Tải trọng gió là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm tải trọng gió

Tải trọng gió là lực tác động trực tiếp từ chuyển động không khí lên bề mặt và cấu kiện của công trình kiến trúc, kỹ thuật. Lực này phát sinh do áp suất chênh lệch giữa hai phía của bề mặt tiếp xúc với luồng gió, tỷ lệ với bình phương vận tốc gió và mật độ không khí.

Tùy theo kích thước, hình dạng và hướng gió tác động, tải trọng gió có thể phân bố không đều, tạo ra mômen uốn, mômen xoắn và lực cắt lên kết cấu. Các yếu tố như hình dạng công trình, độ nhám bề mặt và điều kiện vi khí hậu khu vực đều ảnh hưởng đáng kể đến cường độ tải trọng.

Đặc tính cơ bản của tải trọng gió bao gồm:

• Độ lớn: tỷ lệ với ρV², trong đó ρ là mật độ không khí, V là vận tốc gió.
• Phân bố: không đồng nhất trên bề mặt, phụ thuộc hình học và hướng gió.
• Thời gian: dao động theo dao động áp suất khí quyển và nhiễu động ngẫu nhiên.

Phân loại tải trọng gió

Tải trọng gió chia thành hai nhóm chính: tải trọng tĩnh và tải trọng động. Tải trọng tĩnh biểu diễn giá trị trung bình smoothed của áp lực gió theo khoảng thời gian dài, thường dùng để tính toán ứng suất cơ bản.

Tải trọng động thể hiện dao động ngẫu nhiên xung kích do nhiễu động khí quyển, gây ra các thành phần lực phụ như rung động, dao động lắc ngang hoặc xoắn. Thành phần động có thể dẫn đến cộng hưởng với tần số tự nhiên của kết cấu.

Cụ thể, có thể phân chia như sau:

• Mean wind load – áp lực trung bình, dùng cho tính toán tĩnh.
• Fluctuating wind load – biến đổi ngẫu nhiên, phân tích động.
• Pressure distribution – áp suất tác dụng lên bề mặt đón gió.
• Suction load – lực hút chân không ở mặt đuôi gió.

Cơ chế vật lý và mô hình khí động học

Khi luồng gió tiếp xúc với công trình, nó tạo ra vùng áp suất cao ở mặt đón gió và vùng áp suất thấp phía đối diện. Mô hình Bernoulli mô tả mối quan hệ giữa áp suất và vận tốc dòng chảy:

$p + \tfrac{1}{2}\rho V^2 = \text{const}$

Để mô tả chi tiết chuyển động và nhiễu động khí quyển, phương trình Navier–Stokes được sử dụng:

$\rho \Bigl(\frac{\partial \mathbf{u}}{\partial t} + (\mathbf{u}\cdot\nabla)\mathbf{u}\Bigr) = -\nabla p + \mu \nabla^2 \mathbf{u}$

Trong đó, u là vector vận tốc, p là áp suất, μ là độ nhớt động lực học. Giải phương trình này bằng CFD hoặc mô phỏng LES giúp xác định phân bố áp suất và lực kéo mái, tường, khung công trình.

Tiêu chuẩn và quy định kỹ thuật

Tại nhiều quốc gia, tiêu chuẩn thiết kế chịu lực gió quy định giá trị vận tốc cơ bản, hệ số áp lực và phương pháp tính. Ở Hoa Kỳ, ASCE 7 đưa ra hướng dẫn tải trọng gió cho công trình dân dụng và công nghiệp (ASCE 7).

Tại châu Âu, Eurocode EN 1991-1-4 quy định hành động gió, bao gồm phân vùng gió, hệ số địa hình, hệ số độ cao và hệ số phá sóng (Eurocodes). ISO 4354 cung cấp khung chung, điều chỉnh cho phù hợp với đặc thù từng vùng khí hậu (ISO 4354).

Quan trắc và thu thập dữ liệu gió

Dữ liệu gió thu thập qua mạng lưới trạm khí tượng quốc gia, cột đo gió (anemometer mast) cao từ 10 đến 100 mét và radar Doppler. Các thiết bị đo gồm cúp gió (cup anemometer), cảm biến siêu âm (sonic anemometer) và tuabin gió mô hình nhỏ, ghi nhận vận tốc theo mẫu thời gian cao (10–20 Hz).

Các trạm đo gió thường đặt ở nhiều địa hình khác nhau: đô thị, ven biển, cao nguyên và đồng bằng, nhằm xác định hệ số địa hình (terrain roughness) và hiệu ứng chắn gió. Dữ liệu lịch sử vận tốc gió 3 giây, 1 phút và 10 phút được dùng để tính tốc độ cơ bản Vb tại độ cao tham chiếu, phục vụ trong tiêu chuẩn thiết kế (WMO).

