NGUYỄN HỮU THẮNG NGHIÊN CỨU TÍNH TẢI TRỌNG GIÓ LÊN NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG THEO TIÊU CHUẨN MỸ, CHÂU ÂU VÀ VIỆT NAM LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGH
Trang 1NGUYỄN HỮU THẮNG
NGHIÊN CỨU TÍNH TẢI TRỌNG GIÓ LÊN NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG THEO TIÊU CHUẨN MỸ, CHÂU ÂU
VÀ VIỆT NAM
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG
VÀ CÔNG NGHIỆP
Hà Nội - 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
-
Trang 2NGUYỄN HỮU THẮNG KHÓA: 2016- 2018; LỚP CAO HỌC: 2016X2
NGHIÊN CỨU TÍNH TẢI TRỌNG GIÓ LÊN NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG THEO TIÊU CHUẨN MỸ, CHÂU ÂU
VÀ VIỆT NAM
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:
1 PGS.TS VŨ QUỐC ANH
2 TS PHAN THANH LƯỢNG
Hà Nội – 2018
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
-
Trang 3NGUYỄN HỮU THẮNG KHÓA: 2016- 2018; LỚP CAO HỌC: 2016X2
NGHIÊN CỨU TÍNH TẢI TRỌNG GIÓ LÊN NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG THEO TIÊU CHUẨN MỸ, CHÂU ÂU
VÀ VIỆT NAM
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:
1 PGS.TS VŨ QUỐC ANH
2 TS PHAN THANH LƯỢNG
XÁC NHẬN CỦA CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN
Hà Nội – 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
-
Trang 4thành nhất đến tập thể giáo viên trong và ngoài trường Đại học Kiến trúc Hà Nội
đã hết lòng tận tình chỉ dạy, truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt quá trình học tập tại trường trong thời gian qua Sau hơn một năm theo học tại lớp Cao học chuyên ngành Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp - Khoa Sau Đại học - Trường đại học Kiến trúc Hà Nội, tôi đã làm luận văn tốt nghiệp với đề tài:
“Nghiên cứu tính tải trọng gió lên nhà công nghiệp một tầng theo tiêu chuẩn
Mỹ, Châu Âu và Việt Nam”
Có được kết quả này, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến hai thầy giáo PGS.TS Vũ Quốc Anh và TS Phan Thanh Lượng - đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn, đồng thời tôi cũng xin chân thành cảm ơn Phòng Sau đại học -Trường đại học Kiến trúc Hà Nội, cùng các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ, đóng góp nhiều ý kiến trong quá trình thực hiện luận văn này
Do năng lực và thời gian nghiên cứu có hạn nên luận văn không thể tránh khỏi sai sót, tôi mong muốn nhận được sự góp ý, chỉ bảo của thầy cô và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn
TÁC GIẢ LUẬN VĂN
Nguyễn Hữu Thắng
Trang 5LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ này 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 Hữu Thắng
Trang 6MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
PHẦN MỞ ĐẦU 1
* Lý do chọn đề tài 1
* Mục đích nghiên cứu 2
* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2
* Phương pháp nghiên cứu 2
* Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu 3
PHẦN NỘI DUNG 4
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ LÊN NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG THEO TIÊU CHUẨN MỸ, CHÂU ÂU VÀ VIỆT NAM 4
1.1 Tổng quan về gió và tác động của gió lên công trình 4
1.1.1 Tổng quan về gió 4
1.1.2 Tác động của gió lên công trình xây dựng 6
