- Trang Chủ
- Báo cáo khoa học
- Báo cáo nghiên cứu khoa học: NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG GIÓ LÊN CÁC TẤM CHE NẮNG CÓ CÁC ĐỘ RỖNG KHÁC NHAU BẰNG ỐNG THỔI KHÍ ĐỘNG
Xem mẫu
- NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG GIÓ LÊN CÁC TẤM CHE NẮNG CÓ
CÁC ĐỘ RỖNG KHÁC NHAU BẰNG ỐNG THỔI KHÍ ĐỘNG
ThS. VŨ THÀNH TRUNG, GS. YUKIO TAMURA và PGS. AKIHITO YOSHIDA
Đại học Bách Khoa Tôkyô, Nhật Bản
1. Giới thiệu
Chống nóng cho mái nhà luôn là m ột vấn đề, đặc biệt cho các mái tôn kim loại. Các biện pháp
chống nóng sẽ giảm các yêu c ầu cho các về việc làm mát bên trong nhà. Hiện tại có nhiều giải pháp
cách nhi ệt cho mái nhà như hệ thống gạch chống nóng, ngói chống nóng.... Nh ưng giá thành c ủa các
gi ải pháp vẫn còn đắt hoặc khó lắp đặt. Các tấm che nắng bằng vật liệu tổng hợp đ ư ợc phủ tr ên các mái
tôn kim loại là m ột giải mới đư ợc áp dụng gần đây tại Nhật Bản. Giải pháp này có một số lợi ích như
giá thành r ẻ, dễ dàng lắp đặt và có thể áp dụng cho cả mái nhà xây m ới hoặc hiện có. Các tấm che nắng
đư ợc lắp đặt trên các mái tôn kim loại để chống lại nắng tiếp xúc với mái nhà do đó sẽ làm giảm nhiệt
trên mái tôn kim loại. Một số hình ảnh về việc áp dụng giải pháp này đư ợc thể hiện ở hình 1. Đ ối với
kết cấu này, tải trọng gió là tải trọng chính và phụ thuộc vào sự khác nhau của áp lực gió ở mặt tr ên và
m ặt dư ới của tấm chắn nắng. Với các hệ thống mái rỗng đ ã có m ột số ít nghiên cứu bằng thực nghiệm
[1, 2] đư ợc tiến hành để xác định tải trọng gió. B ài báo này trình bày m ột nghiên cứu mới về tải trọng
gió v ới tấm chắn nắng với các độ rỗng (tỉ lệ giữa tổng diện tích các lỗ và diện tích toàn b ộ của tấm) khác
nhau.
Liên kết
Mái tôn
kim loại
Lỗ
Tấm che
nắng
(a) Các tấm che nắng được lắp đặt trên mái (b) Cận cảnh tấm che nắng
của một công trình
Hình 1. Hình ảnh ứng dụng của các tấm che nắng
2. Thí nghiệm ống thổi khí động
M ột mô hình nhà th ấp tầng (200 mm cao ( H) 470 mm r ộng (B ) 710 mm dài ( D)) v ới mái có
các tấm che nắng rỗng đư ợc thí nghiệm tại ống thổi khí động (có kích thư ớc mặt cắt ngang 2.2 m rộng
x 1.8 m cao) ở t rư ờng đại học Bách khoa Tôkyô, Nhật Bản. Tỉ lệ mô hình và vận tốc gió tương ứ ng là
1/50 and 1/4. Địa hình dạng III (với chỉ số mũ của đư ờng profile vận tốc trung bình là 0.2 - tương
đương v ới dạng địa hình B c ủa TCVN 2737 -1995) c ủa AIJ- RFLB (2004)[3] đư ợc dùng cho các thí
nghi ệm này. Đ ộ rối tại độ cao 200 mm (tương đương 10 m trong thực tế) là 0.26 và vận tốc gió trung
bình là 7 m/s. Ba tr ư ờng hợp thí nghiệm với các tấm che nắng có các độ rỗng khác nhau (0%, 5% v à
10%) đư ợc sử dụng để xác định sự ảnh h ư ởng của độ rỗng đến tải trọng gió cho 41 h ư ớng gió khác
nhau (từ 0o đến 360o v ới 10o c ho từng bư ớc và 4 hư ớng gió: 45o, 135o, 225o và 315o).
