Luận văn “Tính toán tải trọng gió lên nhà Cao tầng theo tiêu chuẩn Châu Âu.” của tác giả Nguyễn Mạnh Cường (2011 ), chuyên ngành Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp, Khoa Sau Đại học – Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội nói về tiêu chuẩn Châu Âu lấy vận tốc gió giá trị vận trung bình 10 giây với chu kỳ lặp 50 năm, tiêu chuẩn Châu Âu xác định hệ số thay đổi áp lực gió theo độ cao dạng địa hình. Ngoài ra, tính toán tải trọng gió lên công trính theo Châu Âu , tùy thuộc vào kích thước công trình thay đổi áp lực gió theo độ cao dạng địa hình sở hàm logarit có xét thêm đến ảnh hưởng rối dòng gió. Mục đích của luận văn này là nghiên cứu đểđưa ra quy trình tính toán tải trọng gió tác dụng lên kết cấu nhà cao tầng theo phương gió thổi, nghiên cứu các công thức chuyển đổi và điều chỉnh cần thiết khác khi áp dụng tiêu chuẩn tính toán công trình tại Việt Nam và đánh giá, nhận xét kết quả tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình tính toán theo tiêu chuẩn Châu Âu và tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành (
TCVN 2737:1995). Việc nghiên cứu tiêu chuẩn Châu Âu và đưa ra chỉ dẫn tính toán chi tiết là rất cần thiết.Nhưng đây là một vấn đề phức tạp, để hiểu và vận ụng cho đúng là rất khó không chỉ đối với các kỹ sư thiết kế mà còn đối với các nhà khoa học nên cần có thời gian đầu tư nghiên cứu. Hướng nghiên cứu này nhằm làm sáng tỏ về vấn đề vận dụng tiêu chuẩn Châu Âu để tính toán tải trọng gió vào công trình mà điển hình là nhà cao tầng với các điều kiện đặc thù của Việt Nam.
Luận văn “ Xét sự phân bố nội lực trong vách cứng nhà cao tầng chịu tải trọng gió” của tác giả Nguyễn Quang Tùng (2008), ngành Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp, Trường Đại học Bách khoa với mục đích của đề tài là tìm hiểu ảnh hưởng của dao dộng xoắn đến hệ kết cấu nhà cao tầng chịu tải trọng gió bằng lý thuyết vá sử dụng phần mềm ETABS 9.7 để khảo sát nội lực trong một số vách cứng. Do tính chất thay đổi bất thường của gió, nên dù công trình có kết cấu đối xứng vẫn xảy ra hiện tượng xoắn. Cho đến nay, trong tiêu chuẩn tính toán tải trọng gió của Việt Nam vẫn chưa quan tâm nhiều đến thành phần xoắn của tải trọng gió. Vì vậy việc nghiên cứu tìm ra ảnh hưởng của hiện tượng xoắn do gió đến sự phân bố nội lực lên vách cứng nhà cao tầng là cần thiết, nhằm góp phần vào việc tính toán thiết kế nhà cao tầng được an toàn, hiệu quả hơn.
Đề tài “Tính toán tải trọng gió tác dụng lên hệ mặt dựng kính theo tiêu chuẩn Việt Nam, Hoa Kỳ và Châu Âu” của ThS. Nguyễn Mạnh Cường, ThS. Đỗ Hoàng Lâm, ThS. Nguyễn Hồng Hải thuộc viện KHCN xây dựng và ThS. Đại úy Đặng Sỹ Kân đại học phòng cháy chữa cháy nghiên cứu về Hệ thống tiêu chuẩn của Việt Nam hiện chưa có hướng dẫn đầy đủ về tính toán áp lực gió lên hệ mặt dựng kính và thiết kế kết cấu nhôm nên gây ra khó khăn nhất định trong việc thiết kế. So với tải trọng gió thì tải trọng do động đất ở Việt Nam có xác suất xảy ra thấp trong khi trọng lượng bản thân hệ mặt dựng kính là nhỏ nên tải trọng gió sẽ có ảnh hưởng lớn đến việc lựa chọn và thiết kế hệ mặt dựng kính. Để bổ xung các nội dung chỉ dẫn còn thiếu khi tính toán tải trọng gió tác dụng lên hệ mặt dựng kính, chúng ta có thể tham khảo sử dụng tiêu chuẩn Hoa Kỳ, tiêu chuẩn Châu Âu... Tuy nhiên, khi áp dụng để tính toán tải trọng do gió tác dụng lên hệ mặt dựng sẽ có nhiều điểm khác biệt so với tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình. Vì vậy, việc tìm hiểu tiêu chuẩn để áp dụng cho đúng vào trong tính toán hệ kết cấu mặt dựng kính là cần thiết.
