Về tính toán tải trọng gió theo tiêu chuẩn Mỹ ASCE 7 - 05, ASCE 7 - 10 VÀ ASCE 7 - 16

Bài viết tìm hiểu về tính toán tải trọng gió theo tiêu chuẩn Mỹ ASCE các phiên bản 2005, 2010 và 2016. Mời các bạn cùng tham khảo bài viết để nắm chi tiết hơn nội dung nghiên cứu.

KẾT CẤU - CƠNG NGHỆ XÂY DỰNG VỀ TÍNH TỐN TẢI TRỌNG GIÓ THEO TIÊU CHUẨN MỸ ASCE - 05, ASCE - 10 VÀ ASCE - 16 ThS NGUYỄN MẠNH CƯỜNG, TS NGUYỄN HỒNG HẢI, TS NGUYỄN HỒNG HÀ Viện KHCN Xây dựng Tóm tắt: Bài báo tìm hiểu tính tốn tải trọng gió theo tiêu chuẩn Mỹ ASCE phiên 2005, 2010 2016 Từ khóa: Tải trọng gió, Hệ số tổ hợp, Hệ số độ tin cậy, ASCE 7-05, ASCE 7-10, ASCE 7-16 Abstract: The paper will research about the calculation of the wind loads based on ASCE 7-05, ASCE 7-10 and ASCE 7-16 standards Key word: Wind load, Combination factor, Importance factor, ASCE 7-05, ASCE 7-10, ASCE 7-16 Đặt vấn đề ASCE [1-3] họ tiêu chuẩn dẫn xác định tải trọng tối thiểu yếu tố khác liên quan áp dụng cho nhà kết cấu khác Hiệp hội Kỹ sư Xây dựng Mỹ (American Society of Civil Engineers - ASCE) biên soạn ban hành ASCE sử dụng phổ biến, không phạm vi nước Mỹ nhiều Quốc gia khác chấp thuận tham khảo Tiêu chuẩn thường xuyên soát xét cập nhật Các phiên ban hành gần - Bỏ hệ số tầm quan trọng theo phân cấp rủi ro cơng thức xác định áp lực gió; - - Áp dụng lại dạng địa hình D cho vùng hay có cuồng phong; - Thay đổi vị trí địa lý vận tốc gió qui định cho vùng hay có cuồng phong vùng “Wind borne Debris” (Vật thể bay gió gây ra); - việc tham khảo vận dụng tiêu chuẩn Mỹ nói chung ASCE nói riêng tính tốn thiết kế phổ biến Phiên ASCE 7-05 kỹ sư tư vấn Việt Nam tham khảo thời gian dài phiên ASCE 7-10 ban hành sử dụng thay Hiện nay, phiên ASCE 7-16 ban hành, chưa có nhiều tư vấn vận dụng, chủ yếu dựa theo phiên ASCE 7-05 ASCE 7-10 Đối với tải trọng gió, nội dung thay đổi lớn phiên ASCE 7-10, 7-16 so với phiên 7-05 việc đưa đồ phân vùng vận tốc gió theo phân cấp rủi ro, số thay đổi để phù hợp khác bao gồm: Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2020 Sửa đổi lại giá trị áp lực gió tối thiểu Ngồi ra, cịn số thay đổi khác như: thay đổi vùng đảo Hawaii (vùng gió đặc biệt), chu kỳ lặp tính tốn theo trạng thái sử dụng… Việc tìm hiểu điều chỉnh liên quan đến tải trọng gió phiên cần thiết thiết thực, giúp cho việc áp dụng xác Các điều chỉnh tải trọng gió ASCE 7-10, 7-16 so với ASCE 7-05 2.1 Về cơng thức xác định áp lực gió Áp lực gió độ cao z, “qz” xác định theo công thức đây: - gồm: ASCE 7-95, ASCE 7-98, ASCE 7-02, ASCE 7-05, ASCE 7-10 ASCE 7-16 Ở nước ta, Thay đổi hệ số tổ hợp tải trọng; Theo ASCE 7-05 qz = 0,613KzKztKdV2I (N/m2) Theo ASCE 7-10, 7-16 qz = 0,613KzKztKdV2 (N/m2) đó: (1) - (2) I - hệ số tầm quan trọng phụ thuộc vào phân cấp rủi ro cơng trình; Kd - hệ số hướng gió; Kz - hệ số thay đổi áp lực gió theo chiều cao dạng địa hình; Kzt - hệ số địa hình; V - vận tốc gió sở (m/s) Tuy nhiên, vận tốc gió sở ASCE 7-05 khác với phiên 2010 2016 Thực chất ASCE 7-10 7-16 V = LF * V(05) * I, LF=1,6, V(05) vận tốc gió sở 35, 50 năm quy định ASCE 7-05 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG I hệ số tầm quan trọng ASCE 7-10, 7-16 xác so với ASCE 7-05 vấn đề trình cấp rủi ro II, I = 1,15 cho cơng trình cấp rủi ro III IV Cả ASCE 7-05 ASCE 7-10, 7-16 phân cấp rủi cho cơng trình theo 04 cấp độ (Risk Category từ I đến IV) cấp IV cấp nguy hiểm Khi tính theo ASCE 7-05, hệ số tầm quan trọng tải trọng gió là: I = 1,00 cho cơng 2.2 Về hệ số tổ hợp tải trọng gió Hệ số tổ hợp tải trọng gió theo độ bền (LRFD) theo ứng suất cho phép (ASD) qui định ASCE 7-05 ASCE 7-10, 7-16 trích dẫn bảng 1, đây: Bảng Tổ hợp tải trọng theo độ bền – LRFD (phương pháp trạng thái giới hạn) Theo ASCE 7-05 1,2D + 1,6(Lr or S or R) + (L or 0,8W) 1,2D + 1,6W + L + 0,5 (Lr or S or R) 0,9D + 1,6W + 1,6H Theo ASCE 7-05 D + (W or 0,7E) D + 0,75(W or 0,7E) + 0,75L + 0,75(Lr or S or R) 0,6D + 1,0W Theo ASCE 7-10, 7-16 1,2D + 1,6(Lr or S or R) + (L or 0,5W) 1,2D + 1,0W + L + 0,5 (Lr or S or R) 0,9D + 1,0W Bảng Tổ hợp tải trọng theo ứng suất cho phép - ASD Ghi chú: bảng lược bỏ tải trọng F – tải trọng chất lỏng; H – áp lực ngang đất, nước ngầm, vật liệu chứa; T – lực tự căng) so với nguyên gốc Từ bảng cho thấy hệ số tổ hợp tải trọng ASCE 7-10 giảm 1,6 lần (hoặc xấp xỉ 1,6 lần - làm tròn số tổ hợp theo ASD) so với ASCE 7-05 2.3 Về áp dụng lại dạng địa hình D cho vùng hay có cuồng phong Phiên ASCE 7-10 sửa đổi định nghĩa dạng địa hình D Cụ thể: “Dạng địa hình D áp dụng độ nhám địa hình thoả mãn định nghĩa độ nhám bề mặt D (dạng địa hình phẳng, khơng bị cản trở mặt nước) chiếm ưu hướng đón gió với khoảng cách lớn 1524m hoặc 20 lần chiều cao cơng trình (tùy theo giá trị lớn hơn) Dạng địa hình D áp dụng kể với cơng trình có độ nhám mặt đất vị trí mặt đón gió B C khoảng cách 183m 20 lần chiều cao tòa nhà (tùy theo giá trị lớn hơn) Với cơng trình nằm vị trí chuyển tiếp dạng địa hình gây ảnh hưởng lớn áp dụng” Như vậy, khác với phiên ASCE 7-05, dạng địa hình D khơng áp dụng với khu vực có địa hình phẳng, mặt nước mở ngồi vùng hay có cuồng phong quy định ASCE 7-05 mà Theo ASCE 7-10, 7-16 D + (0,6W or 0,7E) D + 0,75(0,6W) + 0,75L + 0,75(Lr or S or R) 0,6D + 0.6W vùng miễn thoả mãn định nghĩa (dạng D gồm vùng hay có cuồng phong mà theo ASCE 7-05 qui định thuộc dạng địa hình C) 2.4 Về chu kỳ lặp vận tốc gió Theo ASCE 7-05 [1], vận tốc gió sở “V” là: Vận tốc gió giật trung bình giây, đo độ cao 10m từ mặt đất, dạng địa hình chuẩn C, trung bình xảy (chu kỳ lặp) 50 năm Theo ASCE 7-10 [2], vận tốc gió sở thay đổi: Vận tốc gió giật trung bình giây, đo độ cao 10m ứng với dạng địa hình chuẩn C, chu kỳ lặp lấy 300 năm với cơng trình cấp rủi ro I, 700 năm với cơng trình cấp