LUẬN VĂN THẠC SĨ XÂY DỰNG ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC BỐ TRÍ KẾT CẤU ĐẾN TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG GIÓ LÊN NHÀ CAO TẦNG

TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG GIÓ

Mục lục

Chơng I Tổng quan về tải trọng gió và phơng pháp xác định tác động của tải trọng gió lên công trình theo một số tiêu chuẩn thiết kế

1 Khái niệm về gió và tác động của tải trọng gió 5

2 Cấu trúc và các tham số đặc trng ảnh hởng đến tác dụng của tải

3.5 Tiêu chuẩn Liên Xô cũ CHuΠ II- 07- 85 17

4 Tình hình tính toán tác động của tải trọng gió lên công trình theo

Chơng II Phơng pháp xác định tác dụng tải trọng gió lên công trình

2.2 Các chú ý cần thiết khi xác định thành phần động 26 2.3 Việc chấp nhận sơ đồ tính và qui luật phân bố khối lợng trong

2.4 Việc xác định hệ số tơng quan không gian υ 27 2.5 Cách tính gần đúng giá trị thành phần động 30

3 Xác định nội lực, chuyển vị của phần tử kết cấu khi xét đến nhiều

Chơng III Nguyên lý tính toán và một số giải pháp kết cấu nhà cao tầng chịu tác

1 Các phơng pháp và giả thuyết tính toán 32

3 Trình tự tính toán nhà cao tầng chịu tải trọng ngang 33 3.1 Thành phần động của tải trọng gió theo TCVN 2737 : 1995

3.2 Thành phần động của tải trọng gió theo các phơng trong hệ toạ

4 Quy trình xác định thành phần động của tải trọng gió 36 4.1 Xác định fi và các chuyển vị ngang của fi 37 4.2 Xác định các hệ số và thông số tính toán 37

4.2.1 Hệ số động lực ξ i 37

4.2.2 Hệ số tơng quan không gian áp lực động ν 37 4.2.3 Hệ số mạch động ζ j và thành phần động Wpj khi chỉ xét đến

4.3.2 Khi gió ngang nhà (gió theo trục y) 40

5.2 Khi công trình có fs ≤ fL < fs+1 , ( s > 1) 41

Chơng IV Một số ví dụ khảo sát ảnh hởng của việc bố trí kết cấu đến tác động của tải trọng gió lên nhà cao tầng

4.1 Tiêu chí khảo sát và các giả thiết tính toán 43

4.3.2 ảnh hởng của chiều cao tầng qua các phơng án F, G, K, E 53 4.3.3 ảnh hởng của việc bố trí vách trên mặt bằng 584.4 Ví dụ 2 60 4.4.1 Xác định tải trọng gió cho phơng án B1.12 60

4.4.2 ảnh hởng của chiều cao tầng qua các phơng án B, C, D, A 64 4.4.3 ảnh bằng hởng của việc bố trí vách cứng trên mặt bằng qua

đặc điểm của bản thân công trình

Hiện nay chúng ta đang xác định tác dụng của tải trọng gió lên công trình theoTiêu chuẩn Viêt nam TCVN 2737 : 1995 Theo qui định của tiêu chuẩn này thì tácdụng của gió lên công trình đợc tách thành hai thành phần: Tĩnh và động.Trong đóthành phần tĩnh đã đợc xác định một cách tơng đối chính xác Việc tính toán thànhphần động đã đợc đề cập đến trong Tiêu chuẩn Việt nam TCVN 2737 : 1995, vàtrong nhiều tài liệu khác nhau nhng cha đợc hớng dẫn thật cụ thể Trong cùng mộtcơn gió nhng tác động của nó lên các công trình có cấu tạo khác nhau sẽ khácnhau…

Khảo sát đợc đầy đủ ảnh hởng của các tham số này, là một công việc khó và quásức Luận văn này giới hạn việc khảo sát các thành phần tác động của tải trọng giótrong hai trờng hợp:

Khi không đổi chiều cao nhà mà chỉ thay đổi chiều cao tầng (để số lợng tầng tănghoặc giảm).

Khi thay đổi cách bố trí cấu tạo mặt bằng (vị trí các khung các vách) mà không

đổi chiều cao nhà, không đổi số lợng tầng

Việc cập kiến thức về tải trọng và tác động lên công trình cao và khảo sát cáctham số ảnh hởng đến nó là thực sự cần thiết Hy vọng rằng tài liệu này sẽ góp các

kỹ s thiết kế xây dựng công trình và sinh viên xây dựng có cách nhìn nhận thấu đáo

và khách quan hơn về tác động của tải trọng này

Chơng I: Tổng quan về tải trọng gió và phơng pháp xác định tác động của tải trọng gió lên công

trình theo một số tiêu chuẩn thiết kế.

1 Khái niệm về gió và tác động của tải trọng gió:

Gió là sự chuyển động của dòng khí chảy rối trong khí quyển từ vùng có ápsuất cao về vùng có áp suất thấp Gió phát sinh chủ yếu do phân bố không đều độchiếu nắng của mặt trời trên bề mặt trái đất và do sự quay của trái đất quanh trục bảnthân Đặc tính chủ yếu của gió là sự thay đổi tốc độ liên tục và không đều theo cảkhông gian và thời gian Tuỳ theo điều kiện hình thành ngời ta phân loại: Gió thànhbão hoặc lốc

Bão xuất hiện khi nớc bốc hơi mạnh (thờng nhiệt độ 270C trở lên và ở ngoàibiển, nơi có nhiều nớc); sự bốc hơi này hình thành dòng khí bốc ngợc thẳng đứng,cộng với chuyển động xoay của trái đất quanh trục bản thân để tạo thành dòng xoáyngang Cơn bão đợc hình thành nh vậy: Tâm xoáy gọi là mắt bão Vận tốc tiếp tuyếncủa dòng xoáy ngang chính là vận tốc gió bão (có thể đạt đến 150km/h hoặc lớnhơn), chuyển động tịnh tiến của tâm xoay tạo thành hớng đi của bão

