Gió thiết kế và gió bão: vì sao không thể so sánh chỉ bằng vận tốc?

“Nhà xưởng thiết kế với gió 50 m/s có chịu được bão cấp 14 không?” Câu hỏi này chưa đủ dữ liệu để trả lời. Vận tốc 50 m/s có thể là gió giật 3 giây dùng trong thiết kế, còn cấp bão có thể được công bố theo gió duy trì với thời gian lấy trung bình khác. Hai số cùng đơn vị vẫn có thể biểu thị hai đại lượng khác nhau.

Muốn đối chiếu đúng, cần biết thời gian lấy trung bình, độ cao, địa hình và cơ sở xác suất của vận tốc; sau đó tính tác động lên từng bộ phận công trình. Bài viết làm rõ các điểm này, đồng thời cập nhật những nội dung chưa chính xác trong tài liệu GIÓ THIẾT KẾ và GIÓ BÃO.

1. Mỗi con số vận tốc cần một “nhãn thông tin”

Hình 1 thể hiện bốn thông tin cần đi cùng vận tốc. Ngoài ra, đối với số liệu bão thực tế, phải ghi vị trí, thời điểm và đó là giá trị quan trắc hay ước tính.

Bốn thông tin cần có khi đối chiếu vận tốc gió: thời gian trung bình, độ cao, địa hình và chu kỳ lặp — Hình 1. Cùng đơn vị m/s chưa đủ để hai vận tốc gió có thể so sánh trực tiếp

Thông tin	Ví dụ	Vì sao cần biết?
Thời gian lấy trung bình	3 giây, 1 phút, 10 phút	Trung bình ngắn giữ lại nhiều dao động và đỉnh gió hơn
Độ cao tham chiếu	10 m hoặc độ cao máy đo thực tế	Vận tốc thay đổi theo độ cao và lớp biên
Địa hình/độ nhám	Biển, đất trống, đô thị	Mặt đệm làm thay đổi vận tốc trung bình và mức độ rối
Cơ sở xác suất	Chu kỳ lặp 50 năm, 700 năm	Các mức gió thiết kế ứng với xác suất vượt khác nhau

Gió thiết kế là đầu vào đã được quy định về cách biểu diễn và mức nguy hiểm dùng trong tiêu chuẩn. Gió của một cơn bão là trường gió thay đổi theo không gian và thời gian. Vận tốc cực đại của toàn cơn không phải vận tốc đồng thời tại mọi công trình trên đường bão đi qua.

Một số liệu đo tại trạm cũng chưa tự động bằng vận tốc tham chiếu thiết kế: cần xét độ cao máy đo, vật cản, địa hình, phương gió và phương pháp ghi nhận. NIST — Standardized Extreme Wind Speed Database minh họa việc chuẩn hóa dữ liệu theo thời gian, độ cao và độ nhám trước khi phân tích.

2. Saffir–Simpson, Beaufort và tốc độ thiết kế phục vụ việc gì?

2.1. Saffir–Simpson: thang cường độ gió của hurricane

Thang Saffir–Simpson Hurricane Wind Scale của NHC có 5 cấp, dựa trên gió duy trì cực đại 1 phút. Bảng dưới dùng ngưỡng NHC đang công bố; các dải đơn vị đã được cơ quan nguồn làm tròn, không nên coi là các phép đổi đơn vị chính xác ở từng ranh giới.

Category	Gió duy trì 1 phút (mph)	Dải NHC công bố (km/h)
1	74–95	119–153
2	96–110	154–177
3	111–129	178–208
4	130–156	209–251
5	Từ 157	Từ 252

Nguồn: NHC — Saffir–Simpson Hurricane Wind Scale. Ranh giới cấp 3–5 trong tài liệu gốc là phiên bản cũ; xem NHC — sửa đổi năm 2012.

Thang hiện hành không phân cấp bằng áp suất tâm bão hoặc nước dâng. Không gắn một chiều cao nước dâng cố định cho từng Category. Ngay Category 1 cũng có thể gây hư hại công trình; không dùng nhận định “không có thiệt hại thực sự cho kết cấu” như một bảo đảm an toàn.

Category của toàn cơn cũng không phải chứng nhận khả năng chịu bão của công trình. NHC dùng thang này trong cảnh báo và truyền đạt nguy cơ; tải thiết kế cần được xác định theo tiêu chuẩn kết cấu áp dụng.

