i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG
VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG NGUYỄN HOÀI NAM NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP GIẢM ÁP LỰC GIÓ
LÊN MÁI DỐC NHÀ THẤP TẦNG BẰNG THỰC NGHIỆM
TRONG ỐNG THỔI KHÍ ĐỘNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và Công nghiệp
Mã số: 62.58.02.08
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. NGUYỄN VÕ THÔNG
2. TS. NGUYỄN HỒNG HÀ

HÀ NỘI – 2014
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết
quả trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình
nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Hoài Nam


2.
Đối tượng nghiên cứu ……………………………………………

2
3.
Nội dung nghiên cứu………………………… …………………

2
4.
Phương pháp nghiên cứu…………………………………………

2
5.
Phạm vi nghiên cứu………………………………………………

2
6.
Những đóng góp mới của luận án………………………………….

2
7.
Cấu trúc luận án

3
Chương 1: Tổng quan về tác động của gió và các giải pháp giảm áp
lực gió lên mái dốc nhà thấp tầng …………… ………………………

4
1.1.
Đặt vấn đề……………… ……… ………………………………


9
1.3.
Một số giải pháp hạn chế tác động của áp lực gió đối với mái của nhà
thấp tầng …………………………………………………

13

1.3.1.
Những vị trí trên mái chịu ảnh hưởng của áp lực gió hút lớn

13

1.3.2.
Một số giải pháp hạn chế tác hại của gió đối mái nhà thấp
tầng của Việt Nam …………………………………………

18

1.3.3.
Một số giải pháp chủ động giảm áp lực gió lên mái nhà
thấp tầng trên thế giới …………………… ……………….

24

1.3.4.
Nghiên cứu giải pháp sử dụng tấm hướng gió ngang để điều
chỉnh hướng chủ động làm giảm áp lực bất lợi lên một số
dạng kết cấu khác………………………………….………

2.1.2.1 Giới thiệu chung…………………………………….

34 2.1.2.2 Ống thổi khí động – Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng

36
2.2.
Những yêu cầu cơ bản đối với ống thổi khí động thí nghiệm mô
hình thu nhỏ

37
2.3.
Cơ sở lý thuyết về thí nghiệm mô hình…………………………….

38

2.3.1.
Mục đích của thí nghiệm mô hình trong ống thổi khí động

38

2.3.2.
Những nội dung cần nghiên cứu khi thí nghiệm mô hình
nhà thấp tầng trong ống thổi khí động ……………………

38

49
Chương 3:Nghiên cứu đề xuất sử dụng tấm chắn gió ngang trên mái dốc
nhà thấp tầng bằng thí nghiệm mô hình trong ống thổi khí động

60
3.1.
Cơ sở lựa chọn thông số của tấm chắn gió nằm ngang……………

60
3.2.
Dạng công trình, dạng địa hình và vùng áp lực gió thí nghiệm … 62

3.2.1.
Công trình thí nghiệm
……………………………………

62

3.2.2.
Dạng địa hình, vùng áp lực gió thí nghiệm ……………… 67
3.3.
Thí nghiệm mô hình trong ống thổi khí động………………

68

3.4.2.
Thổi gió và ghi kết quả……………………… ……………

76
v

3.5.
Phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm ……….…………

76

3.5.1.
Vấn đề sử lý số liệu………………………….……… …….

76

3.5.2.
Kết quả thí nghiệm …………………………………………

77 3.5.2.1 Kết quả thí nghiệm hệ số áp lực với các hướng gió
khác nhau khi không sử dụng tấm chắn ngang cho các mô
hình dạng 1…………………………………………………

77 3.5.2.2 Kết quả thí nghiệm khi sử dụng tấm chắn ngang

Kết quả thí nghiệm cho các mô hình dạng 2 (ĐN1 và ĐN2)

112 3.5.4.1 Trường hợp không sử dụng tấm chắn ngang………

112 3.5.4.2 Trường hợp sử dụng tấm chắn ngang rộng 500mm,
cao 500mm………………………….………………………

115 3.5.4.3 So sánh kết quả của các trường hợp không và có sử
dụng tấm chắn ngang………….…….……………………

118
3.6.
Một số cấu tạo tấm chắn ngang trên mái………….…………

122
Chương 4: Thí nghiệm ứng dụng tấm hướng gió ngang trên mái
dốc của mô hình thực ngoài hiện trường

125
4.1.
Các thông số chính của công trình và thiết bị thí nghiệm ….……

4.4.1
Xử lý số liệu ……………………………………………

131

4.4.2.
Các kết quả thí nghiệm…………………. …………….……

133
Kết luận…………………………………………………………………

140
vi
A
i
Diện tích mái tại điểm i
A
m
Diện tích tiết diện mặt cắt ngang của mô hình
A
ÔTKĐ
Diện tích tiết diện mặt cắt ngang của ống thổi khí động tại vị trí đặt
mô hình
b Chiều rộng của công trình
b
m
Chiều rộng của mô hình
b
Hệ số điều chỉnh theo dạng địa hình
pC

Hệ số áp lực lớn nhất
pC

Hệ số áp lực nhỏ nhất
pC
Hệ số áp lực trung bình
Cp
Hệ số áp lực trung bình toàn mái
c Hệ số khí động
C
p,i
Hệ số áp lực gió tại điểm i

Chiều cao của mô hình đến diềm mái
h
mái
Chiều cao đến đỉnh mái của công trình thực
viii

h
m
mái
Chiều cao của mô hình tính đến đỉnh mái
H
s
Chiều cao của dạng địa hình
hs

Chiều cao tấm chắn gió
h
th
Chiều cao tấm chắn gió ngoài thực tế
I Mô men quán tính hoặc hằng số xoắn
I
rz
Độ rối tại độ cao Z
L Kích thước tổng thể đặc trưng
l Chiều dài của công trình
L
b
Kích thước đặc trưng của công trình hoặc kết cấu
l
m

t Thời gian
T Thời gian lấy số liệu.
T
g
mh
Thời gian thí nghiệm trong ống thổi khí động
T
g
th
Thời gian thí nghiệm ngoài thực tế
T
mh
Chu kỳ dao động riêng của mô hình
g
V
Vận tốc gió trung bình
V
g
Vận tốc gió ở độ cao gradient
ix

V
m
Vận tốc gió trong phòng thí nghiệm
V
p
Vận tốc gió thực
V
r
Tỉ lệ vận tốc thí nghiệm

s
)
m
Khối lượng riêng của mô hình
(ρ
s
)
p
Khối lượng riêng của công trình thực
Chữ viết tắt
DPMS Dynamic Pressure Measurement System
OTKĐ Ống thổi khí động
TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam
TCXDVN Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam
UD1 Ứng dụng 1
UD2 Ứng dụng 2
Thuật ngữ
Áp lực lớn nhất: peak pressure
Biểu đồ độ rối: turbulence intensity profile
Biểu đồ vận tốc gió: wind velocity profile
Chiều dài nhám: roughness length
Cơn bão: tropical cyclone
x

Cục tạo nhám: roughness element
Cường độ rối: turbulent intensities
Dòng gió tới: approach flow
Hàm cực đại loại I: extreme value type I
Hầm gió: wind tunnel
Hàng rào: fence


Trang
Bảng 1.1

Độ cao khởi đầu nhà cao tầng của một số nước

7
Bảng 2.1

Chiều dài độ nhám bề mặt cho các dạng địa hình Theo TC AIJ-
RLB 2004

42
Bảng 2.2

Chiều dài độ nhám bề mặt cho các dạng địa hình theo TCVN
2737-1995

42
Bảng 2.3

Độ cao Gradient Z
g
và hệ số
α46
Bảng 3.1


Tổng hợp kết quả đo gió các mô hình với tấm chắn ngang cao 750mm

90
Bảng 3.7

So sánh giá trị lớn nhất của áp lực trung bình cục bộ, áp lực nhỏ
nhất cục bộ Mô hình M1-15, độ dốc mái 15
0
, hướng gió 45
095
Bảng 3.8

