Tính toán tải trọng gió theo các tiêu chuẩn khác nhau

-1- PHẦN MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Việt Nam đang trong thời kỳ hội nhập thế giới, nền kinh tế mở gắn liền với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nhu cầu phát triển nhà ở, khách sạn, chung cư…tăng cao. Nhà cao tầng phát triển khắp các tỉnh, thành phố trong cả nước làm cho bộ mặt đô thị ngày càng đổi mới không ngừng. Việc phát triển nhà cao tầng là một tất yếu hiện nay để đáp ứng nhu cầu nhà ở do dân số tăng cao, diện tích đất xây dựng thiếu trầm trọng và giá đất xây dựng tăng cao. Khi thiết kế nhà cao tầng bên cạnh việc thiết kế kiến trúc người kỹ sư cần lưu ý việc thiết kế kết cấu cho công trình, nó giữ vai trò quyết định đến khả năng chịu lực, bền vững và ổn định cho công trình. Một trong những vấn đề mà người thiết kế cần quan tâm đó là việc xác định tải trọng ngang ( tải trọng gió tĩnh + gió động, động đất ) là yếu tố quyết định đến nội lực và chuyển vị của công trình. Đó là lý do để chúng tôi chọn đề tài “Tính toán tải trọng gió theo các tiêu chuẩn khác nhau” 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - Khảo sát sự ảnh hưởng của tải trọng ngang, đặc biệt là tải trọng gió tác động vào nhà cao tầng. - Trình bày cách tính toán tải trọng gió theo ba tiêu chuẩn để thấy được phương pháp tổ hợp tải trọng gió khác nhau như thế nào? - So sánh và đánh giá cách ứng xử của kết cấu dưới tác động của tải trọng gió thông qua diện tích cốt thép. 3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phương pháp giải tích, phương pháp so sánh. 4. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Đối tượng nghiên cứu: Tải trọng gió ( thành phần tĩnh và động ) tác động vào công trình nhà cao tầng ở Việt Nam. -2- - Phạm vi nghiên cứu: + Thời gian nghiên cứu: tháng 07 đến tháng 11 năm 2012. + Không gian nghiên cứu: Công ty TNHH ĐT & XD Trường Thành Phát. 5. TÍNH KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI Đề tài này được thực hiện bởi kiến thức của nhiều môn học của ngành xây dựng như: - Lý thuyết về tải trọng gió theo TCVN 2737: 1995 , TCXD 229: 1999 và các TC nước ngoài như: Tiêu chuẩn Anh BS 6399 Part 2: 1995, Tiêu chuẩn Mỹ ASCE7-98 ) để đưa các công thức tính toán phù hợp với nội dung đề tài. - Sử dụng phần mềm Etabs để dựng mô hình  giải nội lực  tính cốt thép. 6. CẤU TRÚC ĐỀ TÀI Ngoài phần mở đầu, đề tài nghiên cứu gồm 5 chương: - Chương 1: Cơ sở lý thuyết về tải trọng gió - Chương 2: Tính toán tải trọng gió theo TCVN 2737 – 1995 và chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió theo TCXD 229: 1999 - Chương 3: Tính toán tải trọng gió theo TC Anh - Chương 4: Tính toán tải trọng gió theo TC Mỹ - Chương 5: So sánh và đánh giá kết quả tính toán tải trọng gió -3- PHẦN NỘI DUNG Chƣơng 1: Cơ sở lý thuyết về tải trọng gió 1.1 Khái niệm về tải trọng gió Tải trọng gió tác động lên công trình là lực đẩy ngang của gió tác động vào công trình. [10] Hình 1.1 Một số hình ảnh về tải trọng gió -4- 1.2 Một số nguyên tắc cơ bản để tính toán gió theo TCVN 2737-1995 Tải trọng gió gồm hai thành phần: thành phần tĩnh và thành phần động. Giá trị và phương tính toán của thành phần tĩnh tải trọng gió được xác định theo các điều khoản ghi trong tiêu chuẩn tải trọng và tác động TCVN 2337 : 1995. Thành phần động của tải trọng gió được xác định theo các phương tương ứng với phương tính toán thành phần tĩnh của tải trọng gió. Thành phần động của tải trọng gió tác động lên công trình là lực do xung vận tốc gió và lực quán tính của công trình gây ra. Giá trị của lực này được xác định trên cơ sở thành phần tĩnh của tải trọng gió nhân với hệ số có kể đến ảnh hưởng của xung vận tốc gió và lực quán tính của công trình. Việc tính toán công trình chịu tác dụng động lực của tải trọng gió bao gồm: Xác định thành phần động