nghiÊn cỨu xÁc ĐỊnh tẢi trỌng giÓ lÊn nhÀ cao tẦng cÓ...
TRANSCRIPT
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
BÙI THIÊN LAM
NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG GIÓ LÊN NHÀ CAO TẦNG CÓ KẾT CẤU KHUNG GIẰNG
Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật
Mã số: 62 52 01 01
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
ĐÀ NẴNG / 2018
Công trình được hoàn thành tại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
Người hướng dẫn khoa học: GS. TS. Phan Quang Minh
PGS. TS. Lê Cung
Phản biện 1: GS.TS. Phạm Văn Hội
Phản biện 2: PGS.TS. Ngô Hữu Cường
Phản biện 3: TS. Trần Đình Quảng
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ tại Đại
học Đà Nẵng vào hồi 14h30 ngày 10 tháng 03 năm 2018
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Trung tâm Thông tin – Tư liệu, Đại học Đà Nẵng
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
1
MỞ ĐẦU
Theo tiêu chuẩn các nước trên Thế giới, có ba phương pháp xác định
tải trọng gió: phương pháp đơn giản, phương pháp giải tích và phương
pháp ống thổi khí động. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737:1995 được
biên soạn theo tiêu chuẩn Nga SNiP 2.01.07-85* chưa đề cập đến
phương pháp ống thổi khí động.
Đối với các công trình nhà cao tầng có mặt bằng đối xứng, ảnh
hưởng của dạng dao động thứ nhất đến giá trị thành phần gió động là
chủ yếu. Việc sử dụng công thức gần đúng tính toán thành phần động
của tải trọng gió với dạng dao động thứ nhất rất có ý nghĩa thực tiễn nên
tiêu chuẩn của hầu hết các nước đều đưa ra phương pháp gần đúng để
áp dụng cho các công trình này. Theo đó, tải trọng gió dọc tác dụng lên
nhà cao tầng được tính từ thành phần gió tĩnh tương đương nhân với hệ
số gió giật (Gust Loading Factor- GLF). Thành phần gió động theo
TCVN 2737:1995 cũng được tính toán trên cơ sở lấy thành phần gió
tĩnh nhân với các hệ số kể đến ảnh hưởng của xung vận tốc gió và lực
quán tính của công trình.
TCVN 2737:1995 cũng đưa ra công thức gần đúng xác định thành
phần gió động. Công thức này đơn giản, dễ sử dụng. Tuy nhiên, công
thức này chỉ phù hợp với các công trình, khi gần đúng có thể xem
chuyển vị ngang trên các tầng ở dạng dao động thứ nhất tuân theo quy
luật bậc nhất theo cao độ z. Trong thực tế số công trình nhà cao tầng
đáp ứng được điều kiện này là rất ít do khống chế từ các yêu cầu về
kiến trúc và hiệu quả kinh tế. Việc không quy định rõ phạm vi áp dụng
của công thức này có thể dẫn đến các sai số lớn, cần có thêm nghiên
cứu cải tiến công thức. Mặt khác quy trình tính toán tải trọng gió hiện
nay theo TCVN là khá phức tạp. Với ý nghĩa như vậy, việc hoàn thiện
quy trình tính toán thành phần gió động lên công trình cao tầng phù hợp
2
với tiêu chuẩn Việt Nam, tiếp cận theo tiêu chuẩn các nước tiên tiến là
cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn.
Mục tiêu nghiên cứu
- Xây dựng công thức gần đúng tính toán thành phần gió động theo
TCVN 2737:1995, với sai số cho phép
- Đề xuất công thức đơn giản tính toán thành phần gió động theo
phương pháp hệ số gió giật cho hệ kết cấu khung giằng cao đến 35 tầng
có mặt bằng đối xứng.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Thành phần gió động lên nhà cao tầng
- Phạm vi nghiên cứu: Nhà có hệ kết cấu khung giằng mặt bằng đối
xứng cao đến 35 tầng.
Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu chuyển vị ngang nhà khung giằng, từ đó đánh giá sai
số của công thức gần đúng xác định thành phần gió động trong TCVN.
- Nghiên cứu đề xuất công thức gần đúng có cấu trúc đơn giản tương
tự như công thức gần đúng của TCVN với độ sai số cho phép.
- Trên cơ sở của TCVN 2737:1995, nghiên cứu xác định hệ số gió
giật G tương ứng với các hệ kết cấu có độ cứng khác nhau.
- Nghiên cứu đề xuất công thức tính toán tải trọng gió đơn giản theo
phương pháp GLF cho các công trình cao đến 35 tầng, có hệ kết cấu
khung giằng đối xứng, xây dựng trên địa bàn Thành phố Đà Nẵng và
các thành phố khác thuộc vùng gió IIB.
Những đóng góp mới của luận án
- Đánh giá sai số và làm rõ được phạm vi áp dụng của công thức gần
đúng tính toán thành phần gió động trong TCVN 2737:1995.
- Đề xuất được công thức gần đúng tính toán thành phần gió động
phù hợp với công trình nhà cao tầng có sơ đồ khung giằng theo TCVN.
3
- Đề xuất được công thức đơn giản tính toán thành phần gió động
theo hệ số gió giật G với độ chính xác xấp xỉ phương pháp giải tích của
TCVN 2737:1995 cho các công trình cao đến 35 tầng, xây dựng trên địa
bàn Thành phố Đà Nẵng và các địa hình tương tự.
Cấu trúc của luận án
Luận án gồm 123 trang, trong đó Mở đầu (5 trang), Chương 1 (41
trang), Chương 2 (40 trang), Chương 3 (35 trang), Kết luận và kiến nghị
(2 trang), các công trình đã công bố (1 trang), tài liệu tham khảo (7
trang, 67 tài liệu).
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Gió và tác động của gió lên công trình
1.1.1. Khái niệm về gió, bão, lốc xoáy
1.1.2. Tác dụng của gió lên công trình
1.1.3. Cấu trúc và các tham số đặc trưng ảnh hưởng đến tác dụng của
tải trọng gió.