Lốc là một hiện tợng khí tợng đặc biệt Một vùng gió mạnh có đờng kính từvài chục mét đến vài kilômét di chuyển ngang trong khoảng vài chục kilômét Sứcgió ở vùng xa tâm thì nhỏ nhng càng trong càng mạnh lên và ở giữa hình thành mộtcái lõi Phạm vi hoạt động của lốc nhỏ hơn bão nhng sức gió thì mạnh hơn rõ rệt(250 – 290km/h) Lốc thờng xuất hiện bất ngờ và có thể xuất hiện ở bất cứ nơi nào( đồng bằng, trung du, miền núi) chứ không nhất thiết là biển nh bão

Khác với tác động của gió thông thờng trong những điều kiện khí hậu thuậnlợi, đã đợc khảo sát nghiên cứu kỹ càng và có những số liệu khá chuẩn xác; nhữngnghiên cứu về bão, lốc trên thế giới còn quá ít ỏi Con ngời cha khả năng dập tắt,chặn đứng hoặc điều khiển chúng Vì vậy bão luôn là vấn đề “cấp bách muôn thuở”

của nhiều quốc gia mà các nghiên cứu chỉ là tiệm cận đợc, nhằm chấp nhận những

số liệu nội suy trên cơ sở của một số kinh nghiệm để đa vào tính toán công trình

Tác dụng của gió lên công trình là do sự va đập của luồng không khí khi gặpvật cản trên đờng đi của nó Theo thời gian tốc độ của gió luôn luôn thay đổi;nguyên nhân gây nên sự mạch động của luồng gió là dòng thổi và trạng thái biến đổicủa dòng thổi

• Dòng thổi: Khi gió thổi vợt qua một ngôi nhà (hoặc công trình) thì tấtcả các vùng của ngôi nhà đó đều chịu một áp lực nhất định Vị trí củacác vùng và đờng định biên của các giá trị tác dụng tuân theo nhữngquy luật và có thể xác định đợc bằng lý thuyết hoặc thực nghiệm Châncông trình phía đón gió xuất hiện áp lực trội trong vùng xoáy – hiện t-ợng hút gió; ở sau công trình, phía khuất gió xuất hiện áp lực âm do gióhút

• Trạng thái biến đổi của dòng thổi qua ngôi nhà phụ thuộc chủ yếu vào

tỷ lệ các kích thớc của các mặt ( để tạo thành hình khối ngôi nhà, vàohình dạng mái và loại kết cấu bao che Ví dụ với những nhà mái dốc:khi góc dốc rất nhỏ thì toàn bộ mái phía trớc chịu áp lực dơng, toàn bộmái phía sau chịu áp lực âm

Trạng thái dòng thổi còn phụ thuộc vị trí tơng đối của ngôi nhà so với cáccông trình lân cận và cảnh quan khu vực (bờ ao, sờn dốc, núi đồi, thung lũng…) Góctới của dòng thổi có thể bị biến đổi và ảnh hởng tới cả định tính, định lợng của áp lựcgió lên công trình

áp lực gió và phân bố tải trọng

Tải trọng gió đợc phân loại và xác định tuỳ theo trạng thái dòng thổi tác độnglên công trình Với tờng và mái có độ dốc lớn, ở phía đón gió chịu tác dụng của áplực trội – ép vào bề mặt đón, các phần còn lại chịu áp lực hút Giá trị của áp lực hút

có thể bằng hoặc lớn hơn nhiều lần so với giá trị ép vào, đặc biệt là ở vùng biên tiếpgiáp giữa mặt cản đón gió với vùng thoát gió (hoặc hút gió) Tại các vùng này, gió cóthể đến từ mọi phía với thời gian và góc chuyên hớng bất kỳ tạo thành các dải cục

bộ, đột biến rất lớn

áp lực trong tác dụng lên tất cả các tấm tờng và mái nh nhau áp lực ngoài dogió tác động lên công trình bao gồm áp lực ép, hút vuông góc lên bề mặt và áp lựctiếp tuyến Giá trị của áp lực tiếp tuyến phụ thuộc vào độ đậm đặc của mật độ khôngkhí Bề mặt càng gồ ghề , thô ráp thì lớp biên càng rối và ứng suất tiếp càng lớn.Trong khá nhiều trờng hợp ứng suất tiếp là không đáng kể, thờng đợc bỏ qua; nhngkhi dùng tấm mái, tấm tờng bằng tôn múi tạo thành dạng mái gồ ghề hoặc khi ghépnhiều nhịp ( nhiều mái ) để tạo thành không gian lớn thì không thể bỏ qua

Tải trọng gió tác động lên công trình đợc xác định bằng tổng các tải trọng tác

động lên tất cả các bề mặt của nó Khi công trình đợc coi là hoàn toàn kín thì chỉ cógió mặt ngoài, khi công trình hở hoàn toàn thì chỉ có gió lên mái; còn khi công trìnhchỉ có hở một phần thì tỷ lệ giữa áp lực trong và áp lực ngoài cho toàn bộ sẽ giảmnhng sẽ làm tăng cục bộ ở 1 số bộ phận và nhanh chóng dẫn đến nguyên nhân phá

các hớng và thông qua các thí nghiệm khí động học để xác định các hệ số, các tham

số ảnh hởng tơng ứng với các hờng này

Dới tác dụng của tải trọng gió, các công trình cao, mềm, độ thanh mảnh lớn sẽ

có dao động Tuỳ theo hình dáng và phân bố độ cứng của công trình mà dao độngnày có thể theo phơng bất kỳ trong không gian, thông thờng chúng đợc phân tíchthành hai phơng chính: Phơng dọc và phơng ngang luồng gió, trong đó dao độngtheo phơng dọc luồng gió là chủ yếu Với các công trình thấp, dao động này làkhông đáng kể, nhng với các công trình cao khi dao động sẽ phát sinh lực quán tínhlàm tăng thêm tác dụng bình thờng của tải trọng gió

Nh vậy, tác dụng theo phơng luồng gió của tải trọng gió lên công trình cao baogồm hai thành phần: thành phần tĩnh gây nên bởi áp lực gió lên công trình có bề mặtcản gió và thành phần động tạo thành bởi xung mạch động của tải trọng gió và lựcquán tính sinh ra khi công trình có khối lợng và bị dao động do gió thổi

2 Cấu trúc và các tham số đặc trng ảnh hởng đến tác dụng của tải trọng gió.

2.1 Cấu trúc:

Gió đợc hình thành bởi hai yếu tố :

