ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN TRỌNG KHUÊ

ĐÁNH GIÁ ỨNG XỬ CỦA THÁP PHONG ĐIỆN CHỊU
TẢI TRỌNG GIÓ THEO TCVN 2737:1995 VÀ ASCE 7-10

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình Dân dụng và Công nghiệp
Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS. LÊ ANH TUẤN

Đà Nẵng, Năm 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu độc lập của tôi.
Các số liệu khoa học, tài liệu viện dẫn nêu trong luận văn là trung thực và
có nguồn gốc rõ ràng.

Tác giả

Nguyễn Trọng Khuê


MỤC LỤC
TRANG BÌA
LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC
TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................ 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................... 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................ 2
4. Phương pháp nghiên cứu............................................................................... 2
5. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài ......................................................... 2
6. Nội dung luận văn ......................................................................................... 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIÓ, HỆ KẾT CẤU CÔNG TRÌNH PHONG
ĐIỆN VÀ CÁC TIÊU CHUẨN TCVN VÀ ASCE ................................................. 3
1.1. Tổng quan về Phong điện .................................................................................3
1.1.1. Phân loại trang trại gió ..............................................................................4
1.1.2. Phân loại turbine gió ..................................................................................4
1.1.3. Phân loại các loại tháp ...............................................................................4
1.2. Tổng quan về gió, hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn ASCE ..........6
1.2.1. Tổng quan về gió .......................................................................................6
1.2.2. Tổng quan về hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn ASCE ..........7
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 .......................................................................................... 8
CHƯƠNG 2. CÔNG TRÌNH PHONG ĐIỆN CHỊU TẢI TRỌNG GIÓ ................ 9
2.1. Tải trọng thiết kế và phân tích kết cấu .............................................................9
2.1.1. Các loại tải trọng tác dụng lên công trình Phong điện trên đất liền ..........9
2.1.2. Phân tích kết cấu ......................................................................................10
2.2. Điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu .........................................................10
2.2.1. Gió ...........................................................................................................10
2.2.2. Bão và áp thấp nhiệt đới ..........................................................................10
2.3. Xác định tải trọng gió tác dụng lên công trình theo TCVN 2737:1995 .........10

2.3.1. Vận tốc gió cơ bản ...................................................................................11
2.3.2. Phân chia dạng địa hình ...........................................................................11
2.3.3. Thành phần lực dọc hướng gió ................................................................ 11
2.3.4. Thành phần lực ngang của hướng gió .....................................................21


2.3.5. Tổ hợp nội lực của tải trọng gió ( gió tĩnh + gió động ) ..........................25
2.4. Xác định tải trọng gió tác dụng lên công trình theo ASCE 7-10 ...................25
2.4.1. Vận tốc gió cơ sở .....................................................................................25
2.4.2. Dạng đón gió của công trình ...................................................................26
2.4.3. Tác động của địa hình..............................................................................27
2.4.4. Thành phần lực dọc hướng gió ................................................................ 29
2.4.5. Thành phần lực ngang của hướng gió .....................................................33
2.5. So sánh giữa các tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 và ASCE 7-10 .....................36
2.5.1. Dạng địa hình ..........................................................................................36
2.5.2. Vận tốc gió cơ sở .....................................................................................38
2.5.3. Thành phần tải trọng gió..........................................................................41
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ........................................................................................ 42
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ ĐÁNH GIÁ ỨNG XỬ CỦA THÁP PHONG
ĐIỆN CHỊU TẢI TRỌNG GIÓ .............................................................................. 43
3.1. Mục đích nghiên cứu ......................................................................................43
3.2. Dữ liệu đầu vào tính toán ...............................................................................43
3.2.1. Đặc tính kỹ thuật thiết bị .........................................................................43
3.2.2. Vận tốc gió ..............................................................................................47
3.2.3. Giả thiết tính toán ....................................................................................47
3.3. Xác định chu kỳ, tần số dao động của tháp Phong điện .................................47
3.3.1. Xác định chu kỳ, tần số dao động theo TCVN ........................................47
3.3.2. Xác định chu kỳ, tần số dao động theo phần tử hữu hạn ........................49
3.4. Tính toán tải trọng gió tác dụng vào tháp phong điện theo TCVN ................50
3.4.1. Xác định lực gió dọc tác dụng lên kết cấu tháp.......................................51

3.4.2. Xác định lực gió dọc tác dụng lên kết cấu cánh quạt ..............................54
3.4.3. Xác định lực ngang của gió lên thân cột và cánh quạt ............................55
3.5. Tính toán tải trọng gió tác dụng vào công trình theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ
ASCE 7-10.............................................................................................................56
3.5.1. Xác định lực gió tác dụng lên kết cấu tháp .............................................56
3.5.2. Xác định lực gió tác dụng lên kết cấu cánh quạt ở trạng thái không vận
hành ...................................................................................................................60
3.6. Xác định lực gió tác dụng lên kết cấu cánh quạt ở trạng thái gió vận hành ...63
3.7. So sánh kết quả tính toán tải trọng gió ...........................................................66
3.7.1. Lực gió tác dụng vào cánh quạt ...............................................................66
3.7.2. Lực gió tác dụng vào tháp .......................................................................66
3.8. Đánh giá ứng xử của tháp phong điện theo 2 tiêu chuẩn ...............................68
3.8.1. Chuyển vị lớn nhất của đỉnh tháp Phong điện theo TCVN .....................70
3.8.2. Chuyển vị lớn nhất của đỉnh tháp Phong điện theo ASCE .....................70
3.8.3. Moment thân tháp phong điện theo TCVN .............................................71