So sánh giá trị lớn nhất của áp lực trung bình cục bộ, áp lực nhỏ
nhất cục bộ- Mô hình M1-20, độ dốc mái 20
0
, hướng gió 45
095
Bảng 3.9

So sánh giá trị lớn nhất của áp lực trung bình cục bộ, áp lực nhỏ
nhất cục bộ - Mô hình M1-25, độ dốc mái 25
0
, hướng gió 45
0
97
xii

Bảng 3.13

So sánh giá trị hệ số áp lực trung bình toàn mái - Mô hình M1-15

101
Bảng 3.14

Giá trị hệ số áp lực trung bình tại các vùng cục bộ - Mô hình
M1-15

101
Bảng 3.15

So sánh giá trị hệ số áp lực trung bình toàn mái - Mô hình M1-20

102
Bảng 3.16

Giá trị hệ số áp lực trung bình tại các vùng cục bộ - Mô hình
M1-20

102
Bảng 3.17

So sánh giá trị hệ số áp lực trung bình toàn mái - Mô hình M1-25
105
Bảng 3.23

So sánh giá trị hệ số áp lực trung bình toàn mái - Mô hình M3-20106
Bảng 3.24

Giá trị hệ số áp lực trung bình tại các vùng cục bộ - Mô hình
M3-20106
Bảng 3.25

So sánh giá trị hệ số áp lực trung bình toàn mái theo kết quả thí
nghiệm và một số tiêu chuẩn nước ngoài – Hướng gió 0
0107
Bảng 3.26

Giá trị hệ số áp lực nhỏ nhất tại các vùng cục bộ - Mô hình M1-15108


So sánh giá trị trung bình của hệ số áp lực nhỏ nhất tại các vùng
cục bộ theo thí nghiệm có và không có tấm chắn mái với các tiêu
chuẩn thế giới111
Bảng 3.33

Tổng hợp kết quả đo gió nhà một mái

112
Bảng 3.34

Tổng hợp giá trị hệ số áp lực trung bình toàn mái – Mô hình ĐN1113
Bảng 3.35

Tổng hợp kết quả đo gió nhà hai mái giật cấp - Mô hình ĐN2114
Bảng 3.36

Tổng hợp giá trị hệ số áp lực trung bình toàn mái - Mô hình ĐN2

114
Bảng 3.37
119
Bảng 3.42

So sánh giá trị hệ số áp lực gió nhỏ nhất theo các vùng cục bộ -
Mô hình ĐN1120
Bảng 3.43

So sánh giá trị của hệ số áp lực gió trung bình toàn mái – Mô
hình ĐN2121
Bảng 3.44

So sánh giá trị hệ số áp lực gió nhỏ nhất theo các vùng cục bộ
của mái dưới phía đón gió – Mô hình ĐN2121
Bảng 3.45

So sánh giá trị hệ số áp lực gió nhỏ nhất theo các vùng cục bộ
của mái trên phía đón gió - Mô hình ĐN2

121

136
Bảng 4.6

So sánh hệ số áp lực nhỏ nhất tại một số điểm đo tương ứng của hai
mô hình

137
Bảng 4.7.

Miền giá trị của hệ số của hệ số áp lực nhỏ nhất theo thí nghiệm
và hệ số áp lực trung bình c
e1
và c
e2
quy định trong “TCVN
2737:1995”
138


