Nghiên cứu xác định tải trọng gió lên nhà cao tầng có kết cấu khung giằng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG BÙI THIÊN LAM NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG GIÓ LÊN NHÀ CAO TẦNG CÓ KẾT CẤU KHUNG GIẰNG Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 62 52 01 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐÀ NẴNG / 2018 Công trình được hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: GS. TS. Phan Quang Minh PGS. TS. Lê Cung Phản biện 1: GS.TS. Phạm Văn Hội Phản biện 2: PGS.TS. Ngô Hữu Cường Phản biện 3: TS. Trần Đình Quảng Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ tại Đại học Đà Nẵng vào hồi 14h30 ngày 10 tháng 03 năm 2018 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Trung tâm Thông tin – Tư liệu, Đại học Đà Nẵng - Thư viện Quốc gia Việt Nam 1 MỞ ĐẦU Theo tiêu chuẩn các nước trên Thế giới, có ba phương pháp xác định tải trọng gió: phương pháp đơn giản, phương pháp giải tích và phương pháp ống thổi khí động. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737:1995 được biên soạn theo tiêu chuẩn Nga SNiP 2.01.07-85* chưa đề cập đến phương pháp ống thổi khí động. Đối với các công trình nhà cao tầng có mặt bằng đối xứng, ảnh hưởng của dạng dao động thứ nhất đến giá trị thành phần gió động là chủ yếu. Việc sử dụng công thức gần đúng tính toán thành phần động của tải trọng gió với dạng dao động thứ nhất rất có ý nghĩa thực tiễn nên tiêu chuẩn của hầu hết các nước đều đưa ra phương pháp gần đúng để áp dụng cho các công trình này. Theo đó, tải trọng gió dọc tác dụng lên nhà cao tầng được tính từ thành phần gió tĩnh tương đương nhân với hệ số gió giật (Gust Loading Factor- GLF). Thành phần gió động theo TCVN 2737:1995 cũng được tính toán trên cơ sở lấy thành phần gió tĩnh nhân với các hệ số kể đến ảnh hưởng của xung vận tốc gió và lực quán tính của công trình. TCVN 2737:1995 cũng đưa ra công thức gần đúng xác định thành phần gió động. Công thức này đơn giản, dễ sử dụng. Tuy nhiên, công thức này chỉ phù hợp với các công trình, khi gần đúng có thể xem chuyển vị ngang trên các tầng ở dạng dao động thứ nhất tuân theo quy luật bậc nhất theo cao độ z. Trong thực tế số công trình nhà cao tầng đáp ứng được điều kiện này là rất ít do khống chế từ các yêu cầu về kiến trúc và hiệu quả kinh tế. Việc không quy định rõ phạm vi áp dụng của công thức này có thể dẫn đến các sai số lớn, cần có thêm nghiên cứu cải tiến công thức. Mặt khác quy trình tính toán tải trọng gió hiện nay theo TCVN là khá phức tạp. Với ý nghĩa như vậy, việc hoàn thiện quy trình tính toán thành phần gió động lên công trình cao tầng phù hợp 2 với tiêu chuẩn Việt Nam, tiếp cận theo tiêu chuẩn các nước tiên tiến là cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn. Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng công thức gần đúng tính toán thành phần gió động theo TCVN 2737:1995, với sai số cho phép - Đề xuất công thức đơn giản tính toán thành phần gió động theo phương pháp hệ số gió giật cho hệ kết cấu khung giằng cao đến 35 tầng có mặt bằng đối xứng. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Thành phần gió động lên nhà cao tầng - Phạm vi nghiên cứu: Nhà có hệ kết cấu khung giằng mặt bằng đối xứng cao đến 35 tầng. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu chuyển vị ngang nhà khung giằng, từ đó đánh giá sai số của công thức gần đúng xác định thành phần gió động trong TCVN. - Nghiên cứu đề xuất công thức gần đúng có cấu trúc đơn giản tương tự như công thức gần đúng của TCVN với độ sai số cho phép. - Trên cơ sở của TCVN 2737:1995, nghiên cứu xác định hệ số gió giật G tương ứng với các hệ kết cấu có độ cứng khác nhau. - Nghiên cứu đề xuất công thức tính toán tải trọng gió đơn giản theo phương pháp GLF cho các công trình cao đến 35 tầng, có hệ kết cấu khung giằng đối xứng, xây dựng trên địa bàn Thành phố Đà Nẵng và các thành phố khác thuộc vùng gió IIB. Những đóng góp mới của luận án - Đánh giá sai số và làm rõ được phạm vi áp dụng của công thức gần đúng tính toán thành phần gió động trong TCVN 2737:1995. - Đề xuất được công thức gần đúng tính toán thành phần gió động phù hợp với công trình nhà cao tầng có sơ đồ khung giằng theo TCVN. 3 - Đề xuất được công thức đơn giản tính toán thành phần gió động theo hệ số gió giật G với độ chính xác xấp xỉ phương pháp giải tích của TCVN 2737:1995 cho các công trình cao đến 35 tầng, xây dựng trên địa bàn Thành phố Đà Nẵng và các địa hình tương tự. Cấu trúc của luận án Luận án gồm 123 trang, trong đó Mở đầu (5 trang), Chương 1 (41 trang), Chương 2 (40 trang), Chương 3 (35 trang), Kết luận và kiến nghị (2 trang), các công trình đã công bố (1 trang), tài liệu tham khảo (7 trang, 67 tài liệu). Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Gió và tác động của gió lên công trình 1.1.1. Khái niệm về gió, bão, lốc xoáy 1.1.2. Tác dụng của gió lên công trình 1.1.3. Cấu trúc và các tham số đặc trưng ảnh hưởng đến tác dụng của tải trọng gió. 1.1.4. Khảo sát các tham số ảnh hưởng đến việc tính toán tác dụng của tải trọng gió lên công trình 1.2. Tổng quan các nghiên cứu về tải trọng gió 1.2.1. Các nghiên cứu ở nước ngoài Nhiều nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã được thực hiện, nỗi bậc là nghiên cứu của Davenport công bố năm 1967 về phương pháp hệ số gió giật. Theo đó, tải trọng gió được tính từ thành phần gió trung bình nhân với hệ số kể đến tác dụng giật. Phương pháp nầy hiện nay hầu hết các nước đều vận dụng với một vài thay đổi cho phù hợp với từng nước. 1.2.2. Các nghiên cứu ở trong nước Tiêu chuẩn Việt Nam về tải trọng gió, được biên soạn từ tiêu chuẩn Nga, cũng đã có một số nghiên cứu điều chỉnh cho phù hợp như thời 4 gian lấy vận tốc gió trung bình, chu kỳ lặp, phân vùng áp lực gió. Gần đây cũng đã có một nghiên cứu lý thuyết, mô hình số và nghiên cứu thực nghiệm trong hầm gió. 1.3. Xác định tải trọng gió theo một số một số tiêu chuẩn 1.3.1. Theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ ASCE/SEI 7-16 Áp lực gió tính cho hệ kết cấu chịu lực chính của công trình được xác định theo công thức: p = q.G.Cp - qi.