3.8.4. Moment thân tháp phong điện theo ASCE ..............................................71
3.8.5. Ứng suất lớn nhất trên thân tháp Phong điện theo TCVN ......................72
3.8.6. Ứng suất lớn nhất trên thân tháp Phong điện theo ASCE .......................73
3.8.7. Tổng hợp kết quả dựa trên tính toán TCVN và ASCE............................75
3.8.8. Đánh giá ứng xử của tháp phong điện .....................................................76
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ........................................................................................ 79
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................. 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 81
PHỤ LỤC
ẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI
ẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO).
BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC
PHẢN BIỆN.



TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN
ĐÁNH GIÁ ỨNG XỬ CỦA THÁP PHONG ĐIỆN CHỊU TẢI TRỌNG GIÓ
THEO TCVN 2737:1995 VÀ ASCE 7-10
Học viên: Nguyễn Trọng Khuê
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Công trình Dân dụng và Công nghiệp
Mã số:
Khóa: K33 Trường Đại học Bách Khoa - ĐHĐN
Tóm tắt - Cùng với sự phát triển của công nghệ, quy mô công suất của mỗi
turbine gió được nâng lên, cùng với đó với chiều cao công trình Phong điện ngày
một vươn cao. Một turbine gió được mong đợi sẽ tạo ra năng lượng và cũng có
thể chịu được một cách an toàn bất kỳ loại tải nào tác dụng lên nó. Do đó, việc
xác định tải trọng gió tác động lên loại công trình này và khả năng ứng xử của
một kết cấu tháp phong điện như thế nào khi chịu tải trọng gió thay đổi theo chiều
cao, đang là một vấn đề cần được quan tâm và tìm hiểu. Thông qua tính toán tải
trọng gió tác động lên tháp phong điện theo hai tiêu chuẩn là TCVN 2737-1995
và ASCE 7-10 để có những kiến thức sát thực hơn về sự tác động của tải trọng
gió lên hệ kết cấu này. Các kết quả tính toán tải trọng gió được đưa vào mô hình
phân tích thông qua phần mềm Sap2000, sau đó được phân tích động, phi tuyến
tính, để có thể đánh giá đầy đủ các chuyển vị, nội lực và ứng suất cho các phần
được chọn của tháp phong điện.
Từ khóa - Tháp phong điện; tải trọng gió; phân tích ứng xử; TCVN
2737:1995, ASCE 7-10.
BEHAVIOR ASSESSEMENT OF WIND TURBINE TOWER UNDER WIND
LOADS ACCORDING TO TCVN 2737:1995 AND ASCE 7-10
Abstract - Along with the development of technology, the capacity of each
wind turbine system is increased, resulting in the height of the wind power plant
on a high rise. A wind turbine is expected to generate energy and also be able to
safely withstand any type of load acting on it. Therefore, the determination of the

wind load acting on this type of building and how the behavior of a wind turbine
structure when subjected to varying wind loads is a matter of concern, research.
By calculating the wind load impact on the wind turbines in accordance with two
standards TCVN 2737-1995 and ASCE 7-10 to have realistic results on the
impact of wind load on the structure. This load values calculated in the paper
were assigned to the analysis model by Sap2000 software, carried out dynamic
analysis, nonlinear analysis to fully evaluate the displacement, internal force and
stress of wind power structure.
Key words - wind turbine tower; wind load; behavior analysis; TCVN 2737:
1995; ASCE 7-10


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
QCVN 02-2009/BXD: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia Việt Nam 02-2009/BXD
TCVN 2737 - 1995: Tiêu chuẩn Việt Nam 2737 - 1995
TCXD 229 - 1999: Tiêu chuẩn Xây dựng 229 - 1999
ASCE 7 - 10:

Tiêu chuẩn Mỹ 7 - 10


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số
hiệu
1.1.
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.

2.6.
2.7.
2.8.
2.9.
2.10.
2.11.
2.12.
2.13.
2.14.
2.15.
2.16.

