô hình lý thuyết. Chủ thể thực hiện: các trường đại học và trung tâm nghiên cứu, trong 3 năm tới.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức kỹ sư xây dựng: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về hiện tượng galloping và tác động gió cho kỹ sư thiết kế và thi công. Thời gian: liên tục hàng năm, do các trường đại học và hiệp hội kỹ sư đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu cao tầng: Nghiên cứu cung cấp các công cụ và phương pháp tính toán hiện đại, giúp thiết kế kết cấu chịu gió an toàn và hiệu quả hơn.

  2. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành kỹ thuật xây dựng: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá cho việc giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về động lực học kết cấu và tác động gió.

  3. Cơ quan quản lý xây dựng và tiêu chuẩn: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng và điều chỉnh các tiêu chuẩn thiết kế gió phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam.

  4. Chủ đầu tư và nhà thầu xây dựng: Hiểu rõ các rủi ro liên quan đến dao động gió, từ đó đưa ra các quyết định đầu tư và thi công hợp lý, đảm bảo an toàn công trình.

Câu hỏi thường gặp

  1. Galloping là gì và tại sao nó quan trọng trong thiết kế kết cấu?
    Galloping là hiện tượng dao động không ổn định do gió tác động lên kết cấu mảnh, có thể gây ra rung lắc lớn và hư hỏng công trình. Ví dụ, tháp truyền hình và cột đèn cao thường gặp hiện tượng này nếu không được thiết kế đúng cách.

  2. Phân biệt giữa mô hình 1DOF và 2DOFs trong phân tích galloping?
    Mô hình 1DOF chỉ xét một bậc tự do dao động, trong khi 2DOFs xét hai bậc tự do và sự liên kết giữa chúng, giúp mô phỏng chính xác hơn các dao động phức tạp của kết cấu thực tế.

  3. Biến thiên vận tốc gió theo chiều cao ảnh hưởng thế nào đến kết cấu?
    Vận tốc gió thay đổi theo chiều cao làm lực tác động lên kết cấu không đồng nhất, tăng nguy cơ dao động và giảm vận tốc gió tới hạn gây galloping, do đó cần được tính toán chính xác trong thiết kế.

  4. Tiêu chuẩn nào được sử dụng để đánh giá hiện tượng galloping?
    Tiêu chuẩn EN 1991-1-4 và tiêu chuẩn Den Hartog là các cơ sở lý thuyết phổ biến, tuy nhiên cần điều chỉnh phù hợp với điều kiện địa hình và khí hậu Việt Nam.

  5. Làm thế nào để giảm thiểu hiện tượng galloping trong thiết kế?
    Có thể sử dụng các biện pháp như tăng giảm chấn, thay đổi hình dạng tiết diện kết cấu, hoặc thiết kế hệ thống liên kết các mode dao động để giảm biên độ rung. Ví dụ, các công trình cao tầng hiện đại thường tích hợp hệ thống giảm chấn chủ động hoặc thụ động.

Kết luận

  • Luận văn đã phát triển thành công mô hình lý thuyết và phương pháp tính toán hiện tượng galloping cho kết cấu mảnh với hệ hai bậc tự do, phù hợp với điều kiện Việt Nam.
  • Xác định vận tốc gió tới hạn và vai trò của biến thiên vận tốc gió theo chiều cao trong việc gây ra hiện tượng galloping.
  • Minh chứng thực nghiệm trên mô hình tháp Brancusi và thí nghiệm hầm gió CRIACIV đã xác nhận tính chính xác của mô hình.
  • Đề xuất các giải pháp thiết kế và tiêu chuẩn phù hợp nhằm nâng cao an toàn kết cấu chịu gió.
  • Khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu mở rộng và ứng dụng trong thiết kế công trình cao tầng tại Việt Nam trong vòng 2-3 năm tới.

Hành động tiếp theo là áp dụng kết quả nghiên cứu vào các dự án thiết kế thực tế và phối hợp với các cơ quan quản lý để cập nhật tiêu chuẩn xây dựng. Để biết thêm chi tiết và nhận tư vấn chuyên sâu, quý độc giả và chuyên gia có thể liên hệ trực tiếp với tác giả hoặc Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh.