Báo cáo nghiên cứu khoa học: "LỰA CHỌN DẠNG ĐỊA HÌNH CHUẨN KHI SOÁT XÉT TCVN 2737:1995 DỰA TRÊN CƠ SỞ TIÊU CHUẨN CTO 36554501-015-2008 НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ" pptx

LỰA CHỌN DẠNG ĐỊA HÌNH CHUẨN KHI SOÁT XÉT TCVN 2737:1995 DỰA TRÊN CƠ SỞ TIÊU CHUẨN CTO 36554501-015-2008 НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ PGS. TS. NGUYỄN VÕ THÔNG Viện KHCN Xây dựng Tóm tắt: Viện KHCN Xây dựng hiện đang tiến hành soát xét TCVN 2737:1995 dựa trên cơ sở tiêu chuẩn Nga CTO 36554501-015-2008 НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ. Vấn đề đặt ra là cần lấy dạng địa hình chuẩn thế nào cho phù hợp với quy định của tiêu chuẩn Nga và điều kiện thực tế của Việt Nam. Bài báo này trình bày một số kết quả phân tích về sự lựa chọn đó. 1. Đặt vấn đề Tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết kế [2] được biên soạn dựa trên cơ sở tiêu chuẩn СНиП 2.01.07-85 [3]. Trong quá trình biên soạn, để phù hợp với việc đưa số liệu đầu vào là vận tốc gió lấy trung bình trong 3 giây thay cho vận tốc gió cơ sở lấy trung bình trong 10 phút trong СНиП 2.01.07-85, nên có những quy định trong TCVN 2737:1995 được hiệu chỉnh khác với tiêu chuẩn gốc. Một trong số các nội dung được hiệu chỉnh đó là dạng địa hình và dạng địa hình chuẩn. Hiện nay, Viện KHCN Xây dựng đang tiến hành soát xét tiêu chuẩn TCVN 2737:1995, trên cơ sở dựa vào tiêu chuẩn Nga CTO 36554501-015-2008 НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ (dưới đây viết tắt là CTO 2008) [6]. Do chúng ta chưa có các nghiên cứu, đặc biệt là các số liệu cơ bản liên quan đến các dạng địa hình, bao gồm: định nghĩa, quy luật thay đổi hệ số độ cao, quy luật thay đổi hệ số xung áp lực gió, nên chưa thể can thiệp sâu đối với các vấn đề này để vừa có thể không vi phạm các nguyên tắc cơ bản về tính toán của CTO 2008 lại vừa đưa được các đặc trưng cụ thể của Việt Nam vào tiêu chuẩn. Vì vậy cũng như các tiêu chuẩn tương tự đã biên soạn, trong soát xét lần này, các quy định liên quan đến dạng địa hình, hệ số độ cao, hệ số xung áp lực gió… đều lấy theo CTO 2008. Vấn đề đặt ra là dạng địa hình chuẩn sử dụng trong CTO 2008 là như thế nào và trong điều kiện Việt Nam thì lấy sao cho phù hợp. 2. Các dạng địa hình và dạng địa hình chuẩn 2.1. Dạng địa hình Trong các tiêu chuẩn về tính toán tải trọng gió, người ta thường đưa ra một số địa hình tiêu biểu gọi là dạng địa hình, để làm cơ sở tính toán tải trọng gió tác động lên các công trình thực khi xây dựng trong các dạng địa hình tương tự. Mỗi một dạng địa hình đặc trưng cho một mức độ cản gió lên công trình. Tùy tiêu chuẩn mà có thể quy định số lượng và đặc trưng của các dạng địa hình, từ mức không có vật cản (mặt biển lặng hay mặt hồ lớn) đến trung tâm các thành phố lớn, có mật độ xây dựng đày đặc, chiều cao công trình lớn theo các cách khác nhau. Các tiêu chuẩn thường chia thành 3 dạng địa hình, nhưng cũng có tiêu chuẩn chia nhiều hơn. Theo hệ thống tiêu chuẩn tải trọng và tác động của Liên Xô trước đây và Cộng hòa Liên Bang Nga ngày nay [3, 4, 5, 6] thì có 3 dạng địa hình, ký hiệu là A, B và C. Số lượng dạng địa hình và định nghĩa các dạng địa hình của một số tiêu chuẩn cho trong bảng 1. 