Đặc thù của nhà cao tầng lại thường tập trung ở các khu vực gần kề, các khu trung tâm thành phố hoặc các khu dự án quy hoạch tập trung. Do đó, sự ảnh hưởng của địa hình, của nhóm các tòa nhà cao tầng đối với luồng gió lên các tòa nhà là rất lớn

Phân tích áp lực gió và mô hình khí động gió lên nhóm các nhà cao tầng

Ths.Phạm Trọng Hòa

Xác định tải trọng gió khi phân tích, tính toán kết cấu nhà cao tầng là một trong những công việc quan trọng không thể thiếu đối với bất kỳ công trình nào; Hiện nay, đối với những tòa nhà có số tầng cao không nhiều, hoặc/và có độ cao dưới 40m, thì việc phân tích áp lực gió lên công trình theo tiêu chuẩn hiện hành TCVN 2737-1995 khá phù hợp, mặc dù mô hình phân tích gió chủ yếu ở dạng tĩnh hoặc tựa tĩnh, và áp lực gió chủ yếu chỉ đặt lên mặt đón gió, hút gió của tòa nhà, mà ít đánh giá ảnh hưởng của gió theo các hướng khác, cũng như ảnh hưởng khí động của các luồng gió trong điều kiện tòa nhà đặt gần kề tòa nhà khác/hoặc cụm các tòa nhà khác.

            Nhưng với tốc độ phát triển hiện nay, ngày càng nhiều công trình với các tòa nhà cao tầng/rất cao tầng đã và đang được xây dựng trên các thành phố của Việt nam; Và đặc thù của nhà cao tầng lại thường tập trung ở các khu vực gần kề, các khu trung tâm thành phố hoặc các khu dự án quy hoạch tập trung. Do đó, sự ảnh hưởng của địa hình, của nhóm các tòa nhà cao tầng đối với luồng gió lên các tòa nhà là rất lớn; Đặc biệt với các tòa nhà cao tầng, chịu ảnh hưởng mạnh của gió động, thì việc phân tích chính xác mô hình khí động học của gió lên toàn bộ bề mặt các phía của tòa nhà, đối với các hướng gió khác nhau, có ý nghĩa rất quan trọng khi xác định áp lực gió/tải trọng gió lên kết cấu toàn nhà.

            Ngoài ra, hệ cấu kiện bao che của nhà cao tầng vốn là bộ phận đón gió trực diện, nên việc phân tích tính toán kết cấu/liên kết của các cấu kiện bao che đóng một vai trò quan trọng trong công tác thiết kế nhà cao tầng. Phân tích chính xác hướng tác động, giá trị áp lực gió lên từng vị trí/từng khu vực bề mặt của cấu kiện bao che tòa nhà cũng giúp cho tính toán thiết kế được chính xác, an toàn, hiệu quả kinh tế cao hơn.

            Một số vấn đề liên quan đến lĩnh vực vật lý kiến trúc có ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình sử dụng tòa nhà, mà các kỹ sư thiết kế kết cấu ít chú ý, là việc phân tích chính xác các luồng gió xuyên qua các lỗ mở của sảnh tòa nhà, các hành lang .v.v. trong tòa nhà; Luồng gió khi luồn qua các khe hở, lỗ trống sẽ tạp thành các dòng khí tập trung, gây ảnh hưởng trực tiếp đến con người khi tòa nhà hoạt động, chưa kể những tác động phụ như đưa nước mưa tạt vào các khu logia hay khu vực khác, hay gây ra tiếng ồn của gió rít khi qua khe hẹp … Các tác động này tuy không gây nguy hiểm cho kết cấu công trình, nhưng gây ảnh hưởng đến quá trình sử dụng; và rất cần có mô hình phân tích khí động của gió lên tòa nhà, để giúp cho người kỹ sư tính toán trước các giải pháp xử lý khi thiết kế.

            Theo thông tin trong nghiên cứu của PGS.Trần Chủng và Ts.Nguyễn Thành Chung gần đây, một số công trình cao tầng hiện nay ở Việt nam như tòa tháp tài chính Bitexco (HCM), tổ hợp tòa nhà Kaengnam (Hà nội), tòa nhà hỗn hợp đa chức năng Vinafor (Hà nội) … đã sử dụng phương pháp thí nghiệm trực tiếp trên mô hình Ống thổi khí động, để nghiên cứu phân tích áp lực gió lên các tòa nhà.