2.2. Beaufort: cấp sức gió, không phải cấp chịu lực của nhà

Beaufort thông dụng là thang từ 0 đến 12; xem Met Office — Beaufort Wind Force Scale. Phụ lục III của Quyết định 18/2021/QĐ-TTg trình bày bảng Bô-pho mở rộng từ 0 đến 17, tức 18 mức; cấp 17 là 56,1–61,2 m/s, tương ứng dải công bố 202–220 km/h.

Không đồng nhất “áp thấp”, “áp thấp nhiệt đới” hay “bão” với từng cấp gió bất kỳ. Phân loại xoáy thuận còn liên quan đến hệ thống hoàn lưu; một nơi có gió mạnh không có nghĩa tại đó có tâm bão. Ký hiệu áp thấp trên bản đồ cũng không phải tên của cấp Beaufort 0.

2.3. ASCE: vận tốc tham chiếu để tính tải

Trong hệ ASCE 7, vận tốc gió cơ bản được biểu diễn theo gió giật 3 giây tại cao độ 10 m trên địa hình tham chiếu Exposure C. Việc tra vận tốc còn gắn với phiên bản tiêu chuẩn, vị trí và Risk Category.

Không thay bản đồ hoặc dữ liệu gió được chấp thuận bằng một Category bão. Khi dùng ASCE cho công trình tại Việt Nam, phải thống nhất nguồn dữ liệu địa phương và cơ sở thiết kế; bản đồ Hoa Kỳ không cung cấp vận tốc cho địa điểm tại Việt Nam.

3. Đổi thời gian trung bình: Durst có giới hạn gì?

3.1. Trung bình ngắn và trung bình dài khác nhau

Hình 2 dùng một tín hiệu giả định để giải thích phép lấy trung bình. Trong cùng đoạn quan sát, đường trung bình 3 giây giữ lại đỉnh ngắn rõ hơn đường 1 phút; trung bình 10 phút làm trơn mạnh hơn. Hình không phải số liệu trạm hoặc mô hình dự báo bão.

Tín hiệu gió giả định với các đường trung bình 3 giây, 60 giây và 600 giây — Hình 2. Tác động của thời gian lấy trung bình; các đường chỉ minh họa nguyên lý

Nếu dùng một mô hình hệ số theo thời gian:

$V_{t_2}=V_{t_1}\frac{G(t_2)}{G(t_1)}$

$V_{t_1},V_{t_2}$ — vận tốc được biểu diễn với các thời gian trung bình tương ứng.
$G(t)$ — tỷ số vận tốc cho thời gian $t$ so với vận tốc tham chiếu của mô hình.
$t_1,t_2$ — thời gian trung bình (s).

Phép đổi này chỉ có ý nghĩa khi định nghĩa, địa hình và điều kiện áp dụng của mô hình phù hợp. Nó không đổi một sự kiện quan trắc thành mức gió thiết kế có chu kỳ lặp khác.

3.2. Không dùng một hệ số cho mọi môi trường

Đường cong Durst thường được dùng cho gió trên địa hình trống trong phạm vi áp dụng của nó. Tỷ số đổi thời gian không độc lập với độ nhám và đặc tính gió. WMO — Guidelines for Converting Between Various Wind Averaging Periods in Tropical Cyclone Conditions cung cấp cách tiếp cận riêng cho điều kiện xoáy thuận nhiệt đới.

Tài liệu gốc lấy các mức đọc xấp xỉ từ Durst rồi áp dụng cho bão trên biển. Đây là bước cần sửa: đổi thời gian trung bình và đổi từ biển sang đất liền là hai việc khác nhau. Muốn đối chiếu phải có phương pháp xét cả hai. FEMA — Coastal Hazards and Considerations cũng phân biệt gió duy trì trên biển với gió giật trên đất liền khi chuẩn hóa.

Bảng C26.5-2 trong Commentary ASCE nêu quan hệ xấp xỉ giữa các cách biểu diễn. Ảnh bảng trong tài liệu gốc thuộc phiên bản cũ; không dùng nó để kết luận “nhà chịu được Category X”. FEMA P-361, bản 2015 có bảng đối chiếu đã cập nhật ranh giới, nhưng vẫn là quan hệ gần đúng.