(GCpi) (N/m2) (1.27) G: hệ số gió giật 1.3.2. Theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1991-1.4 (2005) - Tải trọng gió tác dụng lên kết cấu được xác định theo công thức: Fw = CsCd. Cf. qp(ze) .Aref (1.41) CsCd : hệ số kể đến tác dụng động 1.3.3. Xác định tải trọng gió theo TCVN 2737:1995 - Thành phần gió tĩnh: = . . (/ ) (1.46) - Thành phần gió động: ≥ : = . z .n (/) (1.48) < : () = . x .y (/ ) (1.50) Công thức gần đúng: = 1.4 . . (1.52) Từ (1.46) và (1.48), tổng áp lực gió (khi f > f) là: = + = 1 + zn (1.53) Như vậy, có thể xem = 1 + z .n là hệ số gió giật (1.54) 5 1.4. Nhận xét chương 1 Phần lớn các tiêu chuẩn trên thế giới đều dựa trên nguyên tắc của phương pháp GLF của Davenport để đánh giá tải trọng gió tác dụng lên kết cấu theo phương dọc hướng gió. Qua phân tích một số tiêu chuẩn, thấy giữa TCVN 2737:1995, ASCE-7 và EN có các cách thể hiện khác nhau khi xét thành phần động của tải trọng gió thông qua hệ số gió giật. TCVN tách biệt tác động của gió thành hai thành phần tĩnh và động nên khá phức tạp trong phân tích, Công thức gần đúng (1.52) trong TCVN có sai số lớn cần điều chỉnh và tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện qui trình tính tải trọng gió là cần thiết. CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THÀNH PHẦN GIÓ ĐỘNG CHO NHÀ CÓ SƠ ĐỒ KHUNG GIẰNG BỐ TRÍ ĐỐI XỨNG 2.1. Sự làm việc của hệ kết cấu khung giằng Hệ kết cấu nầy tận dụng ưu việt của mỗi loại, vừa có thể tạo một không gian sử dụng tương đối lớn theo yêu cầu bố trí mặt bằng kiến trúc lại có tính năng chịu lực ngang tốt. 2.1.1 Sự tương tác trong hệ kết cấu khung giằng chịu tải phân bố Khi kết cấu khung giằng chịu tải trọng ngang, các dạng chuyển vị tự do khác nhau của vách và của khung làm cho chúng tương tác ngang thông qua bản sàn hoặc dầm. 2.1.2. Phân tích hệ khung giằng 2.1.2.1. Phương trình vi phân cơ bản: Phương trình vi phân đặc trưng cho chuyển vị ngang của hệ kết cấu khung giằng: − = () (2.4) 2.1.2.2. Trường hợp chịu tải trọng ngang phân bố đều Từ (2.4) phương trình chuyển vị ngang được viết lại: 6 () = () ( ) (ℎ − 1) − ℎ + () − (2.13) Phương trình (2.13) cho chuyển vị có thể được viết lại như sau: () = (, /) (2.16) = () ( ) ( ℎ − 1) − ℎ + () − (2.17) 2.1.2.3. Trường hợp chịu tải trọng ngang phân bố tam giác () = (, /) (2.23) Với K1: Hình 2.6- Hệ số K1, khi chịu tải trọng ngang phân bố đều 7 = () − + 1 + − () − 1 − () (2.24) 2.1.2.4. Nhận xét: Từ hình 2.6, 2.7. khi αH > 2, dạng biểu đồ chuyển vị gần như đường thẳng theo chiều cao, tương tự biến dạng cắt của khung chịu tải trọng ngang. Khi αH ≤ 2, biểu đồ chuyển vị là đường cong theo chiều cao. Với nhà cao từ 15 đến 35 tầng ở nước ta hầu hết đều sử dụng hệ kết cấu khung giằng, vách được thiết kế chịu phần lớn tải trọng ngang do đó kích thước tiết diện cột được lựa chọn tối thiểu và tăng diện tích sử dụng, tương ứng với trường hợp αH ≤ 2.0. 2.2. Xác định thành phần gió động cho nhà có sơ đồ kết cấu khung giằng đối xứng 2.2.1. Đánh giá sai số của công thức gần đúng trong TCVN Hình 2.7- Hệ số K1, khi chịu tải trọng ngang phân bố tam giác 8 Để đánh giá sai số, khảo sát thành phần gió động của một số công trình (có các giá trị αH khác nhau) xây dựng vùng gió IIB theo công thức gần đúng và công thức giải tích trong TCVN. 2.2.1.1. Công trình 20 tầng: Xét 5 trường hợp hệ khung giằng có αH từ 0.50 - 2.50. Mặt bằng kết cấu cho ở hình 2.8, số liệu cho ở Bảng 2.1 Bảng 2.1. Kích thước các bộ phận kết cấu công trình 20 tầng Phân tích động học và từ đó tính toán thành phần gió động (vùng gió IIB, dạng địa hình B), theo công thức gần đúng (1.52) và công