So sánh tải trọng gió tác dụng lên ống khói bê tông cốt thép cho các tiêu chuẩn TCVN 2737 1995, gb50051 2013 và ACI 307 08 (tt)

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu trong TCVN 2737 : 1995 E Mô đun đàn hồi của vật liệu J Bán kính quán tính của tiết diện cấu kiện W0 Giá trị áp lực gió lấy theo bản đồ phân vùng áp lực gió

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

NGUYỄN HẢI DIỆN

SO SÁNH TẢI TRỌNG GIÓ TÁC DỤNG LÊN ỐNG KHÓI

BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO CÁC TIÊU CHUẨN TCVN 2737:1995, GB 50051-2013 VÀ ACI 307-08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Hà Nội 2015

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

NGUYỄN HẢI DIỆN KHÓA: 2013-2015

SO SÁNH TẢI TRỌNG GIÓ TÁC DỤNG LÊN ỐNG KHÓI

BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO CÁC TIÊU CHUẨN TCVN 2737:1995, GB 50051-2013 VÀ ACI 307-08

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGUYỄN ĐẠI MINH

Hà Nội - 2015

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tôi xin bày tỏ tình cảm biết ơn chân thành tới tất cả các thầy, cô trong khoa Sau đại học – Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội vì những chỉ dẫn và giúp đỡ trong quá trình học tập cũng như tiến hành làm luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn khoa học TS Nguyễn Đại Minh – Phó Viện trưởng Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng/Bộ Xây dựng đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp hướng dẫn một cách khoa học, cũng như tạo điều kiện thuận lợi, cung cấp tài liệu và động viên tôi trong quá trình hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Vũ Thành Trung – Phó Giám đốc Viện Chuyên ngành Kết cấu Công trình Xây dựng/Bộ Xây dựng, kiêm Trưởng Phòng Nghiên cứu Thí nghiệm gió đã chỉ dẫn cho tôi một cách tỉ mỉ trong quá trình làm luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp trong Phòng Nghiên cứu Thí nghiệm Động đất đã tạo mọi điều kiện để tôi có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình

Xin chân thành cảm ơn bố mẹ anh chị em đã luôn ở bên cạnh động viên và giúp

đỡ tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Hải Diện

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của Luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Hải Diện

MỤC LỤC

Lời cảm ơn

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục các chữ viết tắt

Danh mục các ký hiệu

Danh mục hình minh họa

Danh mục bảng, biểu

Trang

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài 1

Mục tiêu, mục đích nghiên cứu 2

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

Phương pháp nghiên cứu 3

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

NỘI DUNG Chương I: Tổng quan về ống khói bê tông cốt thép 4

1.1 Giới thiệu về ống khói bê tông cốt thép 4

1.2 Tải trọng gió tác dụng lên ống khói BTCT 7

1.2.1 Tải trọng gió dọc hướng gió 7

1.2.2 Tải trọng gió ngang hướng gió 8

1.3 Nhận xét 9

Chương 2: Tải trọng gió tác dụng lên ống khói BTCT theo các tiêu chuẩn TCVN 2737 : 1995, GB 50051 – 2013 và ACI 307 – 08 11