4
Hình 1.4

Một số hình ảnh các công trình bị hư hỏng sau các cơn bão ở
Việt Nam

6
Hình 1.5

Một số hình ảnh về công trình công nghiệp bị ảnh hưởng của
bão

6
Hình 1.6

Áp lực tĩnh do gió tác động lên nhà thấp tầng

8
Hình 1.7

Luồng gió bị chuyển hướng tạo nên các vùng áp lực âm

8
Hình 1.8

Lực khí động gây bởi kích động xoáy do tương tác giữa luồng
gió với công trình dạng trụ

8
Hình 1.9

Hình 1.15

Tiêu chuẩn Châu âu - EN 1

14
Hình 1.16

Tiêu chuẩn Nhật bản AIJ/RLB 2004

15
Hình 1.17

Tiêu chuẩn Hoa kỳ ASCE/SEI 7-05

15
Hình 1.18

Tiêu chuẩn Canada NBCC 1995

16
Hình 1.19

Tiêu chuẩn Anh - BS 6399-2

16
Hình 1.20

Hệ số áp lực gió nhỏ nhất theo các hướng gió chính

17

Chống tốc mái bằng thanh nẹp

22
Hình 1.27

Dùng giằng chữ A neo giữ mái tôn, fibroximang

22
Hình 1.28

Biện pháp chống tốc mái cho mái ngói

22
Hình 1.29

Biện pháp chống tốc mái bằng bao tải cát

23
Hình 1.30

Giải pháp tăng cứng cho nhà

23
Hình 1.31

Mẫu nhà ở xây tường 20, hai gian kiên cố có gác xép

23
Hình 1.32



Mặt cắt của tường chắn dạng conson (Spoiler)

27
Hình 1.39

Các dạng tường chắn trong nghiên cứu của Kopp, G.A.,
Surry, D. và Mans

27
Hình 1.40

Một số hình ảnh thí nghiệm khí động học của máy bay trong
hầm gió

28
Hình 1.41

Một số hình ảnh thí nghiệm khí động học của oto trong hầm gió

28
Hình 1.42

Lực nâng và lực hướng xuống khi dòng chảy qua vật thể (ô tô)

28
Hình 1.43

Một số hình ảnh cánh gió của ô tô


Ống thổi khí động hở

35
Hình 2.5

Ống thổi khí động kín

36
Hình 2.6

Hình ảnh ống thổi khí động và các thiết bị sử dụng trong ống
thổi của Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng

37
Hình 2.7

Hư hỏng mái ngói

40
Hình 2.8

Sơ đồ các loại mô hình thí nghiệm trong ống thổi khí động và
mục đích sử dụng

41
Hình 2.9

Địa hình dạng vách đứng

48

52
Hình 2.16

Một dạng tấm spire

52
Hình 2.17

Kích thước các thanh công cụ hỗ trợ

53
Hình 2.18

So sánh profile của vận tốc gió thu được theo cấu hình thiết
lập với profile lý thuyết dạng địa hình A

54
Hình 2.19

So sánh profile độ rối thu được theo cấu hình thiết lập với
profile lý thuyết dạng địa hình A

54
Hình 2.20

Các hướng gió tác dụng – Hướng gió thay đổi 15
054

61
xviii

Hình 3.4

Kiến trúc điển hình các mô hình M1

62
Hình 3.5

Mặt bằng - mặt cắt các mô hình M1 (M1-15; M1-20; M1-25; M1-30)

62
Hình 3.6

Mặt bằng - mặt đứng - mặt cắt các mô hình M2

63
Hình 3.7

Mặt bằng – mặt đứng - mặt cắt các mô hình M3

63
Hình 3.8

Phối cảnh nhà ĐN1

64
Hình 3.9


Biểu đồ độ rối theo chiều cao dạng địa hình A

72
Hình 3.16

So sánh profile của vận tốc gió thu được theo cấu hình thiết
lập với profile lý thuyết