1.2 Nguyên lý tính tải trọng gió theo các tiêu chuẩn thiết kế 8
1.2.1 Tải trọng gió theo TCVN 2737:1995 8
1.2.2 Tải trọng gió theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1991-1-4 11
1.2.3 Tải trọng gió theo tiêu chuẩn Mỹ ASCE 7-10 26
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG GIÓ LÊN NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG THEO TIÊU CHUẨN MỸ, CHÂU ÂU VÀ VIỆT NAM 33
Trang 72.1 Tính toán tải trọng gió lên nhà công nghiệp một tầng theo TCVN 2737:1995 33
2.2 Tính toán tải trọng gió lên nhà công nghiệp một tầng theo EN 1991-1-4 37
2.2.1 Gió tác động lên công trình dạng hình chữ nhật 37
2.2.2 Hệ số khí động cho mái phẳng 40
2.2.3 Hệ số khí động cho mái dốc một chiều 42
2.2.4 Hệ số khí động cho mái dốc hai phía 45
2.2.5 Hệ số khí động cho mái dốc bốn phía 48
2.2.6 Mái răng cưa 50
2.2.7 Mái hiên trang trí 51
2.2.8 Lực ma sát 57
2.2.9 Hệ số khí động cho mái vòm và chỏm cầu 58
2.2.10 Nhận xét về tiêu chuẩn EN 1991-1-4 59
2.3 Tính toán tải trọng gió lên nhà công nghiệp một tầng theo ASCE 7-10 60
2.3.1 Áp lực gió đơn vị 60
2.3.2 Áp lực gió tác dụng lên hệ kết cấu khung thép nhà công nghiệp theo ASCE 7-10 62
2.3.3 Nhận xét về tiêu chuẩn ASCE 7-10 65
2.4 Tổng hợp so sánh giữa các tiêu chuẩn 66
CHƯƠNG 3: VÍ DỤ XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG GIÓ LÊN NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG THEO QUY TRÌNH TÍNH TOÁN CỦA CÁC TIÊU CHUẨN 68
3.1 Giả thiết các thông số đầu vào của công trình 68
3.2 Tính toán tải trọng gió tác dụng vào công trình theo tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 68 3.3 Tính toán tải trọng gió tác dụng vào công trình theo tiêu chuẩn EN 1991-1-4 70
Trang 83.4 Tính toán tải trọng gió tác dụng vào công trình theo tiêu chuẩn ASCE 7-10 76
3.4.1 Tính áp lực gió đơn vị 76
3.4.2 Tính áp lực gió tác dụng lên kết cấu 76
3.5 Tính toán với công trình có chiều cao và nhịp thay đổi 80
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81
KẾT LUẬN 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO 83
TIẾNG VIỆT 83
TIẾNG ANH 84
Trang 9DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU
Bảng 1 1: Giá trị áp lực gió theo bản đồ phân vùng áp lực gió trên lãnh thổ Việt
Nam (daN/m2)[1] 10
Bảng 1 2: Phân chia dạng địa hình[20] 12
Bảng 1 3: Áp lực gió tiêu chuẩn (W(20y,3”,B)) ứng với các vùng áp lực gió[3] 14
Bảng 1 4: Vận tốc gió tiêu chuẩn v(20y,3”,B) ứng với các vùng áp lực gió[7] 14
Bảng 1 5: Giá trị vận tốc gió cơ bản vb tương ứng với các vùng áp lực gió trên lãnh thổ Việt Nam [5] 15
Bảng 1 6: Giá trị Cr(z) theo chiều cao và các dạng địa hình [20] 17
Bảng 1 7: Giá trị Ce(z) theo chiều cao và các dạng địa hình[15] 18
Bảng 1 8: Áp lực gió tiêu chuẩn (qb) theo các vùng áp lực gió lãnh thổ Việt Nam 19 Bảng 1 9: Phân loại tầm quan trọng của công trình[12] 26
Bảng 1 10: Giá trị hệ số hướng gió Kd[17] 28
Bảng 1 11: Hệ số tầm quan trọng I[17] 29
Bảng 1 12: Các hệ số ảnh hưởng của địa hình[18] 30
Bảng 1 13: Hệ số vận tốc nén bề mặt Kh và Kz 30
Bảng 1 14: Các thông số cho sự tăng tốc gió khi qua đồi núi, vách đứng 32
Bảng 2 1: Bảng chỉ dẫn xác định hệ số khí động với nhà công nghiệp 2 mái dốc [1] 34
Bảng 2 2: Hệ số k tính đến sự thay đổi của áp lực gió theo độ cao và dạng địa hình[1] 35
