Phương pháp đánh giá độ rung sàn và xem xét ứng dụng trong thiết kế tại việt nam

KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG SỐ 69 (6/2020) 103 BÀI BÁO KHOA HỌC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐỘ RUNG SÀN VÀ XEM XÉT ỨNG DỤNG TRONG THIẾT KẾ TẠI VIỆT NAM Nguyễn Vĩnh Sáng1 Tóm tắt Hiện tượng rung[.]

BÀI BÁO KHOA HỌC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐỘ RUNG SÀN VÀ XEM XÉT ỨNG DỤNG TRONG THIẾT KẾ TẠI VIỆT NAM Nguyễn Vĩnh Sáng1 Tóm tắt: Hiện tượng rung động kết cấu gây lo ngại mặt tâm lý cho người sử dụng cơng trình trường hợp người đứng sàn thao tác tạm Ngoài ra, gây vết nứt nhỏ gây mỏi kết cấu tải trọng lặp dẫn tới phá hủy, sập đổ Trong thiết kế Việt Nam đề cập đến vấn đề Tiêu chuẩn TCVN 6962: 2001, TCVN 6963: 2001, TCVN 71912002, TCVN 7378: 2004 Các tiêu chuẩn đề cập vấn đề giới hạn rung động chấn động gây tổn hại đến người Đồng thời, đưa phương pháp thực hành đo rung động để xác định cơng trình, kết cấu hồn thiện khơng đưa lý thuyết để tính tốn, dự báo giai đoạn thiết kế Trong báo này, trình bày phương pháp tính tốn phân tích rung động kết cấu sàn phương pháp phân tích theo Tiêu chuẩn BS 6841, ISO 2631, EN 1990 số phương pháp tính tốn nghiên cứu khác cơng bố nhằm đánh giá, dự đốn gia cường kết cấu rung động vượt ngưỡng gây tổn hại đến sức khỏe, tâm lý người sử dụng phá huy kết cấu Từ khóa: dao động, tần số dao động, khối lượng dao động, khối lượng dao động riêng, trạng thái giới hạn, cảm nhận người TỔNG QUAN * Hiện nay, Việt Nam áp dụng nhiều loại kết cấu cho nhà dân dụng, công nghiệp sàn liên hợp thép - bê tơng, sàn thép, sàn bóng, sàn xốp… thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam tiêu chuẩn nước Đồng thời, thiết kế xem xết đến vấn đề tối ưu kết cấu để tiết kiệm vật liệu Thực tế, số cơng trình đưa vào sử dụng xảy tượng rung lắc gây tâm lý lo lắng cho người sử dụng Về vấn đề nhiều nguyên nhân sai sót thiết kế dẫn tới độ cứng kết cấu không đảm bảo, sử dụng kết cấu chống xoay kết cấu thép, sai sót q trình thi cơng, tải trọng thay đổi đưa vào sử dụng thay đổi công năng… Để khắc phục vấn đề này, thường sử dụng gia cường kết cấu cách tăng độ cứng kết cấu tăng tiết diện, thêm cột đỡ phụ, thay đổi liên kết… Trong báo này, trình bày sở lý thuyết đánh giá rung động sàn ảnh hưởng tới người sử dụng tiêu chí chấp nhận tượng rung theo tiêu chuẩn BS nhằm áp dụng thiết kế kết cấu sàn Việt Nam Phân hiệu Đại học Thủy lợi XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG DAO ĐỘNG CƠ BẢN CỦA SÀN Các thông số dao động gồm tần số dao động, khối lượng dao động lực kích thích Trong kết cấu sàn xem xét loại tải gây dao động người bộ, máy móc, thiết bị… Ngồi ra, vấn đề dao động xem xét hai hệ: Hệ liên tục hệ rời rạc phương pháp tích phân liên tục (1) phương pháp ma trận hay phần tử hữu hạn (2) Trong báo này, việc xác định thông số tần số khối lượng riêng dao động thể phương pháp 2.1 Phương pháp tích phân liên tục Phương pháp áp dụng cho kết cấu đơn giản sử dụng giả thiết nhằm đơn giản hóa phân tích 2.1.1 Tần số dao động Ứng xử hệ liên tục cần giải hệ thức liên quan chuyển vị, vận tốc gia tốc vị trí thời gian định tương ứng với khối lượng, độ cứng hệ lực tác dụng ban đầu Xét dầm đơn giản có tải phân bố đều, tiết diện khơng đổi theo công thức sau: KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) 103 m 2 w 