thức (1.50) trong TCVN, kết quả so sánh cho ở Bảng 2.3. Bảng 2.3. So sánh thành phần gió động theo công thức (1.52) và (1.50) với nhà 20 tầng CT1.50 CT1.52 CT1.50 CT1.52 CT1.50 CT1.52 CT1.50 CT1.52 CT1.50 CT1.52 Tổng 1869.4 2155.8 1923.9 2163.3 2004.3 2165.8 2016.8 2153.3 1961.3 2077.0 Sai số Mô hình 5, αH=2.45 T=1.645 15.32% 12.45% 8.06% 6.77% 5.90% Mô hình Mô hình 1, αH=0.54 T=1.746 Mô hình 2 2, αH=1.01 T=1.879 Mô hình 3, αH=1.53 T=1.916 Mô hình 4, αH=1.92 T=1.783 Hình 2.8- Mặt bằng kết cấu công trình 20-30 tầng Cột Dầm Vách (m2) (m2) (m) Mô hình 1 0.50x0.50 0.25x0.50 0.5 0.2 3.6 Mô hình 2 0.60x0.60 0.30x0.60 0.3 0.2 3.6 Mô hình 3 1.00x1.00 0.40x0.60 0.2 0.2 3.6 Mô hình 4 1.00x1.00 0.40x0.70 0.2 0.2 3.6 Mô hình 5 1.00x1.00 0.45x0.80 0.2 0.2 3.6 Chiều cao tầng (m) Mô hình Chiều dày sàn (m) 9 2.2.1.2. Công trình 30 tầng: Xét 5 trường hợp hệ khung vách có αH từ 1.00 đến 3.00. Số liệu cho ở Bảng 2.4. Kết quả ở Bảng 2.6. Bảng 2.4. Kích thước các bộ phận kết cấu công trình 30 tầng Bảng 2.6. So sánh thành phần gió động theo công thức (1.52) và (1.50) với nhà 30 tầng Bảng 2.3 và bảng 2.6 thể hiện sai số của công thức gần đúng (1.52) so với công thức (1.50). Mức độ sai lệch phụ thuộc vào giá tri hệ số αH. Khi αH càng nhỏ thì sai lệch càng lớn. Với các hệ kết cấu khung giằng khoảng 15-35 tầng, αH thường nhỏ. Như vậy nếu sử dụng công thức gần đúng (1.52) để xác định thành phần gió động sẽ cho sai số lớn, thiết kế sẽ không tiết kiệm, cần có nghiên cứu bổ sung. 2.2.2. Hoàn thiện công thức tính gần đúng thành phần gió động 2.2.2.1. Đề xuất công thức biểu diễn hàm K1 Từ phân tích lý thuyết ở mục 2.1, đối với nhà dạng khung giằng bố trí đối xứng, chịu tải trọng ngang phân bố tam giác, chuyển vị ngang yz xác định theo công thức (2.23), có qui luật như đường cong K1 (Hình 2.7). Tuy nhiên, K1 tính theo công thức (2.24) là khá phức tạp. Qua xem CT1.50 CT1.52 CT1.50 CT1.52 CT1.50 CT1.52 CT1.50 CT1.52 CT1.50 CT1.52 Tổng 3132.63 3565.75 3223.49 3565.75 3298.55 3565.75 3333.12 3547.47 3290.22 3476.15 Sai số Mô hình 5, αH=2.88 T=3.048 13.83% 10.62% 8.10% 6.43% 5.65% Mô hình Mô hình 1, αH=0.95 T=3.31 Mô hình 2 αH=1.42 T=3.311 Mô hình 3, αH=1.93 T=3.310 Mô hình 4, αH=2.44 T=3.286 Cột (m2) Mô hình 1 0.70x0.70 0.30x0.50 0.5 0.2 3.6 Mô hình 2 0.80x0.80 0.40x0.50 0.3 0.2 3.6 Mô hình 3 1.00x1.00 0.35x0.60 0.25 0.2 3.6 Mô hình 4 1.00x1.00 0.45x0.60 0.2 0.2 3.6 Mô hình 5 1.00x1.00 0.45x0.70 0.2 0.2 3.6 Dầm (m2) Vách (m) Chiều dày sàn (m) Chiều cao tầng (m) Mô hình 10 xét, ứng với các giá trị αH<2.0, đường cong K1 gần với dạng parabol và có thể biểu diễn gần đúng theo hàm bậc hai, hay hàm sin. Ở đây đề xuất hàm đường cong K1 có qui luật hàm sin có dạng: = () sin ( ) (2.25) Đồ thị hình 2.10 cho thấy, đối với các dạng nhà khung giằng có đường cong K1 ứng với αH ≤ 2.0, việc biểu diễn đường cong K1 theo công thức (2.25) là chấp nhận được, sai số không đáng kể. 2.2.2.2. Thiết lập công thức tính thành phần gió động Giá trị chuyển vị tỷ đối yji trong công thức (1.50), (1.51) là tỷ số của y(z)/y(H), từ (2.25) ta có: = sin ( ) (2.29) Áp lực gió động tác dụng lên công trình ở độ cao z là : W = M. ξ. ∫ .. ∫ . . y (2.30) Hình 2.10. Biểu đồ K1 tính theo CT 2.24 và CT 2.25 với αH=0.5; 1.0; 1.5; 