Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xác định tải trọng gió lên kết cấu pano tấm lớn trong điều kiện Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG NGUYỄN LỆ THỦY NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG GIÓ LÊN KẾT CẤU PANO TẤM LỚN TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT HÀ NỘI - 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG NGUYỄN LỆ THỦY NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG GIÓ LÊN KẾT CẤU PANO TẤM LỚN TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG MÃ SỐ: 9580201 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. NGUYỄN HỒNG SƠN 2. TS. VŨ THÀNH TRUNG HÀ NỘI - 2023 LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu sinh xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với tập thể người hướng dẫn khoa học PGS. TS Nguyễn Hồng Sơn, TS. Vũ Thành Trung đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và cho nhiều chỉ dẫn khoa học có giá trị nhằm giúp cho nghiên cứu sinh hoàn thành luận án này, cũng như nâng cao năng lực khoa học, phương pháp nghiên cứu. Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Khoa học công nghệ xây dựng, Viện Chuyên ngành kết cấu công trình xây dựng, Trung tâm Kết cấu thép và Xây dựng đã tạo mọi điều kiện và giúp đỡ nghiên cứu sinh hoàn thành luận án. Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học trong và ngoài Viện Khoa học công nghệ xây dựng đã tận tình chia sẻ, trao đổi kiến thức, động viên và giúp đỡ nghiên cứu sinh trong quá trình thực hiện luận án. Cuối cùng, nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng cảm ơn đối với những người thân trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã thông cảm, động viên và chia sẻ những khó khăn với nghiên cứu sinh trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện luận án. Nghiên cứu sinh Nguyễn Lệ Thủy ii LỜI CAM ĐOAN Tôi là Nguyễn Lệ Thủy xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào. Các nguồn thông tin và số liệu sử dụng trong luận án được trích dẫn rõ ràng. Nghiên cứu sinh Nguyễn Lệ Thủy iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii LỜI CAM ĐOAN .....................................................................................................iii MỤC LỤC .............................................................................................................. iv DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .......................................................................... vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... ix DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................... xi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ................................................................................. xii MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài nghiên cứu ........................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu ......................................................................................... 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................... 2 4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................. 2 5. Nội dung nghiên cứu ......................................................................................... 2 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu .................................... 3 7. Cấu trúc luận án ................................................................................................ 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ..................................................................................... 5 1.1. Đặt vấn đề ....................................................................................................... 5 1.2. Kết cấu bảng quảng cáo ................................................................................. 5 1.2.1. Khái niệm chung và phân loại .............................................................. 5 1.2.2. Đặc điểm kết cấu chịu lực .................................................................... 8 1.2.3. Các hư hỏng và nguyên nhân gây hư hỏng........................................... 9 1.3. Gió và tải trọng gió lên bảng quảng cáo..................................................... 12 1.3.1. Khái quát về gió .................................................................................. 