4. Đọc đúng dữ liệu gió QCVN 02:2022/BXD

4.1. Ba cột không cùng cơ sở thời gian và chu kỳ lặp

Bảng 5.1 của QCVN 02:2022/BXD cung cấp $W_0$ theo 3 giây, 20 năm; $V_{3s,50}$ theo 3 giây, 50 năm; $V_{10m,50}$ theo 10 phút, 50 năm. Chỉ số $10m$ ở đây chỉ 10 phút theo ký hiệu quy chuẩn.

Dưới đây là các bộ giá trị thường gặp, không thay thế việc tra theo địa danh:

Vùng	$W_0$ (daN/m²), 3 s–20 năm	$V_{3s,50}$ (m/s)	$V_{10m,50}$ (m/s)
I	65	36	26
II	95	44	31
III	125	50	36
IV	155	55	39
V	185	61	43

Cùng vùng IV, Bảng 5.1 vẫn có địa danh ghi 56 và 40 m/s thay cho 55 và 39 m/s, chẳng hạn một số địa danh thuộc Hà Tĩnh và Trường Sa. Khi tên địa danh thay đổi, cần đối chiếu vị trí thực với phạm vi trong quy chuẩn.

Tài liệu gốc ghi dãy 25,4; 31,1; 35,3; 38,9; 43,1 m/s như dữ liệu QCVN. Đây không phải dãy số nguyên nêu trong các dòng tương ứng của Bảng 5.1. Không thay giá trị bảng bằng kết quả tự suy từ một tỷ số trung bình thời gian.

4.2. Không tự bổ sung cột “700 năm”

Cột 700 năm và cột “tương đương cấp bão” trong bản gốc chưa có thuyết minh chuyển đổi đủ để dùng cho thiết kế. Bảng 5.2 QCVN cho hệ số chuyển $V_{3s,50}$ sang chu kỳ khác trong phạm vi bảng, đến 100 năm; không phải căn cứ trực tiếp cho một hệ số chung từ 50 đến 700 năm.

Do đó, bài này bỏ hai cột đó. Nếu dự án cần vận tốc 700 năm, phải có cơ sở thống kê hoặc phương pháp được chấp thuận, cùng định nghĩa địa hình và thời gian trung bình nhất quán.

5. Chu kỳ lặp không phải thời hạn được bảo đảm an toàn

Chu kỳ lặp $T$ năm thường gắn với xác suất vượt trong một năm xấp xỉ $1/T$ . Không có nghĩa “phải đợi đủ $T$ năm gió đó mới xuất hiện”. Với giả thiết các cực trị năm độc lập và phân bố không đổi, xác suất có ít nhất một lần vượt trong $n$ năm là:

$P_{ex}=1-\left(1-\frac{1}{T}\right)^n$

$P_{ex}$ — xác suất vượt ít nhất một lần, không phải xác suất sập.
$T$ — chu kỳ lặp của mức vận tốc (năm).
$n$ — thời gian khảo sát (năm).

Áp dụng công thức cho khoảng thời gian 50 năm:

Chu kỳ lặp $T$ (năm)	Xác suất vượt ít nhất một lần trong 50 năm (%)
20	92,3
50	63,6
100	39,5
700	6,9

Hình 3 cho thấy xác suất tích lũy theo thời gian. Bảng và hình là kết quả của mô hình xác suất vừa nêu; chưa xét thay đổi khí hậu hoặc tính không dừng.

Đường xác suất vượt ít nhất một lần theo số năm khảo sát cho chu kỳ 50 năm và 700 năm — Hình 3. Chu kỳ lặp là đại lượng xác suất; vượt vận tốc tham chiếu không đồng nghĩa kết cấu bị sập

ASCE 7-10 dùng bản đồ 700 năm cho Risk Category II; xem McAllister, Wang và Ellingwood — Risk-Informed Mean Recurrence Intervals for Updated Wind Maps. Đây là nền xác suất của hệ tiêu chuẩn, không phải hệ số mặc định để nhân vào mọi vận tốc 50 năm của Việt Nam.