2.1 Tính toán theo tiêu chuẩn TCVN 2737 : 1995 11

2.1.1 Dạng địa hình và vận tốc gió cơ sở 11

2.1.2 Thành phần tải trọng gió dọc hướng gió 11

2.1.3 Thành phần tải trọng gió ngang hướng gió 25

2.1.4 Tổ hợp tải trọng gió dọc và ngang hướng gió 32

2.2 Tính toán theo tiêu chuẩn GB 50051 – 2013 33

2.2.1 Dạng địa hình và vận tốc gió cơ sở 33

2.2.2 Thành phần tải trọng gió dọc hướng gió 33

2.2.3 Thành phần tải trọng gió ngang hướng gió 42

2.2.4 Tổ hợp tải trọng gió dọc và ngang hướng gió 44

2.3 Tính toán theo tiêu chuẩn ACI 307 – 08 45

2.3.1 Dạng địa hình và vận tốc gió cơ sở 45

2.3.2 Thành phần tải trọng gió dọc hướng gió 46

2.3.3 Thành phần tải trọng gió ngang hướng gió 48

2.3.4 Tổ hợp tải trọng gió dọc và ngang hướng gió 52

2.4 Nhận xét 52

Chương 3: Ví dụ tính toán tải trọng gió tác dụng lên ống khói BTCT 55

3.1 Lựa chọn các thông số tính toán ống khói BTCT 55

3.2 Xác định chu kỳ dao động riêng của ống khói BTCT bằng phương pháp tính gần đúng và phần tử hữu hạn 59

3.2.1 Xác định chu kỳ dao động riêng theo TCVN 2737 : 1995 59

3.2.2 Xác định chu kỳ dao động riêng theo GB 50051 – 2013 61

3.2.3 Xác định chu kỳ dao động riêng theo ACI 307 – 08 61

3.2.4 Xác định chu kỳ dao động riêng bằng phương pháp phần tử hữu hạn 62

3.3 Tính toán theo tiêu chuẩn TCVN 2737 : 1995 65

3.3.1 Dạng địa hình và vận tốc gió cơ sở 65

3.3.2 Thành phần tải trọng gió dọc hướng gió 65

3.3.3 Thành phần tải trọng gió ngang hướng gió 75

3.4 Tính toán theo tiêu chuẩn GB 50051 – 2013 80

3.4.1 Dạng địa hình và vận tốc gió cơ sở 80

3.4.2 Thành phần tải trọng gió dọc hướng gió 80

3.4.3 Thành phần tải trọng gió ngang hướng gió 87

3.5 Tính toán theo tiêu chuẩn ACI 307 – 08 89

3.5.1 Dạng địa hình và vận tốc gió cơ sở 89

3.5.2 Thành phần tải trọng gió dọc hướng gió 90

3.5.3 Thành phần tải trọng gió ngang hướng gió 96

3.6 Tổng hợp và so sánh tải trọng gió theo các tiêu chuẩn 101

3.6.1 Tổng hợp tải trọng gió dọc và ngang hướng gió theo các tiêu chuẩn 101

3.6.2 So sánh tổ hợp tải trọng gió dọc và ngang hướng gió 102

3.6.3 So sánh tải trọng gió dọc hướng gió 103

3.6.4 So sánh tải trọng gió ngang hướng gió 105

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 107

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt Cụm từ viết tắt

BTCT Bê tông cốt thép

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Ký hiệu trong TCVN 2737 : 1995

E Mô đun đàn hồi của vật liệu

J Bán kính quán tính của tiết diện cấu kiện

W0 Giá trị áp lực gió lấy theo bản đồ phân vùng áp lực gió trên lãnh thổ

Việt Nam

K(z) Hệ số thay đổi áp lực gió theo độ cao lấy theo TCVN 2737 : 1995

C Hệ số khí động

Cx Hệ số khí động của kết cấu ống khói

Z0 Cao trình quy ước để tính độ cao z

γ Hệ số độ tin cậy của tải trọng gió

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

fs Tần số của dao động riêng thứ s của công trình

fL Tần số giới hạn

Wpj Giá trị tiêu chuẩn của thành phần động của áp lực gió tác động phần

thứ j của công trình, trong trường hợp f1 > fL

ν Hệ số tương quan không gian áp lực động

ρ Chiều cao đón gió của công trình khi xác định ν

χ Bề rộng đón gió của công trình khi xác định ν

Wp(ji)