+ Sự chênh áp suất tạo nên sự chuyển động của luồng khí tạo thành gió Grandient.+ Sự thay đổi địa hình bề mặt trái đất trên đờng đi của dòng khí ( độ cao, độ nhám )làm thay đổi vận tốc, hớng gió

Hai yếu tố trên đây gây nên sự biến đổi liên tục vận tốc luồng gió theo khônggian và thời gian nhng ở các mức độ khác nhau Có thể coi vận tốc gió là tổng củahai thành phần:

- Thành phần trung bình của vận tốc gió, chỉ phụ thuộc tọa độ không gian:V(x,y,z,t)

- Thành phần xung của vận tốc gió, trị số phụ thuộc vào cả không gian và thờigian : V'(x,y,z)

Nếu chỉ xét sự thay đổi không gian theo chiều cao công trình z, ta có :

2.2 Các tham số đặc trng ảnh hởng đến tác dụng của gió

Tác dụng của gió lên công trình bị chi phối chủ yếu bởi vận tốc và hớng củanó; Vì vậy mọi tham số làm biến đổi hai yếu tố này sẽ làm ảnh hởng đến trị số và h-ớng của tác dụng Các thông số ảnh hởng này có thể chia làm 3 nhóm chính sau

+ Nhóm thông số đặc trng cho tính chất động lực của bản thân công trình : cácyếu tố về chu kỳ, tần số của dao động riêng, khối lợng và cách phân bố khối lợng,dạng dao động, độ tắt dần của dao động, hình khối công trình và hình dạng bề mặt

đón gió

2.2.1 Vận tốc gió trung bình V(z)

Vận tốc gió thay đổi theo độ cao lấy vận tốc và phụ thuộc thời gian lấytrung bình Tuỳ theo độ nhậy của thiết bị đo và yêu cầu của việc thu nhận số liệu

mà thời gian lấy trung bình vận tốc ở các tiêu chuẩn khác nhau cũng khác nhau

Với các công trình thấp, nặng nề thì thời gian lấy vận tốc có thể dài ( đủ đểcơn gió bao trùm toàn bộ công trình); Nhng với công trình cao, mềm do chúngkhá nhạy cảm, chỉ cần một khoảng thời gian rất ngắn, các cơn gió giật đã baotrùm và nhanh chóng vợt qua công trình nên thời gian lấy trung bình thờng ngắn.Bảng I.1 giới thiệu thời gian lấy trung bình vận tốc gió của một số tiêu chuẩn

Bảng I.1 Thời gian lấy vận tốc trung bình của một số Tiêu chuẩn thiết kế

Số TT Tên tiêu chuẩn Nớc Thời gian lấy TB vận tốc(s)

Việt Nam - - - SNG - - Trung Quốc Australia Australia Anh Mỹ

3600 120 120 3 3600 120 600 600 3 3 3 3

2.2.2 Hệ số độ cao

Do ảnh hởng độ nhám của bề mặt trái đất làm vận tốc gió bị thay đổi theo

độ cao Có thể biểu diễn quy luật thay đổi này dới dạng hàm logarit:

Trong đó : Vz – vận tốc gió trung bình ở độ cao z

a,b – các hằng số, phụ thuộc độ gồ ghề của mặt đất và biến thiênnhiệt độ

Vo – vận tốc gió trung bình ở độ cao zo - độ cao đặt máy đo vận tốc lấy số

Z - độ cao xác định vận tốc gió Vz

m – hệ số, xác định từ số liệu đo đạc vận tốc gió ở lớp biên, m phụ thuộcdạng địa hình, cấu trúc khí quyển, nhiệt độ và thời gian lấy trung bình vận tốcgió

Gọi Zg là độ cao mà tại đó vận tốc gió không còn chịu ảnh hởng của mặt

đệm; ở các địa hình khác nhau, giá trị Zg sẽ khác nhau

Vận tốc gió ở độ cao z có thể biểu diễn theo luật hàm số mũ:

Để xác định đợc Vz cần phải biết 3 tham số m, Zg và Vg Các tham số này

đều phải xác định bằng thực nghiệm trên hệ thống tháp đo gió chuẩn và xử lý kếtquả đo theo thống kê ở nớc ta, cha đủ các số liệu này, do vậy phải sử dụng kếtquả nghiên cứu của nớc ngoài ( TCVN 2737 : 1995 chọn các giá trị Zg và m củatiêu chuẩn úc AS 1170.2 để sử dụng, còn Vg đợc tính thông qua V10 với thời gianlấy TB liệu là 3s ) Gía trị Zg và m của một số tiêu chuần cho theo bảng I.2 sau

10 09

, 0

10 0 , 0613 V

2 0613 ,

t zg

t z t

z

V

V V

V V

B zg

t z

Z

Z V

m

t g

zg zg zg

t z t

z

Z

Z Z

Z V V V

V K

2 2

2

844 , 1

1 844 , 1

( ) ( )

( )z V

Trong đó: Q(z,t)- áp lực do thành phần dọc luồng gió

Q(z) - áp lực do thành phần trung bình của vận tốc gió

t

z r

2737 : 95 lấy thời gian trung bình 3 giây, αc = 1,395 ; r A = 0 , 002; r B = 0 , 005;

10 303 , 0

10 486 , 0

14 , 0

10 684 , 0

Sử dụng các công thức trên, theo độ cao z, tơng ứng với mỗi dạng địa hình,

ta thành lập đợc bảng hệ số mạch động (xem bảng II.3 phần chơng II2.1)

2.2.4 Hệ số tơng quan không gian

Hình khối và các đặc điểm về vật liệu, về cấu tạo công trình làm thay đổicác đặc trng dao động và cuối cùng là làm thay đổi xung vận tốc gió tác dụng lêncông trình ảnh hởng đó, đợc biểu thị bằng hệ số tơng quan không gian ; xác địnhtheo công thức :