12 1.3.2. Tiêu chuẩn tính toán tải trọng gió ....................................................... 13 1.3.3. Tải trọng gió lên kết cấu theo điều kiện Việt Nam............................. 13 1.4. Công cụ mô phỏng số và thí nghiệm bảng quảng cáo ............................... 13 1.4.1. Mô phỏng số bằng phần mềm............................................................. 13 1.4.2. Thí nghiệm trong ống thổi khí động ................................................... 14 1.5. Các nghiên cứu gần đây ở trong và ngoài nước về bảng quảng cáo ....... 18 1.5.1. Trong nước ......................................................................................... 18 iv 1.5.2. Ngoài nước ......................................................................................... 18 1.6. Vấn đề nghiên cứu đạt được và hướng nghiên cứu tiếp theo................... 30 1.7. Kết luận chương 1 ........................................................................................ 32 CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ LÊN PANO TẤM LỚN THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN ................................................................... 33 2.1. Đặt vấn đề ..................................................................................................... 33 2.2. Các vấn đề về thông số gió và hệ số chuyển đổi vận tốc gió ..................... 33 2.2.1. Profile vận tốc gió ............................................................................... 33 2.2.2. Profile độ rối ....................................................................................... 34 2.2.3. Chiều dài rối ....................................................................................... 35 2.2.4. Hệ số chuyển đổi vận tốc gió theo các chu kỳ lặp.............................. 35 2.3. Tính toán tải trọng gió lên pano bảng quảng cáo ..................................... 36 2.3.1. Hệ số khí động và lực gió theo một số tiêu chuẩn.............................. 36 2.3.2. Xây dựng quy trình tính toán .............................................................. 38 2.3.3. Lập bảng tính và ví dụ tính toán ......................................................... 45 2.4. Kết luận chương 2 ........................................................................................ 54 CHƯƠNG 3. KHẢO SÁT THAM SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ SỐ KHÍ ĐỘNG VÀ LỰC GIÓ BẰNG PHẦN MỀM ANSYS FLUENT ................. 55 3.1. Đặt vấn đề ..................................................................................................... 55 3.2. Cơ sở lý thuyết và quy trình mô phỏng số CFD ........................................ 56 3.2.1. Cơ sở lý thuyết .................................................................................... 56 3.2.2. Quy trình mô phỏng số CFD .............................................................. 56 3.2.3. Cụ thể hóa mô phỏng số trong Ansys Fluent ..................................... 63 3.3. Lựa chọn thông số mô phỏng trong phần mềm Ansys Fluent ................. 65 3.3.1. Lựa chọn kích thước vùng không gian mô phỏng .............................. 66 3.3.2. Lựa chọn mô hình dòng chảy rối ........................................................ 67 3.3.3. Lựa chọn mô tả hàm tường ................................................................. 68 3.3.4. Lực gió tác động lên pano .................................................................. 70 3.4. Khảo sát tham số ảnh hưởng đến hệ số khí động và lực gió .................... 72 3.4.1. Mẫu thử nghiệm số ............................................................................. 72 3.4.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ mẫu..................................................................... 74 3.4.3. Ảnh hưởng của mô hình chảy rối ....................................................... 76 3.4.4. Ảnh hưởng của dạng địa hình ............................................................. 78 3.4.5. Ảnh hưởng của profile vận tốc gió ..................................................... 