1.1.4. Khảo sát các tham số ảnh hưởng đến việc tính toán tác dụng
của tải trọng gió lên công trình
1.2. Tổng quan các nghiên cứu về tải trọng gió
1.2.1. Các nghiên cứu ở nước ngoài
Nhiều nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã được thực hiện, nỗi
bậc là nghiên cứu của Davenport công bố năm 1967 về phương pháp hệ
số gió giật. Theo đó, tải trọng gió được tính từ thành phần gió trung
bình nhân với hệ số kể đến tác dụng giật. Phương pháp nầy hiện nay
hầu hết các nước đều vận dụng với một vài thay đổi cho phù hợp với
từng nước.
1.2.2. Các nghiên cứu ở trong nước
Tiêu chuẩn Việt Nam về tải trọng gió, được biên soạn từ tiêu chuẩn
Nga, cũng đã có một số nghiên cứu điều chỉnh cho phù hợp như thời
4
gian lấy vận tốc gió trung bình, chu kỳ lặp, phân vùng áp lực gió. Gần
đây cũng đã có một nghiên cứu lý thuyết, mô hình số và nghiên cứu
thực nghiệm trong hầm gió.
1.3. Xác định tải trọng gió theo một số một số tiêu chuẩn
1.3.1. Theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ ASCE/SEI 7-16
Áp lực gió tính cho hệ kết cấu chịu lực chính của công trình được
xác định theo công thức:
p = q.G.Cp - qi.(GCpi) (N/m2) (1.27)
G: hệ số gió giật
1.3.2. Theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1991-1.4 (2005)
- Tải trọng gió tác dụng lên kết cấu được xác định theo công thức:
Fw = CsCd. Cf. qp(ze) .Aref (1.41)
CsCd : hệ số kể đến tác dụng động
1.3.3. Xác định tải trọng gió theo TCVN 2737:1995
- Thành phần gió tĩnh:
���� = ��. �. �(���/�
�) (1.46)
- Thành phần gió động:
�� ≥ ��:����� = ��
��. z�.n(���/��) (1.48)
�� < ��:��(��)�� = ��. x� .y����(���/�
�) (1.50)
Công thức gần đúng: ���� = 1.4
�
�. �.���
�� (1.52)
Từ (1.46) và (1.48), tổng áp lực gió (khi f� > f�) là:
��� = ���� +���
�� = �1 + z�n���
�� (1.53)
Như vậy, có thể xem � = 1 + z�.n là hệ số gió giật (1.54)
5
1.4. Nhận xét chương 1
Phần lớn các tiêu chuẩn trên thế giới đều dựa trên nguyên tắc của
phương pháp GLF của Davenport để đánh giá tải trọng gió tác dụng lên
kết cấu theo phương dọc hướng gió.
Qua phân tích một số tiêu chuẩn, thấy giữa TCVN 2737:1995,
ASCE-7 và EN có các cách thể hiện khác nhau khi xét thành phần động
của tải trọng gió thông qua hệ số gió giật. TCVN tách biệt tác động của
gió thành hai thành phần tĩnh và động nên khá phức tạp trong phân tích,
Công thức gần đúng (1.52) trong TCVN có sai số lớn cần điều chỉnh và
tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện qui trình tính tải trọng gió là cần thiết.
CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THÀNH PHẦN GIÓ ĐỘNG CHO
NHÀ CÓ SƠ ĐỒ KHUNG GIẰNG BỐ TRÍ ĐỐI XỨNG
2.1. Sự làm việc của hệ kết cấu khung giằng
Hệ kết cấu nầy tận dụng ưu việt của mỗi loại, vừa có thể tạo một
không gian sử dụng tương đối lớn theo yêu cầu bố trí mặt bằng kiến
trúc lại có tính năng chịu lực ngang tốt.
2.1.1 Sự tương tác trong hệ kết cấu khung giằng chịu tải phân bố
Khi kết cấu khung giằng chịu tải trọng ngang, các dạng chuyển vị tự
do khác nhau của vách và của khung làm cho chúng tương tác ngang
thông qua bản sàn hoặc dầm.
2.1.2. Phân tích hệ khung giằng
2.1.2.1. Phương trình vi phân cơ bản:
Phương trình vi phân đặc trưng cho chuyển vị ngang của hệ kết cấu
khung giằng: ���
���− ��
���
���=�(�)
�� (2.4)
2.1.2.2. Trường hợp chịu tải trọng ngang phân bố đều
Từ (2.4) phương trình chuyển vị ngang được viết lại:
6
�(�) =���
���
�
(��)��(����������)
������(���ℎ�� − 1) − �����ℎ�� +
(��)� ��
�−�
���
������ (2.13)
Phương trình (2.13) cho chuyển vị có thể được viết lại như sau:
�(�) =���
�����(��, �/�) (2.16)
�� = ��
(��)��(����������)
������(���ℎ�� − 1) − �����ℎ�� +
(��)� ��
�−�
���
������ (2.17)
2.1.2.3. Trường hợp chịu tải trọng ngang phân bố tam giác
�(�) =�����
�
�������(��, �/�) (2.23)
Với K1:
Hình 2.6- Hệ số K1, khi chịu tải trọng ngang phân bố đều
7
�� = ����
��(��)�����������
�−������
��+ 1� �
��������
������� + �
�
�−
������
��� �(��)�
�− 1� −
(��)�
���
���� (2.24)
2.1.2.4. Nhận xét:
Từ hình 2.6, 2.7. khi αH > 2, dạng biểu đồ chuyển vị gần như đường
thẳng theo chiều cao, tương tự biến dạng cắt của khung chịu tải trọng
ngang. Khi αH ≤ 2, biểu đồ chuyển vị là đường cong theo chiều cao.
Với nhà cao từ 15 đến 35 tầng ở nước ta hầu hết đều sử dụng hệ kết
cấu khung giằng, vách được thiết kế chịu phần lớn tải trọng ngang do
đó kích thước tiết diện cột được lựa chọn tối thiểu và tăng diện tích sử
dụng, tương ứng với trường hợp αH ≤ 2.0.
