Ảnh hưởng của địa hình đến áp lực gió
1. Giới thiệu
Khi công trình trên nền đất cao, đồi hoặc núi, áp lực gió tác động lên công trình thay đổi mạnh vì các yếu tố địa hình làm thay đổi dòng không khí đi qua. Các yếu tố này như những chướng ngại vật làm gia tăng vận tốc gió, dẫn đến hiệu ứng gia tăng áp lực gió lên công trình. Phần lớn tiêu chuẩn các nước đều có những phương pháp để đánh giá hiệu ứng này.
Một số tiêu chuẩn đưa ra rất ít hoặc không chính xác chỉ dẫn về đánh giá hiệu ứng gia tăng áp lực gió lên công trình. Các tiêu chuẩn tải trọng gió sử dụng các phương pháp káhc nhau để tăng áp lực gió thiết kế khi công trình nằm trên các yếu tố địa hình. Do đó, kết quả thu được từ mỗi phương pháp này có thể rất khác nhau. Trong các tiêu chuẩn hay sử dụng, tiêu chuẩn của Hiệp hội kỹ sư xây dựng Hoa Kỳ ASCE/SEI 7-05 và của Hiệp hội Tiêu chuẩn Úc AS/NZS 1170.2:2002 chỉ dẫn khá chi tiết để tính toán tải trọng gió kể đến ảnh hưởng của điều kiện địa hình. Tuy nhiên, khi áp dụng từng tiêu chuẩn cho công trình cụ thể, các kết quả thu được khác nhau khá xa. Tại một số cao độ tính toán áp lực gió cho công trình, sự chênh lệch về vận tốc gió là 11%, dẫn đến chênh lệch về áp lực gió lên đến 23%. Qua nghiên cứu, hai tiêu chuẩn này bộc lộ một số hạn chế cần phải soát xét lại. Tiêu chuẩn Tải trọng và tác động của Việt Nam, TCVN 2737-95 có đưa ra chỉ dẫn kể đến ảnh hưởng của yếu tố công trình đặt trên nền đất cao. Tuy nhiên, chỉ dẫn này chưa chính xác nên khi áp dụng áp lực gió thu được thấp hơn rất nhiều so với kết quả thu được từ những tiêu chuẩn khác.
Từ những lý do trên, việc so sánh các tiêu chuẩn và đánh giá sự tác động của địa hình đến áp lực gió là rất cần thiết. Bằng việc xác định vận tốc gió trên một số điều kiện địa hình, địa vật cụ thể, những bất cập trong các tiêu chuẩn sẽ được phát hiện phục vụ cho việc soát xét tiêu chuẩn về áp lực gió và gợi ý cho hướng nghiên cứu sâu hơn. Những chỉ dẫn tính toán vận tốc gió trên các địa hình phức tạp ở Việt Nam còn hạn chế, do đó, đây có thể là tài liệu tham khảo cho thiết kế áp lực gió lên công trình ở những địa hình phức tạp và cho việc khai thác năng lượng gió.
2. Phương pháp đánh giá
2.1. Ảnh hưởng của điều kiện địa hình theo TCVN 2737-95
TCVN 2737-95 không có chỉ dẫn tính toán để xác định áp lực gió lên những công trình trên sườn đồi, núi. Duy nhất công trình trên nền đất cao được quan tâm. Sự tăng áp lực gió được kể đến bằng việc tăng chiều cao tính toán áp lực gió so với chiều cao thực tế. Nói cách khác, mặt đất tính toán được hạ thấp đặt kết cấu vào vùng có vận tốc gió cao hơn trong lớp biên khí quyển. Lớp biên khí quyển là lớp tiếp xúc với mặt đất và vận tốc gió trong lớp này còn chịu ảnh hưởng bởi ma sát của bề mặt trái đất. Khi độ dốc trung bình, i, của một nền đất cao lớn hơn 30%, cao độ mặt đất tính toán được hạ thấp xuống một khoảng z0 từ cao độ thực tế. Do đó, độ cao thực tế, z, được tăng lên đến (z+z0) để tính toán áp lực gió thiết kế cho công trình. Nếu công trình ở bên trái điểm A hoặc bên phải điểm D thì z0 = 0, nếu công trình trên sườn dốc từ A đến B hoặc trên đoạn CD, z0 được nôin suy tuyến tính từ khu vực bên cạnh. Khi công trình trên đoạn BC, z0 được tính toán như sau:
-/Khi 0.30 < i < 2 thì z0 =
; H và L lần lượt là chiều cao chiều dài của sườn dốc i = H/L
- Khi i ≥ 2 thì z0 = H
Áp lực gió tĩnh tiêu chuẩn tính toán theo công thức:
W=
(a.1)
Trong đó, k là hệ số kể đến sự thay đổi của dạng bề mặt địa hình và sự thay đổi áp lực gió theo độ cao, ở độ cao dưới 3 mét so với mặt đất, phần lớn các tiêu chuẩn khác coi k là hằng số, trong khi TCVN 2737 -95 chưa có chỉ định, c là hệ số áp lực và W0 là áplực gió tiêu chuẩn có thể lấy theo Bản đồ Phân vùng áp lực Gió hoặc tính toán theo công thức sau:
W0 = 0.0613* V20 (DaN/m2) (a.2)
ở đây, V0 là vận tốc gió trung bình tính bằng mét trên giây trong khoảng 3 giây,