Cách để Tính tải trọng gió

Gió là luồng không khí di chuyển theo phương gần như nằm ngang từ nơi có áp suất cao đến nơi có áp suất thấp.^{[1]
X
Nguồn nghiên cứu} Gió thổi mạnh có thể gây ra thiệt hại lớn vì nó tạo ra áp lực lên bề mặt kết cấu. Người ta gọi cường độ của áp lực này là tải trọng gió. Ảnh hưởng của gió phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của cấu trúc. Tải trọng gió là thông số cần phải biết để có thể thiết kế, xây dựng các công trình có độ an toàn và chống gió tốt hơn, và để lắp đặt các vật thể trên nóc tòa nhà như ăng-ten.

Phương pháp 1

Phương pháp 1 của 3:

Tính tải trọng gió bằng công thức khái quát

1
Xác định công thức khái quát. Công thức tính tải trọng gió là F = A x P x Cd, trong đó F là lực gió hay tải trọng gió, A là diện tích hình chiếu, P là áp lực gió, và Cd là hệ số cản.^{[2]
X
Nguồn nghiên cứu} Phương trình này rất hữu ích để ước tính tải trọng gió trên một vật xác định, nhưng không đáp ứng được các yêu cầu trong bộ tiêu chuẩn xây dựng để thiết kế một công trình mới.
2
Tìm diện tích hình chiếu A. Đây là diện tích của bề mặt hai chiều mà gió đang thổi vào.^{[3]
X
Nguồn nghiên cứu} Để có thể phân tích chính xác hơn thì bạn phải lặp lại phép tính cho từng mặt của tòa nhà. Ví dụ, nếu mặt hướng tây của tòa nhà có diện tích 20m², hãy thay giá trị đó vào A để tính tải trọng gió trên mặt hướng tây.
- Công thức tính diện tích phụ thuộc vào hình dạng bề mặt. Đối với bức tường phẳng thì bạn dùng công thức Diện tích = chiều dài x chiều cao. Tính gần đúng diện tích bề mặt cột bằng công thức Diện tích = đường kính x chiều cao.
- Trong hệ SI, bạn cần đo A theo đơn vị mét vuông (m²).
- Trong hệ đo lường Anh, bạn cần đo A theo đơn vị bộ vuông (ft²).
3
Tính áp lực gió. Công thức đơn giản để tính áp lực gió P trọng hệ đo lường Anh (cân Anh/bộ vuông) là $P=0,00256V^{2}$ $P=0,00256V^{2}$ , trong đó V là vận tốc gió theo dặm trên giờ (mph).^{[4]
X
Nguồn nghiên cứu} Để tìm áp lực gió trong hệ SI (Newton/mét vuông), bạn dùng $P=0,613V^{2}$ $P=0,613V^{2}$ , và đo vận tốc V theo mét trên giây.^{[5]
X
Nguồn nghiên cứu}
- Công thức này được lấy từ bộ tiêu chuẩn của Hiệp hội các Kỹ sư Dân dụng Hoa Kỳ. Hệ số 0,00256 là kết quả của một phép tính dựa trên các giá trị điển hình của mật độ không khí và gia tốc trọng trường.^{[6]
  X
  Nguồn nghiên cứu}
- Các kỹ sư sử dụng một công thức chính xác hơn để xem xét những yếu tố như địa hình xung quanh và loại công trình. Bạn có thể tìm công thức tính trong bộ tiêu chuẩn ASCE 7-05, hoặc sử dụng công thức UBC dưới đây.
- Nếu bạn không biết vận tốc gió là bao nhiêu thì tra vận tốc gió cao nhất tại khu vực theo tiêu chuẩn của Hiệp hội Doanh nghiệp Điện tử (EIA). Ví dụ, phần lớn nước Mỹ nằm trong Vùng A có vận tốc gió 38,7 m/s, nhưng các khu vực duyên hải nằm trong Vùng B (44,7 m/s) hay Vùng C (50 m/s).
4
Xác định hệ số cản của vật đang xem xét. Lực cản là lực của gió tác động lên tòa nhà, bị chi phối bởi hình dạng tòa nhà, độ gồ ghề bề mặt và nhiều yếu tố khác. Các kỹ sư thường đo lực cản một cách trực tiếp thông qua thí nghiệm, nhưng nếu muốn ước lượng thì bạn có thể tra hệ số cản điển hình đối với hình dạng vật. Ví dụ:^{[7]
X
Nguồn nghiên cứu}
- Hệ số cản tiêu chuẩn của ống trụ dài là 1,2 và ống trụ ngắn là 0,8. Các hệ số này áp dụng cho chân trụ giữ ăng-ten trên nhiều tòa nhà.
- Hệ số cản tiêu chuẩn cho tấm phẳng như mặt tòa nhà là 2,0 đối với tấm phẳng dài, hay 1,4 đối với tấm phẳng ngắn.
- Hệ số cản không có đơn vị.
5
Tính tải trọng gió. Sử dụng các giá trị tìm được trên đây, bây giờ bạn có thể tính tải trọng gió bằng phương trình F = A x P x Cd.
6
Giả sử bạn muốn tính tải trọng gió tác động lên ăng-ten có chiều dài 1 mét và đường kính 2 cm, vận tốc gió 31,3 m/s.
- Bắt đầu bằng cách ước tính diện tích hình chiếu. Trong trường hợp này, $A=dw=(1m)(0,02cm)=0,02m^{2}$
- Tính áp lực gió: $P=0,613V^{2}=0,613(31,3^{2})=600N/m^{2}$ .
- Đối với hình trụ ngắn thì hệ số cản là 0,8.
- Thay vào phương trình: $F=APCd=(0,02m^{2})(600N/m^{2})(0,8)=9,6N.$
- 9,6 N là tải trọng gió tác động lên ăng-ten.
Quảng cáo