79 3.4.6. Ảnh hưởng của hướng gió .................................................................. 81 v 3.4.7. Nhận xét kết quả tính .......................................................................... 84 3.5. Kết luận chương 3 ........................................................................................ 85 CHƯƠNG 4. THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH BẢNG QUẢNG CÁO TRONG ỐNG THỔI KHÍ ĐỘNG THEO ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM ..................... 87 4.1. Đặt vấn đề ..................................................................................................... 87 4.2. Xây dựng quy trình thí nghiệm................................................................... 87 4.3. Thiết lập thí nghiệm mô hình ...................................................................... 93 4.3.1. Thiết lập môi trường gió ..................................................................... 93 4.3.2. Thiết lập mô hình thí nghiệm ............................................................. 93 4.3.3. Thí nghiệm và ghi kết quả .................................................................. 96 4.4. Kết quả thí nghiệm và bàn luận ................................................................ 113 4.4.1. Kiểm chứng kết quả thí nghiệm ....................................................... 113 4.4.2. Ảnh hưởng của hướng gió đến các lực gió ....................................... 114 4.4.3. Ảnh hưởng của độ cao đặt pano đến các lực gió .............................. 114 4.4.4. Nhận xét kết quả ............................................................................... 115 4.5. Đề xuất giá trị Cf,x và tỷ số ey/b áp dụng cho bảng quảng cáo ............... 115 4.6. Kết luận chương 4 ...................................................................................... 117 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI VỀ KHOA HỌC CỦA LUẬN ÁN ....................... 118 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 119 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .................... 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................... 121 CÁC PHỤ LỤC ...................................................................................................... 131 vi DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Chương 1. Hình 1.1. Các phương tiện quảng cáo ngoài trời [97] ...............................................6 Hình 1.2. Minh họa việc phân loại bảng quảng cáo [17] ..........................................7 Hình 1.3. Sự cố đổ cột bảng quảng cáo tại Tp. Hồ Chí Minh [17] ...........................9 Hình 1.4. Minh họa các hư hỏng bảng quảng cáo thường gặp [17] ........................10 Hình 1.5. Mô hình thí nghiệm của Ziauddin S. M. (2016) [83] ..............................19 Hình 1.6. Mô hình thí nghiệm của Li Z., và cộng sự (2018) [60] ...........................20 Hình 1.7. Mô hình thí nghiệm của Wang D., và cộng sự (2016) [88] .....................20 Hình 1.8. Mô hình thí nghiệm của Delong Zuo và cộng sự (2014) [42] .................22 Hình 1.9. Mô hình thí nghiệm của Meyer và cộng sự (2017) [64] .......................... 25 Hình 1.10. Mô hình thí nghiệm của Warnitchai, P. et al. (2009) [86].......................27 Hình 1.11. Phân bố hệ số lực trên bề mặt pano [86] .................................................27 Hình 1.12. Ứng suất và chuyển vị ngang lớn nhất [27]............................................. 30 Chương 2. Hình 2.1. Ký hiệu kích thước và vị trí lực tác động [13] ........................................ 42 Hình 2.2. Lực tập trung quy đổi tác động lên pano [23] ......................................... 44 Hình 2.3. Cấu tạo kết cấu bảng quảng cáo .............................................................. 46 Hình 2.4. Kích thước hình học và vị trí lực gió tác động ........................................46 Hình 2.5. Kết quả hệ số giật Gf (hệ số kết cấu cscd) ................................................49 Hình 2.6. Kết quả lực chân cột và hệ số giật ........................................................... 50 Chương 3. Hình 3.1. Quy trình cơ bản cho người sử dụng mô phỏng CFD ............................. 