2 0

2 2

i

i i

P là phản ứng của công trình ( bình phơng giá trị trung bình –

kỳ vọng ) khi dao động ở dạng thứ i ở điều kiện khảo sát và ở điều kiện chuẩn

Các giá trị 2

i

P , 2

io

P tìm đợc nhờ kết quả của việc giải bài toán dao động riêng

ở các dạng dao động, theo các điều kiện tác động khác nhau Tiêu chuẩn TCVN

2737 : 1995 thành lập bảng để tính hệ số tơng quan không gian trên cơ sở xétcông trình có khối lợng phân bố đều theo chiều cao và đờng cong parabôn là dạngchuẩn của dao động thứ nhất Trờng hợp công trình có mặt đón gió khá mảnh(B/H<0,2) thì hệ số v ngoài việc phụ thuộc vào hệ số đặc trng cho dao động ε1chỉphụ thuộc chiều cao ; nhng khi 0,2<B/H<0,5 thì hệ số này còn phụ thuộc cả vàochiều rộng mặt đón gió ( hoặc hút gió )

ở cùng 1 thời điểm, mọi mặt (trớc, sau, hồi trái, hồi phải và đỉnh ) côngtrình đều bị tác dụng của tải trọng gió Để tổng quát , TCVN đã lập bảng chungcho tất cả các hớng thông qua các hệ số χ ρ; khi xác định tác dụng của gió trênmặt nào thì cần xác định các hệ số χ ρtơng ứng với mặt ấy

3 Cơ sở lý thuyết về tính toán tác động tải trọng gió của một số tiêu chuẩn thiết kế.

3.1 Tiêu chuẩn Australia AS 1170-2-1989

- Điều kiện tính toán động lực : khi tần số dao động riêng f1 < 1 Hz và khi tỷ

lệ giữa chiều cao / chiều rộng công trình H/B > 5

- Giá trị thành phần động của tải trọng gió :

Trong đó : G - là hệ số gió mạnh

B g r

+ +

δ

2

δ V - Độ lệch bình phơng trung bình của vận tốc gió Vz

Vz – Vận tốc gió ở độ cao z, lấy trung bình trong 3 giây

gv - Hệ số = 3,7

h

L

b h

B

2

36 1

1

+ +

X x g

=

h

b f V

h f

v

1

5 , 3 1

47 , 0

N

N E

xung áp lực gió Lh , kích thớc mặt đón gió b, h, vận tốc gió trung bình Vz và 1 hệ sốkhác

3.2 Tiêu chuẩn Anh BS 6028 - 1988

- Điều kiện tính toán động lực : Khi tần số dao động riêng f1 < 1 Hz

Đại lợng khảo sát YMAX nào đó do thành phần động của tải trọng gió gây raxác định theo :

Y MAX MAX G Y

f

1

1

ln 2

57 , 0 ln

B- Hệ số ảnh hởng của thành phần tĩnh của tải trọng gió

R- Hệ số ảnh hởng của thành phần động của tải trọng gió :

γ

F v

v- Hệ số tơng quan không gian

F- Hệ số tỷ lệ năng lợng gió

γ- Độ giảm rung tới hạn của kết cấu

T - Thời gian lấy trung bình ứng với Y MAX

3.3 Tiêu chuẩn Mỹ ASCE 7 - 88

- Điều kiện tính toán động lực : khi tần số dao động riêng f1 < 1 Hz và tỷ sốchiều cao/ chiều rộng ngôi nhà H/B > 5

- Giá trị thành phần động của tải trọng gió:

Trong đó : QT(z) - giá trị thành phần tĩnh của tải trọng gió

G- Hệ số gió mạnh

( )2 1 / 2 001 , 0 1

32 , 3 65 ,

=

BC

v M p

5 , 10

V v

H f

f1 - Tần số dao động riêng thứ nhất của công trình

3.4 Tiêu chuẩn Trung Quốc GBJ 9 - 1987

- Điều kiện tính toán động lực : khi tần số f1 < 1HZ và tỷ lệ chiều cao / chiềurộng mặt đón gió của công trình H/B > 5

v

à

ϕ ξ

à- Hệ số thay đổi áp lực gió theo chiều cao

- Nh vậy, giá trị thành phần động của tải trọng gió phụ thuộc vào hệ số động lực

ξ,hệ số mạch động v, hệ số tơng quan không gian ϕzvà hệ số độ cao àz

3.5 Tiêu chuẩn Liên Xô cũ CHuΠ II- 07- 85

- Điều kiện tính toán động lực : chia làm 3 trờng hợp

+ Khi tần số dao động riêng f1 > f

QĐ = QT ζ v (1.45)

Trong đó : QĐ ,QT gía trị thành phần động, thành phần tĩnh của tải trọng gió

ζ- Hệ số mạch động của tải trọng gió

v- Hệ số tơng quan không gian

+ Khi tần số dao động riêng f1 <[ ]f

v Q

γ - Hệ số độ tin cậy của tải trọng

Qo - áp lực gió tiêu chuẩn (N/m2 )

+ Với công trình có mặt bằng đối xứng khi f1 <[ ]f

và mọi công trình có f1 < f < f2 ; (f2 là tần số dao động riêng thứ 2 của công trình )

Dk k r k

M y

Q y

2 1

yk - Chuyển vị ngang của trọng tâm phần thứ k của công trình

- Với công trình có fs< f <fs+1 thì phải tính với s dạng dao động riêng

- Nh vậy, giá trị thành phần động của tải trọng gió phụ thuộc vào giá trị của thànhphần tĩnh QT, tần số dao động riêng f1, f2 , khối lợng m, dạng dao động riêng yk ,

TCVN 3737:1995 đã qui định cụ thể hơn về việc xác định thành phần động,

còn thiếu chi tiết ảnh hởng của việc bố trí xắp xếp kết cấu trong công trình đặcbiệt là trong nhà cao tầng thành phần động còn cha đợc quan tâm đúng mức.Cùng với sự phát triển kinh tế xã hội, các công trình lớn sẽ đợc xây dựng ngàycàng nhiều Điều này đòi hỏi các kỹ s thiết kế phải có kiến thức sâu rộng hơn vềgió và ảnh hởng của nó đến kết cấu.