Thiết kế còn có mô hình tải, tổ hợp tải, sức kháng và mục tiêu độ tin cậy. Vì vậy, thấy một vận tốc bão lớn hơn vận tốc cơ sở chưa đủ để kết luận công trình thiếu an toàn; ngược lại, cũng không thể viện dẫn hệ số an toàn để bỏ qua nhu cầu kiểm tra.

6. Từ vận tốc đến áp lực và đường truyền lực

6.1. Vận tốc tăng 20%, áp lực tham chiếu tăng 44%

Ở mức cơ học cơ bản, áp suất động tham chiếu:

$q_{ref}=\frac{1}{2}\rho V^2\approx0{,}613V^2$

$q_{ref}$ — áp suất động tham chiếu (N/m²).
$\rho$ — khối lượng riêng không khí, giả định 1,226 kg/m³ trong ví dụ.
$V$ — vận tốc (m/s), được so sánh trên cùng cơ sở.

Ví dụ giả định hai mức gió 50 và 60 m/s có cùng thời gian trung bình, độ cao và địa hình:

Vận tốc $V$ (m/s)	$q_{ref}$ (N/m²)	$q_{ref}$ (kPa)
50	1.532,5	1,533
60	2.206,8	2,207

Tỷ số áp suất:

$\frac{q_{60}}{q_{50}}=\left(\frac{60}{50}\right)^2=1{,}44$

$q_{50},q_{60}$ — áp suất động ở các vận tốc tương ứng.

Hình 4 minh họa kết quả. Đây chưa phải áp lực thiết kế lên mái/tường: chưa có hệ số theo độ cao, địa hình, địa hình đồi núi, hướng gió, khí động, áp lực trong và các quy định của phương pháp tính.

Hai cột áp suất động tại 50 m/s và 60 m/s cho thấy mức tăng 44 phần trăm — Hình 4. So sánh trên cùng cơ sở: vận tốc tăng 20% làm áp suất động tăng 44%

6.2. Nhà xưởng phải kiểm tra cả hệ chính và vỏ bao che

Tải gió cần truyền liên tục từ bề mặt chịu tải về nền móng, như Hình 5. Kiểm tra khung chính không thay thế kiểm tra tôn, vít, xà gồ và cửa. Các hệ số áp lực cục bộ, vùng mép/góc và diện tích chịu tải cần lấy theo đúng phương pháp và phiên bản tiêu chuẩn.

Đường truyền lực từ tôn mái, vít, xà gồ, khung và giằng đến móng; cửa mở ảnh hưởng áp lực trong — Hình 5. Đường truyền lực và vỏ bao che đều tham gia quyết định khả năng chịu gió của nhà xưởng

Một cửa lớn bị mở hoặc hư hỏng có thể làm thay đổi áp lực trong và tác động lên mái. Không mặc định mọi cửa mở đều tạo một hệ số áp lực trong duy nhất: phải xét phân loại độ kín, vị trí và kích thước lỗ mở theo tiêu chuẩn.

Trong hệ ASCE, cần phân biệt MWFRS — hệ chịu lực gió chính và Components and Cladding — cấu kiện, bộ phận bao che. Phải giữ nhất quán giữa vận tốc, hệ số và tổ hợp tải của phiên bản đang dùng. Ví dụ, không lấy hệ số tải của phiên bản cũ rồi áp dụng vào tải xác định từ vận tốc ultimate của phiên bản mới.

7. Đọc số liệu bão thực tế: ba ví dụ đã đối chiếu

7.1. Patricia: cực đại trên biển khác cường độ lúc đổ bộ

NHC — Tropical Cyclone Report, Hurricane Patricia 2015 ghi cực đại 185 kt và cường độ đổ bộ 130 kt. Đổi với 1 kt = 1,852 km/h, tương ứng khoảng 342,6 và 240,8 km/h. Giá trị đổ bộ 265–270 km/h trong bản gốc cần sửa.

Đây đều là cường độ gió duy trì 1 phút ước tính của cơn theo báo cáo, không phải vận tốc thiết kế đã chuẩn hóa cho một công trình.

7.2. Camille: cần dùng dữ liệu tái phân tích

NHC — Re-analysis of Hurricane Camille, ngày 01/04/2014 điều chỉnh gió duy trì lúc đổ bộ từ 190 xuống 175 mph, khoảng 281,6 km/h. Bản gốc vẫn dùng số 190 mph của đánh giá cũ.