4w   F ( x, t ) EI t x n  2 fn : (1) Trong đó: m, w, t tương ứng khối lượng phân bố, chuyển vị dầm vị trí x thời gian t EI , x , F  x , t  tương ứng độ cứng kháng uốn dầm, vị trí theo dọc trục dầm hàm lực tác dụng Đối với dao động tự hệ đàn hồi, tần số dao động dao động thứ nth theo hệ thức (1) fn  n 2 EI mL4 (2) Trong đó: n số phụ thuộc vào điều kiện biên dầm dao động thứ nth Bảng Hệ số n Hệ số n ứng với dạng dao động Điều kiện biên liên kết n=1 n=2 n=3 Hai đầu khớp  4 9 Hai đầu ngàm Đầu ngàm- đầu khớp 22.4 3.52 61.7 22 121 61.7 Từ hệ thức (2) hệ số n cho Bảng Đối với hệ dầm đơn giản chịu tải trọng phân bố Độ võng lớn tần số tự nhiên dao động xác định sau: Độ võng dầm đơn giản:  mgL4 384 EI (3) Trong đó, g gia tốc trọng trường lấy 9.81m / s Thay công thức (3) vào công thức (2) với số 1 cho Bảng 1: 1   , ta có tần số tự nhiên dao động đầu tiên: f1  17,8   18  (4) Trong đó,  tổng chuyển vị lớn (mm) sàn, dầm phụ, dầm chịu tác động tải trọng tĩnh tải, hoạt tải, tường xây, thiết bị treo… Ngồi ra, phép tính tốn xấp xỉ Dunkerly’s chứng minh từ công thức (4) áp dụng để xác định tần số dao động hệ kết cấu dầm, sàn với độ võng tổng thành phần kết cấu như: sàn, dầm chính, dầm phụ đây: 1 1 (5)  2 2 2 f1 fs fb fp Trong đó, f s , f b f p tương ứng tần số 104 dao động riêng sàn, dầm phụ dầm 2.1.2 Khối lượng dao động riêng M mod Có nhiều phương pháp gần giải tích, tích phân tốn học, phương pháp hàm dạng để xác định khối lượng dao động riêng cho dạng dao động tài liệu tham khảo báo tài liệu động lực học kết cấu xác định khối lượng dao động riêng số kết cấu dầm, sàn điển hình 2.2 Phương pháp phần tử hữu hạn Hiện phương pháp phần tử hữu hạn (FE) sử dụng rộng rãi nhờ phát triển khoa học công nghệ máy tính Phương pháp cho phép xác định thông số dao động cho hệ phức tạp hệ sàn vịm, cong, có trống… cách sử dụng phần mềm phổ biến SAP2000, ETABS, STAPRO Quy trình xác định tần số dao động khối lượng dao động riêng ETABS sau: + Khai báo vật liệu, tiết diện cấu kiện cột, dầm, sàn + Mơ hình hóa kết cấu dầm, sàn, cột liên kết + Khai báo tải trọng, gán tải trọng, khai báo khối lượng dao động tự động + Xuất tần số dao động riêng từ chương trình bảng: Analysis Results/ Structure Output/ KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) Modal informations/ Modal Periods and Frequencies + Xuất khối lượng dao động riêng f n từ chương trình bảng: Model Definition/Other Definitions/Mass Data/Table: Mass Summary by Story Lấy giá trị UZ khối lượng dao động sàn + Trong thành phần UZ lấy hệ số khối lượng tham gia dao động dạng dao động (r) từ bảng: Analysis Results/ Structure Output/ Modal informations/ Modal Participating Mass Ratios, Khối lượng dao động riêng: M mod  M  r (kg ) (6) Trong đó, M khối lượng tổng sàn trọng lượng thân dầm sàn, lớp cấu tạo hoạt tải, tính (kg) 2.3 Lực kích thích dao động Các lực kích thích dao động sàn xem xét người bộ, nhảy khiêu vũ, thiết bị máy móc… Trong báo này, ta khảo sát trường hợp người sàn gây Đặc tính sàn Đối với tác dụng động khác tải trọng lên sàn cần tuyệt đối tránh cộng hưởng dao động Bằng phương pháp đo cho kết tần số sàn người khoảng 1.5 Hz đến 2.5 Hz Trong thiết kế sử dụng tần số lại lấy thấp khoảng: 1.8Hz  fb  2.2Hz (7) xem thể thao tiêu chuẩn áp dụng để đánh giá cho tình khác Có nhiều cách để đo cường độ dao động phương pháp đo gia tốc phổ biến