(1.5)
ξ - hệ sô động lực (xác định theo mục 6.13.2 trong TCVN 2737:1995), phụ thuộc vào thông sốε và độ giảm lô-ga δ của dao động
Trong đó: γ - hệ sốđộ tin cậy của tải trọng gió (γ = 1.2) f1 – tần số dao động riêng thứ i
W0 – giá trị áp lực gió tiêu chuẩn
y – chuyển vị ngang của công trình ở độ cao z ứng với dạng dao động riêng thứ nhất
ψ - hệ số được xác đinh bằng cách chia công trình thành từng phần, trong phạm vi mỗi phần tải trọng gió không đổi
2 * W * k pk k k y y M ψ = ∑ ∑ Mk – khối lượng phần thứ k của công trình
yk – chuyển vị ngang của trọng tâm phần thứ k ứng với dạng dao động riêng thứ nhất.
Wpk – thành phần động phân bố đều của tải trọng gió ở phần thứ k của công trình được xác định theo công thức:
− Trường hợp nhà nhiều tầng có độ cứng, khối lượng và bề rộng mặt đón gió không đổi theo chiều cao, có f1 < fL, Wp được xác định theo công thức:
.
Trong đó: Wph – giá trị tiêu chuẩn thành phần động của tải trọng gió ởđộ cao h của đỉnh công trình, xác định theo công thức:
Wph = W * *ζ v 0 *W 940*fi γ ε = (1.7) (1.8) W p k = W *ζ * v Wp = 1 .4 * ( / ) * * Wz h ξ ph (1.9) (1.11) (1.10)
1.4.Phân tích phi tuyến kết cấu 1.4.1.Phi tuyến hình học
Khi phân tích các hệ kết cấu, thông thường giả thiết chuyển vị ngang là nhỏ; do đó hệ kết cấu được mô hình hóa và tính toán trên sơđồ không biến dạng ban đầu của nó, tức là đã bỏ qua các ảnh hưởng thứ cấp do chuyển vị ngang gây ra. Tuy vậy, đối với các hệ kết cấu mềm (ví dụ như hệ khung thép, khung BTCT nhiều tầng…) khi chịu tải trọng ngang (gió, động đất…) thường có một chuyển vị ngang đáng kể. Điều này khiến cho việc mô hình hóa và phân tích khung ở trạng thái không biến dạng là không phù hợp với sự làm việc thực tế của kết cấu. Khi các hệ kết cấu mềm chịu tác động của tải trọng ngang sẽ phát sinh chuyển vị ngang (Δ) lớn, các thành phần tải trọng đứng (P) sẽ dịch chuyển theo sự chuyển dịch của kết cấu làm tăng thêm mômen gây lật tương ứng bằng P-Δ hoặc làm gia tăng tác động ngang F, hiện tượng này được gọi là hiệu ứng P-Delta (P-Δ) hay hiệu ứng bậc hai. Hiệu ứng này càng lớn nếu như chuyển vị ngang và/hoặc tải trọng đứng càng lớn. Sự gia tăng tác động của các lực ngang đến lượt nó lại tiếp tục làm tăng thêm chuyển vị ngang. Ở các hệ kết cấu rất mềm, hiện tượng này có thể làm cho kết cấu bị mất ổn định và gây ra sụp đổ. Đa số các kết cấu làm việc đàn hồi – dẻo đều có chuyển vị ngang lớn và kèm theo đó là hiệu ứng bậc hai lớn. Vì vậy việc phân tích tính toán khung sẽđược tiến hành trên sơđồ biến dạng của khung; lúc này nó không còn là phân tích tuyến tính nữa mà là phân tích phi tuyến, nhưđược minh họa trong hình sau:
H1. Phân tích tuyến tính H2. Phân tích phi tuyến hình học (P-Delta)
1.4.2. Phi tuyến vật liệu
Công trình bị phá hủy phụ thuộc vào sự mất ổn định của hệ kết cấu do sự chảy dẻo khi tải trọng tác dụng. Phân tích phi tuyến vật liệu là phân tích có kể đến ứng xử
không đàn hồi của vật liệu, khi đó quan hệ ứng suất và biến dạng không còn là hàm tuyến tính. Phương pháp chính trong phân tích phi tuyến vật liệu kết cấu bê tông cốt thép thường dùng là phương pháp khớp dẻo song tuyến tính. Với phương pháp này, phần tửđược giả thiết vẫn còn hoàn toàn đàn hồi giữa các đầu mút của nó, một khi sự chảy dẻo của mặt cắt ngang được tìm thấy sẽ có một khớp dẻo tại đầu mút chảy dẻo.
Hình 1.1: Mô hình song tuyến tính của thép (Nguồn: Chopra, 1995)
1.5.Tình hình nghiên cứu liên quan luận văn
Các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước đã trình bày nhiều đề tài có liên quan tới việc phân tích phản ứng của nhà cao tầng chịu tải trọng của sung gió theo miền thời gian.
1.5.1.Các đề tài nghiên cứu trong nước
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