2.2. Xác định thành phần gió động cho nhà có sơ đồ kết cấu khung
giằng đối xứng
2.2.1. Đánh giá sai số của công thức gần đúng trong TCVN
Hình 2.7- Hệ số K1, khi chịu tải trọng ngang phân bố tam giác
8
Để đánh giá sai số, khảo sát thành phần gió động của một số công
trình (có các giá trị αH khác nhau) xây dựng vùng gió IIB theo công
thức gần đúng và công thức giải tích trong TCVN.
2.2.1.1. Công trình 20 tầng: Xét 5 trường hợp hệ khung giằng có αH từ
0.50 - 2.50. Mặt bằng kết cấu cho ở hình 2.8, số liệu cho ở Bảng 2.1
Bảng 2.1. Kích thước các bộ phận kết cấu công trình 20 tầng
Phân tích động học và từ đó tính toán thành phần gió động (vùng gió
IIB, dạng địa hình B), theo công thức gần đúng (1.52) và công thức
(1.50) trong TCVN, kết quả so sánh cho ở Bảng 2.3.
Bảng 2.3. So sánh thành phần gió động theo công thức (1.52) và (1.50)
với nhà 20 tầng
CT1.50 CT1.52 CT1.50 CT1.52 CT1.50 CT1.52 CT1.50 CT1.52 CT1.50 CT1.52
Tổng 1869.4 2155.8 1923.9 2163.3 2004.3 2165.8 2016.8 2153.3 1961.3 2077.0
Sai số
Mô hình 5,
αH=2.45
T=1.645
15.32% 12.45% 8.06% 6.77% 5.90%
Mô
hình
Mô hình 1,
αH=0.54
T=1.746
Mô hình 2 2,
αH=1.01
T=1.879
Mô hình 3,
αH=1.53
T=1.916
Mô hình 4,
αH=1.92
T=1.783
Hình 2.8- Mặt bằng kết cấu công trình 20-30 tầng
Cột Dầm Vách
(m2) (m2) (m)
Mô hình 1 0.50x0.50 0.25x0.50 0.5 0.2 3.6
Mô hình 2 0.60x0.60 0.30x0.60 0.3 0.2 3.6
Mô hình 3 1.00x1.00 0.40x0.60 0.2 0.2 3.6
Mô hình 4 1.00x1.00 0.40x0.70 0.2 0.2 3.6
Mô hình 5 1.00x1.00 0.45x0.80 0.2 0.2 3.6
Chiều cao
tầng (m)Mô hình
Chiều dày
sàn (m)
9
2.2.1.2. Công trình 30 tầng: Xét 5 trường hợp hệ khung vách có αH từ
1.00 đến 3.00. Số liệu cho ở Bảng 2.4. Kết quả ở Bảng 2.6.
Bảng 2.4. Kích thước các bộ phận kết cấu công trình 30 tầng
Bảng 2.6. So sánh thành phần gió động theo công thức (1.52) và (1.50)
với nhà 30 tầng
Bảng 2.3 và bảng 2.6 thể hiện sai số của công thức gần đúng (1.52)
so với công thức (1.50). Mức độ sai lệch phụ thuộc vào giá tri hệ số αH.
Khi αH càng nhỏ thì sai lệch càng lớn. Với các hệ kết cấu khung giằng
khoảng 15-35 tầng, αH thường nhỏ. Như vậy nếu sử dụng công thức
gần đúng (1.52) để xác định thành phần gió động sẽ cho sai số lớn, thiết
kế sẽ không tiết kiệm, cần có nghiên cứu bổ sung.
2.2.2. Hoàn thiện công thức tính gần đúng thành phần gió động
2.2.2.1. Đề xuất công thức biểu diễn hàm K1
Từ phân tích lý thuyết ở mục 2.1, đối với nhà dạng khung giằng bố
trí đối xứng, chịu tải trọng ngang phân bố tam giác, chuyển vị ngang yz
xác định theo công thức (2.23), có qui luật như đường cong K1 (Hình
2.7). Tuy nhiên, K1 tính theo công thức (2.24) là khá phức tạp. Qua xem
CT1.50 CT1.52 CT1.50 CT1.52 CT1.50 CT1.52 CT1.50 CT1.52 CT1.50 CT1.52
Tổng 3132.63 3565.75 3223.49 3565.75 3298.55 3565.75 3333.12 3547.47 3290.22 3476.15
Sai số
Mô hình 5,
αH=2.88
T=3.048
13.83% 10.62% 8.10% 6.43% 5.65%
Mô
hình
Mô hình 1,
αH=0.95
T=3.31
Mô hình 2
αH=1.42
T=3.311
Mô hình 3,
αH=1.93
T=3.310
Mô hình 4,
αH=2.44
T=3.286
Cột
(m2)
Mô hình 1 0.70x0.70 0.30x0.50 0.5 0.2 3.6
Mô hình 2 0.80x0.80 0.40x0.50 0.3 0.2 3.6
Mô hình 3 1.00x1.00 0.35x0.60 0.25 0.2 3.6
Mô hình 4 1.00x1.00 0.45x0.60 0.2 0.2 3.6
Mô hình 5 1.00x1.00 0.45x0.70 0.2 0.2 3.6
Dầm (m2)Vách
(m)
Chiều dày
sàn (m)
Chiều cao
tầng (m)Mô hình
10
xét, ứng với các giá trị αH<2.0, đường cong K1 gần với dạng parabol và
có thể biểu diễn gần đúng theo hàm bậc hai, hay hàm sin. Ở đây đề xuất
hàm đường cong K1 có qui luật hàm sin có dạng:
�� = ��(�)�
�sin(
�
�
�
�) (2.25)
Đồ thị hình 2.10 cho thấy, đối với các dạng nhà khung giằng có
đường cong K1 ứng với αH ≤ 2.0, việc biểu diễn đường cong K1 theo
công thức (2.25) là chấp nhận được, sai số không đáng kể.