của tải trọng gió và phản ứng của công trình do thành phần động của tải trọng gió gây ra ứng với từng dạng dao động. 1.3 Dao động công trình 1.3.1 Khái niệm về dao động công trình [9] Thông thường, người ta gọi chuyển động qua lại nhiều lần của vật thể ở gần vị trí cân bằng của nó là dao động. Đây là một dạng chuyển động tồn tại rất phổ biến trong giới tự nhiên. Dao động cũng thường gặp trong kỹ thuật công trình, ví dụ xe cộ qua cầu khiến cho cầu dao động, ngôi nhà chịu tác động của gió cũng sinh ra dao động. Bất kỳ một kết cấu công trình nào cũng có thể sinh ra dao động dưới ảnh hưởng của một loại nhân tố tác động nào đó. Dao động của kết cấu có thể phân ra 2 loại: dao động tự do (còn gọi là dao động riêng) và dao động cưỡng bức. -5- Dao động riêng (tức dao động tự do) là: khi kết cấu chịu tác động của một loại nhiễu động nào đó mà sinh ra dao động rồi khi không còn ngoại lực nữa mà chỉ dao động dưới tác động của lực hồi phục đàn hồi của bản thân hệ mà thôi. Dao động cưỡng bức là chỉ dao động của kết cấu sinh ra do tác động được duy trì của một lực cưỡng bức bên ngoài biến thiên theo một quy luật nhất định. 1.3.2 Tần số dao động riêng Tần số dao động riêng là số lần dao động hoàn chỉnh trong một giây không kể đến lực tác động bên ngoài hệ. 1.3.3 Dạng dao động ( ứng với các tần số dao dộng riêng ) Khảo sát dao động uốn của dầm theo mô hình hệ không liên tục (hệ có n bậc tự do). Dao động uốn của dầm (còn gọi là dao dộng ngang tức là dao động theo phương vuông góc với trục dầm) do các khối lượng tập trung ở một số điểm nút (đưa khối lượng dầm về một số điểm tập trung) m i (i = 1÷ n) => sẽ có n tọa độ suy rộng (tương ứng sẽ là n dịch chuyển theo phương vuông góc với trục dầm hay n chuyển vị thẳng đứng) Hình 1.2 Mô hình dao động uốn của dầm có n bậc tự do 1.3.3.1 Thiết lập phƣơng trình vi phân mô tả dao động riêng theo phƣơng pháp lực Xét dao động ngang. Để đơn giản, giả sử nghiên cứu trường hợp n = 2 (Hệ có 2 bậc tự do) -6- Hình 1.3 Mô hình dao động uốn của dầm có 2 bậc tự do Khi hệ dao động thì tại mỗi khối lượng thứ i (m i ) chỉ có lực quán tính ii my tác dụng. Lúc này chuyển vị của các khối lượng sẽ là: 1 1 1 11 2 2 12 2 1 1 21 2 2 22 y m y m y y m y m y            (1.1) (ta lấy dấu trừ vì lực quán tính ngược chiều của chuyển vị) Trong đó: ij  là chuyển dịch của khối lượng m i gây ra bởi lực bằng đơn vị ( P k =1 ) tác dụng tại khối lượng m j theo phương trục Oy. Nếu biểu diễn (1.1) dưới dạng ma trận thì (1.1) trở thành: 11 11 12 1 21 22 2 22 0 0 yy m m yy                         (1.2) Phần chứng minh ma trận (1.2) bên trên: 11 11 1 12 11 12 2 21 1 22 21 22 2 22 00 00 yy mm mm yy                                 (1.2.1) 11 11 1 12 2 21 1 22 2 22 yy mm mm yy                   (1.2.2) Hay Y C M Y (1.3) Y C M Y (1.4) Với: 1 2 1 2 y Y y y Y y         -7- 11 12 21 22 C       được gọi là ma trận mềm của hệ; 1 2 0 0 m M m     được gọi là ma trận khối lượng của hệ; Nhân trái phương trình (1.4) cho 1 KC   (Ma trận K được gọi là ma trận độ cứng và 1 KC   đã được chứng minh trong môn cơ học kết cấu). 1 (1.4) . . 0KY C C MY     0MY KY   (1.5) 1.3.3.2 Thiết lập phƣơng trình tần số để xác định các tần số dao động riêng và các dạng dao động riêng của hệ Nghiệm 1 y , 2 y của hệ có thể viết dưới dạng dao động điều hòa như sau: 1 1 1 1 2 2 2 2 sin sin sin y A t y A t y A t y A                   (1.6) 2 1 1 1 1 2 2 22 22 sin sin sin y A t y A t yA y A t                          (1.7) Hay (1.7) có dạng 2 .YY   (1.8) Thay (1.8) vào (1.5) ta có: 2 .0KY MY      2 ( ) 0K M Y   (1.9) Hay viết dưới dạng bình thường: 1 11 12 1 2 21 22 2 2 0 0 0 0 y k k m k k m y                          1 11 12 1 2 21 22 2 2 0 0 sin 0 0 A k k m t k k m A                            (1.10) Đặt: 2   -8- 1 11 12 1 21 22 2 2 0 0 sin 0 0 A k k m t k k