Tên bảng
Bảng thống kê quy mô và năm vận hành các dự án điện gió đã triển
khai
Áp lực gió theo bản đồ phân vùng áp lực gió lãnh thổ Việt Nam
Hệ số k để đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao và dạng địa hình
Xác định hệ số k, theo bảng 6.1
Giá trị giới hạn tần số dao động riêng f theo TCVN 2737:1995
Hệ số áp lực động z trích theo TCVN 2737:1995
Xác định các tham số r và c theo TCVN 2737:1995
Hệ số tương quan không gian v theo TCVN2737:1995
Số Strouhal cho một số dạng mặt cắt
Các dạng địa hình theo TCVN 2737:1995
Hệ số áp lực Cf cho công trình ống khói, bồn chứa và kết cấu khác
Hệ số áp lực Cf cho bảng hiệu mở và hệ khung lưới
Giá trị các tham số
Các tham số điều kiện bề mặt
Xác định các tham số kể đến sự gia tăng vận tốc gió theo các điều
kiện địa hình

Hệ số hướng Kd
Hệ số tầm quan trọng I

2.17. Thông tin về phân loại dạng địa hình theo các tiêu chuẩn khác nhau
2.18. So sánh phân loại địa hình theo 3 tiêu chuẩn
2.19. Các nhóm phân dạng địa hình
2.20. Thông số xác định vận tốc gió cơ sở theo các tiêu chuẩn
2.21. Áp lực gió tiêu chuẩn (W(20y 3”B) ứng với các vùng áp lực gió
2.22. Vận tốc gió tiêu chuẩn W(20y, 3’’, B) ứng với các vùng
2.23. Hệ số chuyển đổi gió 3s từ chu kỳ 20 năm sang các chu kỳ khác
Giá trị vận tốc gió cơ sở quy đổi từ TCVN 2737:1995 sang ASCE 72.24.
10
3.1. Đặc tính kỹ thuật của thiết bị turbine gió
3.2. Thông số kỹ thuật của tháp thép ống
3.3. Vận tốc gió thiết kế
3.4. Giả thiết sự làm việc của kết cấu

Trang
1
11
13
15
16
17
18
18
22
23
29
29

31
32
32
33
33
37
37
38
39
40
40
41
41
43
45
47
47


Số
Tên bảng
hiệu
3.5. Chu kỳ và tần số của các dạng dao động riêng đầu tiên (SAP2000)
Tổng hợp thành phần tĩnh của gió tác dụng lên cánh quạt trong
3.6.
trường hợp không vận hành
Tổng hợp thành phần động của gió tác dụng lên cánh quạt trong
3.7.
trường hợp không vận hành
Tổng hợp thành phần tĩnh và động và giá trị lực moment của gió tác

3.8.
dụng lên cánh quạt trong trường hợp không vận hành
Bảng tổng hợp giá trị lực và moment tại chân cột ứng với từng vận
3.9.
tốc gió tác động vào cánh quạt trong trạng thái vận hành
3.10. Tổng hợp lực gió tác dụng lên cánh quạt
3.11. Tổng hợp giá trị tiêu chuẩn của lực dọc hướng gió
3.12. Tổng hợp giá trị tiêu chuẩn của lực dọc hướng gió
3.13. Tổng hợp chuyển vị tại đỉnh tháp dựa trên TCVN và ASCE
3.14. Tổng hợp phản lực chân tháp giữa TCVN và ASCE
3.15. Tổng hợp ứng suất lớn nhất giữa TCVN và ASCE

Trang
49
54
55
55
65
66
67
67
75
75
75


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số
hiệu
1.1.

1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
1.6.
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
2.6.
2.7.
2.8.
2.9.
2.10.
2.11.
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.
3.6.
3.7.
3.8.
3.9.
3.10.
3.11.
3.12.
3.13.
3.14.

3.15.
3.16.

Tên hình
Cấu tạo công trình Phong điện điển hình
Các loại trang trại gió
Các loại Turbine điện gió
Các loại tháp phong điện
Trang trại phong điện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận
Trang trại phong điện Bạc iêu, tỉnh Bạc iêu
Bản đồ phân vùng áp lực gió Việt Nam
Công trình có mặt xung quanh hình trụ tròn
Biểu đồ tra hệ số khí động
Phân chia thành phần tĩnh và thành phần động của tải trọng gió
Hệ tọa độ cơ bản khi xác định hệ số tương quan không gian n
theo TCVN 2737:1995
Đồ thị xác định hệ số động lực x theo TCVN 2737:1995
Sự tách xoáy của dòng khí ở phía sau công trình dạng trụ tròn
Các phạm vi tác dụng của lực ngang hướng gió lên công trình
uan hệ thực nghiệm Re và m của hệ kết cấu ống tròn
Các dạng địa hình đón gió
Đồ thị chuyển vận tốc trung bình trong các khoảng thời gian
Hình minh họa thiết bị turbine gió
Tháp thép ống
Các dạng dao động xuất từ Sap2000
Đường cong năng lượng của turbine gió 2MW
Hệ số đẩy cho Turbine gió 2MW
ực gió lên cánh quạt ứng với từng vận tốc gió
Mô hình tháp
Gán tiết diện kết cấu từ S1 đến S19

Chuyển vị tại đỉnh tháp từ Sap2000 theo TCVN
Chuyển vị tại đỉnh tháp từ Sap2000 theo ASCE
Giá trị moment thân tháp từ Sap2000
Giá trị moment thân tháp từ Sap2000
Giá trị ứng suất S11
Giá trị ứng suất S22
Giá trị ứng suất S12
Giá trị ứng suất S11

Trang
3
4
4
5
5
6
12
14
15
16
18
19
22
23
24
26
40
45
46
50

63
64
65
69
69
70
70
71
71
72
72
73
73


Số
hiệu
3.17.
3.18.
3.19.
3.20.
3.21.
3.22.
3.23.
3.24.