72
Hình 3.17

So sánh profile độ rối thu được theo cấu hình thiết lập với
profile lý thuyết

72
Hình 3.18

Sơ đồ bố trí các đầu đo áp lực trên mái của mô hình M1

72
Hình 3.19

Các hướng gió tác dụng

73
Hình 3.20

Mô hình thí nghiệm trong ống thổi khí động

73

Hình 3.27

Các hướng gió tác dụng lên mô hình ĐN1

75
Hình 3.28

Mô hình ĐN1 thí nghiệm trong ống thổi khí động

75
Hình 3.29

Sơ đồ bố trí các đầu đo áp lực trên mái của mô hình ĐN2

75
xix

Hình 3.30

Các hướng gió tác dụng lên mô hình ĐN2

75
Hình 3.31

Mô hình thí nghiệm nhà 4 mái ĐN2

76
Hình 3.32

Mô hình ĐN2 thí nghiệm trong ống thổi khí động

81
Hình 3.37

Biểu đồ so sánh giá hệ số áp lực gió trung bình cục bộ và hệ
số áp lực nhỏ nhất cục bộ – Mô hình M1-15

91
Hình 3.38

Biểu đồ so sánh hệ số áp lực gió trung bình cục bộ và hệ số áp
lực nhỏ nhất cục bộ – Mô hình M1-20; M1-25

92
Hình 3.39

Biểu đồ so sánh hệ số áp lực gió trung bình cục bộ và hệ số áp
lực nhỏ nhất cục bộ – Mô hình M1-30; M2-20

93
Hình 3.40

Biểu đồ so sánh hệ số áp lực gió trung bình cục bộ và hệ số áp
lực nhỏ nhất cục bộ - Mô hình M3-20

94
Hình 3.41

Phân chia vùng để xác định giá trị hệ số áp lực tại vị trí cục bộ

98

100
Hình 3.47

Hệ số áp lực gió trung bình toàn mái theo thí nghiệm và theo
TCVN- 2737:1995 – Mô hình – M3-20

100
xx

Hình 3.48

Hệ số áp lực trung bình, áp lực nhỏ nhất – Mô hình ĐN1

113
Hình 3.49

Hệ số áp lực trung bình, áp lực nhỏ nhất – Mô hình ĐN2

115
Hình 3.50

Hệ số áp lực trung bình, áp lực nhỏ nhất có tấm chắn ngang –
Mô hình ĐN1

117
Hình 3.51

Phân chia các vùng để xác định hệ số áp lực cục bộ cho mô hình ĐN1

118


Biểu đồ so sánh hệ số áp lực trung bình giữa không và có sử
dụng tấm chắn ngang - Mái sau

122
Hình 3.58

Biểu đồ so sánh hệ số áp lực nhỏ nhất giữa không sử dụng và
có sử dụng tấm chắn ngang - Mái trước

122
Hình 3.59

Biểu đồ so sánh hệ số áp lực nhỏ nhất giữa không sử dụng và
có sử dụng tấm chắn ngang - Mái sau

122
Hình 3.60

Một số chi tiết cấu tạo khi lắp dựng tấm chắn ngang trên mái

124
Hình 3.61

Một số dạng chi tiết cấu tạo liên kết tấm chắn ngang trên mái

124
Hình 4.1

Phối cảnh công trình


126
Hình 4.8

Liên kết cột đỉnh với xà gồ mái

126
xxi

Hình 4.9

Vị trí lắp dựng cột đỡ tấm chắn ngang

127
Hình 4.10

Các chi tiết bản mã

127
Hình 4.11a,b

Thiết bị thu dữ liệu

128
Hình 4.12

Thước đo chênh áp lực

128
Hình 4.13


Các hướng gió tác dụng

129
Hình 4.20

Mô hình thí nghiệm nhà ngoài trời

130
Hình 4.21

Kiểm tra vận tốc gió tại vị trí đặt mô hình

130
Hình 4.22

Phân chia vùng để xác định giá trị trung bình tại vị trí cục bộ

133
Hình 4.23

So sánh giá trị hệ số áp lực gió nhỏ nhất của 56 điểm đo trên
mái trong trường hợp có và không có tấm chắn ngang