Bảng 2 3: Hệ số khí động ngoài dọc các bức tường công trình hình chữ nhật 40
Bảng 2 4: Hệ số khí động bên ngoài cho mái phẳng 40
Bảng 2 5: Hệ số khí động bên ngoài cho mái dốc một chiều hướng gió 00, 1800 43
Bảng 2 6: Hệ số khí động bên ngoài cho mái dốc một chiều hướng gió 900 45
Bảng 2 7: Hệ số khí động bên ngoài cho mái dốc hai phía 45
Bảng 2 8: Hệ số khí động bên ngoài cho mái dốc nhiều phía 49
Bảng 2 9: Giá trị hệ số khí động cho mái hiên dốc một phía cp,net và cf 54
Bảng 2 10: Giá trị cho mái hiên dốc hai phía cp,net và cf 55
Trang 10Bảng 2 11: Hệ số giảm các yếu tố ψmc cho mái hiên đơn nguyên 57
Bảng 2 12: Hệ số ma sát cho các loại cấu kiện 57
Bảng 2 13: Giá trị các hệ số zg và α [10] 61
Bảng 2 14: Hệ số áp lực bên ngoài, trường hợp gió thổi theo phương ngang nhà[17] 63
Bảng 2 15: Giá trị hệ số áp lực bên ngoài, trường hợp gió thổi theo phương dọc nhà[17] 63
Bảng 2 16: Giá trị hệ số áp lực bên trong 64
Bảng 2 17: Các nhóm phân dạng địa hình 66
Bảng 2 18: Thông số xác định vận tốc gió cơ sở theo các tiêu chuẩn 67
Bảng 3 1: Tải trọng tác dụng khi gió thổi ngang nhà theo TCVN 2737:1995 69
Bảng 3 2: Tải trọng tác dụng khi gió thổi dọc nhà theo TCVN 2737:1995 70
Bảng 3 3: Tổng hợp tải trọng tác dụng lên mái, hướng gió 00, cpi = -0,3 73
Bảng 3 4: Tổng hợp tải trọng tác dụng lên tường và cột, hướng gió 00, cpi = -0,3 73
Bảng 3 5: Tổng hợp tải trọng tác dụng lên mái, hướng gió 900, cpi = -0,3 73
Bảng 3 6: Tải trọng tác dụng lên tường và cột, hướng gió 900, cpi = -0,3 74
Bảng 3 7: Tải trọng tác dụng khi gió thổi ngang nhà theo EN 1991-1-4 74
Bảng 3 8: Tải trọng tác dụng khi gió thổi dọc nhà theo EN 1991-1-4 75
Bảng 3 9: Hệ số áp lực ngoài GCpf và GCpi khi gió thổi ngang nhà 76
Bảng 3 10: Tải trọng tác dụng lên khung khi gió thổi ngang nhà theo ASCE 7-10 77 Bảng 3 11: Hệ số áp lực ngoài GCpf và GCpi khi gió thổi dọc nhà 78
Bảng 3 12: Tải trọng tác dụng lên khung khi gió thổi dọc nhà (ASCE 7-10) 78
Bảng 3 13: So sánh nội lực chân cột( L=18m; H=9m) 80
Bảng 3 14: So sánh nội lực chân cột( L=12m; H=12m) 80
Trang 11DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1 1: Đồ thị liên hệ vận tốc trung bình trong các khoảng thời gian [3] 15
Hình 1 2: Áp lực trên bề mặt [20] 20
Hình 1 3: Các hình dạng cấu trúc thuộc phạm vi áp dụng công thức (1.23) 23
Hình 2 1: Các vùng chịu áp lực cục bộ trên mái[1] 36
Hình 2 2: Chiều cao tham chiếu theo h, b và đường profile của áp lực gió[20] 38
Hình 2 3: Sơ đồ phân khu cho nhà hình chữ nhật[20] 39
Hình 2 4: Sơ đồ phân khu cho mái phẳng[21] 42
Hình 2 5: Sơ đồ phân khu cho mái dốc một chiều[20] 44
Hình 2 6: Sơ đồ phân khu cho mái dốc hai phía[20] 47
Hình 2 7: Sơ đồ phân khu cho mái dốc bốn phía[20] 50
Hình 2 8: Sơ đồ phân khu cho mái răng cưa[20] 51
Hình 2 9: Luồng không khí di chuyển qua các mái hiên[21] 52
Hình 2 10: Vị trí tập trung lực của mái hiên dốc một phía 53
Hình 2 11: Vị trí lực tập trung cho mái hiên dốc hai phía 53
Hình 2 12: Diện tích tham chiếu chịu ma sát do gió 58
Hình 2 13: Hệ số khí động bên ngoài cho mái vòm mặt bằng hình chữ nhật 58
Hình 2 14: Hệ số khí động bên ngoài cho chỏm cầu với mặt bằng hình tròn 59