Tại hội nghị khoa học (2006), Nguyễn Ngọc Tình và Nguyễn Quốc Lâm đã trình bày “ Phân tích định tính tác động của lốc xoáy lên công trình xây dựng và quan điểm phòng chống” nghiên cứu những tác động của lốc xoáy lên công trình xây dựng là mục đích của nhiều quốc gia trên thế giới, trong đó Việt Nam. Lốc xoáy ở Việt Nam tuy không nhiều và dữ dội như một số nơi trên thế giới nhưng theo số liệu từ tài liệu tham khảo thì lốc xoáy ở nước ta là rất đáng kể và xác suất xuất hiện của chúng lớn hơn hầu hết các nước trên thế giới chỉ sau miền trung – tây nước Mỹ và trung tâm Ác- hen-ti-na. Lốc xoáy ở Việt Nam thực sự đáng quan tâm, do đặc điểm địa hình cũng như thời tiết ở nước ta có những vùng thường xuyên có lốc xoáy. Hiện nay các phương tiện thông tin đại chúng thường xuyên đưa tin về lốc xoáy và tác hại thảm khốc của chúng ở khắp mọi miền đất nước. Kết quả phân tích tác động của lốc xoáy giúp độc giả giải thích được một phần về sự phá hoại kỳ lạ của lốc xoáy và từ đó đưa ra quan điểm phòng chống giúp người dân bình tĩnh hơn trong việc đối phó với lốc xoáy khi nó xuất hiện
Nguyễn Trọng Phước và Đỗ Kiến Quốc (1999) đã tiến hành phân tích động lực học cho kết cấu nhà cao tầng chịu tác dụng của tải trọng gió. Đó là đề tài được trình bày tại Hội nghị Khoa học và Công nghệ lần thứ 7 tại ĐHBK TPHCM năm 1999. Trong nghiên cứu này, lý thuyết động lực học kết cấu được áp dụng để phân tích phản ứng của nhà nhiều tầng khi chịu tác dụng tải trọng gió. Bài báo đã tiến hành phân tích phản ứng cho công trình Cao ốc văn phòng cao 24 tầng. Nhiều dạng xung của tải trọng gió như nửa xung hình sin, xung hình chữ nhật, xung hình tam giác…được áp dụng để phân tích bài toán. Cùng với các kết quả số trong các bảng tính và đồ thịđược thể hiện trong các hình cụ thể qua đó bài báo đưa ra nhiều kết luận quan trọng. Đó là hệ số động thu được từ các kết quả phân tích phù hợp với phương pháp tĩnh tương đương theo TCVN. Tiếp theo đối với các mô hình 2 hoặc 3 xung liên tiếp cho kết quả hệ số động lớn hơn qui phạm nhiều, điều này chứng tỏ tính theo qui phạm kém an toàn hơn so với phân tích bằng lý thuyết động lực học. Những kết luận của bài nghiên cứu này làm cơ sởđể luận văn tiếp tục nghiên cứu sâu hơn hệ số động của phân tích động lực học so với TCVN.
1.5.2.Các đề tài nghiên cứu ở nước ngoài
Theo Rimas Vaica viêm, Asst. Giáo sư công dân. Tiếng Anh; Đại học Columbia, New York nghiên cứu Một kỹ thuật Monte Carlo được sử dụng để phân tích đáp ứng của các cấu trúc liên tục để tải gió. Các lực gió tương ứng với lực kéo, tác động theo hướng gió và lực nâng và hành động theo chiều gió được xem xét. Trường vận tốc gió dao động được lấy là một quá trình ngẫu nhiên Gaussian đứng yên với giá trị trung bình bằng không. Phương pháp miền thời gian phương thức được sử dụng để tính toán đáp ứng với các lực ngẫu nhiên tổng quát được tạo ra bằng số trên máy tính kỹ thuật số.Các kết quảđược sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng đến phản ứng kết cấu bằng giảm chấn khí động học, nhiễu loạn bậc cao, quán tính gió và đổ xoáy.