Chơng II: Phơng pháp xác định tác dụng tải trọng gió

Giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của tải trọng gió w ở độ cao z xác địnhtheo công thức :

x

o K C w

w= ; daN/m2 (2.1)Trong đó wo – giá trị áp lực gió tiêu chuẩn lấy theo bản đồ phân vùng áplực gió ( tơng ứng với địa điểm xây dựng công trình ) Theo sự phân vùng này thìlãnh thổ Việt Nam chia thành 5 vùng áp lực gió I, II, III, IV, V; trong mỗi vùng,tuỳ theo mức độ ảnh hởng của bão mà lại chia nhỏ thành 2 phân vùng: có ảnh h-ởng mạnh của gió bão ( IB, IIB, IIIB, IVB, VB) và ít ảnh hởng của gió bão( IA,IIA,IIIA ) Giá trị wo [daN / m2] tơng ứng với mỗi phân vùng này cho trongbảng II.1 sau :

Bảng II.1 áp lực gió tiêu chuẩn (daN/m 2 ) Theo bản đồ phân vùng gió của TCVN 2737 :1995

2 0613 ,

K – là hệ số địa hình ( theo các định dạng A,B,C) xác định theo bảng II.1sau đây ( bảng 5 của TCVN 2737 : 1995 ); phụ thuộc vào địa điểm xây dựngcông trình và chiều cao tính từ mốc chuẩn đến địa điểm cần tính áp lực gió) Mốcchuẩn là mốc quy ớc để xác định hệ số độ cao K , xét đến độ dốc của mặt đấtchân công trình , xác định theo phụ lục G của TCVN 2737 : 95

Bảng II.2 Hệ số địa hình K ( hệ số độ cao ) theo TCVN 2737 : 1995

0,800,881,001,081,131,221,281,341,381,451,511,621,711,781,841,841,84

0,470,540,660,740,80,890,971,031,081,181,251,41,521,621,71,781,84

Cx – Hệ số khí động , lấy theo chỉ dẫn của bảng 6 TCVN 2737 : 95, phụthuộc vào bản thân công trình ( hình khối, hình dạng bề mặt đón gió) Lu ýrằng : hệ số khí động Cx không chỉ có ở mặt đón gió mà ở mọi bề mặt của côngtrình

- Với công trình kín ( hoặc phần thứ k ) của công trình có diện tích đón gió

Ak tơng ứng với hệ số khí động Cx, hệ số địa hình K thì giá trị tiêu chuẩn thànhphần tĩnh của tải trọng gió lên mỗi mặt trớc ( sau hoặc mặt bên ) của phần thứ kxác định theo công thức :

Cx = 1,4 với thép hình mặt đón gió của thanh vuông góc với hờng gió ;

Cx = 1,2 với dây cáp và dây dẫn điện ;

Cx = k o C x∞ với thép tròn, thép ống khi trục thanh vuông góc với phơnggió

ở đây hệ số C x∞ xác định theo chỉ dẫn ở bảng 6 của TCVN 2737 : 95 ; hệ số koxác định theo hệ số k ở bảng 6.1 thuộc sơ đồ 34 của bảng 6; phụ thuộc vào hệ sốRaynolds Re và độ nhám bề mặt đón gió của thanh ống ∆/d ( với kết cấu gỗ

,0

Re d w Kγv

wo - áp lực gió tiêu chuẩn ; N/m2

v – Vận tốc tính toán của gió ; m/s

d - Đờng kính của thanh tròn , ống ; m

v - Độ nhớt động của không khí, ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn

s m

v= 0 , 145 10 − 4 2 /

γ - Hệ số độ tin cậy ( hệ số vợt tải ) của tải trọng gió , γ = 1 , 2

2 Thành phần động của tải trọng gió:

2.1 Công tức xác định thành phần động:

Thực chất của thành phần động của tải trọng gió lên công trình tiến hànhtheo các công thức khác nhau dựa trên cơ sở so sánh tần số của các dạng dao

động cơ bản đầu tiên fi .(Thực chất , fL là tần số giới hạn cho phép không cần kể

đến lực quán tính phát sinh khi công trình dao động ); Giá trị tần số giới hạn fL

theo TCVN 2737 : 95, giới thiệu ở bảng II.3 sau, phụ thuộc vùng áp lực gió và độgiảm loga δ của công trình

* δ = 0 , 3với công trình bê tông cốt thép, gạch đá (hoặc khung thép có kết cấu baoche bằng bê tông cốt thép)

1,11,31.61,71,9

3,44,15,05,65,9

Cụ thể là : - Với công trình có độ cứng khá lớn, tần số dao động riêng đầu tiên f1 >

fL thì thành phần động chỉ là sự tăng thêm của thành phần tĩnh do kể đến sự mạch

động của tải trọng gió thông qua hệ số mạch động ζ Trên mỗi phần chia thứ k củacông trình, thành phần động xác định theo công thức :

( o k) k k

Bảng II.4 Hệ số mạch động của tải trọng gió lên công trình

Độ cao (m) Hệ số mạch động ζ tơng ứng với địa hình dạng

0,5170,4860,4570,4290,4140,4030,3950,3810,3710,3640,3580,3530,343

0,7540,6840,6210,5630,5320,5110,4960,4680,4500,4360,4250,4160,398

k

v - Hệ số tơng quan không gian, ảnh hởng của hình dạng và hình khốicông trình tại nơi cần xác định thành phần động của tác dụng của tải trọng gió,phụ thuộc vào mặt phẳng cần tính toán tải trọng so với hớng gió thổi, thông quacác thông số trung gian ρvà χ, tra theo các bảng II.5 và II.6 sau đây

Khi chọn hớng gió trùng với trục oy, và bề mặt tính toán có dạng hình chữnhật đợc định hớng song song với mặt phẳng toạ độ cơ bản, hệ số ρvà χxác địnhtheo bảng II.5

0,880,840,810,760,700,610,52

0,830,800,770,730,670,590,50

0,760,730,710,680,630,560,47

0,670,650,640,610,570,510,44

0,560,540,530,510,480,440,38Khi bề rộng mặt đón gió không đổi, có thể xác định thành phần động theoluật phân bố trên chiều cao :

k Tk

pk w

- Với công trình có hữu hạn n bậc tự do, khối lợng phân bố bất kỳ, tần sốdao động riêng f1 < f2 < … < fs < fL < fs+1 ( kể cả khi f1 < fL < f2 ) thì phải xét đến sdạng dao động đầu tiên Việc xác định thành phần động tiến hành riêng biệt chotừng dạng ở mỗi dạng dao động i≤s , thành phần động ứng với mỗi phần chiathứ k của công trình xác định theo công thức :

( )

ik i i k

1

ij j r j

ij pj r j i

y M

y W

( o j) j j

f

w

940

.