Tên hình
Giá trị ứng suất S22
Giá trị ứng suất S12
Đồ thị so sánh chuyển vị ngang

Đồ thị so sánh chuyển vị góc xoay
Biểu đồ Moment thân tháp
Biểu đồ lực cắt thân tháp
Biểu đồ ứng suất S11
Biểu đồ ứng suất S22

Trang
74
74
76
76
77
77
78
78


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Phát triển năng lượng bền vững là mối quan tâm hàng đầu hiện nay của các
quốc gia trên thế giới nhằm đảm bảo nguồn cung ứng điện lâu dài và giảm thiểu
các tác động đến môi trường.
Cho đến nay, một số dự án năng lượng gió đã và đang triển khai ở Việt Nam
như sau:
Bảng 1.1. Bảng thống kê quy mô và năm vận hành các dự án điện gió đã triển khai
(Nguồn Internet)
Quy mô
Năm lắp

(MW)
đặt
1
Nhà máy điện gió Tuy Phong (Bình Thuận)
30
2009
2
Nhà máy điện gió Phú Quý (tỉnh Bình Thuận)
6
2011
3
Nhà máy điện gió Phú Lạc (tỉnh Bình Thuận)
24
2015
4
Nhà máy điện gió Bạc Liêu (tỉnh Bạc Liêu)
99,2
2016
Cùng với sự phát triển của công nghệ, quy mô công suất của mỗi turbine gió
được nâng lên đồng nghĩa với chiều cao công trình Phong điện ngày một vươn
cao.
Việc tính toán, nhận xét, đánh giá tải trọng gió tác động lên loại công trình
này như thế nào là hợp lý và khả năng ứng xử của một kết cấu tháp phong điện
như thế nào khi chịu tải trọng gió thay đổi theo chiều cao, đang là một vấn đề cần
được quan tâm và tìm hiểu. Từ thực tế đó, trong khuôn khổ Luận văn Thạc sĩ kỹ
thuật, học viên lựa chọn đề tài “Đánh giá ứng xử của tháp phong điện chịu tải
trọng gió theo TCVN 2737:1995 và ASCE7-10” Với mong muốn có được
những kiến thức sát thực hơn về sự tác động của tải trọng gió lên hệ kết cấu này.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu tính toán tải trọng gió tác động lên công

trình Phong điện, cụ thể tải trọng gió tác động lên các bộ phận công trình Phong
điện như sau:
Turbine: Gồm cánh quạt, phần thân rotor (Hub), phần vỏ của Turbine
(Nacelle).
Kết cấu tháp: Kết cấu đề xuất nghiên cứu là tháp thép ống đường kính
lớn, có tiết diện tròn thay đổi theo chiều cao.
Tính toán, xét đến gió ngang và thành phần dao động của áp lực gió thay đổi
theo chiều cao.
Đánh giá ứng xử của tháp phong điện chịu tải trọng gió theo các tiêu chuẩn
nêu trên.
STT

Tên dự án


2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Công trình Phong điện trên bờ chịu tải trọng gió
thay đổi theo chiều cao.
Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tính toán tải trọng gió tác động lên công
trình Phong điện theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737:1995 và tiêu chuẩn Mỹ
ASCE 7-10. Đánh giá ứng xử của kết cấu tháp phong điện bằng thép, hình dạng
ống có đường kính và chiều dày thay đổi theo chiều cao chịu tải trọng gió.
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu như sau:
Thu thập các số liệu, tài liệu điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu.
Thu thập các số liệu, thông số thiết bị tuabin gió của nhà sản xuất.
Xác định tải trọng tác động lên công trình Phong điện. Tính toán tải
trọng gió tác dụng lên công trình Phong điện.
Xây dựng mô hình để phân tích.

Phân tích và đánh giá ứng xử của kết cấu tháp phong điện với sự hỗ trợ
từ phần mềm tính toán kết cấu như SAP2000.
Dựa vào kết quả nghiên cứu, phân tích, so sánh các vấn đề tồn tại trong tính
toán để có đề xuất hợp lý.
5. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài
Cơ sở khoa học: các tài liệu thiết kế cấu kiện tháp Phong điện hiện này chủ
yếu sử dụng các tài liệu nước ngoài song có sự khác nhau về vị trí địa lí, điều kiện
tự nhiên… Do đó, cần nghiên cứu cụ thể để áp dụng cách tính toán tải trọng gió
tác dụng lên các công trình tương tự dạng tháp trụ theo tiêu chuẩn Việt Nam. Tuy
nhiên, việc chỉ tính theo tiêu chuẩn Việt Nam sẽ không kiểm chứng được kết quả.
Từ đó, áp dụng tính toán tải trọng gió tác dụng lên loại công trình này theo hai
tiêu chuẩn ASCE 7-10 và TCVN 2737:1995 để có nhận xét kết quả tính toán và
đánh giá ứng xử của kết cấu tháp.
Cơ sở thực tiễn: Mang lại nhiều hiệu quả kinh tế và kỹ thuật trong ngành xây
dựng hiện nay vì phân tích ứng xử kết cấu tháp Phong điện dựa trên các tài liệu
khác nhau để tìm ra giải pháp kết cấu tối ưu. Nghiên cứu là tiền đề cho các nghiên
cứu tiếp sau, đánh giá so sánh với các nước khác, tìm ra các phương pháp xác
định tải trọng lên dạng kết cấu tháp Phong điện ở Việt Nam.
6. Nội dung luận văn
Nội dung luận văn được trình bày trong 3 chương:
Chương 1. Tổng quan về gió, hệ kết cấu công trình phong điện và các tiêu
chuẩn TCVN và ASCE
Chương 2. Công trình Phong điện chịu tải trọng gió
Chương 3. Tính toán và đánh giá ứng xử của tháp phong điện chịu tải trọng
gió