Đề tài “Thiết kế gió dựa trên hiệu suất của các tòa nhà cao tầng” 2012 của Francesco Petrini a & Marcello Ciampoli Khoa Kỹ thuật kết cấu và địa kỹ thuật, Đại học Rome ‘La Sapienza Cho biết một quy trình xác suất cho thiết kế dựa trên hiệu suất của các tòa nhà cao tầng chịu tác động của gió được minh họa. Mục tiêu trọng tâm của thủ tục là đánh giá tính đầy đủ của cấu trúc thông qua mô tả xác suất của một tập hợp các biến quyết định. Rủi ro cấu trúc được quy ước bằng xác suất vượt quá giá trị liên quan của DV tương ứng; xác suất được đánh giá bằng cách tính đến nguy cơ Aeilian tại địa điểm, phản ứng và thiệt hại cấu trúc được tính toán và mối tương quan giữa thiệt hại đạt được và DV liên quan. Quy trình được áp dụng cho một trường hợp ví dụ: đánh giá yêu cầu tiện nghi cho tòa nhà 74 tầng. Tính toán xác suất được thực hiện trong miền tần số, nhưng các thông số của trường vận tốc gió được hiệu chỉnh trên cơ sở lịch sử thời gian của các lực đã đạt được bằng các thử nghiệm thử nghiệm trên mô hình cứng của tỷ lệ 1: 500 của tòa nhà. Sự thoải mái của người cư ngụ có liên quan đến nhận thức chuyển động và được đo bằng xác suất không vượt quá các giá trị ngưỡng của gia tốc gió trên đỉnh tòa nhà.
Athulya Ullas Khoa ngành Xây dựng, Đại học Kỹ thuật Vimal Jyothi, Kannur, Kerala, Ấn Độ với đề tài “Phản ứng của các tòa nhà có hình dạng kế hoạch khác nhau được đưa vào gió” nghiên cứu về Gần đây đã có một sự gia tăng đáng kể trong số lượng nhà cao tầng. Những tòa nhà này phải chịu tải trọng ngang do áp lực gió tác động lên các tòa nhà. Áp lực gió ngang tác động lên phương thẳng đứng các bức tường bên ngoài và khu vực tiếp xúc của các tòa nhà. Các phát triển các hình thức kiến trúc
mới của các tòa nhà và hệ thống cấu trúc linh hoạt dễ bị tác động của gió. Dành cho hiệu suất mong muốn của các tòa nhà này, chúng tôi yêu cầu tốt hơn sự hiểu biết về sự tương tác giữa tòa nhà và gió. Điều này bài viết trình bày một nghiên cứu so sánh về tác dụng của gió các tòa nhà có hình dạng khác nhau như Y, Plus và V. Các tòa nhà của hình dạng kế hoạch Y, Plus và V được mô hình hóa trong ETABS 2016 và đã phân tích. Nó được quan sát thấy rằng các lực lượng tầng là như nhau cho tất cả các tòa nhà, tức là lực lượng tầng không thay đổi theo hình dạng. Chuyển vị ngang được tìm thấy tối đa cho hình chữ V tòa nhà . Sự trôi dạt tầng được quan sát tối đa cho hình dạng Y là so với hình dạng khác và sự dịch chuyển bên và trôi dạt tầng được quan sát tối thiểu cho hình dạng Plus xây dựng so với các tòa nhà hình chữ Y và V và do đó nó là hình dạng ổn định nhất về cấu trúc trong số các lựa chọn hình dạng.
Mendis và cộng sự (2007) đã trình bày bài báo về tải trọng gió tác động lên nhà cao tầng. Bài báo này đã phân tích quan điểm tính toán đơn giản của tải trọng gió tĩnh phổ biến áp dụng để thiết kếđiển hình thấp đến cấu trúc trung tầng, đối với các công trình cao tầng thì quan điểm tính toán này không an toàn. Mặt khác phương pháp tính toán đơn giản như vậy có thể dẫn đến kết quả sai và kết cấu làm việc dưới khả năng chịu lực tới hạn của nó. Phương pháp phân tích tĩnh tính toán xấp xỉ với áp lực trên đỉnh tòa nhà bởi các số liệu của áp lực gió và các hệ số áp lực trung bình. Các hệ số áp lực trung bình được đo trong hầm gió hoặc bằng cách kiểm tra toàn diện và được cho bởi giả thiết. Những ưu điểm của phương pháp tĩnh đó là đơn giản, đã thực hành nhiều trước đó, các số liệu về cơn gió được sử dụng trực tiếp. Tuy nhiên phương pháp này không thích hợp cho các kết cấu rất lớn hoặc đối với những công trình có phản ứng động lực đáng kể. Các phân tích thu được từ bài viết này đã có giá trị cho bài luận văn.
CHƯƠNG 2:CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.Giới thiệu
Trong chương này trình bày toàn bộ cơ sở lý thuyết để phục vụ cho việc tính toán và phân tích số của luận văn bao gồm các vấn đềđược trình bày sau đây.