rủi ro II 1700 năm với cơng trình cấp rủi ro III, IV Tới phiên ASCE 7-16 [3] có thêm điều chỉnh, tách riêng vận tốc gió sở với cơng trình cấp rủi ro III cấp rủi ro IV (chu kỳ lặp ứng với cơng trình cấp rủi ro III 1700 năm, với cấp rủi ro IV nâng lên 3000 năm) Đây khác mà kỹ sư cần nắm để áp dụng thiết kế 2.5 Về đồ phân vùng vận tốc gió sở Cả ASCE 7-05, ASCE 7-10, ASCE 7-16 đưa đồ phân vùng gió sở cho vùng (khu vực) thuộc Hoa Kỳ Số liệu vận tốc gió sở theo ASCE 7-05 thể đồ (hình 6–[1]) Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2020 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Số liệu vận tốc gió sở theo ASCE 7-10 thể 03 đồ phân vùng gió theo cấp độ rủi khác nhau, tương ứng theo chu kỳ lặp khác (hình 26.5–1A[2] cho cơng trình cấp rủi ro II (chu kỳ lặp 700 năm); hình 26.5–1B[2] cho cơng a) Vận tốc gió sở cho cơng trình Cấp rủi ro II (chu kỳ lặp 700 năm) trình cấp rủi ro III IV (chu kỳ lặp 1700 năm); hình 26.5–1C[2] cho cơng trình cấp rủi ro I (chu kỳ lặp 300 năm)) ASCE 7-16 thể số liệu vận tốc gió sở 04 đồ phân vùng (từ hình 26.5–1(2)A[3] đến hình 26.5–1(2)D[3]) b) Vận tốc gió sở cho cơng trình Cấp rủi ro III, IV (chu kỳ lặp 1700 năm) Hình Trích lược đồ vận tốc gió sở ASCE 7-10 Theo đồ chu kỳ lặp tải trọng gió đồ khác Giá trị vận tốc gió sở thay đổi đồ, đặc biệt với khu vực giáp bờ biển Đại Tây Dương Cơ sở hệ điều chỉnh 3.1 Về công thức xác định áp lực Hệ số tầm quan trọng sử dụng phiên ASCE để điều chỉnh giá trị vận tốc gió theo xác suất rủi ro xảy khác năm (chu kỳ lặp) Ví dụ, ASCE 7-05 qui định với cơng trình thiết yếu cơng trình có khả tạo mối nguy hiểm đáng kể cho tính mạng người trường hợp xảy hư hỏng (tương ứng cấp rủi ro III, IV) hệ số tầm quan trọng với tải trọng gió lấy 1,15 Như vậy, với vùng gió khơng hay xảy cuồng phong, cơng trình điều chỉnh chu kỳ lặp tương ứng từ 50 năm thành 100 năm (suy từ hệ số 1,15) Theo [10], việc sử dụng hệ số tầm quan trọng có ý nghĩa gần cho việc điều chỉnh chu kỳ lặp tải trọng gió mức độ thay đổi (độ dốc) vận tốc gió với đường cong chu kỳ lặp khác Trong lục địa, cuồng phong bị ảnh hưởng gia tăng vận tốc với chu kỳ lặp; tình không giải đầy đủ Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2020 việc sử dụng hệ số tầm quan trọng từ bảng cho sẵn Để khắc phục vấn đề này, ASCE 7-10, 7-16 định giá trị tầm quan trọng tải trọng gió 1,00 (bảng 1.5-1[2]) cho tất cấp rủi ro Do vậy, công thức xác định áp lực gió ASCE 7-10 lược bỏ hệ số “I” so với ASCE 7-05 vận tốc gió thiết kế lấy vận tốc cực hạn tương ứng với chu kỳ lặp theo phân cấp rủi ro (tra trực tiếp từ đồ gió mới) Bàn luận ảnh hưởng thay đổi đến kết tính tốn tải trọng gió xem phần bên 3.2 Về vận tốc đồ phân vùng vận tốc gió sở Như trình bày mục 2.5, vận tốc gió sở ASCE 7-10, 7-16 có thay đổi giá trị so với phiên trước Một lý dễ nhận thấy việc thay đổi có thay đổi “Chu kỳ lặp” ASCE sử dụng gió đầu vào vận tốc gió giật trung bình giây nên việc chuyển đổi vận tốc gió theo chu kỳ lặp khác áp dụng theo công thức ASCE ([1, 2] - Phần phụ lục gió): VT/V50 = 0,36 + 0,1 * ln(12 * T) (3) đó: KẾT CẤU - CƠNG NGHỆ XÂY DỰNG T - chu kỳ lặp tính “năm”; VT - vận tốc gió 3s, chu kỳ lặp “T” năm, độ cao 10m V50 - vận tốc gió 3s, chu kỳ lặp 50 năm, độ cao 10m Tính tốn theo cơng thức (3) với T là: 300, 700, 1700 3000 năm V xác định sau:  V300 = 1,18 * V50  V700 = 1,26 * V50  V1700 = 1,35 * V50  V3000 = 1,41 * V50 Như vậy, hệ số chuyển đổi vận tốc gió giây từ chu kỳ 50 năm sang chu kỳ 300 năm (cấp rủi ro I) 1,18; hệ số chuyển từ chu kỳ 50 năm sang chu kỳ 700 năm (cấp rủi ro II) 1,26; hệ số chuyển từ chu kỳ 50 năm sang chu kỳ 1700 năm (cấp rủi ro III, IV theo ASCE 7-10, cấp rủi ro III theo ASCE 7-16) 1,35 (Lưu ý: Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737-1995, vận tốc gió xác định gió giây với chu kỳ lặp 20 năm nên chuyển đổi phải kể thêm hệ số chuyển đổi từ V20 sang V50 - nhân thêm hệ số 1,10 – lấy từ công thức (3)) So sánh số liệu vận tốc gió sở đồ phân vùng gió ASCE 7-10 ASCE 7-16 cho thấy số liệu đồ phù hợp (có sai lệch nhỏ làm tròn số) với hệ số chuyển đổi tuyến tính tính tốn từ cơng thức (3) Đối chiếu giá trị vận tốc gió ASCE 7-05 với ASCE 7-10 cho thấy với khu vực bên lục địa bờ biển khơng thuộc vùng hay có cuồng phong Mỹ hiệu chỉnh theo phương pháp đại số tuyến tính với hệ số chuyển đổi phù hợp (sai lệch nhỏ làm trịn số) với tính tốn theo cơng thức (3) Với điều chỉnh vùng bờ biển hay có cuồng phong xem phân tích mục 3.3 Những thay đổi giá trị vận tốc sở hệ số tầm quan trọng làm ảnh hưởng trực tiếp đến áp lực gió tính Tuy nhiên, việc giảm 1,6 lần hệ số tổ hợp tải trọng gió so với ASCE 7-05 kết hợp để bù vào Từ dẫn đến áp lực gió thiết kế theo ASCE 7-10, 7-16 giống với tính tốn theo ASCE 7-05 cho khu vực bên lục địa vùng ven bờ biển không thuộc vùng hay xảy cuồng phong Hoa Kỳ (Hệ số chuyển đổi V700/V50=1,26 tương đương với giá trị ; Hệ số chuyển đổi V1700/V50=1,35 tương đương với giá trị , 1,15 giá trị hệ số tầm quan trọng áp dụng theo ASCE 7-05 cho cơng trình cấp rủi ro III, IV) Đánh giá chung: Việc ASCE 7-10, 7-16 thay đổi công thức tính tốn tải trọng gió đưa vào sử dụng đồ giá trị vận tốc gió cực hạn mang lại thiết kế tải trọng gió phù hợp với thiết kế tải trọng động đất chỗ chúng không sử dụng hệ số tổ hợp tải trọng tổ hợp thiết kế theo sức kháng (LRFD) Ngoài ra, việc giúp người sử dụng tránh số nhầm lẫn xảy liên quan đến vận tốc gió tính tốn, nhiều người sử dụng ASCE khơng có hiểu biết rõ việc chuyển đổi vận tốc gió theo chu kỳ lặp 3.3 Về thay đổi với vùng bờ biển hay có cuồng phong Trước phiên ASCE 7-98, dạng địa hình D thường xuyên giả định áp dụng cho gió thổi bên ngồi vùng nước mở bao gồm vùng bờ biển vùng hay có cuồng phong Tuy nhiên, ASCE 