3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIÓ, HỆ KẾT CẤU CÔNG TRÌNH

PHONG ĐIỆN VÀ CÁC TIÊU CHUẨN TCVN VÀ ASCE
1.1. Tổng quan về Phong điện
Các turbine gió được sử dụng để chuyển đổi năng lượng gió thành năng
lượng điện. Turbine gió được gắn ở đầu của kết cấu thẳng đứng được gọi là tháp.
Nhu cầu gia tăng điện năng cao đang buộc các tháp phải cao hơn, để bắt gió mạnh
ở độ cao lớn hơn. Cấu tạo công trình Phong điện điển hình được thể hiện như
hình 1.1:

Hình 1.1. Cấu tạo công trình Phong điện điển hình
Rotor Balde

Cánh quạt

Gear Box

Hộp số

Nacelle

Phần vỏ

Generator

Bộ phát

Power Cables

Cáp

Tower


Tháp

Transformer

Máy biến áp

Switchyard

Sân phân phối


4

1.1.1. Phân loại trang trại gió
Trang trại gió chủ yếu được phân làm 3 loại
Trang trại gió trên đất liền
Trang trại gió ngoài khơi
Trang trại gió gần bờ

Trang trại gió trên đất liền
Trang trại gió ngoài khơi Trang trại gió gần bờ
Hình 1.2. Các loại trang trại gió

1.1.2. Phân loại turbine gió
Có hai loại turbine gió phổ biến:
Turbine gió trục ngang
Turbine gió trục đứng

Hình 1.3. Các loại Turbine điện gió


1.1.3. Phân loại các loại tháp
Có ba loại tháp chính đó là tháp ống thép, tháp thanh giằng, tháp bê tông:


5

Tháp ống thép

Tháp thanh giằng
Tháp bê tông
Hình 1.4. Các loại tháp phong điện

Sau đây là hình ảnh các công trình phong điện Tuy Phong, Bạc Liêu hiện đã
đi vào vận hành.

Hình 1.5. Trang trại phong điện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận


6

Hình 1.6. Trang trại phong điện Bạc Liêu, tỉnh Bạc Liêu

1.2. Tổng quan về gió, hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn ASCE

1.2.1. Tổng quan về gió
a. Khái niệm, phân loại
Gió là một hiện tượng trong tự nhiên hình thành do sự chuyển động của
không khí. Gió đặc trưng bởi hướng và vận tốc. Chiều di chuyển của dòng khí tạo
thành hướng gió: gọi theo tên nơi xuất phát có 16 hướng gió tương ứng với 16

phương vị địa lý.
Vận tốc gió là vận tốc di chuyển của dòng khí qua một điểm nhất định. Có
thể biểu thị vận tốc gió theo các đơn vị khác nhau như ngành hàng hải và hàng
không tính bằng hải lý/giờ. Khi dùng đơn vị SI vận tốc gió tính bằng đơn vị m/s
hoặc km/h.

b. Tính chất, đặc điểm của gió
Gió có một đặc điểm rất quan trọng là ảnh hưởng đến các vật xung quanh:
Gió tác động đến sự vận động của biển như: hiện tượng tạo sóng (sóng là
một trong sự vận động của biển).
Gió thường có lợi cho con người. Nó có thể làm quay các cánh quạt của
turbine gió giúp chúng ta tạo ra nguồn điện, đẩy thuyền buồm, thả diều... Nó là
một trong những nguồn năng lượng sạch. Nhưng đôi khi gió lại có hại cho đời
sống của con người. Đó là trong các cơn bão, gió có vận tốc cao dễ làm ngã đổ


7
cây cối, cột đèn, làm tốc mái nhà... gây thiệt hại nghiêm trọng đối với cơ sở vật
chất, sức khỏe và tính mạng của con người.
Thời điểm xuất hiện và tốc độ gió là không tuân theo quy luật, gió có thể
xuất hiện tại một thời điểm và hướng bất kỳ với tốc độ mạnh yếu khác nhau.