Hình 2 thể hiện các profile vận tốc gió trung b ình và độ rối.
M ô hình thí nghi ệm có 16 tấm che nắng ở tr ên mái với mỗi tấm có 128 lỗ, trong đó có 4 tấm (A,
B, C và D) đư ợc bố trí các đầu đo áp lực (xem H ình 3). Các tấm che nắng của mô hình 1 (độ rỗng
0%) không có lỗ, mô hình 2 (độ rỗng 5%) v à mô hình 3 ( đ ộ rỗng 10%) với các lỗ có đư ờng kính
tương ứ ng là 2.8 mm và 4 mm. Khoảng cách giữa các tấm che nắng và đỉnh của mái tôn là 1mm (xem
hình 3d).
- 0.08 0.08
Test (1/50)
TTest (1/50)
Thí nghiệm AIJ- RFLB 2004
hí nghiệm
AIJ- RFLB 2004
0.06 0.06
zg = 450 m
(ở tỉ lệ thực)
Cao độ mái H = 10
z/zg
0.04
z/zg
0.04 Cao độ mái H = 10
m
Roof height H = 10 m m
Roof height H = 10 m
(ở tỉ lệ thực) scale) (ở tỉ lệ thực)
(full (full scale)
0.02 0.02
0 0
0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 0 0.1 0.2 0.3 0.4
'
Iz U / U z
§é rèi:
U z / UH z
(a) Profile vận tốc gió trung bình (b) Profile độ rối
Hình 2. Các profile được mô phỏng trong ống thổi khí động
Hình 4 th ể hiện một số hình ảnh về mô hình thí nghiệm: mô hình thí nghiệm trong ống thổi khí
động v à cận cảnh mô hình t ấm che nắng.
3. Kết quả và bình luận
3.1. Hệ số lực khí động cục bộ
Hệ số lực khí đ ộng cục bộ tr ên tấm do hiệu ứng kết hợp giữa áp lực của mặt tr ên và m ặt d ư ới của
tấm đư ợc tính theo công thức sau:
Cn(i,t) = Cpu (i,t) - Cpl (i,t) (1)
Ở đây Cpu(i,t) và Cpl(i,t) là các hệ số khí động được đo tại đầu đo áp lực i và tại thời gian t của mặt trên
và mặt dưới của tấm; Cn(i,t) là hệ số lực khí động cục bộ tại đầu đo áp lực i và tại thời gian t.
Các hệ số lực khí động cục bộ đư ợc định nghĩa là dương khi có chiều hướng xuống phía dưới.
Các phân bố của các hệ số lực khí động cục bộ trung bình và lệch chuẩn ( Cn và Cn' ) trên các tấm A, B,
C v à D đư ợc thể hiện trong Hình 5 cho các đ ộ rỗng = 0 %, 5% và 10% tại hư ớng gió = 4 5o.
Nói chung, các hệ số lực khí động cục bộ trung bình và lệch chuẩn giảm khi độ rỗng tăng lên.
Đối với Cn , trong khi các hệ số khí động của mặt tr ên trung bình luôn luôn dương, các h ệ số lực
khí đ ộng cục bộ có thể có âm hoặc d ương. Ngoài ra, trong khi các hệ số khí động c ủa mặt tr ên có giá
trị lớn nhất tại các biên c ủa các tấm thì Cn không có giá tr ị lớn nhất tại các cạnh bi ên này. Các giá tr ị
của chúng tại đây rất nhỏ. Các giá trị của Cn c ủa tấm A lớn h ơn các giá tr ị của Cn của các tấm B, C và
D là do các xoáy gió ở góc mái tại hư ớng gió này. Các giá trị của Cn c ủa các tấm B v à C là tương
đương nhau và các giá tr ị của Cn c ủa tấm D là rất nhỏ (gần bằng 0). Các giá trị lớn nhất của Cn bằng
0.6, 0.3, 0.2 tương ứ ng cho các độ rỗng = 0%, 5% và 10%. T ại h ư ớng gió này, hệ số lực khí động
cục bộ có giá trị dương (tức hư ớng xuống dư ới) đ ư ợc thấy tr ên toàn bộ bề mặt của các tấm A, B, C v à
D. Đi ều n ày có ngh ĩa là hệ số khí động củ a mặt dư ới trung bình C pl , ở giá trị tuyệt đối, lớn hơn h ệ số
khí đ ộng của mặt tr ên trung bình C pu .