Hình 2 15: Phân vùng áp lực gió lên hệ kết cấu, nhà 2 mái dốc, gió thổi theo phương ngang nhà và dọc nhà 62
Hình 2 16: Ảnh hưởng của vị trí ô mở đến hệ số áp lực bên trong 64
Hình 3 1: Sơ đồ tính khung ngang 68
Hình 3 2: Sơ đồ phân khu trường hợp gió thổi ngang nhà( trường hợp e d) 71
Hình 3 3: Sơ đồ phân khu mái dốc hai phía, trường hợp gió thổi ngang nhà 71
Trang 12PHẦN MỞ ĐẦU
* Lý do chọn đề tài
Để đáp ứng nhu cầu của xã hội, nhiều công trình xây dựng được mọc lên ở khắp mọi nơi, mọi miền trên thế giới cũng như ở Việt Nam Trong tính toán thiết kế công trình, người thiết kế cần tính toán kỹ lưỡng các loại tải trọng và tác động lên công trình, trong đó tải trọng do gió là một tải trọng tác động quan trọng cần tính đến Cho đến nay trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về gió bão và tác động của nó đến các công trình xây dựng,
đã có nhiều hội thảo quốc tế được tổ chức để bàn về vấn đề này
Ở Việt Nam hiện nay, có nhiều dự án có sự tham gia của tư vấn thiết kế nước ngoài Việc xác định tải trọng tác động theo tiêu chuẩn Việt Nam hay theo tiêu chuẩn nước ngoài để tính toán thiết kế sẽ dẫn đến cấu tạo khả năng chịu lực của công trình khác nhau, ảnh hưởng đến dự toán khi đầu tư xây dựng công trình Cách tính toán tải trọng gió có đặc điểm là phải lấy số liệu đầu vào ở từng nước, trong khi việc quy định và xử lý số liệu giữa các nước không giống nhau Khi thiết kế một công trình, các tiêu chuẩn đưa vào sử dụng đòi hỏi sự liên quan chặt chẽ với nhau về vật liệu, tải trọng khi đưa vào trong tính toán nghĩa là hệ thống tiêu chuẩn phải có tính đồng bộ cao Việc ban hành các tiêu chuẩn mới, mặc dù theo chủ trương thay thế dần dần hệ thống tiêu chuẩn cũ nhưng việc tồn tại đồng thời các tiêu chuẩn theo các hệ thống tiêu chuẩn thuộc các nước khác nhau đã gây ra những khó khăn nhất định trong việc sử dụng, áp dụng trong thực tế
Nhà công nghiệp một tầng là loại hình chiếm tỷ trọng lớn trong lĩnh vực xây dựng kết cấu thép ở Việt Nam Kiểu nhà này thường được sử dụng cho các xưởng sản xuất, xí nghiệp, nhà kho công nghiệp Kết cấu thép cho phép vượt nhịp lớn, dễ dàng sửa đổi, tăng cường và mở rộng Trong tính toán tải trọng tác động lên nhà công nghiệp một tầng, cũng không thể bỏ qua tác
Trang 132
động của gió Trong khuôn khổ luận văn, tác giả tập trung nghiên cứu quy trình tính toán tải trọng gió lên nhà công nghiệp một tầng theo tiêu chuẩn Mỹ, Châu Âu và Việt Nam Các yếu tố chính cần lưu ý đến khi tính toán là:
- Số liệu đưa vào để tính toán như: thời gian lấy trung bình và chu kỳ lặp của vận tốc gió cơ bản, điều kiện địa hình;
- Quy luật áp lực gió thay đổi theo độ cao và phụ thuộc vào độ nhám địa hình;
- Các hệ số tổ hợp tải trọng, hệ số độ tin cậy
* Mục đích nghiên cứu
Tìm hiểu phương pháp tính tải trọng gió lên nhà công nghiệp một tầng theo tiêu chuẩn Mỹ, Châu Âu và Việt Nam Áp dụng lên một công trình cụ thể, từ đó đưa ra nhận xét về các kết quả thu được theo các tiêu chuẩn trên
* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 2737:1995), Châu Âu (EN 1991-1-4), Mỹ (ASCE 7-10) và các quy chuẩn, tiêu chuẩn, quy định chuyên ngành khác có liên quan