7-98 lần đưa việc áp dụng dạng địa hình C cho vùng bờ biển vùng hay có cuồng phong theo nghiên cứu thời điểm cho thấy độ nhám mặt biển tăng lên với việc tăng lên vận tốc gió Độ nhám định dạng địa hình C sau ASCE điều chỉnh để tương thích với nghiên cứu tìm [10] Những nghiên cứu sau độ nhám mặt biển với gió cao vùng hay xảy cuồng phong không tăng tuyến tính với việc gia tăng vận tốc gió Nghiên cứu cho thấy bề mặt nước biển có sức căng, hệ số khí động học mặt biển Thực tế giá trị độ nhám lớn ứng với vận tốc gió từ 60 mph đến 80 mph Ngồi ra, có số chứng hệ số sức căng mặt biển giảm với vận tốc gió cao hơn, đánh giá tượng “sủi bọt” bề mặt nước sau “phẳng mịn” Việc sử dụng dạng địa hình D cần thiết cho bề mặt nước mở bao gồm vùng hay xảy cuồng phong ASCE 7-10 khôi phục áp dụng dạng địa hình D cho vùng hay xảy cuồng phong (khác với phiên trước) Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2020 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG So với dạng địa hình C dạng địa hình D có thay đổi lớn giá trị hệ số k z (áp lực gió theo chiều cao) Ví dụ độ cao 33ft (~10m) hệ số k z với dạng địa hình C 0,98; dạng địa hình D 1,16 (tăng 18%) nên áp lực gió tính với dạng địa hình D tăng theo so với tính tốn dạng địa hình C (Ở độ cao khác tham khảo bảng 27.3-1[2]) Vì ASCE 710 giảm vận tốc gió sở số khu vực bờ biển Đại Tây Dương so với phiên cũ Giá trị vận tốc gió sở cho vùng bờ biển khu vực hay có cuồng phong ASCE 7-10 qui định chi tiết theo địa danh cho bảng C26.5-3[2] Hình So sánh vận tốc gió ASCE 7-10 ASCE 7-05 [nguồn [10]) Việc thay đổi vận tốc gió sở dẫn đến khu vực hay xảy cuồng phong ASCE 7-10 giảm so với phiên cũ (Một số khu vực phía Đơng Nam nước Mỹ bao gồm: Georgia, South Carolina, Alabama Mississippi) Hình Bản đồ phân vùng hay có cuồng phong theo ASCE (Nguồn FEMA, P-804) Kết luận kiến nghị - Bài báo trình bày thay đổi tính tốn tải trọng gió tác dụng vào nhà cơng trình phiên ASCE 7-05 ASCE 7-10, 7-16, phiên sau không sử dụng hệ số tổ hợp hệ số tầm quan trọng (LF=1, I=1) thay Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2020 yếu tố vào vận tốc gió tương ứng với chu kỳ lặp lớn tương ứng với tầm quan trọng cơng trình Vì vậy, thiết kế nhà cơng trình Việt Nam sử dụng tiêu chuẩn Mỹ nên áp dụng ASCE 7-05 thay phiên cần phải chuyển đổi vận tốc gió theo chu kỳ KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG lặp lớn; and Other Structures - American Society of Civil - Khi vận dụng ASCE 7-05 vào tính tốn tải trọng gió cho cơng trình Việt Nam cần lưu ý: kể đến hệ số tầm quan trọng cơng trình, hệ số tổ hợp tải trọng gió (1,6 tổ hợp theo LRFD) chuyển đổi vận tốc gió sở theo chu kỳ lặp 50 năm; Khi vận dụng theo ASCE 7-10, 7-16 cần lưu ý vận tốc gió sử dụng vận tốc gió cực hạn phụ thuộc theo phân cấp rủi ro cơng trình; Enginneers, 1801 Alexander Bell Drive Reston, - Các