'
Đối với Cn , các hệ số lực khí động cục bộ lệch chuẩn của tấm A l à l ớn nhất tại góc nhưng v ới giá
trị n hỏ hơn hệ số khí động cục bộ lệch chuẩn của mặt tr ên. Các giá tr ị lớn nhất của các hệ số lực khí
động cục bộ đư ợc quan sát thấy tại khu vực giữa của các tấm B, C và D. Các giá tr ị lớn nhất của
'
Cn bằng 0.5, 0.32 v à 0.26 tương ứng cho các đ ộ rỗng = 0 %, 5% và 10% t ại cạnh biên c ủa tấm A, do
hi ện tư ợng tách d òng t ại đây.
- Lỗ
Tấm che nắng
B o
0
D
H = 200
A
C
Wind
B = 470
Nhà
D = 710
(b) Cận cảnh một mô hình tấm che nắng
(a) Kích thước hình học của mô hình thí nghiệm
Y
C
L
20
100
Tấm che nắng
Lỗ Đầu đo áp lực
Cpu
10
1
100
0 o
C
4.7
L Cpl
10 470 10
3.7
Đầu đo áp lùc
100
D B 4 6
6
Hướng gió
100
C A
20
160 160 160 160
X
20 10 10 710 10 20
(d) Cấu tạo chi tiết mặt cắt ngang mái
(c) Mặt bằng bố trí của các tấm che nắng
Hình 3. Mô hình thí nghiệm (các kính thước ở đơn vị mm)
Đầu đo áp lực
Lỗ
(a) Mô hình thí nghiệm trong ống thổi khí động (b) Cận cảnh mô hình tấm che nắng
Hình 4. Một số hình ảnh của mô hình thí nghiệm
Để thấy rõ sự tương quan giữa các hệ số khí động mặt trên và dưới của các tấm cho c ác độ rỗng =
0%, 5% và 10%, các tác giả đ ưa ra m ột so sánh đơn giản cho các hệ số khí động của mặt tr ên trung
'
bình, lệch chuẩn, lớn nhất và nh ỏ nhất ( C pu , C pu , C pu và C pu ) trên cơ sở so sánh từng cặp giá trị có cùng vị
trí đầu đo áp lực và cùng hướng gió. Hình 6 thể hiện các so sánh này.
'
Hình 6 cho thấy rằng các giá trị của C pu , C pu , C pu và C pu của các tấm có độ rỗng = 0 % có tính tương
quan rất cao với các tấm có độ rỗng = 5% và 10%, và sự tương quan này cao hơn cho các giá tr ị
trung bình và lệch chuẩn. Dựa tr ên các quan sát này có thể kết luận rằng các áp lực gió của mặt tr ên
- chỉ phụ thuộc vào dòng gió t ới chứ không p hụ thuộc vào đ ộ rỗng của các tấm. Kết quả n ày trùng với
nghiên cứu của [2] cho tải trọng gió lên mái rỗng. Các áp lực gió của mặt dư ới tăng với độ rỗng (các
kết quả không đư ợc thể hiện ở đây).