Phương pháp 2

Phương pháp 2 của 3:

Tính tải trọng gió bằng công thức của Hiệp hội Doanh nghiệp Điện tử

1
Xác định công thức do Hiệp hội Doanh nghiệp Điện tử phát triển. Công thức tính tải trọng gió là F = A x P x Cd x Kz x Gh, trong đó A diện tích hình chiếu, P là áp lực gió, Cd là hệ số cản, Kz là hệ số tiếp xúc, và Gh là hệ số giật của gió. Công thức tính tải trọng gió này xem xét thêm một vài thông số, và thường được sử dụng để tính tải trọng gió tác động lên ăng-ten.
2
Tìm hiểu các biến số trong công thức. Để sử dụng hiệu quả công thức này, trước tiên bạn phải hiểu ý nghĩa của mỗi biến số và đơn vị của nó.
- A, P và Cd cũng có ý nghĩa như trong công thức khái quát.
- Kz là hệ số tiếp xúc và được tính theo chiều cao từ mặt đất đến trung điểm của vật. Đơn vị của Kz là mét.
- Gh là hệ số giật và được tính theo toàn bộ chiều cao của vật. Đơn vị của Gh là 1/m hoặc m^-1.
3
Xác định diện tích hình chiếu. Diện tích hình chiếu của vật phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của nó. Nếu gió thổi vào một bức tường phẳng thì diện tích hình chiếu dễ tính hơn là vật thể tròn. Diện tích hình chiếu sẽ có giá trị xấp xỉ với diện tích mà gió tiếp xúc. Không có công thức nào để tính diện tích hình chiếu, nhưng bạn có thể ước lượng bằng một số phép tính cơ bản. Đơn vị của diện tích là m².
- Đối với tường phẳng, sử dụng công thức Diện tích = chiều dài x chiều rộng, đo chiều dài và chiều rộng bức tường nơi bị gió thổi vào.
- Đối với hình trụ hay cột, bạn có thể tính gần đúng diện tích bằng chiều dài và chiều rộng. Trong trường hợp này, chiều rộng là đường kính hình trụ hay cột.
4
Tính áp lực gió. Áp lực gió được tính theo công thức P = 0,613 x V², trong đó V là vận tốc gió theo mét trên giây (m/s). Đơn vị của áp lực gió là Newton trên mét vuông (N/m²).
- Ví dụ, nếu vận tốc gió là 31,3 m/s thì áp lực gió là 0,613 x 31,3² = 600 N/m².
- Một cách khác để tính áp lực gió tại một vận tốc cụ thể là sử dụng tiêu chuẩn về vận tốc gió tại các khu vực địa lý khác nhau. Ví dụ, theo Hiệp hội Doanh nghiệp Điện tử (EIA) thì phần lớn nước Mỹ nằm trong Vùng A có vận tốc gió 38,7 m/s, nhưng các khu vực duyên hải nằm trong Vùng B (44,7 m/s) hay Vùng C (50 m/s).
5
Xác định hệ số cản của vật đang xem xét. Lực cản là phần lực của gió tác động theo hướng thổi lên bề mặt vật.^{[8]
X
Nguồn nghiên cứu} Hệ số cản thể hiện độ cản trở của vật nằm trong lưu chất, và phụ thuộc vào hình dạng, kích thước, và độ gồ ghề của vật.
- Hệ số cản tiêu chuẩn của ống trụ dài là 1,2 và ống trụ ngắn là 0,8, thường được áp dụng cho các trụ ăng-ten trên nhiều tòa nhà.
- Hệ số cản tiêu chuẩn cho tấm phẳng như mặt tòa nhà là 2,0 đối với tấm phẳng dài, hay 1,4 đối với tấm phẳng ngắn.
- Độ chênh lệch giữa hệ số cản của tấm phẳng và ống trụ xấp xỉ 0,6.
- Hệ số cản không có đơn vị.
6
Tính hệ số tiếp xúc Kz. Kz được tính bằng công thức [z/33]^(2/7), trong đó z là chiều cao từ mặt đất đến trung điểm của vật.
- Ví dụ, nếu bạn có cái ăng-ten dài 1 mét và nằm cách mặt đất 15 mét, z sẽ là 14,5 m.
- Kz = [z/33]^(2/7) = [14,5/33]^(2/7) = 0,8 m.
7
Tính hệ số giật của gió Gh. Hệ số giật của gió được tính bằng công thức Gh = 0,65+0,6/[(h/33)^(1/7)], trong đó h là chiều cao của vật.
- Ví dụ, nếu bạn có cái ăng-ten dài 1 mét và nằm cách mặt đất 15 mét, Gh = 0,65+0,6/[(h/33)^(1/7)] = 0,65+0,6/[(16/33)^(1/7)] = 1,32 m^-1
8
Tính tải trọng gió. Sử dụng các giá trị tìm được trên đây, bây giờ bạn có thể tính tải trọng gió bằng phương trình F = A x P x Cd x Kz x Gh. Thay giá trị vào các biến số và thực hiện phép tính.
- Giả sử bạn muốn tính tải trọng gió tác động lên ăng-ten có chiều dài 1 mét và đường kính 2 cm, vận tốc gió 31,3 m/s. Ăng-ten được đặt trên nóc tòa nhà cao 15m.
- Bắt đầu bằng cách tính diện tích hình chiếu. Trong trường hợp này, A = l x w = 1 m x 0,02 m = 0,02 m².
- Tính áp lực gió: P = 0,613 x V² = 0,613 x 31,3² = 600 N/m².
- Đối với hình trụ ngắn thì hệ số cản là 0,8.
- Tính hệ số tiếp xúc: Kz = [z/33]^(2/7) = [14,5/33]^(2/7) = 0,8 m.
- Tính hệ số giật của gió: Gh = 0,65+0,60/[(h/33)^(1/7)] = 0,65+0,60/[(16/33)^(1/7)] = 1,32 m^-1
- Thay vào phương trình: F = A x P x Cd x Kz x Gh = 0,02 x 600 x 0,8 x 0,8 x 1,32 = 10 N.
- 10 N là tải trọng gió tác động lên ăng-ten.
Quảng cáo

