Phân tích động lực học nhà nhiều tầng chịu xung vận tốc gió và so sánh với tiêu chuẩn tcvn 2737

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - PHẠM MINH QUANG PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU XUNG VẬN TỐC GIÓ VÀ SO SÁNH VỚI TIÊU CHUẨN TCVN 2737 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG TP Hồ Chí Minh, Năm 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - PHẠM MINH QUANG PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU XUNG VẬN TỐC GIÓ VÀ SO SÁNH VỚI TIÊU CHUẨN TCVN 2737 Chuyên ngành Mã số chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng : 58 02 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG Người hướng dẫn khoa học: TS Bùi Văn Hồng Lĩnh TP Hồ Chí Minh, Năm 2022 LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan luận văn “Phân tích động lực học nhà nhiều tầng chịu xung vận tốc gió so sánh với tiêu chuẩn TCVN 2737” nghiên cứu tơi Ngoại trừ tài liệu tham khảo trích dẫn luận văn này, tơi cam đoan toàn phần hay phần nhỏ luận văn chưa công bố sử dụng để nhận cấp nơi khác Khơng có sản phẩm/nghiên cứu người khác sử dụng luận văn mà khơng trích dẫn theo quy định Luận văn chưa nộp để nhận cấp trường đại học sở đào tạo khác TP Hồ Chí Minh, Năm 2022 Phạm Minh Quang i LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin cảm ơn chân thành đến TS Bùi Văn Hồng Lĩnh, người thầy hướng dẫn Luận văn này; Thầy tận tâm hướng dẫn, động viên tạo điều kiện tốt để thực Luận văn; Những tài liệu tham khảo kiến thức Thầy cung cấp giúp nhận định đắn việc nghiên cứu Bên cạnh đó, tơi gửi lời cảm ơn quý Thầy Cô giảng dạy lớp Cao học ngành Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại Mở Thành phố Hồ Chí Minh truyền đạt cho tơi nhiều kiến thức quý giá chuyên ngành; đồng thời cảm ơn bạn khóa học đồng hành tơi trải qua chương trình đào tạo Cuối cùng, xin ghi nhận giúp đỡ gia đình ln bên cạnh động viên khuyến khích tơi suốt thời gian học tập vừa qua Xin chân thành cảm ơn! TP Hồ Chí Minh, Năm 2022 Phạm Minh Quang ii TÓM TẮT Mục tiêu luận văn nghiên cứu định lượng thành phần động tải trọng gió tác dụng lên kết cấu nhà nhiều tầng phân tích động lực học so sánh với cách tính từ TCVN 2737-2020 Tải trọng gió giả thiết biến thiên theo thời gian với dạng xung khác thời gian tác dụng khác phân tích động lực học Kết cấu chọn mơ hình tịa nhà 30 tầng rời rạc hóa phương pháp phần tử hữu hạn phân tích tĩnh động phần mềm SAP2000 Kết cho thấy rằng, thành phần động phụ thuộc nhiều vào tỷ số thời gian tác dụng xung gió chu kỳ dao động riêng kết cấu độ lớn thành phần động tương đối xấp xỉ với cách xác định theo TCVN 2737-2020 iii ABSTRACT The objective of this paper is to study quantitatively the dynamical component of wind loads acting on multi-storey building structures by dynamic analysis and to compare with the calculation from TCVN 2737:2020 The wind load are assumed to be time-varying with different impulsive loads and different durations of action in the dynamic analysis The structures is a model of a 30-storey building which is discretized by finite element method in static and dynamic analysis by SAP2000 software The results show that the dynamical component sensitively depends on the ratio of the duration of the impulsive wind and the natural period of the structure, and the magnitude of dynamical component is also approximately close to the determination method according to TCVN 2737:2020 iv MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Tóm tắt iii Abstract iv Mục lục v Danh mục chữ viết tắt vi Danh mục bảng biểu hình vẽ viii CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu luận văn 1.3 Phương pháp thực 1.4 Cấu trúc luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN 2.1 Mở đầu 2.2 Kết cấu nhà nhiều tầng 2.3 Tải trọng gió lên kết cấu nhà nhiều tầng 10 2.4 Một số nhận xét 15 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 17 3.1 Giới thiệu 17 3.2 Tải trọng gió 17 3.2.1 Tải trọng gió tĩnh 18 3.2.2 Thành phần động 19 3.2.3 Hệ số động 20 3.3 Phân tích động lực học 22 3.3.1 Tải trọng gió dạng xung 22 v 3.3.2 Phương trình chuyển động 23 3.3.3 Bài toán sử dụng phần mềm SAP 2000 .25 3.4 Kết luận 26 CHƯƠNG Kết số 27 4.1 Giới thiệu 27 4.2 Sơ đồ kết cấu thành phần tĩnh gió .27 4.2.1 Kết chuyển vị kết cấu nhà 30 tầng 30 4.2.2 Kết chuyển vị kết cấu nhà 40 tầng 32 4.3 Thành phần động theo tiêu chuẩn việt nam 35 4.3.1 Kết cấu nhà 30 tầng .35 4.3.2 Kết cấu nhà 40 tầng .36 4.4Thành phần động tải gió theo xung đơn 39 4.4.1 Tải xung đơn nửa hình sin 39 4.4.2 Tải xung hình tam giác 44 4.5 Tải gió theo xung đôi xung khác .49 4.5.1 Tải xung nửa hình sin lớn sin nhỏ 49 4.5.2 Tải xung nửa hình sin .54 4.5.3 Tải xung nửa hình sin sin lớn sin nhỏ .60 4.6 Bàn luận kết 67 4.7 Kết luận 69 CHƯƠNG KẾT LUẬN 70 5.1 Kết luận 70 5.2 Hướng phát triển 71 Tài liệu tham khảo .72 Bài báo công bố 76 vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt TPHCM Thành Phố Hồ Chí Minh TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TCXD 229:1999 Chỉ dẫn tính tốn thành phần động tải trọng gió theo tiêu chuẩn TCVN 2737:2020 Tải trọng tác động tiêu chuẩn thiết kế TCVN 2737-2020 Ký hiệu H Chiều cao cơng trình I-C Vùng gió B Chiều rộng cơng trình f Tần số dao động  Hệ số độ tin cậy W0 Áp lực gió tương ứng với vận tốc gió V0 Vận tốc gió Pj Tải trọng gió tĩnh c Hệ số khí động k Hệ số tính đến thay đổi áp lực gió theo độ cao Gf Hệ số giật Iw Hệ số tầm quan trọng tính tải trọng gió T Thời gian Mj Khối lượng tập trung phần cơng trình thứ j; i Hệ số động lực ứng với dạng dao động thứ i; yji Dịch chuyển ngang tỉ đối trọng tâm phần cơng trình thứ j ứng với dạng dao động thứ i; i Hệ số xác định cách chia cơng trình thành n phần, phạm vi phần tải trọng gió coi khơng đổi Kđ Hệ số động vi Uj Chuyển vị thành phần tĩnh Uji Chuyển vị thành phần động M Ma trận khối lượng K Ma trận độ cứng P Ma trận tải trọng Mn Ma trận khối lượng suy rộng Kn Ma trận độ cứng suy rộng Pn Ma trận tải trọng suy rộng Y Vectơ tọa độ suy rộng Yn Tọa độ suy rộng vii Chuyển vị đỉnh cột điểm nguy hiểm tải trọng gió xung nửa hình Sin sin lớn sin nhỏ gây (theo phương Y) Kết tính tốn Sap2000 cho chuyển vị lớn uy = 0.2083 m Hình 4.42 Chuyển vị Uy 40 tầng – xung nửa hình sin sin lớn sin nhỏ Hình 4.43 Hệ số động 40 tầng – xung nửa hình sin sin lớn sin nhỏ 66 4.6 BÀN LUẬN KẾT QUẢ Qua tính tốn đề tài ta có kết biểu đồ kết cấu nhà 30 40 tầng, với tác đụng tải Xung đơn, đôi Xung khác tổng hợp so sánh với Hình 4.44 Biểu đồ so sánh hệ số động theo Xung đơn TCVN - 30 tầng Hình 4.45 Biểu đồ so sánh hệ số động theo xung khác TCVN - 30 tầng 67 Hình 4.46 Biểu đồ so sánh hệ số động theo Xung đơn TCVN - 40 tầng Hình 4.47 Biểu đồ so sánh hệ số động theo xung khác TCVN - 40 tầng 68 Từ kết biểu đồ so sánh luận văn nhận thấy tính tốn theo TCVN 2737:2020 cho kết hệ số động so sánh trường hợp Xung đơn tác dụng lên kết cấu nhà 30 40 tầng thành phần động tương đối gần với TCVN Còn trường hợp tải trọng gió Xung khác theo lý thuyết động lực học, thực tế cho ta thấy tải trọng gió coi nguy hiểm Xung vận tốc gió theo thời gian thay đổi lớn phức tạp thành phần động lớn nhiều theo cách tính TCVN 2737:2020 4.7 KẾT LUẬN Luận văn xác định định lượng thành phần động tải trọng gió lên kết cấu khung nhà 30 40 tầng với mô hình tải trọng xung gió so sánh với cách tính theo TCVN 2737:2020 sau: - Qua kết chuyển vị động lớn từ toán phân tích động lực học, ước lượng hệ số động thành phần động tải trọng gió Thành phần phụ thuộc nhạy vào thời gian tác dụng xung gió dạng xung - Độ lớn thành phần động gió xác định theo phân tích động tương đương với xác định theo TCVN 2737:2020 xem xung gió dạng đơn hình sin hình tam giác - Ngồi ra, xung gió dạng xung đơi với tình khác gây thành phần động lớn so với cách tính theo TCVN 2737-2000, sai khác kết cấu nhà 30 tầng lên đến gần 136%, hệ số động 3,716 so với 1,572 Và kết cấu nhà 40 tầng lên đến gần 145%, hệ số động 3,613 so với 1,477 Kết cho thấy kết cấu nhà nhiều tầng cao nguy hiểm gió tác dụng theo qui luật 69 CHƯƠNG KẾT LUẬN 5.1 KẾT LUẬN Luận văn khảo sát định lượng thành phần động tải gió lực qn tính xung vận tốc gió gây phân tích kết cấu nhà nhiều tầng theo lý thuyết động lực học tiêu chuẩn ngành TCVN 2737-2020, sơ lược số nhận xét nêu sau: Hoàn thành nội dung luận văn: giải tốn này, lập mơ hình, thiết lập phương trình, tính tốn số chạy phần mềm phân tích kết cấu cho tốn tĩnh toán động lực học với xung vận tốc gió so sánh kết định lượng hệ số động mô tả ảnh hưởng tải trọng gió Kết số có độ tin cậy định dùng để so sánh ảnh hưởng thành phần động Cơng cụ phân tích phần mềm SAP2000 có độ xác tốt, số lượng tốn thực nhiều, tìm giá trị lớn ứng xử nhiều tình đặt xung vận tốc gió Bài tốn hệ số động thể thành phần động tải trọng gió nhiều trường hợp phân tích cụ thể có đánh giá ảnh hưởng xung lên hệ số Tải trọng động gió giả thiết biến thiên theo số dạng xung khác với thời gian tác dụng khác để tìm chuyển vị lớn cho toán dạng xung Kết định lượng từ so sánh hệ số động cho thấy tính tốn theo TCVN 2737:2020 TCXD 229:1999 theo phân tích động lực học: - Nếu xung gió xung ảnh hưởng thành phần động tải gió lên kết cấu theo hai mơ hình phân tích tĩnh tương đương phân tích động lực học tương đồng kết quả, sai khác không lớn với kết cấu 30-40 tầng thực đề tài 70 - Nếu xung gió xung đơi, xung ba kết hệ số động tốn động lực học có lớn tính theo TCVN 2737:2020… hệ số động mô tả ứng xử động lớn đáng kể cho thấy ảnh hưởng tải trọng gió lớn Kết cần ý 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Hai hướng phát triển sơ lược sau: - Phạm vi khảo sát kết cấu đề tài nhà cao tầng có chiều cao 30-40 tầng; nên cần mở rộng qui mô kết cấu để có số liệu phong phú đánh giá thành phần động tải trọng gió - Thu thập số liệu qui luật tác dụng tải trọng gió bão nhiều biến thiên theo thời gian để làm đầu vào cho tốn phân tích động lực học cho lời giải xác ảnh hưởng gió lên kết cấu cơng trình nhà nhiều tầng 71 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Đào Huy Tân (2015), Nghiên cứu tính tốn nhà cao tầng có xét đến tải trọng động Hải Phòng, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Dân Lập Hải Phịng [2] Võ Tấn Duy (2018), Phân tích ảnh hưởng dạng dao động cao lên thành phần động tải trọng gió tác dụng vào kết cấu nhà nhiều tầng, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học mở Thành phố