2.2.2.2. Thiết lập công thức tính thành phần gió động
Giá trị chuyển vị tỷ đối yji trong công thức (1.50), (1.51) là tỷ số của
y(z)/y(H), từ (2.25) ta có:
��� =�
�sin(
�
�
�
�)�� (2.29)
Áp lực gió động tác dụng lên công trình ở độ cao z là ���:
W�� = M�. ξ.∫ ���.��.���
�
∫ ���� .
�
���.��
y�� (2.30)
Hình 2.10. Biểu đồ K1 tính theo CT 2.24 và CT 2.25 với αH=0.5; 1.0; 1.5; 2.0
11
Từ (2.30) tính được:
��� = ��x���� ∫ �
�
�����
�
�
�
���������
�
������
z����
������
���
�
�� ∫ ��
����(
�
�
�
�)���
��
���
��
���� �
�
�
�
�� ��� (2.35)
Từ (2.35) với dạng địa hình A, có mt = 0.07:
��� = 1,47�
���� �
�
2
�
�� ���� (2.36)
Tương tự với dạng địa hình B có mt = 0,09, ta được:
��� = 1,46�
���� �
�
�
�
�� ���� (2.37)
Tương tự với dạng địa hình C có mt = 0,14, ta được:
��� = 1,43�
���� �
�
2
�
�� . �.��� (2.38)
2.3. Đánh giá sai số của công thức đề xuất
Để đánh giá mức độ phù hợp của công thức đề xuất, ta tiến hành tính
toán cho 4 mô hình nhà có dạng mặt bằng khác nhau, cao 20 và 30 tầng.
Công trình xây dựng vùng gió IIB, dạng địa hình B. Mặt bằng nhà thể
hiện ở các hình 2.11, 2.18, 2.21 và 2.24. Số liệu về các bộ phận kết cấu
xem bảng 2.8. Kết quả thành phần gió động tính theo (1.50), (1.52)
TCVN và theo đề xuất (2.37) biểu diễn điển hình ở hình 2.12 và 2.16,
còn lại lập bảng 2.16, 2.17 để so sánh (trang 14, 15).
Hình 2.11. Mặt bằng kết cấu nhà dạng 1
Hình 2.18. Mặt bằng kết cấu nhà dạng 2
12
20 30
8.0x8.0 8.0x8.0
3.6 3.6
200 200
nhà dạng 1-2 700x700 1000x1000
nhà dạng 3-4 800x800 1000x1000
200-250-300 250-300-350
B30 B30Cấp bền BT
Tiết
diện
cột
(mm)
Chiều dày vách
(mm)
Số tầng
Lưới cột (m)
Chiều cao tầng (m)
Chiều dày sàn (mm)
Bảng 2.8- Số liệu 4 dạng nhà, cao 20-30 tầng
Hình 2.12- Thành phần gió động nhà 1, cao 20 tầng, vách dày 200
Hình 2.21. Mặt bằng kết cấu nhà dạng 3
Hình 2.24. Mặt bằng kết cấu nhà dạng 4
13
2.4. Nhận xét chương 2
Dạng chuyển vị ngang của nhà khung giằng không chỉ phụ
thuộc vào độ cứng của hệ kết cấu mà còn phụ thuộc vào mức độ tương
tác khung-vách qua hệ số αH. Khi αH nhỏ (≤ 2.0) dạng chuyển vị là
đường cong gần biến dạng uốn của vách, khi αH càng lớn (> 2.0) dạng
chuyển vị tiến dần về dạng tuyến tính như biến dạng cắt của khung.
Từ kết quả tính toán thành phần gió động (Bảng 2.16 và Bảng
2.17) cho các công trình có αH≤ 2.0 theo công thức gần đúng (1.52) của
TCVN so với công thức của tiêu chuẩn (1.50) và công thức đề xuất
(2.37), có thể thấy:
- Sai số giữa của công thức (1.52) so với công thức (1.50) là
khá lớn, khoảng 13-17%.
- Sai số giữa cách tính theo công thức đề xuất (2.37) so với
công thức (1.50) TCVN là khá nhỏ, không vượt quá 4.5%.
Hình 2.16- Thành phần gió động nhà 1, cao 30 tầng, vách dày 300
14
- Với địa hình B, cấu trúc của công thức đề xuất (2.37) là đơn
giản, tương tự như công thức gần đúng (1.52) của tiêu chuẩn nhưng có
độ chính xác xấp xỉ công thức giải tích của tiêu chuẩn (1.50).
Bảng 2.16- So sánh lực cắt đáy thành phần gió động theo 3 công thức
tính của 4 dạng nhà cao 20 tầng.
Vách dày
(mm)αH
CT1.50
(kN)
CT1.52
(kN)Δ1 (%)
CT2.37
(kN) Δ2 (%)
200 0.902 1543.21 1804.31 16.9% 1546.09 0.2%
250 0.808 1506.46 1766.90 17.3% 1514.03 0.5%
300 0.738 1501.06 1741.71 16.0% 1492.45 -0.6%
Vách dày
(mm)αH
CT1.50
(kN)
CT1.52
(kN)Δ1 (%)
CT2.37
(kN) Δ2 (%)
200 0.980 1979.69 2300.2 16.2% 1971.0 -0.4%
250 0.877 1880.36 2209.09 17.5% 1892.94 0.7%
300 0.802 1883.3 2201.14 16.9% 1886.13 0.2%
Vách dày
(mm)αH
CT1.50
(kN)
CT1.52
(kN)Δ1 (%)
CT2.37
(kN) Δ2 (%)
200 1.500 2072.17 2397.91 15.7% 2054.73 -0.8%
250 1.341 2035.86 2368.78 16.4% 2029.77 -0.3%
300 1.224 1998.09 2334.03 16.8% 2000.00 0.1%
Vách dày
(mm)αH
CT1.50
(kN)
CT1.52
(kN)Δ1 (%)
CT2.37
(kN) Δ2 (%)
200 1.382 2152.52 2468.51 14.7% 2115.23 -1.7%
250 1.235 2111.72 2437.17 15.4% 2088.38 -1.1%
300 1.126 2080.76 2413.02 16.0% 2067.69 -0.6%
NHÀ CAO 20 tầng
GHI CHÚ: - Δ1 (%) là sai số giữa công thức (1.52) TCVN và công thức (1.50) TCVN.