Ví dụ này cho thấy cùng một cơn bão có thể có số liệu khác nhau giữa báo cáo ban đầu và tái phân tích. Phải ghi nguồn và phiên bản dữ liệu.

7.3. Yagi: không trộn số liệu từ các bản báo cáo

Bảng 1.2 của Vietnam Member Report 2024 tại Typhoon Committee, bản truy cập trong lần rà soát này ghi tại Bãi Cháy 50 m/s và gió giật 63 m/s. Tài liệu gốc lại nêu 45 m/s và nói đã hiệu chỉnh, nhưng chưa chỉ ra bản báo cáo hiệu chỉnh có thể kiểm chứng.

Không chọn một con số rồi gọi đó là kết luận cuối cùng. Khi dùng dữ liệu này cho đánh giá công trình, cần xác nhận bản dữ liệu được cơ quan khí tượng chấp thuận, thời gian lấy trung bình và đặc điểm trạm. Bài này không dùng số liệu Yagi để suy ra vận tốc thiết kế.

Danh sách dài các cơn bão còn lại trong tài liệu gốc có nhiều dòng trộn đỉnh cường độ, đổ bộ, số liệu trạm, gió giật và nguồn không cụ thể. Chúng chưa đủ đồng nhất để lập bảng xếp hạng hay hiệu chỉnh tiêu chuẩn. Giữ các ví dụ có nguồn rõ sẽ hữu ích hơn một bảng nhiều số nhưng không cùng định nghĩa.

8. Quy trình đối chiếu trước khi kết luận khả năng chịu bão

Xác định mục tiêu: tính tải thiết kế mới, đánh giá công trình sau bão hay kiểm chứng một kịch bản cực đoan.
Làm rõ số liệu: vận tốc của toàn cơn hay tại địa điểm; quan trắc hay ước tính; trung bình bao lâu; độ cao và địa hình nào.
Chuẩn hóa có cơ sở: tách đổi thời gian, độ cao, địa hình và chu kỳ lặp; ghi phương pháp và phạm vi áp dụng.
Tính tác động công trình: hệ chính, tải cục bộ lên bao che, áp lực trong và đường truyền lực.
Đánh giá sức kháng và sử dụng: nội lực, ổn định, chuyển vị, liên kết và điều kiện thực tế; công trình ven biển còn cần kiểm tra nước dâng, sóng và ngập theo phạm vi dự án.

Một kết luận có cơ sở phải mô tả được mức gió, điều kiện tham chiếu, mô hình tải và bộ phận đã kiểm tra. Tên cấp bão chỉ là thông tin khí tượng bổ sung; khả năng chịu lực của công trình phải được chứng minh qua tác động và sức kháng.

Tài liệu tham khảo

Tài liệu người dùng cung cấp: GIÓ THIẾT KẾ và GIÓ BÃO, tệp DOCX. Bài được biên tập lại sau rà soát; không giữ nguyên các bảng quy đổi thiếu cơ sở.
NHC — Saffir–Simpson Hurricane Wind Scale và sửa đổi ngưỡng năm 2012.
Met Office — Beaufort Wind Force Scale.
Quyết định 18/2021/QĐ-TTg, Phụ lục III — Bảng cấp gió và cấp sóng.
QCVN 02:2022/BXD, Chương 5, Bảng 5.1 và 5.2.
NIST — Standardized Extreme Wind Speed Database for the United States: chuẩn hóa thời gian, độ cao và độ nhám.
WMO, Harper, Kepert và Ginger (2010) — Guidelines for Converting Between Various Wind Averaging Periods in Tropical Cyclone Conditions, WMO/TD-No. 1555.
FEMA — Coastal Hazards and Considerations, phân biệt vận tốc trên biển và đất liền.
FEMA P-361 (2015), bảng quan hệ xấp xỉ giữa vận tốc ASCE và Saffir–Simpson; chỉ dẫn như nguồn đối chiếu lịch sử, không dùng thay tiêu chuẩn shelter hiện hành.
McAllister, Wang và Ellingwood (2018) — Risk-Informed Mean Recurrence Intervals for Updated Wind Maps in ASCE 7-16.
NHC — Hurricane Patricia 2015; NHC — tái phân tích Camille 2014.
ESCAP/WMO Typhoon Committee — Vietnam Member Report 2024, Bảng 1.2.