✨Cơ Sở Tính Toán Tác Động Và Thiết Kế Nhà Phòng Chống Gió Bão

Gió là chuyển động của không khí trên bề mặt Trái Đất, xảy ra ở mọi lúc và mọi nơi. Với vận tốc chuyển động vừa phải, gió là một cỗ máy điều hòa không khí khổng lồ làm cho sự sống nảy nở, sinh sôi. Nhưng khi vận tốc chuyển động quá lớn trở thành bão mạnh, gió lại mang tới các thảm họa khó lường cho con người và mọi sinh vật khác. Gió bão mạnh hoặc cực mạnh xảy ra hàng năm ở nhiều nơi trên Trái Đất, là một nỗi ám ảnh đối với nhân loại trong suốt quá trình phát triển của mình, gây ra rất nhiều thiệt hại nặng nề về sinh mạng con người và của cải vật chất xã hội.

Trong hơn nửa thế kỷ nay, các nỗ lực nghiên cứu quan trọng về gió và tác động gió lên các công trình xây dựng, đã được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới. Hàng nghìn tài liệu nghiên cứu trên mọi phương diện về các vấn đề này, đã được công bố trong các tạp chí và các tuyển tập báo cáo hội thảo. Các kết quả nghiên cứu đã được phản ánh với các mức độ khác nhau, trong các tiêu chuẩn/quy chuẩn tác động gió. Sự phát triển không ngừng của khoa học - công nghệ dẫn tới sự ra đời của các phương pháp thiết kế, cũng như các loại vật liệu và công nghệ xây dựng mới, đã làm cho các hệ kết cấu ngày càng trở nên đa dạng hơn, mảnh mai hơn  và chiều cao của chúng không còn là một trở ngại đối với con người. Nhưng các hệ quả của quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa này, đã làm biến đổi khí hậu Trái Đất, dẫn tới gia tăng các thảm họa thiên nhiên, trong đó có gió bão và các thiệt hại do chúng gây ra. Trong bối cảnh này, sự nghiên cứu về gió và các tác động gió tiếp tục được đẩy mạnh và hoàn thiện hơn, với các công cụ nghiên cứu ngày càng hiện đại.

Việt Nam chúng ta nằm trọn trong vùng nhiệt đới ở Bán Cầu Bắc, ven bờ Thái Bình Dương là đại dương lớn nhất trên thế giới, nơi có các điều kiện lý tưởng để hình thành và phát triển các cơn bão mạnh nhất. Chính vì lẽ đó, hàng năm nước ta phải hứng chịu trực tiếp nhiều cơn bão mạnh và áp thấp nhiệt đới. Để chống lại thảm họa thiên nhiên này, các công trình xây dựng ở nước ta khi thiết kế đều phải xét tới các tác động gió bão ở các mức độ khác nhau, nhưng các thiệt hại do gió bão gây ra vẫn tiếp tục xảy ra và lặp lại hàng năm.

Mặc dù có nhiều tài liệu nghiên cứu về gió và tác động gió, song vẫn tồn tại một tình trạng phổ biến ở các nước trên thế giới, trong đó có Việt Nam, là những người làm công tác thực hành về thiết kế và thi công xây dựng lại thiếu các kiến thức và hiểu biết cơ bản về gió và các tác động gió. Thậm chí sinh viên trong các trường đại học, chỉ đơn giản là những người áp dụng tiêu chuẩn/quy chuẩn tác động gió để thực hiện các đồ án môn học hoặc đồ án tốt nghiệp. Có nhiều nguyên nhân khác nhau đã được đưa ra để lý giải cho vấn đề này. Trước hết, gió và tác động gió liên quan đến nhiều chuyên ngành khác nhau như xác suất thống kê, khí tượng học, cơ học chất lỏng các vật thể dốc đứng và động lực học công trình. Đây là một rào cản quan trọng đối với những người thường quen thực hiện tính toán và thiết kế các hệ kết cấu dưới tác động tải trọng tĩnh. Tiếp đến là gió và tác động gió thường không được đưa vào trong chương trình giảng dạy của các trường đại học. Đối với Việt Nam, tất cả các vấn đề này, có khi còn trầm trọng hơn, do rào cản ngôn ngữ và các tài liệu sẵn có về gió và tác động gió. 