- Δ2 (%) là sai số giữa công thức đề xuất (2.37) và công thức (1.50) TCVN.
NH
À D
ẠN
G 1
NH
À D
ẠN
G 2
NH
À D
ẠN
G 3
NH
À D
ẠN
G 4
15
Bảng 2.17- So sánh lực cắt đáy thành phần gió động theo 3 công thức
tính của 4 dạng nhà cao 30 tầng.
Chương 3
XÁC ĐỊNH HỆ SỐ GIÓ GIẬT CHO NHÀ CAO TẦNG SƠ ĐỒ
KẾT CẤU KHUNG GIẰNG BỐ TRÍ ĐỐI XỨNG THEO TCVN
3.1. Phương pháp hệ số gió giật Davenport
Davenport kiến nghị công thức xác định tải trọng gió lớn nhất:
max( )p z tác dụng lên kết cấu thông qua thành phần trung bình (tĩnh) của
tải trọng gió p(z) và hệ số gió giật G, như sau:
�(�)��� = �. �̅(�)
(3.3)
Vách dày
(mm)αH
CT1.50
(kN)
CT1.52
(kN)Δ1 (%)
CT2.37
(kN) Δ2 (%)
250 1.219 2745.99 3180.93 15.8% 2715.30 -1.1%
300 1.114 2701.95 3141.79 16.3% 2681.89 -0.7%
350 1.032 2658.89 3100.55 16.6% 2646.68 -0.5%
Vách dày
(mm)αH
CT1.50
(kN)
CT1.52
(kN)Δ1 (%)
CT2.37
(kN) Δ2 (%)
250 1.325 3435.04 3958.82 15.2% 3379.32 -1.6%
300 1.210 3360.99 3914.77 16.5% 3341.72 -0.6%
350 1.121 3366.48 3908.26 16.1% 3336.16 -0.9%
Vách dày
(mm)αH
CT1.50
(kN)
CT1.52
(kN)Δ1 (%)
CT2.37
(kN) Δ2 (%)
250 2.027 3550.29 4034.30 13.6% 3443.75 -3.0%
300 1.850 3525.58 4030.01 14.3% 3440.09 -2.4%
350 1.711 3487.16 4004.77 14.8% 3418.55 -2.0%
Vách dày
(mm)αH
CT1.50
(kN)
CT1.52
(kN)Δ1 (%)
CT2.37
(kN) Δ2 (%)
250 1.852 3588.19 4028.28 12.3% 3438.61 -4.2%
300 1.689 3571.45 4035.75 13.0% 3444.99 -3.5%
350 1.561 3553.12 4036.41 13.6% 3445.55 -3.0%
NH
À D
ẠN
G 4
NH
À D
ẠN
G 3
GHI CHÚ: - Δ1 (%) là sai số giữa công thức (1.52) TCVN và công thức (1.50) TCVN.
- Δ2 (%) là sai số giữa công thức đề xuất (2.37) và công thức (1.50) TCVN.
NHÀ CAO 30 tầng
NH
À D
ẠN
G 1
NH
À D
ẠN
G 2
16
Với
�(�) =�
����
���(�)
1V là vận tốc gió trung bình tại đỉnh nhà
Theo Davenport, hệ số gió giật G được xác định như sau:
� = 1 + ��√� + � (3.4)
3.2. Đề xuất công thức tính hệ số gió giật theo TCVN 2737:1995
3.2.1. Đối với công trình và các bộ phận kết cấu có tần số dao động cơ
bản ��(��) lớn hơn tần số dao động riêng ��(��)
Theo (1.46) và (1.48), tổng tải trọng gió xác định theo (1.53), (1.54):
��� = ���� +���
�� = ���� �1 + z
�n�
� = 1 + z�n
Theo định nghĩa của Davenport, � = 1 + z�n là hệ số gió giật.
3.2.2. Khi nhà có độ cứng, khối lượng và bề mặt rộng đón gió không
đổi theo chiều cao.
3.2.2.1. Trường hợp αH = 2 ÷ 6 (nhà có kết cấu khung ảnh hưởng đáng
kể đến hệ khung giằng)
Sử dụng công thức (1.52):
���� = 1.4
�
�. �.���
��
Với����� = ��
�� ��
�����
z�� (3.10)
Thay ����� ở (3.10) vào (1.52), ta được:
���� = 1,4 �
�
�������
�z����
�� (3.11)
��� = ���� +��
�� = ���� �1 + 1,4 �
�
�������
�z��� (3.12)
Hệ số gió giật G xác định theo (3.13):
� = 1 + 1,4 ��
�������
�z�� (3.13)
3.2.2.2. Trường hợp αH ≤ 2 (nhà có kết cấu vách ảnh hưởng đáng kể)
Sử dụng kết quả từ chương 2, thành phần gió động tính theo (2.37):
17
���� = 1,4
�
���� �
�
2.�
�� ����
Tương tự 3.2.2.1, có: ���� = 1,4 �
�
�������
�z����� �
�
�.�
����
��
Đặt: �� = 1,4 ��
�������
�z����� �
�
�.�
�� (3.14)
Vậy: ���� = ����
��
��� = ���� +��
�� = ���� �1 + 1,4 �
�
�������
�z����� �
�
�.�
���
Hệ số gió giật: � = 1 + 1,4 ��
�������
�z����� �
�
�.�
�� (3.15)
+ Dạng địa hình A: mt = 0.07
� = 1 + 1,4 ��
���.��
�z����� �
�
�
�
�� (3.16)
+ Dạng địa hình B: mt = 0.09
� = 1 + 1,4 ��
���.��
�z����� �
�
�
�
�� (3.17)
+ Dạng địa hình C: mt = 0.14
� = 1 + 1,4 ��
���.��
�z����� �
�
�
�
�� (3.18)
3.2.2.3. Xây dựng công thức gần đúng tính hệ số gió giật cho công trình
xây dựng ở vùng gió IIB cao 15 đến 35 tầng
Từ (3.16), (3.17), (3.18), ta thấy xác định hệ số gió giật G còn khá
phức tạp, phụ thuộc nhiều tham số. Vì vậy, ở đây ta sẽ khảo sát hệ số G
qua một số yếu tố ảnh hưởng, nhằm tìm kiếm một biểu thức gần đúng
tính G đơn giản, dễ áp dụng hơn và có sai số chấp nhận được.
a. Hệ số động lực ξ: Hệ số động lực ξđượcxácđịnhtheoTCVN,phụthuộcthôngsố
� =����
�����,vàđộgiảmlôgadaođộngδcủakếtcấu.