c. Tác động của gió vào công trình Phong điện
Gió thổi gây áp lực lên mọi vật cản trên đường đi của nó, gọi là áp lực gió.
Áp lực này tỷ lệ với bình phương vận tốc gió. Theo thời gian, vận tốc gió luôn
luôn thay đổi gây nên sự mạch động của gió. Vì thế gió bão gây áp lực lớn lên
công trình, rất nguy hiểm và có sức phá hoại rất lớn.
Khi gió thổi vượt qua một công trình thì tất cả các vùng của công trình đó
đều chịu một áp lực nhất định. Dưới tác dụng của tải trọng gió, các công trình
cao, mềm, độ thanh mảnh lớn sẽ có dao động. Tuỳ theo phân bố độ cứng của

công trình mà dao động này có thể theo phương bất kỳ trong không gian. Thông
thường chúng được phân tích thành hai phương chính: phương dọc và phương
ngang luồng gió, trong đó dao động theo phương dọc luồng gió là chủ yếu. Với
các công trình thấp, dao động này là không đáng kể; nhưng với các công trình cao
khi dao động sẽ phát sinh lực quán tính làm tăng thêm tác dụng của tải trọng gió.
Tác dụng của gió lên công trình bị chi phối chủ yếu bởi vận tốc và hướng
thổi của nó. Vì vậy mọi tham số làm biến đổi hai yếu tố này sẽ làm ảnh hưởng
đến trị số và hướng của tác dụng. Các thông số này có thể chia làm 3 nhóm chính
sau đây:
Nhóm các thông số đặc trưng cho tính ngẫu nhiên của tải trọng: vận
tốc, độ cao, xung áp lực động.
Nhóm các thông số đặc trưng cho địa hình: Độ nhám môi trường mà
gió đi qua, loại địa hình, mức độ che chắn.
Nhóm thông số đặc trưng của bản thân công trình: hình khối công trình
và hình dạng bề mặt đón gió; các yếu tố ảnh hưởng của dao dộng riêng
(chu kỳ, tần số, giá trị, khối lượng và cách phân bố khối lượng, dạng và
độ tắt dần của dao động).
Tải trọng gió tác động lên công trình phong điện xuất hiện do luồng không
khí và chúng tác động vào cánh quạt, phần vỏ và tháp.

1.2.2. Tổng quan về hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn ASCE
a. Tiêu chuẩn Việt Nam
Tải trọng gió theo Tiêu chuẩn Việt Nam được trình bày trong TCVN
2737:1995 và TCXD 229:1999.
TCVN 2737:1995- Tiêu chuẩn tải trọng và tác động do Viện Khoa học Công
nghệ Xây dựng - Bộ Xây dựng biên soạn, Bộ Xây dựng đề nghị, Tổng cục Tiêu
chuẩn Đo lường Chất lượng thẩm định, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố. Tiêu


8

chuẩn này cũng là tiêu chuẩn đang được sử dụng hiện hành trong quá trình chờ
ban hành tiêu chuẩn mới có điều chỉnh.
Ngoài ra, năm 2009 Bộ xây dựng có ban hành một quy chuẩn ngành QCVN
02-2009/BXD có một số điều chỉnh so với tiêu chuẩn tính toán tải trọng gió
TCVN 2737-1995. Quy chuẩn này ra đời nhằm bổ sung cho quá trính tính toán có
kể thêm những thay đổi do môi trường.
QCVN 02-2009/BXD đã bổ sung điều chỉnh 3 thông số trong tính toán tải
trọng gió: Tuổi thọ công trình, Hệ số độ tin cậy của tải trọng gió, phân vùng áp
lực gió.
TCVN 2737:1995 Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết kế, bao gồm
những chỉ dẫn về tải trọng (tĩnh tải và hoạt tải), và chỉ dẫn về tính toán 2 thành
phần gió (gió tĩnh và gió động). Cấu trúc của TCVN2737-1995 bao gồm 6 phần:
Phạm vị áp dụng.
Nguyên tắc cơ bản.
Khối lượng của kết cấu và đất.
Tải trọng do thiết bị, người và vật liệu, sản phẩm chất kho.
Tải trọng do cẩu trục và cẩu treo.
Tải trọng gió.

b. Tiêu chuẩn Hoa kỳ
Cấu trúc tiêu chuẩn ASCE 7-10 bao gồm 06 chương về tải trọng gió như sau:
CHAPTER 26: Wind Loads: General Requirements
CHAPTER 27: Wind Loads On Buildings—MWFRS (Directional
Procedure) CHAPTER 28: Wind Loads On Buildings—MWFRS
(Envelope Procedure) CHAPTER 29: Wind Loads On Other Structures
And Building Appurtenances— MWFRS
CHAPTER 30: Wind Loads – Components And Cladding (C&C)
CHAPTER 31: Wind Tunnel Procedure

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Thông qua các nội dung nghiên cứu trên, trong chương 1, tác giả đã
khái quát về công trình Phong điện, phân loại các loại trang trại gió, các loại
turbine gió và phân loại kết cấu tháp. Ngoài ra, tác giả cũng đã nêu tổng quan về
gió, phân loại và nêu các tính chất, đặc điểm của gió, tác động của gió vào công
trình Phong điện và hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn ASCE.
Chương 2 sẽ nghiên cứu về lý thuyết tính toán tải trọng gió tác động lên kết
cấu công trình Phong điện theo tiêu chuẩn Việt Nam 2737:1995 và ASCE 7-10.