134
Hình 4.24

So sánh áp lực gió khi không và có tấm chắn ngang – Góc gió 0
0


Hình 4.29

So sánh chi tiết áp lực gió khi không và có tấm chắn ngang –
Góc gió 90
0136 1

PHẦN MỞ ĐẦU
Hàng năm, gió bão, tố, lốc gây ra các tổn thất to lớn về kinh tế cũng như tính
mạng con người. Mặc dù công tác dự báo bão đã có nhiều tiến bộ nhưng thiệt hại do
bão gây ra vẫn vô cùng lớn, đặc biệt là các vùng ven biển miền Trung.
Do điều kiện kinh tế của đa số người dân nông thôn khu vực này còn nghèo, nên
phần lớn các công trình là nhà thấp tầng (thậm chí là nhà một tầng) và thường được
xây dựng theo các phương pháp truyền thống. Cấu trúc của các nhà ở này thường
được xây bằng gạch, mái lợp ngói, tôn hoặc fibroxi măng; các kết cấu mái nhẹ của
dạng công trình này thường ít được tính toán cụ thể nhất là các chi tiết liên kết. Theo
các thống kê về thiệt hại do gió bão gây ra cho thấy bộ phận bị hư hại nhiều nhất của
các công trình dạng này chính là kết cấu mái.
Việc nghiên cứu và đưa các giải pháp kỹ thuật để làm giảm thiệt hại do gió bão
gây ra cho các công trình thấp tầng, xây dựng trong vùng chịu ảnh hưởng mạnh của
bão là có ý nghĩa xã hội rất quan trọng.
Từ những lý do trên đề tài được lựa chọn là “Nghiên cứu giải pháp giảm áp

thấp tầng bằng thí nghiệm mô hình trong ống thổi khí động;
- Xây dựng quy trình thí nghiệm nghiên cứu áp lực gió lên mái làm bằng vật
liệu nhẹ có độ dốc của nhà một tầng xây dựng trong vùng thường xuyên có gió, bão.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu thí nghiệm bằng mô hình thu nhỏ trong ống thổi khí
động. Sử dụng để nghiên cứu là ống thổi khí động của phòng nghiên cứu thí nghiệm
gió của Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng – Bộ Xây dựng.
- Phương pháp thí nghiệm ứng dụng trên mô hình thực ngoài hiện trường.
5. Phạm vi nghiên cứu
- Nhà thấp tầng (nhà 1 tầng) sử dụng mái làm bằng vật liệu nhẹ có độ dốc từ
5÷30
0
.
- Tấm hướng gió đặt theo phương ngang (mặt phẳng tấm song song với mặt
phẳng mái).
6. Những đóng góp mới của luận án
- Hệ thống hóa được các cơ sở lý luận và phương pháp để xác định các thông số
liên quan đến áp lực gió trên kết cấu mái của nhà thấp tầng phù hợp với điều kiện
Việt Nam.
3

- Thiết lập được quy trình thí nghiệm mô hình nghiên cứu về áp lực gió lên công
trình thấp tầng trong ống thổi khí động phù hợp với điều kiện Việt Nam.
- Đưa ra được giải pháp mới để chủ động giảm áp lực gió bất lợi tác động lên
mái làm bằng vật liệu nhẹ có độ dốc của nhà thấp tầng xây dựng trong vùng chịu
ảnh hưởng của gió bão bằng tấm chắn đặt theo phương ngang bố trí trên chu vi
diềm mái.
- Đánh giá hiệu quả kỹ thuật của việc sử dụng giải pháp mới này.
7. Cấu trúc luận án
Ngoài các phần mở đầu, mục lục, danh mục các tài liệu tham khảo, các công