2.2. Dạng địa hình chuẩn Dạng địa hình chuẩn là dạng địa hình có hệ số độ cao bằng 1 ở độ cao 10m so với mốc chuẩn. Như vậy, tại độ cao 10m so với mặt đất, hệ số thay đổi áp lực gió theo độ cao có giá trị bằng 1. Tùy tiêu chuẩn mà dạng địa hình chuẩn cũng được quy định khác nhau. Trong hệ thống thống tiêu chuẩn tải trọng và tác động của Liên Xô trước đây và Cộng hòa Liên Bang Nga ngày nay thì dạng địa hình chuẩn là dạng A. Dạng địa hình chuẩn trong tiêu chuẩn của một số nước cho trong bảng 1. Bảng 1. Dạng địa hình và dạng địa hình chuẩn trong một số tiêu chuẩn Quy chuẩn, tiêu chuẩn Ký hiệu Dạng địa hình chuẩn Định nghĩa A x Bờ biển mở, hồ, hồ chứa nước, hoang mạc, bình nguyên B Ngoại ô, rừng cây và các vùng khác có một số vật cản đều cao hơn 10m СНиП 2.01.07-85 và СНиП 2.01.07-85* C Trong thành phố với các công trình xây dựng cao trên 25m A x Các bờ thoáng của: biển, hồ, hồ chứa nước; các vùng nông thôn, kể cả có nhà cao dưới 10m; đồng cỏ; bìa rừng; bình nguyên B Vùng ngoại ô thành phố, rừng rậm và các vùng khác có các vật cản phân bố đều cao trên 10 m CTO 2008 C Trong thành phố có mật độ xây nhà lớn với nhiều nhà cao trên 25m A B x Địa hình tương đối trống trải, có một số vật cản thưa thớt cao không quá 10m QCVN 02: 2009 C A Địa hình trống trải, không có hoặc có rất ít vật cản cao không quá 1,5m (bờ biển thoáng, mặt sông, hồ lớn, đồng muối, cánh đồng không có cây cao,…) B x Địa hình tương đối trống trải, có một số vật cản thưa thớt cao không quá 10m (vùng ngoại ô ít nhà, thị trấn, làng mạc, rừng thưa hoặc rừng non, vùng trồng cây thưa,…) TCVN 2737: 1995 C Địa hình bị che chắn mạnh, có nhiều vật cản sát nhau cao từ 10m trở lên (trong thành phố, rừng rậm,…). D Vùng đất phẳng, các khu vực không bị che chắn và bề mặt nước ngoài khu vực dễ bị lốc. Địa hình này bao gồm các vùng đầm lầy, vùng ngập mặn và vùng bị đóng băng C x Địa hình mở với vật cản rải rác có chiều cao thường ít hơn 30ft (9,1m). Địa hình này bao gồm vùng đồng bằng, đồng cỏ, và mặt nước tại tất cả các khu vực dễ bị gió lốc ASCE/SEI 7-05 B Đô thị và các khu vực ngoại thành, các khu rừng hoặc địa hình khác với nhiều vật cản cách rời nhau mà khoảng cách có kích thước bằng chiều cao vật cản hoặc lớn hơn 0 Biển hoặc khu vực bờ hướng ra vùng biển mở I Các hồ hoặc vùng bằng phẳng, có thảm thực vật không đáng kể và không có các vật cản II x Vùng có thảm thực vật thấp như cỏ và các vật cản đơn độc (các cây và các công trình) cách nhau ít nhất bằng 20 lần chiều cao của vật cản III Vùng có thảm thực vật phủ đều hay công trình hoặc vật cản đơn độc với các khoảng cách lớn nhất bằng 20 lần chiều cao của vật cản (như làng, vùng ngoại ô, rừng cây) EN 1991-1- 4:2005 IV Vùng mà trong đó ít nhất 15% bề mặt bị phủ bởi các công trình và chiều cao trung bình vượt quá 15 m 3. Phân tích lựa chọn dạng địa hình chuẩn Số liệu gió có