- Phạm vi nghiên cứu: Trong luận văn chỉ nghiên cứu tính toán tải trọng gió lên nhà công nghiệp một tầng theo TCVN 2737:1995 và các tiêu chuẩn nước ngoài hay sử dụng ở Việt Nam, có thể phục vụ cho hướng soát xét TCVN 2737:1995 sau này, đó là: tiêu chuẩn Châu Âu (EN 1991-1-4), và tiêu chuẩn Mỹ (ASCE 7-10)
* Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: khảo sát bản chất lý thuyết của các tiêu chuẩn, các tham số ảnh hưởng của tải trọng gió lên nhà công nghiệp một tầng;
- Phương pháp nghiên cứu thực hành: từ việc áp dụng phương pháp xác định tác động của tải trọng gió theo các tiêu chuẩn, tiến hành tính toán với
Trang 14một công trình thực tế, từ đó phân tích, rút ra nhận xét
* Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
- Về mặt lý thuyết: xác định được cách tính tải trọng gió lên nhà công nghiệp một tầng theo tiêu chuẩn Mỹ ASCE 7-10; tiêu chuẩn Châu Âu EN 1991-1-4 và tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737:1995
- Về mặt thực tiễn: đưa ra các kiến nghị cho việc áp dụng các tiêu chuẩn này trong tính toán thiết kế thực tế các công trình nhà công nghiệp một tầng ở Việt Nam cũng như các đề xuất cho công tác điều chỉnh, soát xét tiêu chuẩn Việt Nam trong lĩnh vực này
Trang 15THÔNG BÁO
Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui
lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện
– Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội
Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội
TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN
Trang 16KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN
Luận văn tiến hành nghiên cứu tính toán tải trọng gió lên nhà công nghiệp một tầng theo tiêu chuẩn Mỹ, Châu Âu và Việt Nam, qua đó có một số kết luận sau:
- Khi vận dụng tiêu chuẩn Châu Âu, tiêu chuẩn Mỹ vào quy trình thiết
kế nhà công nghiệp ở Việt Nam, bắt đầu từ tính toán tải trọng, tính toán nội lực đến kiểm tính các cấu kiện chính, sẽ gặp khá nhiều điểm khác biệt so với TCVN, đặc biệt đối với tải trọng gió, sự khác biệt là rất rõ rệt
- Nguyên tắc xác định tải trọng gió lên khung theo ASCE 7-2010 xét nhiều trường hợp hơn so với TCVN 2737-1995 Người sử dụng có thể quy đổi vận tốc gió theo hai hệ tiêu chuẩn nhưng không thể quy đổi hệ số khí động Cách xác định hệ số khí động theo ASCE 7-10 xét cả ảnh hưởng của luồng gió đến toàn bộ không gian trong và ngoài nhà nên kết quả thu được chi tiết và rõ ràng hơn TCVN 2737:1995
- Định nghĩa, số lượng và cách phân chia dạng địa hình phụ thuộc điều kiện tự nhiên và khí hậu của mỗi nước, nên chỉ có thể chọn địa hình tương đối giống nhau giữa các tiêu chuẩn Vận tốc gió cơ bản và chu kỳ lặp có sự khác nhau giữa các tiêu chuẩn tùy thuộc vào điều kiện kỹ thuật cũng như số liệu thống kê về khí tượng thủy văn của từng nước
- Tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 và EN 1991-1-4 và ASCE 7-10 có sự khác biệt về cách xử lý số liệu và quan điểm tính toán nên kết quả tính toán tải trọng gió tác dụng vào công trình nhà công nghiệp một tầng theo các tiêu chuẩn này sẽ có sự sai khác Vì vậy, việc áp dụng tiêu chuẩn Mỹ và tiêu chuẩn Châu Âu vào tính toán tải trọng công trình cùng với tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành cần phải được nghiên cứu, cân nhắc kỹ để đảm bảo tính đồng
bộ cho hệ thống các tiêu chuẩn