-0.1 0.0 0.08 C
C
0
0
8 L
0.08
0
L
0
0.1
0.14
0.14
0.1
0.14
0.2
0.1 4
0.1
0.0 8
0.1 0.1
6
0.08
0.2
0.1
0
0.2
0
0.14
0.1
0.2 6
0.1 0.2
4
0
0.26
0.1
0.2
0.2
0
.2
0.1
0 .14 0.3 2
0
4
0.2 14
0.1
0.2 4
0.2 0. 0.14 0.2
0.1
0.3 0.26
0
0 .1 0.26
6
0.4
0.3
0.2
0.32
0.5
0.32
0.2
0..3 0.5
0.26
04
0
0 .2
0.3
0.1
-0.1
2 8
0
0.3
-0.1 0 0.6 0
0.26 8
0.2 .26 0.32
0.38
0.5
0.3
0.1
0.20.3 0.4
0.44
0.2 0 0.
0.1
0 0.14 0.2 .26 32
4
0.5
0.08 Hướng
0 0 0 0.08
0.1
Hướng gió C
L
gió
C
C (a.1) Độ rỗng = 0% (b.1) Độ rỗng = 0%
L
L
0
-0 .1
0
0
C C
0
0.1
L L
0
0 .1
4
0
8
0 0.0
0 0.1
C
8
0.0
0 .0
0.08 0.08
L
8
4
0.1
0
0
8
0.0 8
0.1
0.0
0.0
-0
4
8
0
0.08
0.1
8
0.1
.1
0
0.0
0
C 0.0 8 0.14
0.1
L
0.2 0.1
0 .14 0.14
4
0.2
0.2
0.1
0.1
0
0 .2
0.2
0 .08
0.2
0
0.1
0
0.14 0.1 0.2
0.26
4
0
0
0.3
0.08
0 0.0 8 0.14 0.2
0.1
0.1 0
Hướng Hướng
C
L gió C gió
L
(a.2) Độ rỗng = 5% ( b.2) Độ rỗng = 5%
0
-0.1
0
0
0
0.1
C
0
0.1
0
4
L
8
0 0 .0
0 0.1 8
0.0
0.0
0 .08 0.08
8
4
0.1
0
0
8
0.0 8
0.1
0.0
-0
0.0
0
4
8
0.08
0.1
.1
0.1
8
0
0.0
0 0.08
0.1 0.14
0.2 0.1
0.14 0.14
4
0.2 0.1 0.2
0.1
0
0. 2
0.2
0
0.08
0.2
0.1
0
0.14 0.1 0 .2
0.26
0 4
0
0.3
0 0.08 0.08
0.1 0.14 0.2
Hướng
0.1 0
Hướng
gió
gió
C
L C
(a.3) Độ rỗng = 10% (b.3) Độ rỗng = 10%
L
'
(b) Lệch chuẩn Cn
(a) Trung bình Cn
Hình 5. Sự phân bố các hệ số lực khí động cục bộ trên bề mặt các tấm A, B, C và D
với các độ rỗng khác nhau và tại hướng gió = 45o
Nhỏ nhất
Trung bình
Hệ số khí động của mặt trên ( = 5%)
Lệch chuẩn
Hệ số khí động của mặt trên ( = 5%)
Lớn nhất
Hệ số khí động củ a mặt trên ( = 0%) Hệ số khí động của mặt trên ( = 0%)
(b.1) = 0% và = 5%
(a.1) = 0% và = 5%
- Hệ số khí động của mặt trên ( = 10%)
H ệ số khí động của mặt trên ( = 10%)
Trung bình Nhỏ nhất
Lệch chuẩn Lớn nhất
Hệ số khí động của mặt trên ( = 0%)
Hệ số khí động của mặt tr ên ( = 0%)
(a.2) = 0% và = 10% (b.2) = 0% và = 10%
(a) Giá trị trung bình và lệch chuẩn (b) Giá trị lớn nhất và nhỏ nhất
Hình 6. So sánh các hệ số khí động của mặt trên của tấm có độ rỗng = 0 %
với tấm có độ rỗng = 5 % (độ rỗng = 10%) cho tất cả các hướng gió
3.2. Hệ số lực khí động to àn t ấm
Các hàm c ủa các hệ số khí động tấm của mặt tr ên và m ặt dư ới của một tấm theo thời gian l à CUP(t)
và CLP(t) và đư ợc tính toán theo công thức sau:
N
C (i , t ).Ai / A
CUP (t ) (2)
pu
i 1
N
C (i , t ).Ai / A
CLP (t ) (3)
pl
i 1
Ở đây C pu(i,t) và Cpl(i,t) là các hệ số khí động đư ợc đo tại đầu đo áp lực i và t ại thời gian t c ủa mặt
trên và mặt d ư ới của tấm; Ai là di ện tích hiệu dụng xung quanh đầu đo áp lực i; N là tổng số các đầu
đo áp lực trên m ột tấm; và A di ện tích của tấm.