tính pháp lý được quy định trong QCVN 02:2009/BXD [1], số liệu này được lập dựa trên các số liệu do Viện Khí tượng Thủy văn cấp khi thiết lập Bản đồ phân vùng áp lực gió trong TCVN 2737:1995. Vấn đề đặt ra là nếu lấy dạng địa hình chuẩn theo quy định của CTO 2008 thì số liệu này nên lấy thế nào cho phù hợp. Hiện tại, chúng ta chưa có các số liệu thực, liên quan giữa độ nhám bề mặt của các dạng địa hình với vận tốc gió. Các giá trị m - số mũ trong công thức xác định hệ số độ cao và z g – độ cao gradien nêu trong thuyết minh tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 chỉ là số liệu suy diễn dựa trên giá trị của các hệ số tương ứng trong tiêu chuẩn Úc và СНиП 2.01.07-85 để tính hệ số thay đổi áp lực gió theo độ cao ứng với vận tốc gió lấy trung bình trong 3 giây sao cho giá trị áp lực gió trong TCVN 2737:1995 là gần với giá trị áp lực gió tính toán theo TCVN 2737:1990, chứ không phải là số liệu của khí tượng thủy văn cho các số liệu gió đưa vào tiêu chuẩn TCVN 2737:1995. Vì vậy việc lựa chọn dạng địa hình chuẩn sẽ dựa chủ yếu vào các định nghĩa về dạng địa hình. Từ bảng 1 ta thấy: a. Về mặt định nghĩa, dạng A, dạng địa hình chuẩn, trong СНиП 2.01.07-85 [3] và СНиП 2.01.07- 85* [4, 5] là tương đương với dạng A trong TCVN 2737:1995. Vì vậy nếu dựa vào СНиП 2.01.07- 85* để biên sọan thì phải chuyển đổi số liệu gió cơ sở trong tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 từ dạng B về dạng A. b. Ranh giới giữa dạng A và B trong СНиП 2.01.07-85 và СНиП 2.01.07-85* không nêu rõ chiều cao vật cản (điều này cũng giống như trong một số tiêu chuẩn khác như: ASCE/SEI 7-05 [7], EN 1991-1-4:2005 [9]…), mà là dựa vào hai đặc trưng chính: vùng bằng phẳng (bờ biển mở, hồ, hồ chứa nước, hoang mạc, bình nguyên) và vùng ngoại ô thành phố. c. Dạng địa hình chuẩn trong CTO 2008 – dạng A, có khác với СНиП 2.01.07-85, СНиП 2.01.07- 85* và TCVN 2737:1995 một chút, đó là có thêm “các vùng nông thôn, kể cả có nhà cao dưới 10m” . Mặc dầu vậy, trong CTO 2008, số liệu áp lực gió cơ sở (lấy ứng với dạng A trong CTO 2008) và phương pháp tính toán tải trọng gió vẫn quy định lấy giống như СНиП 2.01.07-85 và СНиП 2.01.07- 85*. Ở đây có hai vấn đề cần làm rõ: (1) bản chất số liệu gió trong tiêu chuẩn CTO 2008 là gắn với dạng địa hình nào và (2) với một công trình cụ thể thì áp dụng địa hình nào để tính toán theo số liệu gió trong tiêu chuẩn CTO 2008. - Về mặt số liệu gió : bản chất số liệu gió cơ sở trong CTO 2008 vẫn là lấy từ các số liệu gió cơ sở quy định trong СНиП 2.01.07-85 và СНиП 2.01.07-85* (CTO không xây dựng số liệu gió khác). Vì vậy xét về bản chất số liệu gió cơ sở trong CTO vẫn phải lấy phù hợp với dạng địa hình A đã được định nghĩa trong СНиП 2.01.07-85, СНиП 2.01.07-85*. Do đó để tính toán theo CTO 2008 thì số liệu gió cơ sở trong TCVN 2737:1995 phải chuyển tương ứng từ vùng B về vùng A; - Về mặt vận dụng áp dụng địa hình cho công trình cụ thể để tính toán thiết kế: thì theo CTO 2008 “các vùng nông thôn, kể cả có nhà cao dưới 10m” sẽ được