57 Hình 3.2. Tóm lược về quy trình kiểm tra và kiểm nghiệm CFD ...........................57 Hình 3.3. Mẫu pano bảng quảng cáo và chia lưới trong Ansys Fluent ...................65 Hình 3.4. Vùng không gian mô phỏng trong Ansys Fluent..................................... 65 Hình 3.5. Giá trị hệ số khí động theo kích thước không gian mô phỏng ................66 Hình 3.6. Phân bố vận tốc chảy tầng và chảy rối trong Ansys Fluent..................... 67 Hình 3.7. Giá trị hệ số khí động theo các mô hình dòng chảy rối ...........................68 Hình 3.8. Giá trị vận tốc theo khoảng cách đến lớp biên ........................................68 Hình 3.9. Giá trị hệ số khí động theo các mô tả hàm tường .................................... 69 Hình 3.10. Phân bố áp suất mặt sau pano khi chảy tầng và chảy rối ........................71 vii Hình 3.11. Phân bố áp suất mặt trước pano khi chảy tầng và chảy rối .....................71 Hình 3.12. Kích thước hình học của mẫu và hướng gió ............................................72 Hình 3.13. Hệ số khí động Cp,x ứng với các mẫu (TL 1:10)......................................75 Hình 3.14. Hệ số khí động Cp,x ứng với các mẫu (TL 1:30)......................................75 Hình 3.15. Lực gió Fx của 03 mẫu (TL 1:10) ............................................................ 76 Hình 3.16. Lực gió Fx của 03 mẫu (TL 1:10) ............................................................ 77 Hình 3.17. Hệ số khí động Cp,x của pano................................................................... 78 Hình 3.18. Lực gió Fx của 03 mẫu (TL 1:10) ............................................................ 79 Hình 3.19. Lực gió Fx của 03 mẫu (186) m (TL 1:10) ............................................80 Hình 3.20. Hệ số khí động Cp,x ứng với các hướng gió khi b/c = 2,8 .......................81 Hình 3.21. Độ lệch tâm tương đối ey/b ứng với các hướng gió khi b/c = 2,8 ...........82 Hình 3.22. Lực gió Fx ứng với các hướng gió khi b/c = 2,8 ...................................... 83 Hình 4.1. Phân bố theo chiều cao của vận tốc gió và độ rối ................................... 90 Hình 4.2. Mô hình hầm gió và các dụng cụ hỗ trợ .................................................. 90 Hình 4.3. Thanh chắn, hàng rào và cục tạo nhám ................................................... 90 Hình 4.4. Ký hiệu kích thước, quy ước chiều lực và góc hướng gió....................... 94 Hình 4.5. Thiết bị JR3 và ký hiệu chiều cho 6 thành phần lực................................95 Hình 4.6. Sơ đồ ống thổi khí động của Viện KHCN Xây dựng ..............................96 Hình 4.7. Hình ảnh mẫu sau chế tạo ........................................................................98 Hình 4.8. Hình ảnh mẫu thí nghiệm M1 đến M6 trong ống thổi khí động.............. 98 Hình 4.9. Kết quả thí nghiệm các mẫu M1 đến M6 ................................................99 Hình 4.10. Kết quả thí nghiệm lực và hệ số lực cho mẫu M1 .................................101 Hình 4.11. Kết quả thí nghiệm lực và hệ số lực cho mẫu M2 .................................102 Hình 4.12. Kết quả thí nghiệm lực và hệ số lực cho mẫu M3 .................................103 Hình 4.13. Kết quả thí nghiệm lực và hệ số lực cho mẫu M4 .................................104 Hình 4.14. Kết quả thí nghiệm lực và hệ số lực cho mẫu M5 .................................105 Hình 4.15. Kết quả thí nghiệm lực và hệ số lực cho mẫu M6 .................................106 Hình 4.16. Minh họa kết quả Fx theo TN, VN95 và VN23 .....................................114 Hình 4.17. Minh họa giá trị Cf,x và ey/b ...................................................................116 viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Chương 1. Bảng 1.1. Thông số chính của thiết bị JR3 ..............................................................17 Bảng 1.2. Kết quả hệ số lực ứng với các dạng pano [41] ........................................21 Bảng 1.3. Hệ số khí động đối với pano bảng quảng cáo [53] .................................. 23 Bảng 1.4. Hệ số khí động trung bình Cf [58] ........................................................... 