9

CHƯƠNG 2. CÔNG TRÌNH PHONG ĐIỆN CHỊU TẢI TRỌNG GIÓ
2.1. Tải trọng thiết kế và phân tích kết cấu

2.1.1. Các loại tải trọng tác dụng lên công trình Phong điện trên đất liền
a. Tĩnh tải (D)
Tĩnh tải là những tải cố định, không thay đổi độ lớn, phương, chiều tác dụng,
bao gồm:
Trọng lượng của tháp thép ống
Trọng lượng thiết bị turbine gió (bao gồm cánh quạt, hub, phần vỏ và
động cơ).

b. Hoạt tải ( )
Là những tải thay đổi độ lớn, điểm đặt và phương tác dụng. Bao gồm:
Trọng lượng người.
Hoạt tải cẩu.
Kho chứa vật liệu, thiết bị, áp lực chất lỏng.

c. Tải trọng gió (W)
Tải gió từ rotor và tháp sẽ được tính đến. Tải trọng gió tác động vào phần

kết cấu rotor và kết cấu tháp bao gồm:
Gió tác động từ các cánh quạt (trong giai đoạn vận hành, chạy không
tải và khởi động).
Gió động tác dụng lên tháp thép và phần vỏ động cơ.
Nó phụ thuộc vào tốc độ gió, hình dạng và chiều cao của kết cấu và địa hình
của khu vực.

d. Động đất (E)
Khi một turbine gió được xây dựng ở vùng có động đất, kết cấu phải được
thiết kế để chịu tải trọng động đất.

e. Tải tai nạn (A)
Tải do tai nạn tải trọng liên quan đến hoạt động bất thường hay sự cố kỹ
thuật. Ví dụ về các tải tai nạn:
Vật dụng rơi.
Cháy, nổ.
Va chạm trực thăng.
Tải tai nạn liên quan phải được xác định trên cơ sở đánh giá và kinh nghiệm
liên quan.


10

f. Tải biến dạng (B)
Tải biến dạng được gây ra bởi các nguyên nhân như:
Ứng suất nhiệt.
Tải sinh ra trong quá trình xây dựng.
Tải sinh ra do móng bị lún.
Trong phạm vi đề tài này chỉ tập trung nghiên cứu phần tĩnh tải và tải trọng gió
tác dụng lên công trình phong điện.


2.1.2. Phân tích kết cấu
Phân tích ứng xử của tháp phong điện, kết cấu ống thép cao 95m có tiết diện và
chiều dày thay đổi chịu tải trọng gió theo chiều cao thông qua phần mềm SAP2000.
Mô hình phân tích dao động là thanh công xôn có các nút khối lượng tập trung tại
trọng tâm của mỗi đoạn tháp.

2.2. Điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu
Khu vực nghiên cứu ở thôn Lạc Trị, xã Phú Lạc, huyện Tuy Phong, tỉnh
Bình Thuận với điều kiện tự nhiên như sau:

2.2.1. Gió
Khu vực nghiên cứu chế độ gió cũng có 2 mùa rõ rệt: từ tháng 4 - 9 hướng
gió thịnh hành là gió mùa Tây Nam và Đông Nam. Từ tháng 10 - 3 năm sau
hướng gió thịnh hành là gió mùa Đông Bắc và gió Bắc. Tốc độ gió lớn nhất
thường do các cơn bão biển, tố lốc và các đới gió mùa gây ra.
Tốc độ gió lớn nhất thiết kế được tính toán từ giá trị lớn nhất quan trắc được
hàng năm thời kỳ (1994 - 2014) tại trạm Phan Rang, kết quả ứng với tần suất P =
2%, vận tốc gió 20,7 m/s và tần suất P = 5%, vận tốc gió 19 m/s.
Chi tiết Tốc độ gió lớn nhất thiết kế tại trạm Phan Rang được thể hiện ở
Bảng PL1-1, Phụ lục 1.

2.2.2. Bão và áp thấp nhiệt đới
Vùng biển Ninh Thuận - Bình Thuận hằng năm có xuất hiện các cơn bão và
áp thấp nhiệt đới. Thời kỳ xảy ra nhiều cơn bão nhất là vào tháng 10, 11.
Thống kê các cơn bão ảnh hưởng đến vùng biển Ninh Thuận, Bình Thuận
(1978-2014) cho thấy tốc độ gió lớn nhất xảy ra ở cơn bão ola năm 1993 với tốc
độ gió 35 m/s.
Chi tiết Thống kê các cơn bão ảnh hưởng đến vùng biển Ninh Thuận, Bình
Thuận (1978-2014) được thể hiện ở Bảng PL1-2, Phụ lục 1.


2.3. Xác định tải trọng gió tác dụng lên công trình theo TCVN 2737:1995
Tiêu chuẩn hiện hành về tính toán tải trọng gió ở Việt Nam đang được áp
dụng là tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết kế.


11

2.3.1. Vận tốc gió cơ bản
Vận tốc gió cơ bản V0 (m/s) là vận tốc gió đã được xử lý trên cơ sở số liệu
quan trắc vận tốc gió ở độ cao 10m so với mốc chuẩn, (vận tốc gió trung bình
trong khoảng thời gian 3 giây, bị vượt trung bình một lần trong vòng 20 năm),
tương ứng với dạng địa hình B (độ nhám bề mặt = 0,005).