2.0 11 Từ (2.30) tính được: = x ∫ z ∫ ( ) (2.35) Từ (2.35) với dạng địa hình A, có mt = 0.07: = 1,47 2 (2.36) Tương tự với dạng địa hình B có mt = 0,09, ta được: = 1,46 (2.37) Tương tự với dạng địa hình C có mt = 0,14, ta được: = 1,43 2 . . (2.38) 2.3. Đánh giá sai số của công thức đề xuất Để đánh giá mức độ phù hợp của công thức đề xuất, ta tiến hành tính toán cho 4 mô hình nhà có dạng mặt bằng khác nhau, cao 20 và 30 tầng. Công trình xây dựng vùng gió IIB, dạng địa hình B. Mặt bằng nhà thể hiện ở các hình 2.11, 2.18, 2.21 và 2.24. Số liệu về các bộ phận kết cấu xem bảng 2.8. Kết quả thành phần gió động tính theo (1.50), (1.52) TCVN và theo đề xuất (2.37) biểu diễn điển hình ở hình 2.12 và 2.16, còn lại lập bảng 2.16, 2.17 để so sánh (trang 14, 15). Hình 2.11. Mặt bằng kết cấu nhà dạng 1 Hình 2.18. Mặt bằng kết cấu nhà dạng 2 12 20 30 8.0x8.0 8.0x8.0 3.6 3.6 200 200 nhà dạng 1-2 700x700 1000x1000 nhà dạng 3-4 800x800 1000x1000 200-250-300 250-300-350 B30 B30Cấp bền BT Tiết diện cột (mm) Chiều dày vách (mm) Số tầng Lưới cột (m) Chiều cao tầng (m) Chiều dày sàn (mm) Bảng 2.8- Số liệu 4 dạng nhà, cao 20-30 tầng Hình 2.12- Thành phần gió động nhà 1, cao 20 tầng, vách dày 200 Hình 2.21. Mặt bằng kết cấu nhà dạng 3 Hình 2.24. Mặt bằng kết cấu nhà dạng 4 13 2.4. Nhận xét chương 2 Dạng chuyển vị ngang của nhà khung giằng không chỉ phụ thuộc vào độ cứng của hệ kết cấu mà còn phụ thuộc vào mức độ tương tác khung-vách qua hệ số αH. Khi αH nhỏ (≤ 2.0) dạng chuyển vị là đường cong gần biến dạng uốn của vách, khi αH càng lớn (> 2.0) dạng chuyển vị tiến dần về dạng tuyến tính như biến dạng cắt của khung. Từ kết quả tính toán thành phần gió động (Bảng 2.16 và Bảng 2.17) cho các công trình có αH≤ 2.0 theo công thức gần đúng (1.52) của TCVN so với công thức của tiêu chuẩn (1.50) và công thức đề xuất (2.37), có thể thấy: - Sai số giữa của công thức (1.52) so với công thức (1.50) là khá lớn, khoảng 13-17%. - Sai số giữa cách tính theo công thức đề xuất (2.37) so với công thức (1.50) TCVN là khá nhỏ, không vượt quá 4.5%. Hình 2.16- Thành phần gió động nhà 1, cao 30 tầng, vách dày 300 14 - Với địa hình B, cấu trúc của công thức đề xuất (2.37) là đơn giản, tương tự như công thức gần đúng (1.52) của tiêu chuẩn nhưng có độ chính xác xấp xỉ công thức giải tích của tiêu chuẩn (1.50). Bảng 2.16- So sánh lực cắt đáy thành phần gió động theo 3 công thức tính của 4 dạng nhà cao 20 tầng. Vách dày (mm) αH CT1.50 (kN) CT1.52 (kN) Δ1 (%) CT2.37 (kN) Δ2 (%) 200 0.902 1543.21 1804.31 16.9% 1546.09 0.2% 250 0.808 1506.46 1766.90 17.3% 1514.03 0.5% 300 0.738 1501.06 1741.71 16.0% 1492.45 -0.6% Vách dày (mm) αH CT1.50 (kN) CT1.52 (kN) Δ1 (%) CT2.37 (kN) Δ2 (%) 200 0.980 1979.69 2300.2 16.2% 1971.0 -0.4% 250 0.877 1880.36 2209.09 17.5% 1892.94 0.7% 300 0.802 1883.3 2201.14 16.9% 1886.13 0.2% Vách dày (mm) αH CT1.50 (kN) CT1.52 (kN) Δ1 (%) CT2.37 (kN) Δ2 (%) 200 1.500 2072.17 2397.91 15.7% 2054.73 -0.8% 250 1.341 2035.86 2368.78 16.4% 2029.77 -0.3% 300 1.224 1998.09 2334.03 16.8% 2000.00 0.1% Vách dày (mm) αH CT1.50 (kN) CT1.52 (kN) Δ1 (%) CT2.37 (kN) Δ2 (%) 200 1.382 2152.52 2468.51 14.7% 2115.23 -1.7% 250 1.235 2111.72 2437.17 15.4% 2088.38 -1.1% 300 1.126 2080.76 2413.02 16.0% 2067.69 -0.6% NHÀ CAO 20 tầng GHI CHÚ: - Δ1 (%) là sai số giữa công thức (1.52) TCVN và công thức (1.50) TCVN. - Δ2 (%) là sai số giữa công thức đề xuất (2.37) và công thức (1.50) TCVN. N H À D Ạ N G 1 N H À D Ạ N G 2 N H À D Ạ N G 3 N H À D Ạ N G 4 15 Bảng 2.17- So sánh lực cắt đáy thành phần gió động theo 3 công thức tính của 4 dạng nhà cao 30 tầng. Chương 3 XÁC ĐỊNH HỆ SỐ GIÓ GIẬT CHO NHÀ CAO TẦNG SƠ ĐỒ KẾT CẤU KHUNG GIẰNG BỐ TRÍ ĐỐI XỨNG THEO TCVN 3.1. Phương pháp hệ số gió giật Davenport Davenport kiến nghị công thức xác định tải trọng gió lớn nhất: max( )p z tác dụng lên kết cấu thông qua thành phần trung bình (tĩnh) của tải trọng gió p(z) và hệ số gió giật G, như sau: () = . ̅() (3.3) Vách dày (mm) αH CT1.50 (kN) CT1.52 (kN) Δ1 (%) CT2.37 (kN) Δ2 (%) 250 1.219 2745.99 3180.93 15.8% 2715.30 -1.1% 300 1.114 2701.95 3141.79 16.3% 2681.89 -0.7% 350 1.032 2658.89 3100.55 16.6% 2646.68 -0.5% Vách dày (mm) αH CT1.50 (kN) CT1.52 (kN) Δ1 (%) CT2.37 (kN) Δ2 (%) 250 1.325 3435.04 3958.82 15.2% 3379.32 -1.6% 300 1.210 3360.99 3914.77 16.5% 3341.72 -0.6% 350 1.121 3366.48 3908.26 16.1% 3336.16 -0.9% Vách dày (mm) αH CT1.50 (kN) CT1.52 (kN) Δ1 (%) CT2.37 (kN) Δ2 (%) 250 2.027 3550.29 4034.30 13.6% 3443.75 -3.0% 300 1.850 3525.58 4030.01 14.3% 3440.09 -2.4% 350 1.711 3487.16 4004.77 14.8% 3418.55 -2.0% Vách dày (mm) αH CT1.50 (kN) CT1.52 (kN) Δ1 (%) CT2.37 (kN) Δ2 (%) 250 1.852 3588.19 4028.28 12.3% 3438.61 -4.2% 300 1.689 3571.45 4035.75 13.0% 3444.99 -3.5% 350 1.561 3553.12 4036.41 13.6% 3445.55 -3.0% N H À D Ạ N G 4 N H À D Ạ N G 3 GHI CHÚ: - Δ1 (%) là sai số giữa công thức (1.52) TCVN và công thức (1.50) TCVN. - Δ2 (%) là sai số giữa công thức đề xuất (2.37) và công thức (1.50) TCVN. NHÀ CAO 30 tầng N H À D Ạ N G 1 N H À D Ạ N G 2 16 Với () = () 1V là vận tốc gió trung bình tại đỉnh nhà Theo Davenport, hệ số gió giật G được xác định như sau: = 1 + √ + (3.4) 3.2. Đề xuất công thức tính hệ số gió giật theo TCVN 2737:1995 3.2.1. Đối với công trình và các bộ phận kết cấu có tần số dao động cơ bản () lớn hơn tần số dao động riêng () Theo (1.46) và (1.48), tổng tải trọng gió xác định theo (1.53), (1.54): = + = 1 + zn = 1 + z n Theo định nghĩa của Davenport, = 1 + z n là hệ số gió giật. 3.2.2. Khi nhà có độ cứng, khối lượng và bề mặt rộng đón gió không đổi theo chiều cao. 3.2.2.1. Trường hợp αH = 2 ÷ 6 (nhà có kết cấu khung ảnh hưởng đáng kể đến hệ khung giằng) Sử dụng công thức (1.52): = 1.4 . . Với = z (3.10) Thay ở (3.10) vào (1.52), ta được: = 1,4 z (3.11) = + = 1 + 1,4 z (3.12) Hệ số gió giật G xác định theo (3.13): = 1 + 1,4 z (3.13) 3.2.2.2. Trường hợp αH ≤ 2 (nhà có kết cấu vách ảnh hưởng đáng kể) Sử dụng kết quả từ chương 2, thành phần gió động tính theo (2.37): 17 = 1,4 2 . Tương tự 3.2.2.1, có: = 1,4 z . Đặt: = 1,4 z . (3.14) Vậy: = = + = 1 + 1,4 z . Hệ số gió giật: = 1 + 1,4 z . (3.15) + Dạng địa hình A: mt = 0.07 = 1 + 1,4 . z (3.16) + Dạng địa hình B: mt = 0.09 = 1 + 1,4 . z (3.17) + Dạng địa hình C: mt = 0.14 = 1 + 1,4 . z (3.18) 3.2.2.3. Xây dựng công thức gần đúng tính hệ số gió giật cho công trình xây dựng ở vùng gió IIB cao 15 đến 35 tầng Từ (3.16), (3.17), (3.18), ta thấy xác định hệ số gió giật G còn khá phức tạp, phụ thuộc nhiều tham số. Vì