tính với dạng địa hình A chứ không tính với dạng địa hình B như trong quy định của СНиП 2.01.07-85, СНиП 2.01.07-85*. Điều đó được hiểu là theo CTO 2008, với công trình thuộc dạng địa hình “các vùng nông thôn, kể cả có nhà cao dưới 10m” , tải trọng gió sẽ được tính an toàn hơn so với СНиП 2.01.07-85, СНиП 2.01.07-85*. d. Mặt khác, nếu cho rằng số liệu gió cơ sở của TCVN 2737:1995 (ứng với dạng B) là tương ứng với vùng A của CTO thì việc tính toán cho các công trình ở các vùng thoáng (biển, ven biển, hồ, hồ chứa nước, hoang mạc, bình nguyên) như các nhà ven biển, giàn khoan ngoài biển, các cầu như cầu Bãy Cháy…. và các công trình nằm trong vùng ngoại ô thành phố hoặc trong các làng mạc là như nhau và cùng được tính với áp lực/vận tốc gió của vùng B trong TCVN 2737:1995 (áp lực gió tính toán cho vùng ngoại ô, làng mạc). Điều này là không hợp lý và sẽ nguy hiểm cho các công trình xây dựng ở các vùng thoáng, nhất là vấn đề tốc mái cho các nhà ven biển lại càng dễ xảy ra hơn. e. Ở một số tiêu chuẩn, người ta chú trọng đến các vùng thoáng, đặc biệt là các vùng biển và ven biển bằng cách chia nhỏ hơn vùng này như vùng 0 của tiêu chuẩn EN 1991-1-4:2005, vùng 1 của tiêu chuẩn AS/NZS 1170.2:2002 [8] hoặc sử dụng hệ số vượt tải n = 1 ÷ 1,2 tùy vào khoảng cách đến bờ biển cho các công trình xây dựng trên biển như tiêu chuẩn Trung Quốc [10]. Do đó việc chuyển số liệu gió cơ sở trong TCVN 2737:1995 từ vùng B về vùng A là hợp lý. f. Trong Quy chuẩn QCVN 02:2009/BXD chỉ nêu một dạng địa hình B, là địa hình tương đối trống trải, có một số vật cản thưa thớt cao không quá 10m. Định nghĩa này không đầy đủ như trong TCVN 2737:1995. Vì vậy nếu dự thảo lần này cho dạng B trong TCVN 2009 là tương ứng với dạng A trong CTO thì với các định nghĩa trong Quy chuẩn và tiêu chuẩn tải trọng tác động TCVN 2009 mới sẽ dễ làm người ta hiểu nhầm về bản chất của số liệu gió cơ sở là ứng với dạng địa hình có độ nhám thay đổi từ 0 đến 10m (địa hình tương đối trống trải, có một số vật cản thưa thớt cao không quá 10m). Điều này không đúng với bản chất số liệu gió cơ sở quy định trong TCVN 2737:1995. g. Việc chuyển số liệu gió cơ sở từ dạng B sang dạng A khi tính theo tiêu chuẩn CTO, xét trên quan điểm TCVN 2737:1995, tuy có làm cho áp lực gió lên các công trình ở dạng địa hình “các vùng nông thôn, kể cả có nhà cao dưới 10m” (tương ứng với dạng B trong TCVN 2737:1995) có tăng lên nhưng là phù hợp với 2 tiêu chí của tiêu chuẩn CTO 2008 như đã phân tích trong (3). Ngoài ra, việc chuyển số liệu áp lực/vận tốc gió cơ sở từ lấy trung bình trong 3 giây sang lấy trung bình trong 10 phút sẽ làm cho tải trọng gió tính toán theo tiêu chuẩn mới giảm nhiều so với khi tính toán theo tiêu chuẩn TCVN 2737:1995, xem kết quả tính toán trong ví dụ ở mục VI. Nếu coi số liệu gió cơ sở ở dạng B là tương ứng với dạng A trong CTO lại càng làm cho tải trọng gió giảm thêm nữa. Mặt khác, số liệu gió cơ sở trong TCVN 2737:1995 được lấy trên cơ sở chuỗi số liệu đo được đến năm 1990. Đến nay, tình hình gió bão