2.2.Thiết lập sơ đồ tính toán và các đặc trưng động lực học.
2.2.1.Sơ đồ thanh công xôn có hữu hạn điểm tập trung khối lượng
Kết cấu tòa nhà được giả thiết là cột chịu tải trọng liên kết với các sàn phía trên, khối lượng của cột là rất bé so với khối lượng sàn nên bỏ qua khối lượng cột. Toàn bộ khối lượng của kết cấu được tập trung ở các cao độ sàn tương ứng. Sàn được giả thiết là cứng tuyệt đối và toàn bộ hệ này trên nền cứng. Khối lượng của từng sàn được kí hiệu là m1, m2,…mN. Độ cứng của từng tầng được kí hiệu là k1, k2,…kN.
Sơđồ tính toán được chọn là hệ thanh công xôn có hữu hạn điểm tập trung khối lượng. Vị trí của các điểm tập trung đặt tương ứng với cao trình trọng tâm của các kết cấu truyền tải trọng ngang của công trình.
Hình 2.1: Sơđồ tính toán thanh công xôn
2.2.2.Lựa chọn các ma trận tính chất của kết cấu
Việc tính toán ma trận khối lượng, ma trận độ cứng và ma trận cản cho hệ một bậc tự do khá đơn giản nhưng với hệ vô hạn bậc tự do như hệ kết cấu nhà cao tầng thì việc thiết lạp các ma trận này một cách chính xác rất khó khăn. Để tính toán trở nên đơn giản hơn cần thiết lập các ma trận khối lượng và ma trận độ cứng thu gọn. Đỗ Kiến Quốc và Lương Văn Hải ( 2010).
Để thiết lập ma trận khối lượng thu gọn cần xem khối lượng phân bố trên các phần tử của kết cấu thu gọn về nút theo những nguyên tắc đơn giản tĩnh học. Toàn bộ khối lượng tập trung tại các mức trong sơđồ tính toán bằng tổng giá trị các khối lượng của kết cấu chịu lực, kết cấu bao che, trang trí, khối lượng của các thiết bị cố định và các khối lượng khác. Việt tính toán và tổ hợp khối lượng tập trung này tuần theo quy định TCVN 2737:1995. Khi kểđến khối lượng tạm thời trên công trình trong việc tính toán động lực tải trọng gió cần sử dụng hệ số chiết giảm khối lượng bằng 0.5 cho công trình bê tông cốt thép.
Hình 2.2: Ma trận khối lượng thu gọn
Ma trận khối lượng thu gọn là một ma trận đường chéo có dạng dưới đây, trong đó mij=0 vì gia tốc khối lượng nào chỉ gây ra lực quán tính tại khối lượng đó.
1 2 0 ... 0 0 ... 0 ... ... ... ... 0 ... 0 n m m M m ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ = ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦
Để thiết lập ma trận độ cứng thu gọn có thể dùng phương pháp sơ cấp chỉ xét đến chuyển vị thẳng. Trong thực tế cho thấy phương pháp chỉ xét đến chuyển vị thẳng
đem lại khối lượng tính toán ít nhưng kết quả sai khác không lớn so với phương pháp tương thích xét đến cả chuyển vị thẳng và chuyển vị xoay.
Ma trận độ cứng có thể được xác định bằng một trong nhiều phương pháp. Luận văn này sử dụng phương pháp cân bằng trực tiếp. Để tính độ cứng của một tầng cho chuyển vị tầng đó bằng 1 và tính toán như sơđồ sau.
Hình 2.3: Độ cứng tầng 1 (Chopra, 1980)
Hình 2.4: Độ cứng tầng 2 (Chopra, 1980)
Thiết lập sơđồ tính toán tương tự cho các tầng phía trên. Kết quả tính toán ma trận độ cứng cho tòa nhà N tầng có dạng sau đây.
2 det ⎡⎣K −ω M ⎤⎦ = 0 1 2 f T ω π = = 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4 ( ) ( ) ( ) ... ... ... ... ... N N N K K K K K K K K K K M K K K + − ⎡ ⎤ ⎢ − + − ⎥ ⎢ ⎥ − + ⎢ ⎥ = ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ − ⎥ ⎢ − ⎥ ⎣ ⎦
Tần số và dạng dao động riêng của tòa nhà được xác định từ phương trình vị phân thuần nhất không có cản.
(2.1)
Do tính chất tuần hoàn nên chọn nghiệm của phương trình (3.1) là:
(2.2)
(2.3)