2.3.2. Phân chia dạng địa hình
TCVN 2737:1995, lãnh thổ Việt Nam được chia ra làm 3 dạng địa hình như
sau:
Dạng địa hình A là địa hình trống trải, không có hoặc có ít vật cản cao
quá 1,5m (bờ biển thoáng, mặt sông, hồ lớn, đồng muối, cánh đồng
không có cây cao).
Dạng địa hình B (được chọn là dạng địa hình chuẩn) là địa hình tương
đối trống trải, có một số vật cản thưa thớt cao không quá 10m (vùng
ngoại ô ít nhà, thị trấn, làng mạc, rừng thưa hoặc rừng non, vùng trồng
cây thưa).
Dạng địa hình C là địa hình bị che chắn mạnh, có nhiều vật cản sát nhau,
cao từ 10m trở lên (trong thành phố, vùng rừng rậm).
Công trình được xem là thuộc dạng địa hình nào nếu tính chất dạng địa hình
đó không thay đổi trong khoảng cách 30h khi h < 60m và 2km khi h > 60m tính
từ mặt đón gió của công trình, h là chiều cao công trình.
-


2.3.3. Thành phần lực dọc hướng gió
a. Thành phần tĩnh
Giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của tải trọng gió theo công thức (2.1):
W = W0.k(z).cx (daN/m2)

(2.1)

Trong đó :
Wo: giá trị áp lực gió theo bản đồ phân vùng, đơn vị daN/m2 . Tham
chiếu phô lôc D vµ ®iÒu 6.4[2] , được thể hiện ở Bảng 2.1.
Đối với vùng ảnh hưởng của bão được đánh giá là yếu (Phụ lục D [2]),
giá trị của áp lực gió W0 được giảm đi 10 daN/m2 đối với vùng I-A, 12
daN/m2 đối với vùng II-A và 15 daN/m2 đối với vùng III-A.
Bảng 2.1. Áp lực gió theo bản đồ phân vùng áp lực gió lãnh thổ Việt Nam
(Nguồn Bảng 4 [2])
I
Vùng áp lực gió
Wo (daN/m2)

II

III

IB

IA

IIB


IIA

IIIB

IIIA

65

55

95

83

125

110

IVB

VB

155

185


12

Hình 2.1. Bản đồ phân vùng áp lực gió Việt Nam

-

k(z): hệ số tính đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao và ảnh hưởng của
dạng địa hình, vật cản xung quanh; Xác định theo quan niệm về sự phát
triển vận tốc gió theo chiều cao, lấy theo hàm số mũ công thức 2.2:


13

( )

(2.2)

zg: Độ cao gradient mà tại đó vận tốc gió không còn bị ảnh hưởng
bởi độ nhám của địa hình (với z > zg, gió là dòng chảy tầng).
m: Hệ số hàm số mũ.
Dựa vào công thức 2.2: Kết quả tính toán hệ số thay đổi áp lực gió theo độ
cao và dạng địa hình K xác định theo Bảng 5, [2]
Bảng 2.2. Hệ số k để đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao và dạng địa hình

Dạng địa hình

A

B

(Nguồn bảng 5, [2])
C

1,00

1,07
1,18
1,24
1,29
1,37
1,43
1,47
1,51
1,57
1,62
1,72
1,79
1,84
1,84
1,84
1,84

0,80
0,88
1,00
1,08
1,13
1,22
1,28
1,34
1,38
1,45
1,51
1,63
1,71

1,78
1,84
1,84
1,84

0,47
0,54
0,66
0,74
0,80
0,89
0,89
0,97
1,03
1,18
1,25
1,40
1,52
1,62
1,70
1,78
1,84

Độ cao Z, m
3
5
Độ cao Z,
10
15
20

30
40
50
60
80
100
150
200
250
300
350
>400

Mốc chuẩn để xác định chiều cao z, xác định theo phụ lục C [2].
Trường hợp mặt đất có độ dốc nhỏ so với phương nằm ngang i ≤ 0,3;
độ cao z được kể từ mặt đất đặt nhà và công trình tới điểm cần xét.
Trường hợp mặt đất có độ dốc 0,3< i <2, độ cao z được kể từ mặt
cao trình quy ước z0 thấp hơn so với mặt đất thực tới điểm cần xét.
Mặt cao trình quy ước Z0 được xác định theo Hình G1 [2]


14

Trường hợp mặt đất có độ dốc i ≥ 2, mặt cao trình quy ước Z0 để tính
độ cao z thấp hơn mặt đất thực được xác định theo Hình G2[2].
Bên trái C: Z =Z Bên phải điểm D: Z =Z Trên đoạn CD : Xác định
Z bằng phương pháp nội suy tuyến tính.
0

1


0

2

0

-

cx: hệ số khí động, phụ thuộc vào đặc điểm của công trình, xác định
theo Bảng 6 [2].
Công trình có mặt xung quanh hình trụ tròn ( bể chứa, tháp làm nguội,
ống khói), dây cáp, dây dẫn và bộ phận kết cấu dạng ống tròn và kín.

Hình 2.2. Công trình có mặt xung quanh hình trụ tròn