Hồ Chí Minh [3] Hồng Trọng Khảm (2016), Xác định thành phần động tải trọng gió dựa phân tích động lực học, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học mở Thành phố Hồ Chí Minh [4] Ngô Đức Dũng (2015), So sánh tiêu chuẩn tính tốn tải trọng gió theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN2737:1995 với tiêu chuẩn Châu Âu EUROCODES EN1991-1-4 & tiêu huẩn Hoa Kỳ ASCE/SEI 7-05, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Dân Lập Hải Phòng [5] Nguyễn Trọng Phước Đỗ Kiến Quốc (1999), Phân tích động lực nhà cao tầng chịu tác dụng tải trọng gió, Tuyển tập cơng trình khoa học Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 7, ĐHBK TP HCM [6] Nguyễn Anh Dũng (2019), Phương pháp xác định chu kỳ dao động riêng nhà nhiều tầng, Tạp chí khoa học & công nghệ nông nghiệp, Tập [7] TS Nguyễn Đại Minh (2011), Phương pháp hệ số gió giật G tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng, Hội thảo Hội Kết cấu xây dựng, Hà Nội [8] Tiêu chuẩn xây dựng 229:1999, Chỉ dẫn tính tốn thành phần động tải trọng gió theo TCVN [9] Tiêu chuẩn Việt Nam 2737-2020, Tải trọng tác động – Tiêu chuẩn thiết kế TIẾNG ANH [10] Mahdi Hosseini., N.V Ramana Rao (2018), Study the Impact of the Drift (Lateral Deflection) of the Tall Buildings Due to Seismic Load in Concrete 72 Tài liệu tham khảo Frame Structures with Different Type of RC Shear Walls, Global Journal of Researches in Engineering: E Civil And Structural Engineering, Vol 18 Issue Version 1.0 [11] Ahmet Tuken.,Yassir M Abbas (2018), Dynamic Response of a MDOF System subjected to Harmonic and Impulsive Loadings and Free Vibration: An Analytical Approach, © MAT Journals [12] Bilal Ahmad Lone., Jagdish Chand (2019) Comparative Study on Seismic and Wind Performance of Multi-Storeyed Building with Plan and Vertical Irregularities, A Review, International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET) [13] K Bala Venkata Sai., M Pavan Kumar., N Madhu Veena., D Muthu., G.Nandhini (2021) Wind Load Analysis on A Multistoreyed Building Curved in Plan, International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE) [14] K Jagan Moan Reddy., HabtamuMelesse Dicha (2021) Analysis of MultiStorey Building Considering Wind Effects, Erudite Journal of Engineering Technology and Management Sciences [15] Priyan Mendis., Tuan Duc Ngo., N Haritos., Anil Hira., Bijan Samali., John Cheung (2007) Wind loading on tall buildings, Electronic Journal of Structural Engineering [16] P Shiva Kumar., T Divakar., K Srinivasa Rao., M Chandra kanth Response (2016) Study of a Building with Different Elevations Under Earthquake and Wind Loads, International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT) [17] Shaikh Muffassir., L.G Kalurkar (2016) Study of wind analysis of multi-story composite structure for plan irregularity, International Journal of andvanced Technology in Engineering and science [18] Nicola Longarini., Luigi Cabras., Marco Zucca., Suvash Chapain., and Aly Mousaad Aly (2017) Research Article Structural Improvements for Tall 73 Tài liệu tham khảo Buildings under Wind Loads: Comparative Study, Hindawi - Shock and Vibration [19] Shu-Xun Chen (2010), A more precise computation of along wind dynamic response analysis for tall buildings built in urban areas, Published Online [20] B.T Ewing., J.B Kruse., J.L Schroeder (2005), Time series analysis of wind speed with time-varying turbulence, Published online