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. 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. Dưới đây là cách để tính trọng tải của gió chi tiết nhất.
Cách để tính trọng tải của gió chi tiết
Bước 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. 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.
Bước 2: Tìm diện tích hình chiếu A. Đây là diện tích của bề mặt hai chiều mà gió đang thổi vào. 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).
Bước 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=0,00256V2, trong đó V là vận tốc gió theo dặm trên giờ (mph). Để tìm áp lực gió trong hệ SI (Newton/mét vuông), bạn dùng P=0,613V2, và đo vận tốc V theo mét trên giây.[5]
- 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]
- 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).
Bước 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]
- 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.
Bước 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.
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)=0,02m2
- Tính áp lực gió: P=0,613V2=0,613(31,32)=600N/m2.
- Đối với hình trụ ngắn thì hệ số cản là 0,8.
- Thay vào phương trình: F=APCd=(0,02m2)(600N/m2)(0,8)=9,6N.
- 9,6 N là tải trọng gió tác động lên ăng-ten.
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.