dễ sử dụng Do đó, nhiều tiêu chuẩn đại mô tả ảnh hưởng người dao động thông qua gia tốc RMS vận tốc chuyển vị Gia tốc RMS sử dụng thay cho gia tốc đỉnh biểu thị tốt dao động theo thời gian, đồng thời đỉnh phản ứng thấp khác không quan trọng Giá trị sở gia tốc biểu thị phụ thuộc theo hướng người hệ thống tọa độ thể Hình (trục Z tương ứng với cột sống người) Gia trị sở cao dao động trục Z so với trục X Y (nghĩa dao động trục X, Y dễ nhận biết hơn) Quan hệ tần số fb vận tốc  xấp xỉ theo hệ thức sau:  1.67 f p2  4.83 fb  4.50;1.7Hz  fb  2.4Hz (8) Trong đó, vận tốc (m/s2) TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ THEO TIÊU CHUẨN BS 3.1 Nhận thức người dao động Tỷ trọng tần số: Các tiêu chuẩn ISO 2631, BS 6472 BS 6841 hành, mô tả ảnh hưởng tâm lý người dao động sàn gây Sự phù hợp sàn so sánh với tiêu chí chấp nhận Ngồi ra, tâm lý khác người hồn cảnh, cơng việc khác khác người điều khiển máy, ngồi văn phịng Hình Hướng dao động theo Tiêu chuẩn ISO 2631, BS 6472 BS 6841 Cảm nhận dao động phụ thuộc vào tần số người nhạy cảm thay đổi biên độ dao động với tần số dao động Sự cảm nhận dao động tính đến cách làm giảm phản ứng tính tốn (đối với tần số nhạy hơn) nâng cao giá trị sở Biên độ giảm tăng gọi tỷ trọng tần số Giá trị tỷ trọng tần số đưa tiêu KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) 105 chuẩn BS 6841 ISO 2631 Đường cong tỷ trọng khác phụ thuộc vào phương dao động tác động, trình bày tiêu chuẩn BS 6841 Bảng 1, Hình Hình 3: Bảng Hệ số tỷ trọng áp dụng cho thiết kế sàn Chức sàn Khu làm việc như: bệnh viện, nhà hát, phịng thí nghiệm… Chung cư, văn phịng, phịng ngủ… Nhà xưởng Trục dao động Loại cảm nhận Đường cong tỷ trọng theo BS 6841 Trục Z Bằng mắt, tay Wg Trục X Y Trục Z Trục X Y Trục Z Trục X Y Cảm giác Khó chịu Khó chịu Khó chịu Khó chịu Wd Wb Wd Wb Wd Hình Đường cong tỷ trọng Wb theo Tiêu chuẩn BS 6841 Hình Đường cong tỷ trọng Wg Wd theo Tiêu chuẩn BS 6841 Các đường cong trình bày Hình Hình biểu thị phương trình sau: Tỷ trọng Wg dao động trục Z  W  0.5 f ;  W  1;  W  f  1Hz  f  4Hz 4Hz  f  8Hz (9) f  8Hz Tỷ trọng Wb dao động trục Z W  W  W   W  106  0.5; f ;  1.0   16 ; f 1Hz  f  Hz Hz  f  Hz Hz  f  16Hz f  16 Hz (10) Tỷ trọng Wd dao động trục X Y W  1.0;   W   f  1Hz  f  2Hz f  2Hz (11) Dao động khơng liên tục: Nói chung, hoạt động lại chất tự nhiên không liên tục Đối với dao động không liên tục, phép đo lũy kế phản ứng cho độ tin cậy cao phương pháp xác định dung sai Tiêu chuẩn BS 6472 ISO 10137 đưa cách xác định dao động không liên thông qua giá trị liều rung VDV(vibration dose values), mô tả mức độ rung động không liên tục thời gian ngắn Điều cho phép mức độ dao động cao ngưỡng dao động liên tục xảy Biểu thức chung trị số VDV mô tả: KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) 1/4 T  VDV    aw (t )4 dt  (12) 0  Trong đó: VDV giá trị liều rung (m/s1.75) aw (t ) tỷ trọng gia tốc (m/s2) T tổng thời gian ngày mà dao động xảy (s) BS 6472 hướng dẫn tính giá trị VDV mức độ cảm nhận bất lợi khác cơng trình dân dụng công nghiệp thời gian ngày lẫn đêm Phương pháp VDV giúp nhận biết cải thiện khả dao động sàn phải cần có khối hợp nhiều bên trình thiết kế: kiến trúc, chủ đầu tư, kết cấu… để xác định công thông số kết cấu ban đầu Phương pháp sử dụng thiết kế tổng thể nhằm đánh giá bất lợi dao động xảy 3.2 Tiêu chí đánh giá Rất nhiều