vậy, ở đây ta sẽ khảo sát hệ số G qua một số yếu tố ảnh hưởng, nhằm tìm kiếm một biểu thức gần đúng tính G đơn giản, dễ áp dụng hơn và có sai số chấp nhận được. a. Hệ số động lực ξ: Hệ số động lực ξ được xác định theo TCVN, phụ thuộc thông số = , và độ giảm lôga dao động δ của kết cấu. Có thể lấy f1 gần đúng theo T1=0.08n, n là số tầng nhà. b. Hệ số áp lực động ζ: Lấy theo bảng của TCVN, phụ thuộc độ cao z, và dạng địa hình. c. Hệ số tương quan không gian áp lực động ν: Lấy theo TCVN. 18 d. Xây dựng công thức: Xét công trình có gió tác dụng vuông góc với bề mặt zoy, công trình có bề rộng mặt đón gió khoảng b = 30-50m, cao 15 đến 35 tầng, h=40-100m: - Giá trị : Từ TCVN, ứng với b và h, nội suy hệ số có giá trị xấp xỉ từ 0,66 đến 0,61, có thể lấy trung bình: = 0.63. - Hệ số áp lực động z : Thay đổi theo chiều cao z, được xác định: z = z (3.19) Với dạng địa hình B, tại z=H: z = z . = 0.486 . (3.20) - Xác định hệ số động lực ξ: Xét với chu kỳ dao động: = 0.08 , Hệ số độ tin cậy γ =1.2 Hệ số ε cho công trình tại vùng gió IIB (W0 = 950N/m2): = = √ ,× ×( , ) = 0.00287 (3.21) Xét công trình cao tầng từ 15, 20, 25, 30 và 35 tầng,với T=0,08n, tương ứng ta có tần số f1, hệ số ε và hệ số động lực ξ theo bảng 3.3. Từ các giá trị ξ trong bảng 3.3, ta có thể xấp xỉ ξ theo biểu thức: = 1.3 + 0.2 = 1.3 + 0.016 (3.22) Bảng 3.3. Các hệ số f1 , ε , ξ Tầng 15 20 25 30 35 f1 (Hz) 0.833 0.625 0.500 0.417 0.357 ε 0.043 0.057 0.072 0.086 0.101 ξ 1.513 1.633 1.737 1.826 1.901 Với dạng địa hình B: mt = 0.09, biểu thức (3.14) viết lại: = 1,4 . z 2 Có thể thấy: . ≈ . (3.23) Thay (3.20), (3.22), (3.23) và giá trị ≈ 0.63 vào (3.14), ta được: 19 = 1,4 . (1.3 + 0.016) 0.486 . 0.63 (3.24) Với hệ số độ tin cậy γ =1.2, rút gọn biểu thức (3.24) ta có: = .. . . (3.25) Hệ số gió giật: = 1 + .. . . (3.26) Thành phần gió động Wpz: = (3.27) Tổng tải trọng gió Wz: = (3.28) Vậy với các nhà khung giằng cao đến 35 tầng, có chu kỳ dao động T≈0,08n, xây dựng ở vùng gió IIB, có thể xác định gần đúng hệ số Kp và hệ số gió giật G tại độ cao z theo biểu thức đơn giản (3.25) và (3.26). 3.3. Đánh giá sai số công thức đề xuất tính tải trọng gió Để đánh giá độ tin cậy của các công thức đề xuất (3.25) – (3.28), tiến hành tính toán thành phần gió động và xác định tổng tải trọng gió cho một số nhà có dạng mặt bằng và chiều cao nhà khác nhau xây dựng ở vùng gió IIB và so sánh với công thức giải tích (1.50) của TCVN 3.3.1. Nhà có mặt bằng dạng 1, 2, 3: Sử dụng lại số liệu phân tích động học 3 nhà dạng 1, 2, 3 ở chương 2, tính tải trọng gió động theo (1.50) và (3.27), kết quả so sánh ở Hình 3.5, 3.9, còn lại so sánh bảng 3.4 và 3.5. Hình 3.5. Thành phần gió động nhà 1, cao 20 tầng, vách dày 200 20 Bảng 3.4: So sánh tải trọng gió tính theo TCVN và theo đề xuất (3.27) Hình 3.9. Thành phần gió động nhà 1, cao 30 tầng, vách dày 300 Vách dày (mm) Wj (kN) Wp (kN) KpWj (kN) Sai số Δ(%) (thành phần động) Sai số Δ(%) (tổng tải trọng gió) 200 4520.52 1543.21 1575.30 -2.08% -0.53% 250 4520.52 1506.46 1575.30 -4.57% -1.14% 300 4520.52 1501.06 1575.30 -4.95% -1.23% Vách dày (mm) Wj (kN) Wp (kN) KpWj (kN) Sai số Δ(%) (thành phần động) Sai số Δ(%) (tổng tải trọng gió) 200 5650.66 1979.69 1969.11 0.53% 0.14% 250 5650.66 1880.36 