γ

Trong đó : fi - Tần số dao động riêng ở dạng thứ i của công trình

wo - áp lực gió tiêu chuẩn của khu vực xây dựng, tính bằng N/m2

Đờng cong 1(δ = 0 , 3) tơng ứng với công trình BTCT, gạch đá (khung théphoặc có bao che)

Đờng cong 2(δ = 0 , 15) tơng ứng với công trình tháp, trụ, ống khói, các thiết

bị dạng cột có bệ móng bằng BTCT

- Các trờng hợp đặc biệt :

+ Với công trình có 1 bậc tự do, toàn bộ khối lợng công trình coi nh tậptrung tại đỉnh ( ví dụ tháp nớc, khung nhà công nghiệp 1 tầng ) mà tần số f1 < fL;

chỉ xét đến 1 dạng dao động i=1.Thành phần động là sự tăng thêm đều đặn củathành phần tĩnh thông qua hệ số mạch động ζ và hệ số động lực ξ1:

1 1

Trên mỗi phần chia thứ k, thành phần động xác định theo công thức :

k Tk

pk W

Nếu bề rộng mặt đón gió không đổi trên suốt chiều cao công trình thì:

υ υ

υk = = j = ; có thể xác định thành phần động dới dạng phân bố trên chiều caotheo luật của thành phần tĩnh:

( )

ph i k i

động của tải trọng gió đều sử dụng công thức (2.9) trên đây, cần lu ý rằng :

+ Hệ số động lực ξ1phụ thuộc tần số dao động riêng thứ i (fi) , chứ khôngphải chỉ phụ thuộc tần số dao động riêng thứ nhất ( f1)

+ ở dạng dao động thứ i, giá trị thành phần động lên phần chia thứ k củacông trình phụ thuộc vào độ lớn của khối lợng Mk và biên độ dao động riêng dạngthứ i tại mức đặt khối lợng có phơng trùng với hớng gió, lấy dấu dơng khi chuyển

vị cùng chiều với hớng gió và dấu âm trong trờng hợp ngựơc lại Vì vậy ở dạngdao động i = 1 các thành phần động Wpk cùng chiều với thành phần tĩnh WTk ; nh-

ng ở các dạng dao động cao hơn ( i=2,3,4,…) ở 1 số phần chia, sẽ có thành phần

động Wpk ngợc chiều với thành phần tĩnh WTk

+ Sự mạch động của tải trọng gió, ảnh hởng tơng quan không gian của cácphần đối với phần động của tải trọng gió lên phần thứ k đã đợc kể đến thông qua

hệ số ψi Khi tính hệ số này cần lu ý rằng :

* Lấy dấu bản thân của yij trong các số hạng ở tử số.

* Biểu thức ở tử số chỉ tồn tại các số hạng mà đồng thời cả WTj và yij đềukhác 0 , tơng ứng với việc phải có diện đón gió ( hoặc hút gió ) và phải có chuyển

vị các phần tử nằm bên trong công trình ( nh vách ngăn nội bộ, lõi trung tâm,cột giữa, dầm sàn, thanh tháp bị che khuất … ) không có diện trực tiếp đòn gió( hoặc hút gió ), tuy có khối lợng, và cũng có chuyển vị nhng không có mặt đóngió thì các số hạng tơng ứng với nó bằng 0

* Các số hạng ở mẫu số, tơng ứng với mọi phần chia đều có khối lợng vàchuyển vị nên chúng đều tồn tại Khi coi công trình ngàm cứng vào móng, nghĩa

là móng không có chuyển vị , thì trừ các phần tử thuộc móng, các phần tử còn lạitham gia dao động đều có mặt ở các số hạng của tổng ở các mẫu số của hệ số này 2.3 Việc chấp nhận sơ đồ tính và quy luật phân bố khối lợng trong bài toán dao động riêng:

Trong bài toán bài toán dao động riêng , khối lợng phải đợc hiểu là toàn bộkhối lợng có tham gia dao động Các đặc trng của dao động riêng sẽ bị chi phốibởi giá trị và cách phân bố các khối lợng thành phần trên công trình khảo sát

Giá trị khối lợng tham gia dao động bao gồm :

- Khối lợng của các phần tử đợc coi là kết cấu chịu lực ( cột, dầm, vách, lõi cứng ,thanh , tấm sàn,…)

- Khối lợng của các chi tiết trang trí kiến trúc, bao che ( tờng ngăn, lớp ốp lát,trần treo,…)

- Khối lợng của các thiết bị, vật liệu trên sàn, tờng ở mỗi giai đoạn sử dụng

( đồ gỗ, trang thiết bị sử dụng, nớc trong bể, sách trên giá , hạt trong kho … )

- Phần dài hạn của hoạt tải sử dụng ( lấy tuỳ theo công trình vào khoảng 25 -50%hoạt tải toàn phần ); đợc qui ra khối lợng M=G/g

Tuỳ theo việc chấp nhận sơ đồ tính mà sự phân bố của các thành phần khốilợng này sẽ khác nhau Mỗi bài toán dao động sẽ đợc giải trên cơ sở chấp nhận sựphân bố khối lợng, phân bố độ cứng theo một quy luật nào đó Với mỗi côngtrình cụ thể, việc chấp nhận sơ đồ tính khác nhau sẽ làm sai khác sự phân bố khốilợng, sai khác độ cứng vốn có của công trình, do vậy kéo theo các kết quả khácnhau của tần số và biên độ dao động riêng

2.4 Việc xác định hệ số tơng quan không gian υ

Hệ số tơng quan không gian υcó thể hiểu là hệ số ảnh hởng của hình khốicông trình đến các tham số động học trên một mặt nào đó của công trình (gọi là

bề mặt tính toán hoặc bề mặt khảo sát ) Về hình thức, hệ số tơng quan khônggian υtrong thành phần động cũng tơng tự nh hệ số khí động Cx trong thànhphần tĩnh Theo 1 hớng gió nhất định, ở các mặt trớc và sau ở các mặt bên và mặtmái ( đỉnh) của công trình có các hệ số khí động Cx khác nhau ; với các côngtrình thanh mảnh có dao động thì trên các mặt này cũng có các tơng quan độngkhác nhau và gọi đó là hệ số tơng quan không gian υ Theo quy định của TCVN