Cóthểlấyf1gầnđúngtheoT1=0.08n,nlàsốtầngnhà.
b. Hệ số áp lực động ζ:
Lấy theo bảng của TCVN, phụ thuộc độ cao z, và dạng địa hình.
c. Hệ số tương quan không gian áp lực động ν: Lấy theo TCVN.
18
d. Xây dựng công thức: Xét công trình có gió tác dụng vuông góc
với bề mặt zoy, công trình có bề rộng mặt đón gió khoảng b = 30-50m,
cao 15 đến 35 tầng, h=40-100m:
- Giá trị �: Từ TCVN, ứng với b và h, nội suy hệ số � có giá trị xấp
xỉ từ 0,66 đến 0,61, có thể lấy trung bình: � = 0.63.
- Hệ số áp lực động z : Thay đổi theo chiều cao z, được xác định:
z�= z
�� ���
����
(3.19)
Với dạng địa hình B, tại z=H:
z�= z
�� ���
���.��
= 0.486 ���
���.��
(3.20)
- Xác định hệ số động lực ξ:
Xét với chu kỳ dao động: � = 0.08�, Hệ số độ tin cậy γ =1.2
Hệ số ε cho công trình tại vùng gió IIB (W0 = 950N/m2):
� =����
�����= √�,�×���
���×(�
�,���)= 0.00287� (3.21)
Xét công trình cao tầng từ 15, 20, 25, 30 và 35 tầng,với T=0,08n,
tương ứng ta có tần số f1, hệ số ε và hệ số động lực ξ theo bảng 3.3.
Từ các giá trị ξ trong bảng 3.3, ta có thể xấp xỉ ξ theo biểu thức:
� = 1.3 + 0.2� = 1.3 + 0.016� (3.22)
Bảng 3.3. Các hệ số f1 , ε , ξ
Tầng 15 20 25 30 35
f1 (Hz) 0.833 0.625 0.500 0.417 0.357
ε 0.043 0.057 0.072 0.086 0.101
ξ 1.513 1.633 1.737 1.826 1.901
Với dạng địa hình B: mt = 0.09, biểu thức (3.14) viết lại:
�� = 1,4 ��
���.��
�z����� �
�
2
�
��
Có thể thấy:��
���.��
��� ��
�
�
�� ≈ �
�
���.�
(3.23)
Thay (3.20), (3.22), (3.23) và giá trị � ≈ 0.63 vào (3.14), ta được:
19
�� = 1,4 ��
���.�(1.3 + 0.016�) �0.486 �
��
���.��� 0.63 (3.24)
Với hệ số độ tin cậy γ =1.2, rút gọn biểu thức (3.24) ta có:
�� =�.����.����
��.����
���.�
(3.25)
Hệ số gió giật: � = 1 +�.����.����
��.����
���.�
(3.26)
Thành phần gió động Wpz: ��� = ����� (3.27)
Tổng tải trọng gió Wz: �� = ���� (3.28)
Vậy với các nhà khung giằng cao đến 35 tầng, có chu kỳ dao động
T≈0,08n, xây dựng ở vùng gió IIB, có thể xác định gần đúng hệ số Kp
và hệ số gió giật G tại độ cao z theo biểu thức đơn giản (3.25) và (3.26).
3.3. Đánh giá sai số công thức đề xuất tính tải trọng gió
Để đánh giá độ tin cậy của các công thức đề xuất (3.25) – (3.28), tiến
hành tính toán thành phần gió động và xác định tổng tải trọng gió cho
một số nhà có dạng mặt bằng và chiều cao nhà khác nhau xây dựng ở
vùng gió IIB và so sánh với công thức giải tích (1.50) của TCVN
3.3.1. Nhà có mặt bằng dạng 1, 2, 3: Sử dụng lại số liệu phân tích động
học 3 nhà dạng 1, 2, 3 ở chương 2, tính tải trọng gió động theo (1.50) và
(3.27), kết quả so sánh ở Hình 3.5, 3.9, còn lại so sánh bảng 3.4 và 3.5.
Hình 3.5. Thành phần gió động nhà 1, cao 20 tầng, vách dày 200
20
Bảng 3.4: So sánh tải trọng gió tính theo TCVN và theo đề xuất
(3.27)
Hình 3.9. Thành phần gió động nhà 1, cao 30 tầng, vách dày 300
Vách dày
(mm)Wj (kN) Wp (kN) KpWj (kN)
Sai số Δ(%)
(thành phần
động)
Sai số Δ(%)
(tổng tải
trọng gió)
200 4520.52 1543.21 1575.30 -2.08% -0.53%
250 4520.52 1506.46 1575.30 -4.57% -1.14%
300 4520.52 1501.06 1575.30 -4.95% -1.23%
Vách dày
(mm)Wj (kN) Wp (kN) KpWj (kN)
Sai số Δ(%)
(thành phần
động)
Sai số Δ(%)
(tổng tải
trọng gió)
200 5650.66 1979.69 1969.11 0.53% 0.14%
250 5650.66 1880.36 1969.11 -4.72% -1.18%
300 5650.66 1883.3 1969.11 -4.56% -1.14%
Vách dày
(mm)Wj (kN)
Wp (kN) KpWj (kN)Sai số Δ(%)
(thành phần
động)
Sai số Δ(%)
(tổng tải
trọng gió)
200 6780.79 2430.48 2362.94 2.78% 0.73%
250 6780.79 2387.89 2362.94 1.04% 0.27%
300 6780.79 2343.59 2362.94 -0.83% -0.21%
NH
À D
ẠN
G 2
NH
À D
ẠN
G 3
NHÀ CAO 20 TẦNG
GHI CHÚ: - Wj: thành phần gió tĩnh tính theo TCVN (1.46)
- Wp: thành phần gió động tính theo TCVN (1.50)
- KpWj: thành phần gió động tính theo đề xuất (3.27)
NH
À D
ẠN
G 1
21
3.3.4. Khảo sát các dạng nhà 1a, 2a và 3a
Mỗi nhà khảo 3 trường hợp 20 tầng (thay đổi chiều dày vách 200,
250, 300) và 3 trường hợp 30 tầng (vách dày 250, 300, 350). Kết quả
tính thành phần gió động theo công thức (1.50) TCVN và công thức đề
xuất (3.27) tương tự như các dạng nhà 1, 2, 3. Bảng 3.12 và 3.13 so
sánh sai số thành phần gió động <5%. Sai số tổng tải trọng gió <1.4%.