Phương pháp 3

Phương pháp 3 của 3:

Tính tải trọng gió bằng công thức của bộ tiêu chuẩn UBC-97 (Uniform Building Code)

1
Xác định công thức của UBC-97. Công thức này được xây dựng vào năm 1997 trong bộ tiêu chuẩn UBC (Uniform Building Code) để tính tải trọng gió. Công thức là F = A x P, trong đó A là diện tích hình chiếu và P là áp lực gió; nhưng công thức này có một cách tính khác để tìm áp lực gió.
- Áp lực gió (N/m²) được tính theo công thức P= Ce x Cq x Qs x Iw, trong đó Ce là hệ số kết hợp của chiều cao, độ tiếp xúc và độ giật của gió, Cq là hệ số áp lực (tương đương với hệ số cản trong hai phương trình nói trên), Qs là áp lực trì trệ của gió, và lw là hệ số quan trọng. Tất cả các giá trị này đều có thể tính được hoặc tra từ các bảng tương ứng.
2
Xác định diện tích hình chiếu. Diện tích hình chiếu của vật phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của nó. Nếu gió thổi vào một bức tường phẳng thì diện tích hình chiếu dễ tính hơn là vật thể tròn. Diện tích hình chiếu sẽ có giá trị xấp xỉ với diện tích mà gió tiếp xúc. Không có công thức nào để tính diện tích hình chiếu, nhưng bạn có thể ước lượng bằng một số phép tính cơ bản. Đơn vị của diện tích là m².
- Đối với tường phẳng, sử dụng công thức Diện tích = chiều dài x chiều rộng, đo chiều dài và chiều rộng bức tường nơi bị gió thổi vào.
- Đối với hình trụ hay cột, bạn có thể tính gần đúng diện tích bằng chiều dài và chiều rộng. Trong trường hợp này, chiều rộng là đường kính hình trụ hay cột.
3
Xác định Ce, hệ số kết hợp của chiều cao, độ tiếp xúc và độ giật của gió. Giá trị này được tra từ bảng 16-G trong UBC và xem xét đến ba kiểu tiếp xúc liên quan đến địa hình, với các chiều cao và giá trị Ce khác nhau đối với từng kiểu.
- “Kiểu tiếp xúc B là địa hình có nhà cửa, cây cối hay sự không đồng đều khác, phủ tối thiểu 20% diện tích xung quanh và trải dài từ 1,6 km trở lên tính từ vị trí xem xét.”
- “Kiểu tiếp xúc C là địa hình bằng phẳng và nói chung thông thoáng, trải dài từ 0,8 km trở lên từ vị trí xem xét.”
- “Kiểu tiếp xúc D là địa hình chịu tác động khắc nghiệt nhất, có vận tốc gió trung bình là 129 km/giờ hoặc cao hơn, và kiểu địa hình bằng phẳng không có vật cản trở, xung quanh có vùng nước rộng.”
4
Xác định hệ số áp lực của vật đang xem xét. Hệ số áp lực Cq tương tự với hệ số cản Cd. Lực cản là phần lực của gió tác động theo hướng thổi lên bề mặt vật.^{[9]
X
Nguồn nghiên cứu} Hệ số cản thể hiện độ cản trở của vật nằm trong lưu chất, và phụ thuộc vào hình dạng, kích thước, và độ gồ ghề của vật.