2737 : 1995 hệ số υ ( xem bảng II.5và II.6 trên đây ) đợc tra bảng phụ thuộc vào

2 tham số ρ

Và χ Để tránh nhầm lẫn khi tra bảng, nên chọn hớng gió trùng với hớng chuyển

vị khi khảo sát bài toán dao động riêng ( hớng chuyển vị y )

Với những công trình dạng bậc hoặc có mặt đón gió không phải hình chữnhật, hệ số tơng quan không gian khi đó sẽ đợc xác định tơng ứng với từng phần -

hCho phần 2 0 a, 4 1

Trong đó :

2

t

b , bt2,…., a t1, a t2… bề rộng tính toán song song với trục Ox, Oy lấy ở

mức cao ngang với trọng tâm của mỗi đoạn ( gần đúng có thể lấy là

chiều rộng trung bình của mỗi đoạn )

2.5 Cách tính gần đúng giá trị thành phần động

Trong các bài toán thiết kế sơ bộ ban đầu, để có thể ớc tính giá trí thànhphần động phục vụ cho việc giả thiết tiết diện ban đầu, có thể tiến hành theo trình

tự sau:

- Chỉ xét một hoặc một vài dạng dao động đầu tiên, chu kỳ dao

động( T1=1/f1), có thể tính theo công thức gần đúng theo bảng sau đây :

Bảng II.9 Chu kỳ dao động riêng cơ bản của công trình theo kiến nghị của một số tác giả

Tác giả kiến nghị Giá trị chu kỳ dao động

12 , 0 1

+

T

Trên cơ sở thựcnghiệm số lớn nhà

ở Tokyo vàYokohama

Có giá trị cho tất cảcác loại nhàM.Takeuchi

60 1

H

Tiêu chuẩn khángchấn ( 1968 ) T1 =0,09. H L

L

H

T1 = 0 , 10

Công trình BTCTCông trình thép

G.W.HousnerA.G.Brady T1 =0,5 n−0,4 Nhà khung thép

Rumani

Chilê

Tiêu chuẩn khángchấn(P.100.78) T1 =0,3+0,05n (n≤ 5)

n

T1 = 0 , 1 (n> 5 )

Nhà khung chịu lực

R.HusidW.PieberJ.Rono

n

T1 = 0 , 04

69 /

VáchKết cấu vách cứngGhi chú : H_ Chiều cao của nhà , L – Chiều rộng nhà, nhịp, n- số tầng nhà

- Chấp nhận dạng của dao động đầu tiên trùng với đờng đàn hồi của côngtrình do lực nằm ngang có giá trị bằng khối lợng các phần chia ( thờng là của 1tầng trong phạm vi 1 bớc khung ) đặt tại trọng tâm mỗi phần chia ( mức sàn cáctầng ) gây nên Khi đó bằng các phơng pháp thông thờng có thể xác định đợc y1j .

- Từ tần số f1 và các chuyển vị y1j vừa tính đợc, tra các hệ số mạch động ζ độnglực ξ, hệ số tơng quan không gian v… để xác định các Wpk tơng ứng

3 Xác định nội lực, chuyển vị của phần tử kết cấu khi xét đến nhiều dạng dao động

Ký hiệu Xj là giá trị của đại lợng cần xác định ( nội lực, biến dạng hoặcchuyển vị…) của phần tử thứ j do tải trọng gió gây ra thì :

( )2 1

DONG ij s i

TINH j

X là giá trị của đại lợng Xj do thành phần động khi công trình dao

động ở dạng dao động thứ j gây ra

Công thức này thành lập trên cơ sở lý thuyết thống kê; Vì vậy, khi sử dụngcần lu ý rằng số hạng thứ 2 lấy cùng dấu với số hạng thứ nhất

Chơng III: nguyên lý tính toán và một số giải pháp kết cấu nhà cao tầng chịu tác dụng Của tải trọng

gió

1 Các phơng pháp và giả thuyết tính toán

Tính toán nhà cao tầng bao gồm với việc giải hàng loạt những bài toánphức tạp để xác định nội lực , chuyển vị của các phần tử cũng nh của toàn nhà.Các phơng pháp đợc sử dụng đều thuộc vào 2 nhóm chính:

- Nhóm các phơng pháp dựa trên cơ sở của cơ học kết cấu , lý thuyết đànhồi ; Phơng pháp lực, phơng pháp chuyển vị, phơng pháp sai phân hữu hạn, biếnphân , phơng pháp phần tử hữu hạn …

- Nhóm các phơng pháp dựa trên cơ sở của các mô hình tính toán của lýthuyết hệ thanh, lý thuyết vỏ lăng trụ … với sự trợ giúp của máy tính và các phầnmềm đủ mạnh

Mỗi phơng pháp đều đợc xây dựng trên cơ sở của 1 giả thuyết cơ bản cácgiả thiết sử dụng càng ít thì phạm vi sử dụng càng lớn nhng việc tính toán sẽ càngphức tạp hơn Nói chung , thờng dùng các giả thiết cơ bản sau :

- Các kết cấu thẳng đứng chịu lực liên kết với nhau thông qua các bản sàn Bản sàn đợc coi là tuyệt đối cứng trong mặt phẳng của chính nó ( không có biến dạng ngang )

- Độ cứng của các vách đứng không đổi dọc theo chiều cao

- Biến dạng của các vách cứng trong nhà đợc coi là đồng điệu

- Biến dạng cắt trong các vách cứng là không đáng kể so với biến dạnguốn

- Bỏ qua độ cứng chống xoắn của các vách cứng tiết diện hở

- Độ cứng chống xoắn kiềm chế của các lõi (tiết diện kín) rất bé so với độ

- Theo sơ đồ giằng : Kết cấu chịu lực ngang bao gồm các vách cứng, lõicứng hoặc có cả vách và lõi Coi các cấu kiện thẳng đứng chịu lực (vách, lõi) cóbiến dạng đồng điệu