24 Bảng 1.5. Kích thước mẫu và tỷ số hình học [64] ................................................... 24 Bảng 1.6. Kết quả hệ số lực Cf [64] .........................................................................26 Bảng 1.7. Hệ số xoắn CM,z và tỷ số độ lệch tâm r/b [64] .........................................26 Bảng 1.8. Hệ số khí động Cp [86] ............................................................................ 26 Chương 2. Bảng 2.1. Hệ số khí động theo AS/NZS 1170.2:2011 [30] .....................................37 Bảng 2.2. Các hệ số zg , zmin và  [13] ..................................................................... 40 Bảng 2.3. Giá trị các hệ số cho các dạng địa hình [13]............................................42 Bảng 2.4. So sánh kết quả tính toán ......................................................................... 45 Bảng 2.5. Thông số bảng quảng cáo ........................................................................46 Bảng 2.6. Kết quả tính theo các tiêu chuẩn (Phương án 1) ......................................48 Bảng 2.7. Kết quả tính theo các tiêu chuẩn (Phương án 2) ......................................49 Bảng 2.8. Lực tại chân cột và hệ số giật ..................................................................51 Bảng 2.9. Kết quả hệ số khí động theo TCVN 2737:1995 và TCVN 2737:2023 ...52 Bảng 2.10. Kết quả hệ số lực theo EN 1991-1-4 và ASCE/SEI 7-16 ........................53 Chương 3. Bảng 3.1. Phổ giá trị đánh giá chỉ số Orthogonal Quality và Skewness..................59 Bảng 3.2. Chỉ số Skewness và Orthogonal Quality trong quá trình mô phỏng ....... 60 Bảng 3.3. Một số thông số chính của mô hình và kết quả tính ................................64 Bảng 3.4. Các kích thước không gian mô phỏng (TL 1:10) .................................... 66 Bảng 3.5. Giá trị hệ số khí động theo các mô hình dòng chảy rối ...........................67 Bảng 3.6. Hệ số khí động theo các mô tả hàm tường ..............................................69 Bảng 3.7. Kết quả lực, mô men xoắn và độ lệch tâm ..............................................70 Bảng 3.8. Kích thước mẫu bảng quảng cáo (m) ......................................................72 Bảng 3.9. Hệ số khí động Cp,x của 06 mẫu (TL 1:10 và 1:30) ................................. 74 Bảng 3.10. Hệ số khí động Cp,x ứng với các mô hình dòng rối và tỉ lệ mẫu ..............75 ix Bảng 3.11. Lực gió Fx của 03 mẫu (TL 1:10) ............................................................ 76 Bảng 3.12. Lực gió Fx của 03 mẫu (TL 1:10) ............................................................ 77 Bảng 3.13. Hệ số khí động Cp,x của 06 mẫu...............................................................78 Bảng 3.14. Lực gió Fx của 03 mẫu (TL 1:10) ............................................................ 79 Bảng 3.15. Lực gió Fx của 03 mẫu (TL 1:10) ............................................................ 80 Bảng 3.16. Hệ số khí động Cp,x theo các mô hình dòng rối và tiêu chuẩn .................81 Bảng 3.17. Độ lệch tâm tương đối ey/b theo mô hình dòng rối và tiêu chuẩn ...........82 Bảng 3.18. Lực gió Fx theo mô hình dòng chảy rối và tiêu chuẩn .............................83 Bảng 4.1. Các hệ số để xác định vận tốc gió và độ rối ............................................89 Bảng 4.2. Kích thước nguyên mẫu và mô hình bảng quảng cáo (m).......................94 Bảng 4.3. Tải trọng gió cho mẫu M1 .....................................................................107 Bảng 4.4. Hệ số lực cho mẫu M1 ...........................................................................107 Bảng 4.5. Tải trọng gió cho mẫu M2 .....................................................................108 Bảng 4.6. Hệ số lực cho mẫu M2 ...........................................................................108 Bảng 4.7. Tải trọng gió cho mẫu M3 .....................................................................109 Bảng 4.8. Hệ số lực cho mẫu M3 ...........................................................................109 Bảng 4.9. Tải trọng gió cho mẫu M4 .....................................................................110 Bảng 4.10. Hệ số lực cho mẫu M4 ...........................................................................110 Bảng 4.11. Tải trọng gió cho mẫu M5 .....................................................................111 Bảng 4.12. Hệ số lực cho mẫu M5 ...........................................................................111 Bảng 4.13. Tải trọng gió cho mẫu M6 .....................................................................112 Bảng 4.14. Hệ số lực cho mẫu M6 ...........................................................................112 Bảng 4.15. Kết quả kiểm chứng lực gió Fx ..............................................................113 Bảng 4.16. Đề xuất giá trị Cf,x và tỷ số ey/b .............................................................116 x DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT QCVN Quy chuẩn Việt Nam TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam NCKH Nghiên cứu khoa học VN95 TCVN 2737:1995 VN23 TCVN 2737:2023 EN EN 1991-1-4 CFD Động lực học chất lưu (Computational Fluid Dynamics) DES Mô phỏng dòng xoáy tách rời (Detached Eddy Simulation) DPMS Thiết bị đo áp lực động (Dynamic Pressure Measurement System) FVM Phương pháp thể tích hữu hạn (Finite Volume Method) HFFB Cân bằng lực tần số cao (High Frequency Force Balance) LES Mô phỏng dòng xoáy lớn (Large Eddy Simulation) PSD Mật độ phổ công suất (Power Spectral Density) SAS Mô phỏng thích ứng theo quy mô (Scale - Adaptive Simulation) SST Chuyển đổi ứng suất cắt (Shear-Stress Transport) UDF Hàm do người dùng định nghĩa (User Defined Function) RNG (renormalization group) RANS Trung bình Raynold Navier-Stokes (Reynold Averaged Navier-Stokes) RSM Mô hình ứng suất Raynold (Reynolds Stress Model) RWIND Phần mềm mô phỏng hầm gió (wind tunnel) WSB Wind Loading on Signboard and Billboard xi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Chương 2 b chiều rộng công trình, vuông góc với hướng gió tác dụng h, b và d chiều cao, chiều rộng và chiều sâu (hoặc chiều dài) công trình c, d các tham số địa hình cr hệ số n1 tần số dao động riêng thứ nhất g hệ số đỉnh gQ hệ số đỉnh cho thành phần xung của gió gv hệ số đỉnh cho thành phần phản ứng của gió gR hệ số đỉnh cho thành phần cộng hưởng của gió k(ze) hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao và dạng địa hình u* vận tốc ma sát z chiều cao trên mặt đất ze độ cao tương đương zg độ cao gradient zs độ cao tương đương của công trình z0 chiều dài độ nhám bề mặt As diện tích cản gió của bảng quảng cáo E và G mô đun đàn hồi và mô đun trượt của vật liệu thép I(zs) độ rối ở độ cao tương đương zs L(zs) tỉ lệ chiều dài rối tại độ cao tương đương zs T thời gian lấy trung bình U tốc độ gió V(zs )3600s,50 vận tốc gió trung bình V(z) vận tốc gió trung bình ở độ cao z V10 vận tốc gió cơ bản trung bình ở độ cao 10 m V̂10 vận tốc gió giật 3 giây cơ bản ở độ cao 10 m xii Rh , Rb , Rd các hàm số dẫn suất khí động Wk giá trị tiêu chuẩn của tải trọng gió W3s,10 áp lực gió 3 s ứng với chu kỳ lặp 10 năm W0 áp lực gió cơ sở  và b hằng số α hệ số mũ  độ cản, lấy bằng 0,01 cho kết cấu thép ̂ và b̂ hằng số  và  các hệ số  hệ số áp lực động của tải trọng gió 10 hằng số  khối lượng thể tích của không khí t khối lượng thể tích của thép *t (z) cường độ dòng rối Chương 3 ey độ lệch tâm của lực pháp tuyến u, p, t và Re biểu thị vận tốc, áp suất, thời gian và số Reynolds p áp suất tĩnh Cp hệ số khí động (hệ số áp lực) Fx, Fy lực theo hướng dọc và ngang luồng gió U vận tốc trung bình ở tâm của bảng quảng cáo  tenxơ ứng suất   g và F lực hấp dẫn của vật thể và lực vật thể bên ngoài Chương 4 cr hệ số b, c, t chiều rộng, chiều cao và chiều dày của pano ey khoảng cách từ trọng tâm pano đến hợp lực của lực gió m hệ số mũ (số mũ Hellman) m và p ký hiệu cho mô hình và nguyên hình zg độ cao gradient xiii zs độ cao tương đương của công trình zb chiều dài độ nhám của địa hình Lb kích thước đặc trưng của công trình hoặc kết cấu Lt tỉ lệ rối Cf hệ số lực MZ(t) mô men đáy tại chân cột theo phương X, Y tại thời gian t FX(t), FY(t) lực cắt đáy theo phương X, Y tại thời gian t Uref tốc độ gió trung bình đo được ở cao độ tham chiếu V(z) vận tốc gió trung bình ở độ cao z V10 vận tốc gió trung bình ở độ cao 10 m  mật độ không khí xiv MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài nghiên cứu Trong những năm gần đây, tại Việt Nam hệ thống tiêu chuẩn phục vụ thiết kế tính toán các loại kết cấu khác nhau ngày càng được hoàn thiện hơn và chi tiết hơn, giúp cho người thiết kế áp dụng dễ dàng. Tuy nhiên, vẫn có những loại kết cấu, tuy có được đề cập nhưng chưa có những chỉ dẫn tính toán một cách cụ thể và tường minh. Một trong những loại kết cấu đó có thể kể đến đó là kết cấu pano tấm lớn dùng cho bảng quảng cáo đứng độc lập ngoài trời. Dạng kết cấu này phân bố dày đặc trên những tuyến đường lớn, nhỏ trên cả nước với số lượng tăng dần theo hàng năm. Trong các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu quy định về tác động của gió lên kết cấu pano tấm lớn tương đối khác nhau, một số cho rằng tác động của gió phân bố đều trên bề mặt tấm bảng và hợp lực đặt tại trọng tâm tấm bảng. Trong khi đó một số khác lại cho rằng tác động gió phân bố không đều và hợp lực đặt lệch tâm so với trọng tâm tấm bảng. Tương tự, giá trị hệ số khí động cũng khác nhau trong các tiêu chuẩn, được cho là không đổi và không phụ thuộc vào kích thước tấm bảng. Một số tiêu chuẩn lại cho rằng hệ số khí động thay đổi và phụ thuộc kích thước và chiều cao đặt tấm bảng. Điều này gây khó khăn cho người thiết kế tại Việt Nam. Hơn nữa, với khí hậu, thời tiết và địa hình phức tạp, hàng năm Việt Nam phải đối mặt với một số lượng lớn các cơn bão, gây thiệt hại nhiều cho các công trình nói chung và công trình pano tấm lớn dùng cho bảng quảng cáo nói riêng. Do đó, đòi hỏi phải có những nghiên cứu chuyên sâu về dạng kết cấu này để giảm thiểu các thiệt hại. Trong các nghiên cứu gần đây ở trong và ngoài nước đối với kết cấu pano tấm lớn, các nhà khoa học đã quan tâm đến việc áp dụng mô phỏng số bằng phần mềm Ansys Fluent hoặc thí nghiệm với mô hình thu nhỏ trong ống thổi khí động, nhằm tìm ra những yếu tố bất lợi nhất đối với sự làm việc của kết cấu. Trong mỗi nghiên cứu lại có cách tiếp cận vấn đề khác nhau về các tham số của tác động gió hoặc các tham số trong mô hình thí nghiệm. Việc nghiên cứu chuyên sâu về tác động của gió lên tấm bảng pano giúp tìm ra quy luật ảnh hưởng của các tham số đến tác động gió lên tấm bảng. Từ đó, thiết lập được các chỉ dẫn tính toán cụ thể, rút ra được những khuyến nghị cần thiết trong thiết kế tính toán dạng kết cấu này, mang lại hiệu quả kinh tế và đảm bảo an toàn cho công trình có sử dụng kết cấu pano tấm lớn như công trình bảng quảng cáo. Vì vậy, tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu xác định tải trọng gió lên kết cấu pano tấm lớn trong điều kiện Việt Nam” để thực hiện luận án. 2. Mục đích nghiên cứu Nhằm làm rõ hơn các điểm khác biệt trong tính toán tải trọng gió lên kết cấu pano bảng quảng cáo thông qua mô phỏng số và thí nghiệm mô hình thu nhỏ. Đề xuất giá trị hệ số lực và độ lệch tâm của lực gió tác động lên pano. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Bảng quảng cáo đứng độc lập, đặt ngoài trời ở trong và ngoài khu vực đô thị, kết cấu pano có hai mặt song song được bọc kín, đặt trên một cột đỡ dạng ống tròn. 3.2. Phạm vi nghiên cứu Tải trọng gió lên pano bảng quảng cáo thông qua một số tiêu chuẩn thiết kế, cũng như thông qua mô phỏng số bằng phần mềm Ansys Fluent và thí nghiệm mô hình thu nhỏ trong ống thổi khí động với việc mô hình hóa bảng quảng cáo là mô hình cứng. 4. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết về thông số gió, tải trọng gió lên bảng quảng cáo. Nghiên cứu mô phỏng số bảng quảng cáo chịu tải trọng gió bằng phần mềm Ansys Fluent. Nghiên cứu thí nghiệm trong ống thổi khí động đối với mô hình thu nhỏ bảng quảng cáo chịu tải trọng gió trong điều kiện Việt Nam. 5. Nội dung nghiên cứu 2 Các vấn đề liên quan đến kết cấu bảng quảng cáo tấm lớn, tải trọng gió lên bảng quảng cáo, một số tiêu chuẩn thiết kế và các nghiên cứu gần đây ở trong và ngoài nước đối với bảng quảng cáo. Mô hình bảng quảng cáo trong mô phỏng số bằng phần mềm Ansys Fluent và mô hình thực nghiệm bảng quảng cáo thu nhỏ trong ống thổi khí động, làm rõ hơn tải trọng gió lên kết cấu pano bảng quảng cáo. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu - Qua nghiên cứu về bảng quảng cáo, nhằm làm rõ được đặc điểm về kết cấu chịu lực, các hư hỏng thường gặp, từ đó phân tích được nguyên nhân hư hỏng. - Xây dựng quy trình và bảng tính để tính toán tải trọng gió lên pano bảng quảng cáo theo một số tiêu chuẩn thiết kế. Làm rõ ảnh hưởng của giá trị hệ số khí động và vị trí lực gió tác động lên pano ảnh hưởng đến lực tại chân cột đỡ. - Lựa chọn được tỉ lệ mô hình bảng quảng cáo phục vụ cho việc khảo sát số bằng phần mềm Ansys Fluent, chọn được kích thước vùng không gian mô phỏng (hầm gió ảo), mô hình dòng chảy rối, mô tả hàm tường phù hợp dùng trong mô phỏng số. Làm rõ ảnh hưởng của một số tham số (profile vận tốc gió, độ rối và kích thước của pano) đến giá trị hệ số khí động và vị trí lực gió tác động lên bề mặt pano. - Thiết lập quy trình và thí nghiệm mô hình thu nhỏ đối với bảng quảng cáo trong ống thổi khí động, làm rõ ảnh hưởng của một số tham số đến lực tác động tại chân cột đỡ pano và hệ số lực. Đề xuất giá trị hệ số lực và độ lệch tâm của lực gió. 7. Cấu trúc luận án Ngoài các phần Mở đầu, danh mục Tài liệu tham khảo, các công trình khoa học đã công bố, các hình vẽ và bảng biểu, luận án được bố cục trong 4 chương: Chương 1. Tổng quan. Tổng quan về kết cấu bảng quảng cáo, gió và tải trọng gió lên bảng quảng cáo, công cụ mô phỏng số và thí nghiệm mô hình bảng quảng cáo, các nghiên cứu gần đây ở trong và ngoài nước về bảng quảng cáo. Chương 2. Tính toán tải trọng gió lên pano tấm lớn theo một số tiêu chuẩn. Các vấn đề về thông số gió và hệ số chuyển đổi vận tốc gió, tính toán tải trọng gió lên pano bảng quảng cáo. 3 Chương 3. Khảo sát tham số ảnh hưởng đến hệ số khí động và lực gió bằng phần mềm Ansys Fluent. Cơ sở lý thuyết và các bước thực hiện mô phỏng số, lựa chọn thông số mô phỏng trong phần mềm Ansys Fluent, khảo sát một số tham số ảnh hưởng đến hệ số khí động và lực gió. Chương 4. Thí nghiệm mô hình bảng quảng cáo trong ống thổi khí động theo điều kiện Việt Nam. Xây dựng quy trình thí nghiệm mô hình, thiết lập thí nghiệm mô hình thu nhỏ bảng quảng cáo trong ống thổi khí động, khảo sát của một số tham số ảnh hưởng đến hệ số lực và lực gió, đề xuất giá trị hệ số lực và độ lệch tâm của lực gió áp dụng cho tính toán bảng quảng cáo tại Việt Nam. 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Đặt vấn đề Bảng quảng cáo có kết cấu chịu lực chính bằng vật liệu thép, điểm khác biệt so với các công trình khác đó là pano có bề mặt đón gió khá lớn mà lại được đặt trên đỉnh các cột đỡ và pano (còn gọi là tấm bảng) có chiều dày khá nhỏ so với các kích thước còn lại của chúng. Bảng quảng cáo thường bị hư hỏng sau mỗi trận bão, gây mất mỹ quan và phải tốn chi phí để sửa chữa. Theo đó, một trong số các nhiệm vụ khi thiết kế kết cấu bảng quảng cáo là xác định tải trọng gió lên bảng quảng cáo, công việc này được thực hiện thông qua các công thức tính đề cập trong tiêu chuẩn thiết kế, hoặc thông qua thí nghiệm mô hình trong ống thổi khí động, cũng có thể bằng mô hình số trong hầm gió ảo. Thấy rằng, việc xác định tải trọng gió theo các tiêu chuẩn là khác nhau, dẫn đến kết quả lực gió và vị trí đặt lực gió lên bề mặt pano cũng có giá trị khác nhau. Dựa vào phân tích trên đây, nội dung của nghiên cứu tổng quan sẽ đề cập đến ba vấn đề chính, đó là: kết cấu bảng quảng cáo, tính toán tải trọng gió lên pano cũng như công cụ mô phỏng số và thí nghiệm mô hình trong ống thổi khí động. Ngoài ra, đề cập đến tình hình nghiên cứu tải trọng gió lên pano bảng quảng cáo ở trong và ngoài nước trong những năm gần đây nhằm làm sáng tỏ những kết quả đạt được và vấn đề còn tồn tại của các nghiên cứu trước đây, từ đó đề xuất vấn đề cần nghiên cứu trong luận án. 1.2. Kết cấu bảng quảng cáo 1.2.1. Khái niệm chung và phân loại a) Khái niệm chung Phương tiện quảng cáo ngoài trời được biết đến với hai hình thức, đó là Bảng quảng cáo (billboard/hoarding) và biển báo (signs), chúng thường được đặt theo các tuyến đường giao thông có mật độ lớn, trục đường chính, đường cao tốc v.v... Bảng quảng cáo là tên gọi chung và còn có tên gọi khác là biển quảng cáo, bộ phận chính của chúng gồm có pano và cột đỡ, pano có bề mặt phẳng với diện tích lớn nhằm cung cấp thông tin quảng cáo, và được đặt trên cột đỡ. Bảng quảng cáo, xuất hiện nhiều nhất trên đường cao tốc, trục đường chính. Chúng có thể đứng độc lập ngoài trời và cố 5