Trong các công trình xây dựng, chúng luôn phải đồng thời chịu tải trọng đứng và tải trọng ngang. [1] Đối với các công trình thấp tầng, ảnh hưởng do tải trọng ngang sinh ra rất nhỏ, công trình chủ yếu được thiết kế để chống lại tải trọng đứng. Theo sự gia tăng của chiều cao, nội lực và chuyển vị của công
trình do tải trọng ngang (do tải trọng gió hoặc tác động của tải trọng động đất) gây ra tăng lên rất nhanh. Nếu xem công trình như một thanh công xon ngàm vào móng, mômen do tải trọng ngang sẽ tỷ lệ thuận với bình phương chiều cao trong khi lực dọc chỉ tỷ lệ với chiều cao
= (nếu tải trọng phân bố đều)
= (nếu tải trọng phân bố hình tam giác)
Chuyển vị ngang do tải trọng ngang sinh ra cũng tỷ lệ với lũy thừa bậc 4 của chiều cao:
∆= (nếu tải trọng phân bố đều)
∆= (nếu tải trọng phân bố hình tam giác)
Do vậy khi tính toán thiết kế nhà cao tầng, tải trọng ngang trở thành nhân tố chủ yếu cần xem xét kỹ
1) Xác định tải trọng thẳng đứng:
- Tĩnh tải: bao gồm các tải trọng như trọng lượng bản thân các cấu kiện, tải trọng tiêu chuẩn của các lớp vật liệu sàn và các tường nhân với hệ số độ tin cậy (được xác định theo TCXDVN 2737-1995)
- Hoạt tải: Căn cứ vào tính năng sử dụng của các loại phòng khác nhau xác định được hoạt tải tiêu chuẩn cho từng phòng, sau đó nhân với hệ số độ tin cậy (được xác định theo TCXDVN 2737-1995)
=> Căn cứ vào kích thước là liên kết giữa sàn với các dầm xung quanh, các tải trọng tác dụng lên sàn theo m2 sẽ được phân phối về các dầm theo các hệ số tương đương
2) Xác định tải trọng ngang:
Tải trọng ngang tác động lên nhà cao tầng gồm: tải trọng gió và tải trọng động đất.
a) Xác định tải trọng gió [17]
Tải trọng gió gồm 2 thành phần: Thành phần tĩnh và thành phần động. Theo TCVN 2737:1995 quy định, đối với nhà có H < 40m và xây dựng trong khu vực có dạng địa hình A và B thì chỉ cần tính toán với thành phần tĩnh của tải trọng gió. Khi H 40m thì cần tính toán với cả thành phần tĩnh và thành phần động.
*) Thành phần tĩnh của tải trọng gió được xác định theo công thức:
= . . (2.1)
Trong đó:
- W0: áp lực gió lấy theo bản đồ phân vùng
- K : Hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió theo thời gian - C : Hệ số khí động
*) Thành phần động của tải trọng gió được xác định theo công thức sau:
= . . (2.2)
Trong đó:
- W: Giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của tải trọng gió tại độ cao đang tính toán
- : Hệ số áp lực động của tải trọng gió được xác định theo TCVN 2737-1995
- : Hệ số tương quan không gian áp lực động của tải trọng gió
Đối với trường hợp ≤ < và các công trình có mặt bằng đối xứng với < , thành phần động của tải trọng gió được xác định:
= . . . (2.3)
Trong đó:
- f1, f2: Giá trị tần số dao động riêng thứ nhất và thứ hai của công trình - fL: Tần số dao động giới hạn (bảng 9 - TCVN 2737:1995)
- : Hệ số động lực được xác định theo TCVN 2737:1995 - m: Khối lượng của phần nhà có trọng tâm ở cao độ z
- y: Chuyển vị của công trình tại cao độ z ứng với dạng dao động thứ nhất
- : Hệ số được xác định bằng cách chia công trình thành các phần mà trong phạm vi mỗi phần tải trọng gió không đổi
Đối với trường hợp f < f cần tính toán động lực có kể đến s dạng dao động đầu tiên, s được xác định theo điều kiệnf < f < f
Khi nhà có độ cứng, khối lượng và bề mặt rộng đón gió không đổi theo chiều cao, giá trị tiêu chuẩn thành phần động của tải trọng gió ở độ cao z có thể xác định theo công thức:
= 1,4. . . (2.4)
Trong đó:
- H: Chiều cao của công trình
- : Giá trị thành phần động của tải trọng gió tại đỉnh nhà được xác định theo công thức (2.2)
Tải trọng gió tác động lên công trình phải kể đến 2 thành phần: áp lực pháp tuyến We và lực ma sát tác dụng theo phương tiếp tuyến với mặt ngoài công trình Wf. Trong đó áp lực pháp tuyến được chia thành Wx và Wy.
b) Xác định tải trọng động đất
Động đất là những rung động tự nhiên của vỏ trái đất có phương hướng và cường độ thay đổi theo thời gian. Trong thời gian động đất, chuyển động của đất nền sẽ gây ra lực quán tính ở các bộ phận công trình. Như vậy động đất không chỉ ảnh hưởng trực tiếp tới nền móng công trình mà còn gây dao động, biến dạng kết cấu phần thân nhà.
Trong thiết kế nhà cao tầng ở vùng có động đất, nhất thiết phải tính toán đến tải trọng này. Đối với các công trình nhà cao tầng, cần phải xét đến cả 2 thành phần là tải đứng do thành phần lực quán tính thẳng đứng và tải ngang do thành phần lực quán tính nằm ngang của tải trọng động đất tác động lên công trình.
Việc xác định tải trọng động đất tác dụng lên công trình khá phức tạp và phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố khác nhau như nền đất, tính chất động học của công trình, tính chất tác động của địa chấn,...
Tải trọng động đất có nhiều phương pháp tính toán khác nhau như: - Phương pháp tĩnh lực: Thay thế các lực động đất thực tác dụng lên công trình bằng các lực tĩnh ảo có hiệu ứng tương đương nên còn gọi la phương pháp tải trọng ngang thay thế. Phương pháp này tương đối đơn giản.
- Phương pháp giải tích
- Phương pháp động học dựa trên phổ phản ứng: Xác định trực tiếp trạng thái ứng suất- biến dạng các kết cấu chịu tải từ gia tốc do ghi được chuyển động của nền đất khi động đất xảy ra
Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, tải trọng ngang tác động lên công trình chỉ là thành phần tĩnh của tải trọng gió.