- Theo sơ đồ hỗn hợp khung giằng : Kết cấu chịu lực tạo thành từ hệ cáckhung cứng và các vách, lõi cứng ở sơ đồ này, các cấu kiện thẳng đứng chịu lực

có biến dạng không đồng điệu, bài toán sẽ phức tạp lên nhiều

2 Một số giải pháp kết cấu nhà cao tầng:

a) b) c) g) d) e) f) z) k) i)

l) m)

n)

p) o)

q)

r) s)

u) t)

a – Lõi kín có tấm sàn treo; b – Lõi kín có tấm sàn công son; c – Lõi kín đặtkhông đúng tâm, có khung xung quanh hành lang; d – Tờng cứng tạo thành lõihở; g – Lõi kín đặt không đúng tâm, khung trong; e – Lõi giữa kín có khungngoài; f – Lõi giữa kín có các cột ở góc; z – Lõi giữa hở có khung ở đầu; i –Lõi ngoài hở có khung quanh hành lang; k – Lõi góc kín có khung trong; l –

Lõi giữa kín có khung quanh hành lang; m – Lõi kín đặt không đúng tâm cókhung quanh hành lang; n – Lõi giữa kín có khung trong; o,q - Lõi giữa kín cókhung quanh hành lang; p – Lõi giữa kín có khung trong; r – Lõi giữa hở cókhung quanh hành lang; s – lõi giữa kín có khung trong; t – Lõi giữa hở cókhung trong; u – Lõi giữa hở có khung trong

3 Trình tự tính toán nhà cao tầng chịu tải trọng ngang

- Sau khi thành lập sơ đồ kết cấu, dựa vào kinh nghiệm, theo một số côngtrình tơng tự có sẵn, hoặc theo một cách giải gần đúng nào đó để giả thiết kích th-

ớc tiết diện các cấu kiện Đồng thời, để có thể giải bài toán động, cần xác định trị

số và phân bố khối lợng của mỗi cấu kiện hoặc của từng phần công trình

- Giải bài toán dao động để xác định các đặc trng động học : tần số, biên độ dao

động bản thân của công trình So sánh với quy định của TCVN để quyết định sốdạng dao động cần xét đến

- Xác định cụ thể từng trờng hợp tải trọng tác dụng lên công trình ( trị số,

điểm đặt, phơng, chiều ) kể cả thành phần tĩnh và thành phần động

- Lần lợt giải bài toán với từng trờng hợp tác dụng riêng rẽ

- Thống kê, tổ hợp nội lực để tìm trờng hợp bất lợi nhất cho các tiết diện

- Kiểm tra tiết diện đã giả thiết ; Tiến hành các điều chỉnh cần thiết

Phần lớn khối lợng công việc trên đều phải tiến hành bằng máy tính và cácchơng trình tính đủ mạnh : có thể tính hệ không gian nhiều về số lợng và chủngloại phần tử, có thể giải đợc các bài toán động Chơng trình thông dụng nhất hiệnnay là : SAP90, SAP2000,STAAD3 … nhng cũng đòi hỏi phải có máy tính vớikhối lợng bộ nhớ lớn mới có thể giải nổi

3.1 Thành phần động của tải trọng

gió theo TCVN 2737 : 1995 trong

hệ kết cấu không gian:

Khi tính toán hệ kết cấu không gian,

hệ trục toạ độ xyz đợc áp đặt: Trục z

theo phơng thẳng đứng, các trục x và

y trên mặt bằng theo các trục định vị

(vuông góc với nhau, giả sử lấy trục

x theo phơng dọc nhà và trục y theo

phơng ngang nhà) Nh vậy, tổng quát

trục y ở đây không thể trùng với

ph-ơng chuyển vị ngang trong các dao

động riêng của công trình Để tránh

nhầm lẫn khi tính toán, đặt chuyển vị

ngang tại trọng tâm phần thứ j của

công trình ứng với dạng dao động

riêng thứ i là uji và có:

2 2

ji ji

ji x y

u = + (3.1)

ở đây xji , yji là toạ độ trên mặt bằng trong hệ trục toạ độ tính toán xyz của trọng

tâm khối lợng phần thứ j của công trình ở dạng dao động riêng thứ i

Do vậy các công thức (2.7) và (2.8) ở trên đợc viết lại nh sau:

W pji = M j ξ i ψ i u ji (3.2)

2 1

1

.ψ

ji r

j j

ji r

j pj i

u M

u W

- ξi xác định nh đã trình bày trong công thức (2.7)

4 Quy trình xác định thành phần động của tải trọng gió

4.1: Xác định f i và các chuyển vị ngang của f i

- Xác định dao động riêng của công trình và số dạng dao động (s) cần thiết để xác

định thành phần động của tải trọng gió,

f1 < f2 < … < fs ≤ fL < fs+1 ; i = 1, 2,…, s.

- Lập bảng kết quả chuyển vị ngang của s dạng dao động

2 2

ji ji

yj1 (m)

uj1 (m)

xj2 (m)

yj2 (m)

uj2 (m)

xjs (m)

yjs (m)

ujs (m)

Hệ số tơng quan không gian áp lực động ν đợc xác định theo phơng của gió,

khi gió theo phơng dọc nhà (song song với trục x) đặt hệ số này là νx ,

khi gió theo phơng ngang nhà (song song với trục y) đặt hệ số này là νy

Các hệ số tơng quan không gian ν x , νy xác định theo điều 6.15 và bảng 10 trong

TCVN 2737:1995, cần lu ý khi gió song song với trục y tham số ρ = a (xem hình

3, trong tiêu chuẩn TCVN 2737:1995)

4.2.3 Hệ số mạch động ζ j và thành phần động W pj khi chỉ xét đến mạch động:

Từ trên đã có công thức Wpj = νWjζj , công thức này theo các phơng x và y đợc viết

lại cho từng phơng nh sau:

- Khi gió theo phơng dọc nhà (song song với trục x) tải gió và các hệ số trên là Wj (x) ,

νx và Wpj (x)= νxWj (x) ζj

- Khi gió theo phơng ngang nhà (song song với trục y) tải gió và các hệ số trên là

Wj (y) , νy và Wpj (y)= νyWj (y) ζj

ji r

j j

ji r

j pj i

u M

u W