m A                            1 11 1 12 21 22 2 2 0 sin 0 A k m k t k k m A                     (1.11) Để tồn tại dao động thì sin 0t   1 11 1 12 21 22 2 2 0 0 A k m k k k m A                    (1.12) Để không tồn tại nghiệm tầm thường, 1 2 0 0 A A          , thì ta cần điều kiện 11 1 12 21 22 2 det 0 k m k k k m            (1.13) Phương trình (1.13) được gọi là phương trình tần số hay phương trình đặc trưng Khai triển (1.13), ta có: 11 1 22 2 21 12 ( )( ) 0k m k m k k      2 1 2 11 2 22 1 11 22 21 12 ( ) 0m m k m k m k k k k        (1.14) Đây là phương trình bậc hai với hai nghiệm là 1  và 2  (đối với hệ dao động tuyến tính thì ta luôn tìm được nghiệm thực và dương).  Hệ có hai bậc tự do thì sẽ tồn tại 2 dạng dao động 11 1 22 1 sin yA t yA               và 11 2 22 1 sin yA t yA               Hay 11 11 1 21 21 1 sin sin y A t y A t        (Dạng dao động riêng thứ 1) 12 12 2 22 22 2 sin sin y A t y A t        (Dạng dao động riêng thứ 2)  Khái quát hóa: hệ có n bậc tự do thì có n dạng dao động riêng. -9- Chƣơng 2: Tính toán tải trọng gió theo TCVN 2737 – 1995 và Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió theo TCXD 229: 1999 2.1 Tính toán thành phần gió tĩnh Giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của tải trọng gió W ở độ cao Z so với mốc chuẩn được xác định theo công thức: W = W 0 × k × c (2.1) Trong đó: + W 0 : giá trị của áp lực gió theo bản đồ phân vùng lấy theo bảng 2.1 + k: hệ số tính đến sự thay đổi cảu áp lực gió theo độ cao lấy theo bảng 2.2 + c: hệ số khí động + Hệ số độ tin cậy của tải trọng gió lấy bằng 1,2 Bảng 2.1 Giá trị áp lực gió theo bản đồ phân vùng áp lực gió trên lãnh thổ Việt Nam Vùng áp lực gió trên bản đồ Sự ảnh hưởng của bão Áp lực gió W 0 ( daN/m 2 ) I - A Không 65 ( Vùng núi, đồi, đồng bằng và các thung lũng ) 55 ( Các vùng còn lại) II - A Yếu 83 II - B Khá mạnh 95 III - A Yếu 110 III - B Mạnh 125 IV - B Rất mạnh 155 V - B Rất mạnh 185 -10- Ghi chú: + Khu vực I-A : gồm các tỉnh vùng rừng núi phía Bắc như: Cao Bằng, Hà Giang, Lai Châu, Lạng Sơn, Lào Cai, Sơn La, Tuyên Quang, Yên Bái; các tỉnh vùng cao nguyên Trung Bộ như: Kon Tum, Gia Lai, Đắc Lắc, Lâm Đồng, Đồng Nai; các tỉnh phía Tây Nam Bộ như: An Giang, Đồng Tháp… + Khu vực II-A: gồm thành phố Hồ Chí Minh, Khánh Hòa và các tỉnh miền Đông Nam Bộ như: Bà Rịa – Vũng Tàu, Long An, Bến Tre, Tiền Giang, Sóc Trăng, Trà Vinh, Vĩnh Long, Cần Thơ, Bạc Liêu, Cà Mau… + Khu vực II-B: gồm thành phố Hà Nội, các tỉnh Bắc Giang, Bắc Ninh, Hà Tây và một số vùng phụ cận Hà Nội như: Hải Dương, Hưng Yên, Hòa Bình, Vĩnh Phúc, Phú Thọ…và một số tỉnh vùng đồng bằng miền Trung như: Quảng Trị, Thừa – Thiên Huế, Quảng Nam, Đà Nẵng, Quảng Ngãi… + Khu vực III-B: gồm một số vùng của các tỉnh Bắc Bộ như: Hải Dương, Hưng Yên, Nam Định, Hà Nam, Ninh Bình, vùng đồng bằng Thanh Hóa, một số vùng ven biển của Quảng Ninh và các tỉnh miền Trung như: Nghệ An, Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa – Thiên Huế, Quảng Nam, Đà Nẵng, Quảng Ngãi, Phú Yên… + Khu vực IV-B: gồm các tỉnh Thái Bình, Hải Phòng và một số vùng ven biển Bắc Bộ và Trung Bộ như: Nam Định, Hà Nam, Ninh Bình, Thanh Hóa, Hà Tĩnh… + Khu vực V-B: là các khu vực ở ngoài hải đảo như: Trường Sa, Hoàng Sa… + Đối với vùng ảnh hưởng của bão được đánh giá là yếu, giá trị của áp lực gió W 0 được giảm đi 10 daN/m 2 đối với vùng I-A , 12 daN/m 2 đối với vùng II-A và 15 daN/m 2 đối với vùng III-A . + Công trình ở vùng núi và hải đảo có cùng độ cao, cùng dạng địa hình và ở sát cạnh các trạm quan trắc khí tượng có trong bảng trên thì giá trị áp lực gió tính toán được lấy theo trị số độc lập của trạm đó. + Nhà và công trình xây dựng ở vùng có địa hình phức tạp ( hẻm núi, giữa hai dãy núi song song, các cửa đèo…) giá trị của áp lực gió W 0 phải lấy theo số liệu của Tổng cục