cũng có những thay đổi nhất định, hơn nữa những dự báo về hiện tượng biến đổi khí hậu cho thấy xu thế tác động của gió ở nước ta có hướng gia tăng cả về tần suất và cường độ. Vì vậy việc giảm giá trị tải trọng gió cơ sở bằng việc xem dạng địa hình chuẩn - địa hình B trong TCVN 2737:1995 là tương ứng với dạng địa hình A trong CTO 2008 là không nên. 4. Kết luận Từ các phân tích trên cho thấy nếu xem địa hình dạng B trong TCVN 2737:1995 là tương đương với dạng A trong CTO 2008 thì việc sử dụng trực tiếp các số liệu gió đã cho, ứng với địa hình B trong QCVN 02:2009/BXD, để tính toán cho các công trình xây dựng ở các vùng thoáng như vùng ven biển hay hồ lớn,… sẽ nguy hiểm cho công trình hơn so với khi tính toán theo TCVN 2737:1995, và chưa phù hợp với bản chất số liệu gió cơ sở trong các tiêu chuẩn СНиП 2.01.07-85, СНиП 2.01.07-85*, CTO 2008 cũng như TCVN 2737:1995. Số liệu vận tốc gió 50 10' V cho trong QCVN 02:2009/BXD ứng với vùng được định nghĩa là: vùng ngoại ô ít nhà, thị trấn, làng mạc, rừng thưa hoặc rừng non, vùng trồng cây thưa… chưa thể đại diện cho đặc trưng chính của vùng A trong CTO 2008 và СНиП 2.01.07-85* là các bờ thoáng của biển, hồ, hồ chứa nước; đồng cỏ; bìa rừng; bình nguyên. Vì vậy, để sử dụng dạng địa hình A được định nghĩa như trong CTO 2008 làm dạng địa hình chuẩn thì cần phải chuyển đổi số liệu vận tốc gió 50 10' V trong QCVN 02:2009/BXD cho phù hợp với đặc trưng chính của vùng này dạng A của tiêu chuẩn CTO 2008. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. QCVN 02:2009/BXD. Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia số liệu tự nhiên dùng trong xây dựng của Việt Nam. 2. TCVN 2737:1995 Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết kế, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội, 2002. 3. СНиП 2.01.07-85 НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ , Mockba, 1985. 4. СНиП 2.01.07-85* НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ, Mockba, 1996. 5. СНиП 2.01.07-85* НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ, Mockba, 2009. 6. CTO 36554501-015-2008 НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ, Mockba, 2008. 7. ASCE/SEI 7-2005 Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures. 8. AS/NZS 1170.2:2002 Australian/New Zealand Structural design actions. 9. EN 1991-1-4:2005 Action on structures, Part 1-4: General actions - Wind actions. 10. GB 50009-2001 Load code for the design of building structures. . LỰA CHỌN DẠNG ĐỊA HÌNH CHUẨN KHI SOÁT XÉT TCVN 2737:1995 DỰA TRÊN CƠ SỞ TIÊU CHUẨN CTO 36554501-015-2008 НАГРУЗ И И ВОЗДЕЙСТ И PGS. TS. NGUYỄN VÕ THÔNG Viện. hành soát xét TCVN 2737:1995 dựa trên cơ sở tiêu chuẩn Nga CTO 36554501-015-2008 НАГРУЗ И И ВОЗДЕЙСТ И . Vấn đề đặt ra là cần lấy dạng địa hình chuẩn thế nào cho phù hợp với quy định của tiêu chuẩn. hành soát xét tiêu chuẩn TCVN 2737:1995, trên cơ sở dựa vào tiêu chuẩn Nga CTO 36554501-015-2008 НАГРУЗ И И ВОЗДЕЙСТ И (dưới đây viết tắt là CTO 2008) [6]. Do chúng ta chưa có các nghiên cứu,