nghiên cứu thực tiêu chuẩn quốc tế thể để đánh giá phản ứng người dao động Tiêu chuẩn BS 6472 đánh giá nhiều tác động gây rung động cơng trình dân dụng cơng nghiệp, giới hạn an toàn cường độ dao động thể theo đường cong sở Tần số - Tỷ trọng nhiều yếu tố tác động Các đường cong sở cho dao động theo hướng trục Z trục X, Y lấy từ giá trị sở sau: arms   103 m / s dao động theo trục Z arms  3.57  103 m / s dao động trục X Y Các giá trị sở sử dụng với hệ số tỷ trọng Wg Wd để đưa đường cong sở Hình Đường thể cho số cảm nhận người gọi đường khả chấp nhận Khu vực phía đường tương ứng với mức độ gia tăng cảm nhận người dao động, khu vực bên biểu thị dao động không chấp nhận người (gây khó chịu vượt mức cho phép, tâm lý lo sợ cho người) Hình Đường cong sở cảm nhận dao động theo BS 6472 Dao đông liên tục: Dao động liên tục thực tế không phổ biến, đại diện cho trường hợp xấu xảy Có nghĩa thiết kế thiết kế cho trường hợp cục định Theo tiêu chuẩn BS 6472 ISO 10137 thể hệ số phóng đại cho đường cong sở dao động liên tục, tương ứng với xác suất thấp cảm nhận bất lợi Các hệ số phóng đại trình bày Bảng Bảng Hệ số khếch đại theo BS 6472 cho nhận xét xác suất bất lợi thấp Vị trí, chức Thời gian Khu làm việc như: bệnh viện, nhà hát, phịng thí nghiệm… Hệ số khếch đại với dao động liên tục 16h ngày 8h đêm Lực kích thích dao động tối đa lần xuất Ngày 1 Đêm Ngày Đêm Ngày Đêm Ngày Đêm đến 1.4 4 8 60 đến 90 20 128 128 128 128 Chung cư Văn phòng làm việc Nhà xưởng KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) 107 Trong thực tế, hệ số phóng đại sử dụng giá trị giới hạn hệ số phản ứng tính tốn Trong đó, hệ số phản ứng xác định thơng qua tính tốn gia tốc tỷ trọng RMS chia cho giá trị sở tương ứng Năm 1989, đề xuất tác giả Wyatt (SCI P076) yếu tố tác động số môi trường cao giá trị Bảng tác giả đề xuất hệ số phóng đại sử dụng cho văn phòng, giá trị thể Bảng sử dụng thiết kế Bảng Hệ số khếch đại người gây Vị trí, chức Văn phịng Khu mua sắm Sàn giao dịch Cầu thang – hoạt tải nhỏ (văn phòng…) Cầu thang – hoạt tải lớn (nhà cao tầng, sân vận động…) Hệ số liều rung VDV Dao động không liên tục: BS 6472 đưa hướng dẫn tính tốn giá trị liều rung VDV để đánh giá mức độ chấp nhận Hệ số khếch đại với dao động liên tục 4 32 24 dao động không liên tục đưa giới hạn giới hạn chấp nhận theo Bảng Bài báo sử dụng phương pháp nghiên cứu Ellis để xác định trị số VDV Bảng Giá trị liều rung VDV dao động theo trục Z theo BS 6472 Vị trí, chức Nhà cao tầng, 16h ngày Nhà cao tầng, 8h đêm Cảm nhận vấn đề bất lợi thấp Cảm nhận bất lợi Cảm nhận bất lợi xảy 0.2 đến 0.4 0.4 đến 0.8 0.8 đến 1.6 0.13 0.26 0.51 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Bài báo trình bày sở lý thuyết đánh giá độ rung sàn theo tiêu chuẩn BS ảnh hưởng đến tâm lý người sử dụng Đối với sàn vượt nhịp lớn sàn thép, sàn liên hợp thép – bê tơng, sàn bóng, Panel 3D… sử dụng đỡ thiết bị máy móc, thiết bị gây rung, khiêu vũ, sân khấu hay dự khán sân vận động cần xem xét đánh giá dao động sàn giai đoạn thiết kế Có nhiều phương pháp phân tích đặc trưng dao động sàn Nhưng nên sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FE) để phân tích đặc trưng kết cấu sàn khối lượng dao động riêng, tần số dao động riêng… áp dụng phương pháp đánh giá theo tiêu chuẩn BS để xem xét mức độ cảm nhận độ rung sàn người sử dụng 108 Lực kích thích gây