Hàm c ủa hệ số lực khí động to àn tấm theo thời gian đư ợc xác định theo công thức sau:
CF (t) = CUP(t ) - CLP(t) (4)
Ở đây, hệ số lực khí động toàn tấm đư ợc qui định có dấu dương khi có chi ều hư ớng xuống phía
dư ới.
Hình 7 thể hiện sự thay đổi của các hệ số lực khí động to àn tấm lớn nhất và nh ỏ nhất ( C F và C F )
cho các tấm A, B, C và D theo các hư ớng gió khác nhau.
1 1
Max (0%)
0.8 0.8
C F (0%)
0.6 0.6
C F (5%)
C F (10%)
0.4 0.4
)
0.2 0.2
)
0 0
(
(
-0.2 -0.2
-0.4 -0.4
C F (10%)
-0.6 -0.6
C F ( 5%)
-0.8 -0.8
C F (0%)
-1 -1
0 90 180 270 360 0 90 180 270 360
o
o
Hướng gió ( )
Hướng gió ( )
(a) Tấm A (b) Tấm B
- 1
1
0.8
0.8
0.6
0.6
0.4
0.4
)
0.2
)
0.2
(
0
0
(
-0.2
-0.2
-0.4
-0.4
-0.6
-0.6
-0.8
-0.8
-1
-1
0 90 180 270 360
0 90 180 270 360
Hướng gió (o) Hướng gió (o)
(c) Tấm C (d) Tấm D
Hình 7. Sự thay đổi của hệ số lực khí động toàn tấm lớn nhất và nhỏ nhất ( C F and C F )
cho các tấm A, B, C và D theo các độ rỗng f khác nhau cho tất cả các hướng gió
Tại đa số các hư ớng gió, các hệ số lực khí động to àn tấm giảm khi độ rỗng tăng. Trong đó, giá trị
tuyệt đối của các hệ số lực khí đ ộng toàn t ấm của tấm có độ rỗng 0% có giá trị lớn nhất c òn tấm có độ
rỗng 10% thì có giá tr ị nhỏ nhất.
Đối với C F , các giá tr ị của C F ph ụ thuộc v ào hư ớng gió, đặc biệt khi h ư ớng gió thay đổi từ 0o đ ến
180o. Các giá t rị của C F c ủa các tấm có độ rỗng = 5 % và 10% ít thay đ ổi với h ư ớng gió h ơn. T ấm
A có giá tr ị lớn nhất của C F tại hư ớng gió khoảng 45o. Đ ối với các tấm khác (B, C v à D), hư ớng
gió khoảng 90o g ây ra giá tr ị lớn nhấ t c ủa C F . Các tấm có giá trị nhỏ nhất của C F tại h ư ớng gió
khoảng 200o cho các độ rỗng.
Đ ối với C F , các giá tr ị của C F c ho các t ấm độ rỗng = 0 % thay đ ổi nhanh tại h ư ớng gió t ừ
0o đ ến 180 o c ho các t ấm A, C v à D và t ừ 270o đ ến 360 o ( 0o ) c ho t ấm B. Các tấm A, C v à D có
k ho ảng 90o ; còn t ấm B th ì là h ư ớng gió
g iá tr ị tuyệt đối lớn nhất của C F t ại h ư ớng gió
k ho ảng 320 o c ho t ất cả các độ rỗng. T ương t ự n hư các giá tr ị nhỏ nhất của C F , các t ấm cũng có
g iá tr ị tuyệt đối nhỏ nhất của C F t ại h ư ớng gió k ho ảng 200 o c ho t ất cả các độ rỗng.