Mô hình công trình trong Ống thổi khí động

Công trình sẽ được mô hình hóa theo tỷ lệ, và gắn hệ thống cảm biến; Mô hình đặt trên bàn xoay trong ống thổi khí động, cho phép đo được áp lực gió lên bề mặt công trình với các hướng gió khác nhau. Và qua thống kê của một số kết quả đo thực tế mà hai tác giả đã trình bầy trong bài viết, áp lực gió tác động lên bề mặt bao che của công trình khác biệt khá lớn so với tiêu chuẩn.

Hiện nay ở Việt Nam đã có hai đơn vị lắp đặt hệ thống Ống thổi khí động là Viện kỹ thuật Phòng không Không quân-Bộ Quốc phòng và Viện KHKT-Bộ Xây dựng; thay vì trước đay các dự án cần nghiên cứu phải đưa qua một số nước khác như Singapore để thực hiện thí nghiệm trong Ống thổi khí động.

Tuy nhiên, việc nghiên cứu trên mô hình công trình với Ống thổi khí động vẫn còn một số vấn đề như: bị hạn chế về thời gian và số lần nghiên cứu thí nghiệm; Bị ảnh hưởng của các yếu tố chế tạo mô hình, tỷ lệ mô hình do việc bị hạn chế kích thước không gian thí nghiệm; Việc bố trí các thiết bị cảm biến cũng không thể lắp đặt cho mọi vị trí trên công trình… Do vậy tốt nhất vẫn là thực hiện trước nghiên cứu lập mô hình hóa trên máy tính để phân tích chính xác các luồng khí động, và áp lực gió lên bề mặt công trình theo mọi hướng gió, cũng như xác định được luồng gió đi xuyên qua các khu vực có khe hở trong tòa nhà; yếu tố ảnh hưởng của các tòa nhà lân cận và địa hình khu vực có đặt công trình.

Việc  thiết lập mô hình trên máy tính cũng giảm bớt chi phí và tạo cho phân tích được nhiều số liệu hơn, các kỹ sư, kiến trúc sư có thể dễ dàng nghiên cứu lựa chọn được các hình dáng, cấu tạo của công trình tối ưu nhất về hình khối/ số lượng khối trong nhóm/các tổ chức xắp xếp khối, để vừa tạo được yếu tố kiến trúc đẹp vừa hiệu quả trong công tác thiết kế, tiết kiệm chi phí cho công trình; và kết hợp với thí nghiệm trong ống thổi khí sau khi có đủ số liệu phân tích trên máy tính sẽ đảm bảo chính xác các công tác hiệu chỉnh/ chuẩn hóa số liệu đầu vào.

CTB Enginerring là một trong những Công ty Tư vấn thiết kế tại Việt nam đi đầu khá sớm trong lĩnh vực này. Với tiền thân là những kỹ sư có nhiều năm công tác trong ngành thiết kế và xây dựng các công trình dầu khí ngoài biển, thường xuyên phải tính toán phân tích và thiết kế các hệ kết cấu chịu tác dụng của tải trọng động do sóng/ gió/ dòng chảy gây ra; Nên việc phân tích mô hình hóa để xác định các luồng khí động qua các tòa nhà, đã được các kỹ sư của CTB Enginerring thực hiện thành thạo, chính xác, và có ý nghĩa rất lớn trong quá trình phân tích số liệu tải trọng đầu vào cho tính toán thiết kế các tòa nhà cao tầng.

Hình minh họa Phân tích mặt cắt khí động theo từng cao độ qua nhóm các tòa nhà cao tầng

Hình minh họa Phân tích dòng khí động đi qua nhóm các tòa nhà cao tầng

 

Hình minh họa Phân tích áp lực gió lên bề mặt tòa nhà đặt trong nhóm các công trình cao tầng

Một số hình ảnh minh họa trên cho thấy rõ ràng khi các tòa nhà cao tầng đặt thành nhóm, các dòng không khí chuyển động qua công trình bị ảnh hưởng lẫn nhau rất nhiều; và phân tích xác định chính xác các mô hình khí động của gió, cũng như áp lực gió lên bề mặt tòa nhà  tương ứng với các hướng gió thổi khác nhau/ vận tốc gió khác nhau, là vô cùng quan trọng; và đã trở thành khâu thiết yếu đối với quy trình tính toán thiết kế nhà cao tầng hiện nay.

(Bài viết có sử dụng tư liệu thực tế của CTB Engineering, và các tài liệu tham khảo của các tác giả khoa học khác, cùng một số thông tin của phòng thí nghiệm VIPAC-Singapore)