tiêu chuẩn nước thường xuyên cập nhật (Tiêu chuẩn Mỹ thường với chu kỳ đến năm) Để đảm bảo tính thực tiễn tiện dụng, quan quản lý, biên soạn Quy chuẩn, Tiêu chuẩn Việt Nam nên thường xuyên soát xét cập nhật Quy chuẩn, Tiêu chuẩn, đặc biệt QCVN 02:2009/BXD, QCVN 03:2012/BXD tiêu chuẩn TCVN 2737:1995, TCVN 9386:2012; - Cách thức soát xét cập nhật tiêu chuẩn người Mỹ phân tích báo sở để tham khảo áp dụng cho Việt Nam: + Nên có qui định rõ ràng phân cấp cơng trình có lưu ý đến mức độ rủi ro hay tầm quan trọng; Virginia 20191, USA Criteria for Buildings and Other Structures American TÀI LIỆU THAM KHẢO Society of Civil Enginneers, 1801 Alexander Bell Drive Reston, Virginia 20191, USA ASCE 7-95, Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures - American Society of Civil Enginneers, 1801 Alexander Bell Drive Reston, Virginia 20191, USA ASCE 7-98, Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures - American Society of Civil Enginneers, 1801 Alexander Bell Drive Reston, Virginia 20191, USA ASCE 7-02, Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures - American Society of Civil Enginneers, 1801 Alexander Bell Drive Reston, Virginia 20191, USA QCVN 02:2009/BXD, Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia số liệu điều kiện tự nhiên dùng xây dựng QCVN 03:2012/BXD, Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia nguyên tắc phân loại, phân cấp cơng trình dân + Rà sốt cập nhật số liệu vận tốc gió sở; + Dạng địa hình yếu tố có khả biến động vịng tuổi thọ cơng trình nên việc soát xét nên trọng đến yếu tố ASCE 7-16, Minimum Design Loads and Associated dụng, công nghiệp hạ tầng kỹ thuật TCVN 2737:1995, Tải trọng tác động - Tiêu chuẩn thiết kế - NXB Xây dựng, Hà Nội, Việt Nam 10 Staffordf, T.E (2011), ASCE 7-10 Significant Changes to the Wind load Provisions of ASCE 7-10, ASCE 7-05, Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures - American Society of Civil Enginneers, 1801 Alexander Bell Drive Reston, Virginia 20191, USA Ngày nhận bài: 04/11/2019 ASCE 7-10, Minimum Design Loads for Buildings Ngày nhận lần cuối: 26/2/2020 Structures Congress 2011 © ASCE 2011 – 1630, USA Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2020 ...KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG I hệ số tầm quan trọng ASCE 7- 10, 7- 16 xác so với ASCE 7- 05 vấn đề trình cấp rủi ro II, I = 1,15 cho cơng trình cấp rủi ro III IV Cả ASCE 7- 05 ASCE 7- 10, 7- 16 phân... việc giảm 1,6 lần hệ số tổ hợp tải trọng gió so với ASCE 7- 05 kết hợp để bù vào Từ dẫn đến áp lực gió thiết kế theo ASCE 7- 10, 7- 16 giống với tính tốn theo ASCE 7- 05 cho khu vực bên lục địa vùng... 273 7:1995, Tải trọng tác động - Tiêu chuẩn thiết kế - NXB Xây dựng, Hà Nội, Việt Nam 10 Staffordf, T.E (2011), ASCE 7- 10 Significant Changes to the Wind load Provisions of ASCE 7- 10, ASCE 7- 05,