Sep/ 2005 in Wiley InterScience, DOI:10.1002/env.754 [21] Ileana Calotescu (2012), Wind Loads On Structures: Software Application, Technical University of Civil Engineering Buchares [22] Lorenzo Rosa., Gisella Tomasini., Alberto Zasso and M Aly (2012), Evaluation of wind-induced dynamics of high-rise buildings by means of modal approach, The 2012 World Congress on Advances in Civil, Environmental, and Materials Research (ACEM’ 12) Seoul, Korea [23] Barkha Verma., Bhavika Baghel., Aditi Chakradhari., Abhishek Agrawal., Prince Wanjari (2022), Analysis of Wind Load on Tall Building of Various Aspect Ratios, International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET)., Volume: 09, 595-602 [24] Xitong Zhu (2014), Wind Load Analysis on a High-rise Square-plan Building, Arizona State University [25] Amrit Kumar Roy., Ankur Sharma., Bijayananda Mohanty., Jagbir Singh (2017), Wind Load on High Rise Buildings with Different Configurations: A Critical Review, Conference: lnternational Conference on Emerging Trends in Engineering lnnovations & Technology ManagementAt: HAMIRPUR, HP, INDIA [26] Z Huang and Z.S Chalabi (1994) Use of time-series analysis to model and forecast wind speed, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, (56), pp 311-322 74 Tài liệu tham khảo [27] Maza Mohmad Sahil S., Nirmal S Mehta., Kamlesh Damdoo (2021), Wind analysis on High rise building., International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET); Volume: 08 Issue: 07, 680-687 [28] Rohan D Pawar., P M Kulkarni (2020), A Review on Analysis of Tall Irregular Plan Shaped Building against Wind Loading, International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology (IJIRSET)., Volume : Issue 7, 6121-6124 [29] Sumukam Sai Charan Raj., Suraj Baraik., Dr G Venkata Ramana (2018), Wind analysis of high-rise buildings using sap2000, International Journal of Civil Engineering and Technology (IJCIET) Volume 9, Issue 8, 1083-1091 [30] Fu-Bin Chen., Xiao-Lu Wang., Yun Zhao., Yuan-Bo Li., Qiu-Sheng Li., Ping Xiang., Yi Li (2020), Study of Wind Loads and Wind Speed Amplifications on High-Rise Building with Opening by Numerical Simulation and Wind Tunnel Test Advances in Civil Engineering, vol 2020, Article ID 8850688, 24 pages [31] Bernard Kim (2013), Prediction of Wind Loads on Tall Buildings: Development and Applications of an Aerodynamic Database,The School of Graduate and Postdoctoral Studies The University of Western Ontario, London, Ontario, Canada [32] Wameedh Ghassan Abdul Hussein., Ahlam Sader Mohammed., Mohammed Elwi (2022), The effect of dynamic load on tall building, Periodicals of Engineering and Natural Sciences Original Research Vol 10, No 3, 286-299 75 Bài báo công bố 76 Bài báo công bố 77 Bài báo công bố 78 Bài báo công bố 79 Bài báo công bố 80 ... DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - PHẠM MINH QUANG PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU XUNG VẬN TỐC GIÓ VÀ SO SÁNH VỚI TIÊU CHUẨN TCVN 2737. .. dẫn khoa học: TS Bùi Văn Hồng Lĩnh TP Hồ Chí Minh, Năm 2022 LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan luận văn ? ?Phân tích động lực học nhà nhiều tầng chịu xung vận tốc gió so sánh với tiêu chuẩn TCVN 2737? ?? nghiên... cấu nhà 30 tầng Kết tính tốn thành phần tĩnh tải trọng gió kết cấu nhà 30 tầng luận văn thể bảng sau Tầng Tầng Tầng Tầng Tầng Tầng Tầng Tầng Tầng Tầng Tầng 10 Tầng 11 Tầng 12 Tầng 13 Tầng 14 Tầng