dao động sàn người hoạt động cần đánh giá tác động thiết bị, máy móc… chức sàn 4.2 Kiến nghị Nghiên cứu trình bày tổng quát lý thuyết đánh giá rung động sàn theo tiêu chuẩn BS nghiên cứu khác Sẽ tiền đề để nghiên cứu sau áp dụng trường hợp kết cấu sàn nhịp lớn sử dụng sàn kết cấu liên hợp thép – bê tông, kết cấu thép, vật liệu nhẹ như: Panel 3D, sàn xốp, sàn bóng sử dụng đỡ thiết bị máy móc, khiêu vũ, sân khấu, dự khán sân vận động cụ thể ví dụ số để đánh giá thực hành mức độ ảnh hưởng dao động sàn người sử dụng KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) TÀI LIỆU THAM KHẢO EN 1993-1-1:1992: Eurocode Design of steel structures Part 1.1: General rules and rules for buildings ISO 10137 Bases for design of structures – Serviceability of buildings against vibration International Organisation for Standardization, 2007 BS 6472:1992 Guide to evaluation of human exposure to vibration in buildings (1 Hz to 80 Hz) British Standards Institution, 1992 WYATT, T.A (1989) Design guide on the vibration of floors, (SCI P076) The Steel Construction Institute ELLIS, B.R (November 2001) Serviceability evaluation of floor vibration induced by walking loads The Structural Engineer 79(21), , pp 30-36 Design of Floors for Vibration: A New Approach (2009), Publication Number: SCI P354 Abstract: METHOD OF EVALUATING FLOOR VIBRATION AND CONSIDERING APPLICATIONS IN DESIGN IN VIETNAM The phenomenon of structural vibration can cause psychological concern for the user of the construction of works like the case of people standing on the temporary working floor In addition, it can also cause small cracks and can also cause structural fatigue due to the intermittent loadleading to its demolition and collapse The design in Vietnam also refers to this issue as in TCVN 6962: 2001, TCVN 6963: 2001, TCVN 7191-2002, TCVN 7378: 2004 These standards only address the vibration limit and concussions are damaging to people At the same time, offering a method of vibration measurement to determine when the works and structures have been completed rather than giving the theory to calculate and forecast at the design stage In this paper, the method of calculating and analyzing floor structure vibration will be presented by the method of analysis according to BS 6841, ISO 2631, EN 1990 and calculation methods of other researches Statement to evaluate, predict or strengthen the structure when vibration exceeds the threshold to harm the health, psychology of users as well as destroy the structure Keywords: vibration, vibration frequency, mass, modal mass, limiting state, human perception Ngày nhận bài: 25/5/2020 Ngày chấp nhận đăng: 13/6/2020 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) 109 ... tơng, sàn bóng, Panel 3D… sử dụng đỡ thiết bị máy móc, thiết bị gây rung, khiêu vũ, sân khấu hay dự khán sân vận động cần xem xét đánh giá dao động sàn giai đoạn thiết kế Có nhiều phương pháp. .. theo tiêu chuẩn BS để xem xét mức độ cảm nhận độ rung sàn người sử dụng 108 Lực kích thích gây dao động sàn người hoạt động cần đánh giá tác động thiết bị, máy móc… chức sàn 4.2 Kiến nghị Nghiên... trưng dao động sàn Nhưng nên sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FE) để phân tích đặc trưng kết cấu sàn khối lượng dao động riêng, tần số dao động riêng… áp dụng phương pháp đánh giá theo tiêu