- Hệ số cản tiêu chuẩn của ống trụ dài là 1,2 và ống trụ ngắn là 0,8, thường được áp dụng cho các trụ ăng-ten trên nhiều tòa nhà.
- Hệ số cản tiêu chuẩn cho tấm phẳng như mặt tòa nhà là 2,0 đối với tấm phẳng dài, hay 1,4 đối với tấm phẳng ngắn.
- Độ chênh lệch giữa hệ số cản của tấm phẳng và ống trụ xấp xỉ 0,6.
- Hệ số cản không có đơn vị.
5
Xác định áp lực trì trệ của gió. Qs là áp lực trì trệ của gió và được tính tương tự như phép tính áp lực gió trong các phương trình trước đây: Qs = 0,613 x V², trong đó V là vận tốc gió theo mét trên giây (m/s).
- Ví dụ, nếu vận tốc gió là 31 m/s thì áp lực trì trệ của gió là 0,613 x V² = 0,613 x 31,3² = 600 N/m².
- Một cách khác là sử dụng tiêu chuẩn về vận tốc gió tại các khu vực địa lý khác nhau. Ví dụ, theo Hiệp hội Doanh nghiệp Điện tử (EIA) thì phần lớn nước Mỹ nằm trong Vùng A có vận tốc gió 38,7 m/s, nhưng các khu vực duyên hải nằm trong Vùng B (44,7 m/s) hay Vùng C (50 m/s).
6
Xác định hệ số quan trọng. lw là hệ số quan trọng và có thể tra từ bảng 16-K trong UBC. Đó là một hệ số nhân được dùng để tính tải trọng nhằm xem xét đến yếu tố sử dụng tòa nhà. Nếu tòa nhà chứa vật liệu nguy hiểm thì hệ số quan trọng sẽ cao hơn tòa nhà dùng cho mục đích bình thường.
- Các phép tính cho tòa nhà có mục đích sử dụng tiêu chuẩn sẽ có hệ số quan trọng là 1.
7
Tính tải trọng gió. Sử dụng các giá trị tìm được trên đây, bây giờ bạn có thể tính tải trọng gió bằng phương trình F = A x P = A x Ce x Cq x Qs x Iw . Thay giá trị vào các biến số và thực hiện phép tính.
- Giả sử bạn muốn tính tải trọng gió tác động lên ăng-ten có chiều dài 1 mét và đường kính 2 cm, vận tốc gió 31 m/s. Ăng-ten đặt trên nóc tòa nhà cao 15 m tại khu vực có địa hình thuộc Kiểu tiếp xúc B.
- Bắt đầu bằng cách tính diện tích hình chiếu. Trong trường hợp này, A = l x w = 1 m x 0,02 m = 0,02 m².
- Xác định Ce. Theo bảng 16-G, sử dụng chiều cao 15 m và địa hình thuộc Kiểu tiếp xúc B, ta tra được Ce là 0,84.
- Đối với hình trụ ngắn thì hệ số cản hay Cq là 0,8.
- Tính Qs: Qs = 0,613 x V² = 0,613 x 31,3² = 600 N/m².
- Xác định hệ số quan trọng. Đây là một tòa nhà tiêu chuẩn nên lw = 1.
- Thay vào phương trình: F = A x P = A x Ce x Cq x Qs x Iw = 0,02 x 0,84 x 0,8 x 600 x 1= 8 N.
- 8 N là tải trọng gió tác động lên ăng-ten.
Quảng cáo

Lời khuyên

Bạn nên biết vận tốc gió thay đổi ở các độ cao khác nhau tính từ mặt đất. Vận tốc gió tăng theo chiều cao kết cấu và càng xuống gần mặt đất thì càng thay đổi thất thường, vì nó bị tác động bởi các công trình trên mặt đất.
Nên nhớ chính sự thay đổi thất thường này sẽ làm giảm độ chính xác của các phép tính tải trọng gió.