Vách dày
(mm)Wj (kN) Wp (kN) KpWj (kN)
Sai số Δ(%)
(thành phần
động)
Sai số Δ(%)
(tổng tải
trọng gió)
250 7275.47 2745.99 2635.40 4.03% 1.10%
300 7275.47 2701.95 2635.40 2.46% 0.67%
350 7275.47 2658.89 2635.40 0.88% 0.24%
Vách dày
(mm)Wj (kN) Wp (kN) KpWj (kN)
Sai số Δ(%)
(thành phần
động)
Sai số Δ(%)
(tổng tải
trọng gió)
250 9171.83 3435.04 3294.25 4.10% 1.12%
300 9171.83 3360.99 3294.25 1.99% 0.53%
350 9171.83 3366.48 3294.25 2.15% 0.58%
Vách dày
(mm)Wj (kN) Wp (kN) KpWj (kN)
Sai số Δ(%)
(thành phần
động)
Sai số Δ(%)
(tổng tải
trọng gió)
250 10886.20 4157.31 3953.10 4.91% 1.36%
300 10886.20 4138.3 3953.10 4.48% 1.23%
350 10886.20 4093.2 3953.10 3.42% 0.94%
NH
À D
ẠN
G 2
NH
À D
ẠN
G 3
NHÀ CAO 30 TẦNG
GHI CHÚ: - Wj: thành phần gió tĩnh tính theo TCVN (1.46)
- Wp: thành phần gió động tính theo TCVN (1.50)
- KpWj: thành phần gió động tính theo đề xuất (3.27)
NH
À D
ẠN
G 1
Bảng 3.5: So sánh tải trọng gió tính theo TCVN và theo đề xuất 22
3.3.5. Khảo sát các dạng nhà 4 (20 tầng), 5 (25 tầng), 6 (30 tầng)
Bảng 3.14: Số liệu các dạng nhà 4, 5 và 6
Từ kết quả phân tích, tính toán tải trọng gió cho nhà dạng 4, 5 và 6 được
tổng hợp và so sánh trong bảng 3.18
Bảng 3.18: So sánh tải trọng gió tính theo TCVN và theo đề xuất (3.27)
3.3.6. Khảo sát công trình Đà Nẵng Plaza và Cục Hải Quan Đà Nẵng
Bảng 3.19: Số liệu công trình Đà Nẵng Plaza và Hải Quan Đà Nẵng
Kết quả tính toán thành phần gió động và so sánh ở Bảng 3.22.
Nhà
dạng
Số
tầng
Lưới
cột
(m)
Chiều cao
tầng (m)
Bề rộng
đón gió
(m)
Bề dày
sàn (mm)
Bề dày
vách
(mm)
Tiết diện
cột (mm)
Tiết diện
dầm
(mm)
4 20 8x8 3.6 24 200 300 800x800 500x700
5 25 8x8 3.6 32 200 350 800x800 400x700
6 30 8x8 3.6 40 200 450 1000x1000 700x900
Công trình
Thành phần
gió tĩnh
Wj (kN)
TCVN(1.46)
Thành phần
gió động
Wpz (kN)
TCVN(1.50)
Tổng tải
trọng gió
Wz (kN)
(TCVN)
Thành phần
gió động
KpWj (kN)
đề xuất
(3.27)
Tổng tải
trọng gió
Wz (kN)
đề xuất
(3.28)
Sai số
Δ1(%)
(thành phần
gió động)
Sai số
Δ2(%)
(tổng tải
trọng gió)
Nhà dạng 4
(20 tầng)3060.42 1060.56 4120.97 1074.86 4135.28 -1.35% -0.35%
Nhà dạng 5
(25 tầng)5293.91 1826.51 7120.43 1893.68 7187.59 -3.68% -0.94%
Nhà dạng
(30 tầng)8191.28 2886.09 11077.37 2998.71 11189.98 -3.90% -1.02%
Đà Nẵng
Plaza3.6 0.7x0.7 0.3x0.6 0.2 0.3 B30
Hải Quan 3.6 0.7x0.7 0.3x0.5 0.2 0.3 B30
Công trìnhTiết diện
cột (m2)
Tiết diện
dầm (m2)
Bề dày
sàn (m)
Bề dày
vách (m)
Câp bền
BTChiều cao
23
Bảng 3.22: So sánh tải trọng gió tính theo TCVN và theo đề xuất (3.27)
3.4. Nhận xét chương 3
Trên cơ sở của TCVN 2737:1995 đã nghiên cứu đề xuất các công
thức để xác định hệ số gió giật G theo Davenport tương ứng với các hệ
kết cấu khác nhau chịu tải trọng ngang. Đánh giá công thức đề xuất qua
khảo sát 11 dạng nhà với 41 trường hợp, ta thấy biểu đồ phân bố thành
phần gió động tính theo TCVN và theo công thức đề xuất gần trùng
khớp nhau, tổng giá trị thành phần gió động sai lệch < 5%, tổng giá trị
tải trọng gió sai lệch < 1.4%, sai số như vậy có thể chấp nhận được.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
Từ các kết quả nghiên cứu của luận án, có thể rút ra các kết luận sau:
1. Theo tiêu chuẩn Việt nam TCVN 2739:1995, việc tách biệt tác
động của gió thành hai thành phần tĩnh và động làm qui trình phân tích
phức tạp, khó kiểm soát hơn so với phương pháp GLF của Davenport sử
dụng hệ số gió giật trong các tiêu chuẩn như ASCE-7, EN…
Công thức gần đúng (1.52) theo TCVN 2737:1995 là khá đơn giản,
tuy nhiên chỉ phù hợp với dạng nhà gần như kết cấu khung. Với nhà có
hệ kết cấu khung giằng (αH≤ 2.0), sai số thành phần gió động giữa công
thức (1.52) và công thức (1.50) là khá lớn, khoảng 13-17%.