Hình 8 trình bày các sự thay đổi của các giá trị cực đại của các hệ số lực khí đ ộng toàn tấm C F (giá
trị lớn nhất đư ợc chọn từ các giá trị của C F cho tất cả các hư ớng gió) và các giá trị cực tiểu của các hệ số
lực khí động toàn tấm C F (giá trị nhỏ nhất đư ợc chọn từ các giá trị của C F cho tất cả các hư ớng gió) cho
các tấm A, B, C và D v ới các độ rỗng khác. Nhìn chung, các giá tr ị cực đại của C F và cực tiểu C F gi ảm
cùng v ới độ rỗng. Sự khác nhau giữa các giá trị cực đại của C F cho các tấm A và D; và giữa tấm B và C
tại các độ rỗng f = 0% và 10% r ất nhỏ. T ương tự cho các giá trị cực tiểu của C F cho đ ộ rỗng f = 10%. Các
giá trị cực đại của C F của độ rỗng = 0% và 5% lớn h ơn các giá trị của độ rỗng 10% tương ứng 204%
và 70%. Đ ối với C F , các giá trị này là 212% và 65%. Từ kết quả này, ta có thể thấy tác dụng của độ
rỗng trong việc giảm giá trị cực đại của C F và giá trị cực tiểu của C F là tươ ng đương nhau.
- 1 -1
Tấm A
0.8 -0.8
Tấm D
0.6 -0.6
(
(
0.4 -0.4
Tấm C
0.2 -0.2
Tấm B
0 0
0% 5% 10% 0% 5% 10%
Độ rỗng Độ rỗng
(a) Cực đại C F (b) Cực tiểu C F
Hình 8. Sự thay đổi của các giá trị cực đại C F và cực tiểu C F theo các độ rỗng f khác nhau
4. Kết luận
M ột kh ảo sát bằ ng thự c nghiệ m đã đư ợc tiế n hành để x ác đị nh ảnh hư ở ng c ủa độ rỗng đ ối vớ i tải
trọ ng gió lên các tấ m che nắ ng đư ợc gắn trên mái c ủa một nhà thấ p tầng. S ự phân bố áp lự c gió trên
các tấ m che nắ ng r ỗng đ ư ợ c đo cho nhi ều hư ớng gió khác nhau và cho nhi ều độ rỗng khác nhau. Các
tấ m che nắng r ỗ ng có tải trọng gió l ớn t ại các h ư ớ ng gió trong kho ảng t ừ 0o đ ến 180o. Các kết quả
phân tích từ các thí nghiệ m cho thấ y rằ ng tải tr ọ ng gió trên các tấm che n ắng có độ r ỗng 0% cao h ơ n
các tấ m có đ ộ rỗ ng 5% và 10%. Đ ộ r ỗng của các tấm che n ắng rất hi ệ u quả l àm giảm tải trọng gió lên
chúng.
L ờ i c ảm ơ n
Các tác gi ả cả m ơ n B ộ Giáo d ục, Vă n hóa, Thể thao, Khoa h ọc và Công nghệ N hật B ản thông qua
chư ơ ng trình Global Center of Excellence, 2008- 2013, đã cấ p kinh phí cho nghiên cứ u này. Các tác
gi ả c ũng cảm ơn sự giúp đỡ của công ty SAWAYA Nhật B ản trong quá trình làm thí nghiệ m. Xin
chân thành c ảm ơn Việ n KHCN Xây dự ng - B ộ X ây dự ng - Việt Nam đã tạ o đi ề u ki ệ n cho tác giả Vũ
T hành Trung đ ư ợ c tham gia nghiên c ứ u này.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. GERHARDT, H.J., and KRAMER, C. “Wind loads on wind-permeable building facades”, Journal of
Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 11, 1-20, 1983.
2. C HEUNG, J.C.K., and MELBOURNE, W.H. “Wind loading on a porous roof ”, Journal of Wind
E ngineering and Industrial Aerodynamics, 29, 19- 28, 1988.
3. AIJ-RFLB . “AIJ Recommendations for Loads on Buildings ”, A rchitectural Institute of Japan,
2004.
nguon tai.lieu . vn