Giá trị tiêu chuẩn thành phần động của tải trọng gió tác dụng lên phần thứ j của công trình với dạng dao động thứ i, trong trường hợp

fs < fL < fs+1

Mj Khối lượng phần thứ j của công trình

yji Dịch chuyển ngang tỉ đối của trọng tâm phần thứ j của công trình ứng

với dạng dao động riêng thứ i

Sj Diện tích đón gió của phần thứ j của công trình

Wpz

Giá trị tiêu chuẩn thành phần động của áp lực gió tại độ cao z trong trường hợp f1 < fL và nhà nhiều tầng có mặt bằng đối xứng, độ cứng, khối lượng và bề rộng đón gió không đổi theo chiều cao

d

i

W Giá trị tiêu chuẩn thành phần động của tải trọng gió của dao động riêng

thứ i

r0 Bán kính quán tính tiết diện đáy ống khói

F0 Diện tích tiết diện đáy ống khói

V* Vận tốc gió giới hạn gây mất ổn định khí động khi kích động xoáy

20

3"

V Vận tốc gió cơ sở ở độ cao 10 m, là vận tốc gió trung bình khoảng thời

gian 3 giây chu kỳ lặp 20 năm

t

V (z)

∧

Vận tốc gió 3 giây ở độ cao z (m) thuộc địa hình dạng t

mt Số mũ tương ứng với địa hình dạng t

ϕji, ϕki Dịch chuyển ngang tỉ đối của điểm j và k ứng với dao động thứ i

*

k

V Vận tốc gió tới hạn ở độ cao tương ứng với điểm k

β Hệ số điều chỉnh tải trọng gió theo thời gian sử dụng giả định của công

trình

Wtt Tải trọng tính toán của tải trọng gió

Wa Tải trọng gió dọc hướng gió

Wc Tải trọng gió ngang hướng gió

Wac Tổ hợp tải trọng gió dọc và ngang hướng gió

Wk Giá trị đặc trưng của tải trọng gió

W0 Áp lực gió tiêu chuẩn

βz Hệ số hiệu ứng động lực của tải trọng gió ở độ cao z

µz Hệ số thay đổi áp lực gió theo độ cao

µs Hệ số hình dạng công trình

η Hệ số điều chỉnh µz với công trình xa bờ biển, hải đảo

H Chiều cao đỉnh công trình

B0 Bề rộng tại đáy mặt đón gió của công trình

Vcr Vận tốc gió tới hạn

St Số Strouhal

VH Vận tốc tại đỉnh công trình

H1 Chiều cao bắt đầu của vùng cộng hưởng

H2 Chiều cao kết thúc của vùng cộng hưởng

α Hệ số phụ thuộc vào dạng địa hình

λj(Hi/H) Hệ số phụ thuộc vào tỉ số Hi/H

S Tổ hợp tải trọng đặc trưng của gió dọc và ngang hướng gió

SA Giá trị đặc trưng của tải trọng gió dọc hướng gió

SA Giá trị đặc trưng của tải trọng gió ngang hướng gió

Stt Tổ hợp tải trọng tính toán của gió dọc và ngang hướng gió

Ký hiệu trong ACI 307 – 08

W(z) Thành phần trung bình của tải trọng gió dọc hướng gió tác dụng lên ống khói

h Chiều cao đỉnh ống khói so với mặt đất

d(h) Đường kính ngoài tại đỉnh ống khói

d(z) Đường kính ngoài tại độ cao z của ống khói

d(b) Đường kính trung bình của đường kính trong và ngoài ống khói tại đáy

ống khói

p(z) Áp lực gió của vận tốc gió trung bình trong 1 giờ tại độ cao z

V(z) Vận tốc gió thiết kế trung bình trong 1 giờ tại độ cao z

V Vận tốc gió cơ bản, đơn vị tính mph

cr

V(z ) Vận tốc gió trung bình trong 1 giờ tại độ cao z = (5/6)h

V Giá trị vận tốc thay đổi trong khoảng(0,5 1,3 V(z )÷ ) cr

Ssc Hệ số dạng dao động

Vr Vân tốc gió kể đến hệ số tầm quan trong của công trình

Kd Hệ số hướng của tải trọng gió

Cdr Hệ số áp lực gió thay đổi theo chiều cao

α Hệ số mũ phụ thuộc vào dạng địa hình

b Hệ số phụ thuộc vào dạng địa hình

w

M (b) Mô men tại đáy ống khói của lực W(z)

'

w

G Hệ số giật gió dọc hướng gió

G Hệ số khuếch đại gió ngang hướng gió

I Hệ số tầm quan trọng của công trình

t(b) Chiều dày tại tiết diện đáy ống khói

T(h) Chiều dày tại tiết diện đỉnh ống khói

T1 Chu kỳ dao động riêng cơ bản thứ nhất của ống khói

T2 Chu kỳ dao động riêng cơ bản thứ hai của ống khói

ρck Khối lượng riêng của bê tông

Eck Mô đun đàn hồi của bê tông

Vcr1 Vận tốc gió tới hạn của dạng dao động riêng thứ nhất

d(u) Đường kính trung bình ở phía trên một phần ba của ống khói

ρa Trọng lượng riêng của không khí

g Giá tốc trọng trường

St Số Strouhal

F1A Tham số của số Strouhal

wt(u) Trọng lượng trung bình cho mỗi đơn vị chiều dài tại đỉnh của một phần

ba ống khói

ka Tham số cản khí động

kao Tham số cản khối lượng của biên độ nhỏ

Ma Giá trị mô men đáy lớn nhất của tải trọng gió ngang hướng gió

Walong Giá trị tải trọng gió dọc hướng gió Walong = W(z)

Walong Giá trị tải trọng gió ngang hướng gió

DANH MỤC HÌNH MINH HỌA

Hình 2.11 Quy đổi vận tốc gió với thời gian trung bình khác

Hình 3.3 Áp lực tính toán của gió dọc hướng gió tác dụng lên ống khói BTCT theo độ cao 101

DANH MỤC BẢNG, BIỂU

Bảng 2.20 Hệ số dạng dao động ϕz với dạng dao động đầu

Số hiệu bảng Tên bảng Trang

Số hiệu bảng Tên bảng Trang

Bảng 3.17 Giá trị đặc trưng tải trọng gió dọc hướng gió tác

Bảng 3.18 Giá trị tính toán tải trọng gió dọc hướng gió tác

98

Bảng 3.29

So sánh giá trị tổ hợp tải trọng gió dọc và ngang hướng gió tác dụng lên ống khói BTCT theo các tiêu chuẩn với chu kỳ lặp 50 năm

100

Bảng 3.30

So sánh giá trị tổ hợp tải trọng tính toán của gió dọc và ngang hướng gió tác dụng lên ống khói BTCT theo các tiêu chuẩn

101

Bảng 3.31

So sánh giá trị tải trọng gió dọc hướng gió tác dụng lên ống khói BTCT theo các tiêu chuẩn với chu kỳ lặp 50 năm

101

Bảng 3.32

So sánh giá trị tải trọng tính toán của gió dọc hướng gió tác dụng lên ống khói BTCT theo các tiêu chuẩn

102

Số hiệu bảng Tên bảng Trang

Bảng 3.33

So sánh giá trị tải trọng gió ngang hướng gió tác dụng lên ống khói BTCT theo các tiêu chuẩn với chu kỳ lặp 50 năm

104

Bảng 3.34

So sánh giá trị tải trọng tính toán của gió dọc hướng gió tác dụng lên ống khói BTCT theo các tiêu chuẩn

104

1

MỞ ĐẦU

Sự cần thiết của đề tài

Thông thường, công nghiệp hóa và hiện đại hóa là một giai đoạn phải trải qua

để đưa một quốc gia đang phát triển trở thành một quốc gia phát triển Nước ta đang

trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, dự kiến đến năm 2020 sẽ trở thành một nước công nghiệp Trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa đòi hỏi phải xây dựng các công trình công nghiệp, các công trình giao thông và các công trình hạ tầng kỹ thuật khác, trong đó có các nhà máy công nghệ cao, nhà máy hóa chất, tổ hợp lọc dầu, nhà máy luyện cán thép, nhà máy điện, nhà máy xi măng v.v