2. Từ phân tích dạng chuyển vị ngang của nhà cao tầng có kết cấu
khung giằng đối xứng, đã đề xuất công thức gần đúng (2.37) xác định
Công trình
Thành phần
gió tĩnh
Wj (kN)
TCVN(1.46)
Thành phần
gió động
Wpz (kN)
TCVN(1.50)
Tổng tải
trọng gió
Wz (kN)
(TCVN)
Thành phần
gió động
KpWj (kN)
đề xuất
(3.27)
Tổng tải
trọng gió
Wz (kN)
đề xuất
(3.28)
Sai số
Δ1(%)
(thành phần
gió động)
Sai số
Δ2(%)
(tổng tải
trọng gió)
Đà Nẵng Plaza 4804.39 1725.26 6529.66 1674.21 6478.61 2.96% 0.78%
Cục Hải Quan 3857.65 1396.41 5254.06 1344.29 5201.94 3.73% 0.99%
24
tải trọng gió động. Kết quả tính toán thành phần gió động (bảng 2.16 và
bảng 2.17) theo công thức (1.50) của TCVN 2737:1995 và theo công
thức đề xuất (2.37) sai số là khá nhỏ, không vượt quá 4.5%.
3. Trên cơ sở của TCVN đã nghiên cứu hệ thống hoá các công thức
của tiêu chuẩn để xác định hệ số gió giật G theo Davenport tương ứng
với các hệ kết cấu khác nhau chịu tải trọng ngang.
Đã nghiên cứu đề xuất công thức gần đúng xác định giá trị hệ số gió
giật G theo Davenport cho các công trình bê tông cốt thép cao từ 15 đến
35 tầng có mặt bằng kết cấu đối xứng với sơ đồ khung giằng, xây dựng
trên địa bàn Thành phố Đà Nẵng cũng như các địa hình tương tự:
� = 1 +�.����.����
��.����
���.�
.
Từ các kết quả tính toán kiểm tra cho một số nhà cao tầng, sai số
thành phần gió động giữa công thức (1.50) của TCVN và công thức đề
xuất trên là khá nhỏ, không vượt quá 5%. Tổng tải trọng gió xác đinh
theo TCVN và quy trình đề xuất trên là rất nhỏ, nhỏ hơn 1.4%. Như vậy
việc sử dụng công thức đề xuất để xác định tải trọng gió là có độ tin cậy
và có thể áp dụng vào qui trình thiết kế, kiểm tra. Công thức gần đúng
xác định hệ số gió giật G có cấu trúc khá đơn giản, dễ sử dụng, sai số
khá nhỏ, có thể ứng dụng trong thực tiễn.
2. Kiến nghị
Trong phạm vi nghiên cứu của luận án, một số vấn đề chưa được đề
cập và làm rõ, cần có các nghiên cứu tiếp theo:
- Đề xuất hệ số gió giật cho nhà khung giằng có sơ đồ bất đối xứng.
- Nghiên cứu thực nghiệm trong hầm gió để tăng độ tin cậy của kết quả
nghiên cứu.
- Nghiên cứu thực nghiệm trong hầm gió để đánh giá thành phần gió
xoắn tác dụng lên kết cấu nhà cao tầng mà TCVN chưa đề cập.
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
1. Phan Quang Minh, Bùi Thiên Lam (2017), Nghiên cứu đề xuất hệ số
gió giật tính tải trọng gió nhà cao tầng có sơ đồ khung giằng theo
TCVN 2737:1995, TC Xây Dựng, 7-2017, ISSN 0866-0762, trang
274-277.
2. Bùi Thiên Lam (2016), Điều chỉnh công thức tính thành phần động
của tải trọng gió theo TCVN 2737:1995, Tạp chí Xây Dựng, 5-2016,
ISSN 0866-0762, trang 47-51.
3. Bùi Thiên Lam, Đặng Công Thuật (2016), Phân tích đáp ứng động
lực học ngẫu nhiên và độ tin cậy của kết cấu chịu tác động của tải
trọng gió, HTKH Quốc gia Hạ tầng giao thông với phát triển bền
vững lần 2, NXB Xây Dựng, ISBN 978-604-82-1809-6, pp 619-624.
4. Bùi Thiên Lam (2016), Nghiên cứu phân phối gần đúng tải trọng gió
lên các tầng từ lực cắt đáy, Kỷ yếu HT Công nghệ xây dựng tiên
tiến hướng đến phát triển bền vững lần 2, NXB Xây Dựng ISBN
978-604-82-2016-7, trang 1-5.
5. Bùi Thiên Lam (2015), Phân tích một số yếu tố ảnh hưởng đến tỷ lệ
thành phần động và thành phần tĩnh của tải trọng gió theo TCVN
2737:1995, Kỷ yếu HT Công nghệ xây dựng tiên tiến hướng đến
phát triển bền vững lần 1, NXB Xây Dựng ISBN 978-604-82-1805-
8, trang 32-38.
6. Bùi Thiên Lam (2014), A Novel Approach for Preliminary
Determination of Dynamic Wind in Design Problem, Tạp chí Khoa
học và Công nghệ - Đại học Đà Nẵng, 12(85)-2014, ISSN 1859-
1531, trang 47-51