Hiện nay toàn thế giới đang phải đối mặt với tình trạng biến đổi khí hậu gây rủi ro thiệt hại lớn về kinh tế, đặc biệt các nước nghèo có thể bị ảnh hưởng nặng nề gấp ba lần các nước giàu. Đó là nước biển dâng cao, các đợt nắng nóng, hạn hạn, lũ lụt, sạt lở đất, lốc xoáy, bão thường xuyên và cường độ ngày càng mạnh hơn… Việt Nam là quốc gia chịu nhiều hiểm họa thiên tai trong khu vực Châu Á - Thái Bình Dương, đứng thứ ba sau Myanma và Philippines trong các nước thành viên ASEAN (Hiệp hội các quốc gia Đông Nam Á). Trong bối cảnh này, việc nghiên cứu phòng chống gió bão cho nhà và các công trình xây dựng khác, trở thành một vấn đề quan trọng và hết sức cấp thiết. Nội dung cuốn giáo trình này, sẽ đề cập một cách hệ thống các vấn đề cơ bản nhất liên quan tới gió, tác động gió và thiết kế nhà phòng chống gió bão. Cuốn sách gồm 7 chương kèm theo Các ví dụ tính toán và Phần phụ lục, được viết cho các đối tượng là sinh viên và học viên cao học ngành xây dựng công trình. Cuốn sách cũng có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các kỹ sư, các kiến trúc sư trong các cơ sở thiết kế và thi công xây dựng. Để phù hợp với các đối tượng này, các biểu thức toán học phức tạp về chuyển động của gió, cũng như trong các phương pháp tính toán phản ứng động công trình và lý thuyết xác suất thống kê… đã được lược bỏ bớt và thay vào đó là các nguyên tắc vật lý dễ hiểu hơn hoặc các biểu thức toán học gần đúng có ý nghĩa và giá trị tương đương. Trong nội dung cuốn sách, tác giả chỉ đề cập tới các vấn đề liên quan trực tiếp tới các nội dung của các tiêu chuẩn/quy chuẩn tác động gió hiện hành trên thế giới, nhằm giúp người đọc hiểu rõ hơn bản chất của các tác động gió để áp dụng một cách hiệu quả các tiêu chuẩn/quy chuẩn này vào thực tế trong việc thiết kế nhà phòng chống gió bão.

Đây là tài liệu về gió và tác động gió, được viết và xuất bản (có thể là đầu tiên) bằng tiếng Việt, nên nhiều thuật ngữ chuyên môn bằng tiếng nước ngoài đã được tác giả cố gắng chuyển ngữ một cách sát nhất có thể theo hiểu biết của mình. Tuy vậy, đối với một số thuật ngữ quan trọng liên quan tới các lĩnh vực khoa học khác nhau, để rộng đường dư luận, bên cạnh tiếng Việt tác giả còn ghi chú trong ngoặc đơn, thuật ngữ tiếng Anh tương ứng để người đọc tham khảo. Ngoài ra, phần lớn các hình vẽ trong nội dung cuốn sách đều được tác giả ghi chú nguồn tham khảo, để bạn đọc dễ theo dõi và truy tìm tài liệu gốc. Hỗ trợ cho cuốn sách này, là một cuốn sách chuyên khảo “Gió bão - Tính toán tác động và cơ sở thiết kế phòng chống cho nhà” với nội dung tương tự nhưng được mở rộng và sâu hơn trong một số nội dung, sẽ được xuất bản tiếp theo.