Trong các nhà máy nhiệt điện, xi măng, luyện thép… thường có các ống khói cao, các ống khói này có chức năng trao đổi nhiệt và thoát khí thải đã được lọc ra môi trường Tại các nhà máy nhiệt điện công suất lớn như: nhiệt điện Phả Lại, Uông

Bí, Vĩnh Tân 2 các ống khói có thể cao từ 100 - 200 m, được làm bằng kết cấu thép hay bê tông cốt thép (BTCT)

Trong các loại ống khói thì ống khói BTCT có tổng trọng lượng lớn hơn so với

ống khói thép Vì vậy, các móng của ống khói BTCT thường lớn, có thể là móng

nông hoặc móng cọc tùy theo điều kiện địa chất ở khu vực xây dựng, cọc không bị nhổ hay không có ứng suất âm (kéo) trong đất nền ở dưới đáy móng nông dưới tác dụng của tải trọng gió

Ngoài ra, ống khói BTCT còn có độ cứng và tính ổn định tốt hơn so với ống khói thép là kết cấu dễ bị mất ổn khí động dưới tác dụng của tải trọng gió;

Với điều kiện kỹ thuật và tay nghề công nhân như ở nước ta thì công nghệ thi công ống khói BTCT bằng ván khuôn trượt thường dễ dàng hơn việc chế tạo và lắp

2

riêng về thiết kế ống khói đặc biệt là ống khói cao Tuy nhiên, hiện nay ở Việt Nam vẫn chưa có tiêu chuẩn chuyên dùng cho việc thiết kế ống khói BTCT Việc tính toán thiết kế chỉ theo TCVN 2737:1995 [1] và TCVN 5574:2012 và các tiêu chuẩn liên quan khác Ngoài ra, xác định tải trọng gió lên kết cấu dạng ống khói

là vấn đề phức tạp không chỉ về mặt khí động, áp lực gió hút, đẩy, gió ngang hướng gió, hệ số Reynold và các đặc trưng động lực học khác Do đó, phương pháp và quy trình tính toán ống khói chịu tải trọng gió rất quan trọng đối với các

kỹ sư và các nhà nghiên cứu

Vì vậy, việc nghiên cứu tính toán tải trọng gió tác dụng lên ống khói BTCT ở Việt Nam theo các tiêu chuẩn TCVN 2737 : 1995 “Tải trọng và tác động – tiêu chuẩn thiết kế”, tiêu chuẩn Trung Quốc GB 50051 – 2013 “Quy phạm thiết kế ống khói” [9] và tiêu chuẩn Mỹ ACI 307 – 08 “Các yêu cầu đối với ống khói bê tông cốt thép và các diễn giải, chú thích” [5], so sánh các kết quả tính toán theo các tiêu chuẩn này là cần thiết và có giá trị thực tiễn trong thiết kế và xây dựng ống khói ở nước ta

Mục đích và nội dung nghiên cứu

Các mục đích và các nội dung nghiên cứu của đề tài này như sau:

- Nghiên cứu tính toán tải trọng gió tác dụng lên ống khói BTCT theo tiêu chuẩn TCVN 2737 : 1995;

- Nghiên cứu tính toán tải trọng gió tác dụng lên ống khói BTCT theo tiêu chuẩn GB 50051 – 2013;

- Nghiên cứu tính toán tải trọng gió tác dụng lên ống khói BTCT theo tiêu chuẩn ACI 307 – 08;

- So sánh tải trọng gió tác dụng lên ống khói BTCT được xây dựng tại Việt Nam theo 3 tiêu chuẩn (bao gồm tải trọng và hệ quả của tải trọng);

- Có các kết luận và kiến nghị về việc tính toán tải trọng gió tác dụng lên ống

khói BTCT ở Việt Nam