Dữ liệu gió cũng thu được từ mô hình khí hậu khu vực (Regional Climate Models – RCM) và mô hình tái phân tích (reanalysis datasets) như ERA5 của ECMWF, cung cấp thông số gió ở độ cao đa tầng, phù hợp tính toán tải động. Việc kết hợp quan trắc trực tiếp và mô hình số giúp bổ sung khoảng trống địa lý, nâng cao độ tin cậy phân tích (ECMWF ERA5).

Các yếu tố ảnh hưởng

Địa hình xung quanh công trình quyết định sự phát triển biên tầng khí quyển, hình thành luồng gió tầng thấp và vùng nhiễu động. Đồi núi và tòa nhà cao tầng tạo sự gia tăng hoặc giảm tốc độ gió tùy theo hình dạng và hướng tiếp cận.

Mật độ và độ nhám bề mặt (terrain roughness) phân loại theo bậc bề mặt từ 0 (đồng bằng nước) đến 4 (khu vực đô thị dày đặc). Các hệ số địa hình Kz, Kzt được điều chỉnh theo bậc nhám và độ cao, ảnh hưởng trực tiếp đến tính toán p = ½ρV²Cp (ASCE 7).

• Terrain roughness: độ nhám bề mặt xác định biên độ dao động gió.
• Altitude: áp suất khí quyển thấp hơn ở độ cao lớn làm giảm mật độ không khí.
• Surroundings: tòa nhà lân cận và vật cản làm thay đổi hướng và tốc độ gió.

Phương pháp tính toán tải trọng gió

Phương pháp tĩnh áp dụng công thức cơ bản p = ½ ρ Vb2 Cp, trong đó Vb là tốc độ cơ bản tại độ cao tham chiếu, Cp là hệ số áp lực phụ thuộc hình dạng và hướng gió (Eurocode EN 1991-1-4).

$p = \tfrac{1}{2}\rho V_b^2 C_p$

Phương pháp động phân tích phổ Power Spectral Density (PSD) của tín hiệu gió, kết hợp hệ số khử dao động ζ và mô hình đáp ứng cấu trúc (dynamic response function) để tính tải trọng dao động. Phổ Von Kármán thường được sử dụng để mô tả phổ tốc độ gió:

$S_V(n) = \frac{4n\sigma^2L/ U}{(1+70.8(nL/U)^2)^{5/6}}$

Mô phỏng LES (Large Eddy Simulation) và CFD (Computational Fluid Dynamics) cho phép tính toán chi tiết phân bố áp suất trên bề mặt công trình, hỗ trợ hiệu chỉnh hệ số Cp cho hình dạng phức tạp.

Hiệu ứng động lực và phản ứng kết cấu

Dao động cưỡng bức do vortex shedding xuất hiện khi Reynolds number vượt ngưỡng, hình thành xoáy phía sau công trình dạng thanh. Tần số shedding f được ước tính qua số Strouhal St:

$f = St \frac{V}{D}$

Khi tần số cưỡng bức trùng với tần số tự nhiên của kết cấu, hiện tượng cộng hưởng làm gia tăng biên độ dao động, gây mỏi vật liệu và nguy cơ gãy kết cấu. Phân tích modal (mode shapes) xác định tần số tự nhiên và hệ số giảm chấn ζ.

Hệ số giảm chấn (damping ratio) ảnh hưởng đến biên độ phản ứng. Loại kết cấu linh hoạt như giàn thép, ống khói thường có ζ thấp (1–2%), trong khi bê tông cốt thép và kết cấu hỗn hợp có ζ cao hơn (3–5%).

• Vortex shedding: dao động ngang cưỡng bức.
• Buffeting: tải động ngẫu nhiên của nhiễu động khí quyển.
• Galloping: dao động xoắn hoặc lệch do thay đổi áp suất không tuyến tính.

Chiến lược thiết kế và giảm nhẹ

Thiết kế công trình hướng gió (aerodynamic shaping) như bo tròn góc, mặt nghiêng, lam chắn gió giúp giảm lực kéo và rối động. Sử dụng vách ngăn (fairings) và bộ xương dạng lồng tăng tính ổn định luồng gió.

Bộ giảm chấn khối lượng điều chỉnh (tuned mass damper – TMD) là thiết bị treo khớp nối dập dao động ở tần số mong muốn, hấp thụ năng lượng dao động, giảm biên độ chuyển vị đỉnh. Nhiều tòa nhà cao tầng và cầu cáp dây đã ứng dụng TMD để cải thiện tính an toàn và tiện nghi (CTBUH).

Tài liệu tham khảo

• American Society of Civil Engineers (2016). ASCE 7-16: Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures. ASCE.
• European Committee for Standardization (2005). EN 1991-1-4: Actions on structures – Wind actions. CEN.
• World Meteorological Organization (2016). Guide to Instruments and Methods of Observation. WMO.
• Holmes, J. D. (2015). Wind Loading of Structures. CRC Press.
• Kim, T., & Kareem, A. (2017). Advanced Analysis of Wind Effects on Structures. Wind and Structures Journal.
• European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (2020). ERA5 Reanalysis Datasets. ECMWF.