MỤC LỤC

Lời nói đầu 3 CHƯƠNG 1. GIÓ VÀ CÁC THIỆT HẠI DO GIÓ GÂY RA 7 1.1. GIÓ VÀ CÁC LOẠI GIÓ 7 1.2. BÃO Ở VIỆT NAM 19 1.3. CÁC THIỆT HẠI DO GIÓ GÂY RA 20 CHƯƠNG 2. GIÓ TRONG LỚP BIÊN KHÍ QUYỂN 29 2.1. GIỚI THIỆU CHUNG 29 2.2. CHUYỂN ĐỘNG CỦA GIÓ 29 2.3. VẬN TỐC GIÓ VÀ THỜI GIAN TRUNG BÌNH 36 2.4. PROFIL VẬN TỐC GIÓ TRUNG BÌNH TRÊN ĐỊA HÌNH NGANG PHẲNG 39 2.5. GIÓ TRÊN ĐỊA HÌNH DỐC VÀ ĐỒI 49 2.6. NHIỄU LOẠN GIÓ TRONG LỚP BIÊN KHÍ QUYỂN TRÊN CÁC MẶT NGANG PHẲNG 57 CHƯƠNG 3. VẬN TỐC GIÓ CỰC TRỊ 74 3.1. GIỚI THIỆU CHUNG 74 3.2. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA LÝ THUYẾT  XÁC SUẤT DÙNG TRONG XÁC ĐỊNH VẬN TỐC GIÓ CỰC TRỊ 75 3.3. XÁC ĐỊNH VẬN TỐC R NĂM TỪ CÁC VẬN TỐC GIÓ GHI ĐƯỢC 81 3.4. QUAN HỆ GIỮA VẬN TỐC GIÓ, XÁC SUẤT VƯỢT QUÁ, CHU KỲ LẶP VÀ THỜI GIAN SỬ DỤNG NHÀ TRONG CÁC TIÊU CHUẨN 87 3.5. SỐ LIỆU VẬN TỐC GIÓ DÙNG TRONG THIẾT KẾ  Ở VIỆT NAM 91 CHƯƠNG 4. CƠ SỞ KHÍ ĐỘNG HỌC CÁC  CÔNG TRÌNH NHÀ 98 4.1. GIỚI THIỆU CHUNG 98 4.2. LUỒNG GIÓ QUANH NHÀ 99 4.3. ÁP LỰC GIÓ: PHƯƠNG TRÌNH BERNOULLI 100 4.4. LUỒNG GIÓ TRÊN MỘT MẶT CONG: LUỒNG GIÓ XOÁY 103 4.5. CÁC LỚP BIÊN VÀ SỰ TÁCH DÒNG. SỐ REYNOLDS 106 4.6. ẢNH HƯỞNG CỦA SỐ REYNOLDS TỚI SỰ TẠO  THÀNH XOÁY, TÁCH DÒNG VÀ HÌNH THÀNH VỆT RẼ GIÓ TRONG DÒNG 2-D 109 4.7. CÁC LỰC XOÁY TỎA RA PHÁT SINH DO VẬT THỂ 113 4.8. CÁC HIỆU ỨNG ÁP LỰC, LỰC CẢN, LỰC NGANG VÀ  MÔMEN TRONG CÁC DẠNG CÔNG TRÌNH 2-D 116 4.9. CÁC HỆ SỐ ÁP LỰC VÀ LỰC 118 CHƯƠNG 5. PHẢN ỨNG ĐỘNG CỦA CÔNG TRÌNH CHỊU TÁC ĐỘNG GIÓ 125 5.1. GIỚI THIỆU CHUNG 125 5.2. PHẢN ỨNG ĐỘNG CỦA CÔNG TRÌNH ĐỐI VỚI GIÓ DỌC 127 CHƯƠNG 6. XÁC ĐỊNH TÁC ĐỘNG GIÓ 165 6.1. GIỚI THIỆU CHUNG 165 6.2. XÁC ĐỊNH CÁC TÁC ĐỘNG GIÓ THEO TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU EN 1991-1-4:2005+A1 (2010) 167 CHƯƠNG 7. CƠ SỞ THIẾT KẾ NHÀ PHÒNG CHỐNG GIÓ BÃO 206 7.1. GIỚI THIỆU CHUNG 206 7.2. TÁC ĐỘNG GIÓ DÙNG ĐỂ THIẾT KẾ NHÀ 207 7.3. MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ YÊU CẦU THIẾT KẾ NHÀ PHÒNG CHỐNG GIÓ BÃO 212 7.4. THIẾT KẾ NHÀ ĐỂ ĐẢM BẢO CÁC YÊU CẦU ĐỘ BỀN 214 7.5. THIẾT KẾ NHÀ ĐỂ ĐẢM BẢO YÊU CẦU CHUYỂN VỊ NGANG 215 7.6. THIẾT KẾ NHÀ ĐỂ ĐẢM BẢO YÊU CẦU TIỆN NGHI SỬ DỤNG 218 7.7. THIẾT KẾ TIỆN NGHI SỬ DỤNG NGOÀI NHÀ ĐỐI VỚI NGƯỜI ĐI BỘ 226 7.8. CÁC BIỆN PHÁP LÀM GIẢM PHẢN ỨNG GIÓ 233 7.9. THIẾT KẾ CÁC TƯỜNG BAO CỦA NHÀ 240 CÁC VÍ DỤ TÍNH TOÁN 244 TÀI LIỆU THAM KHẢO 310