1969.11 -4.72% -1.18% 300 5650.66 1883.3 1969.11 -4.56% -1.14% Vách dày (mm) Wj (kN) Wp (kN) KpWj (kN) Sai số Δ(%) (thành phần động) Sai số Δ(%) (tổng tải trọng gió) 200 6780.79 2430.48 2362.94 2.78% 0.73% 250 6780.79 2387.89 2362.94 1.04% 0.27% 300 6780.79 2343.59 2362.94 -0.83% -0.21% N H À D Ạ N G 2 N H À D Ạ N G 3 NHÀ CAO 20 TẦNG GHI CHÚ: - Wj: thành phần gió tĩnh tính theo TCVN (1.46) - Wp: thành phần gió động tính theo TCVN (1.50) - KpWj: thành phần gió động tính theo đề xuất (3.27) N H À D Ạ N G 1 21 3.3.4. Khảo sát các dạng nhà 1a, 2a và 3a Mỗi nhà khảo 3 trường hợp 20 tầng (thay đổi chiều dày vách 200, 250, 300) và 3 trường hợp 30 tầng (vách dày 250, 300, 350). Kết quả tính thành phần gió động theo công thức (1.50) TCVN và công thức đề xuất (3.27) tương tự như các dạng nhà 1, 2, 3. Bảng 3.12 và 3.13 so sánh sai số thành phần gió động <5%. Sai số tổng tải trọng gió <1.4%. Vách dày (mm) Wj (kN) Wp (kN) KpWj (kN) Sai số Δ(%) (thành phần động) Sai số Δ(%) (tổng tải trọng gió) 250 7275.47 2745.99 2635.40 4.03% 1.10% 300 7275.47 2701.95 2635.40 2.46% 0.67% 350 7275.47 2658.89 2635.40 0.88% 0.24% Vách dày (mm) Wj (kN) Wp (kN) KpWj (kN) Sai số Δ(%) (thành phần động) Sai số Δ(%) (tổng tải trọng gió) 250 9171.83 3435.04 3294.25 4.10% 1.12% 300 9171.83 3360.99 3294.25 1.99% 0.53% 350 9171.83 3366.48 3294.25 2.15% 0.58% Vách dày (mm) Wj (kN) Wp (kN) KpWj (kN) Sai số Δ(%) (thành phần động) Sai số Δ(%) (tổng tải trọng gió) 250 10886.20 4157.31 3953.10 4.91% 1.36% 300 10886.20 4138.3 3953.10 4.48% 1.23% 350 10886.20 4093.2 3953.10 3.42% 0.94% N H À D Ạ N G 2 N H À D Ạ N G 3 NHÀ CAO 30 TẦNG GHI CHÚ: - Wj: thành phần gió tĩnh tính theo TCVN (1.46) - Wp: thành phần gió động tính theo TCVN (1.50) - KpWj: thành phần gió động tính theo đề xuất (3.27) N H À D Ạ N G 1 Bảng 3.5: So sánh tải trọng gió tính theo TCVN và theo đề xuất 22 3.3.5. Khảo sát các dạng nhà 4 (20 tầng), 5 (25 tầng), 6 (30 tầng) Bảng 3.14: Số liệu các dạng nhà 4, 5 và 6 Từ kết quả phân tích, tính toán tải trọng gió cho nhà dạng 4, 5 và 6 được tổng hợp và so sánh trong bảng 3.18 Bảng 3.18: So sánh tải trọng gió tính theo TCVN và theo đề xuất (3.27) 3.3.6. Khảo sát công trình Đà Nẵng Plaza và Cục Hải Quan Đà Nẵng Bảng 3.19: Số liệu công trình Đà Nẵng Plaza và Hải Quan Đà Nẵng Kết quả tính toán thành phần gió động và so sánh ở Bảng 3.22. Nhà dạng Số tầng Lưới cột (m) Chiều cao tầng (m) Bề rộng đón gió (m) Bề dày sàn (mm) Bề dày vách (mm) Tiết diện cột (mm) Tiết diện dầm (mm) 4 20 8x8 3.6 24 200 300 800x800 500x700 5 25 8x8 3.6 32 200 350 800x800 400x700 6 30 8x8 3.6 40 200 450 1000x1000 700x900 Công trình Thành phần gió tĩnh Wj (kN) TCVN(1.46) Thành phần gió động Wpz (kN) TCVN(1.50) Tổng tải trọng gió Wz (kN) (TCVN) Thành phần gió động KpWj (kN) đề xuất (3.27) Tổng tải trọng gió Wz (kN) đề xuất (3.28) Sai số Δ1(%) (thành phần gió động) Sai số Δ2(%) (tổng tải trọng gió) Nhà dạng 4 (20 tầng) 3060.42 1060.56 4120.97 1074.86 4135.28 -1.35% -0.35% Nhà dạng 5 (25 tầng) 5293.91 1826.51 7120.43 1893.68 7187.59 -3.68% -0.94% Nhà dạng (30 tầng) 8191.28 2886.09 11077.37 2998.71 11189.98 -3.90% -1.02% Đà Nẵng Plaza 3.6 0.7x0.7 0.3x0.6 0.2 0.3 B30 Hải Quan 3.6 0.7x0.7 0.3x0.5 0.2 0.3 B30 Công trình Tiết diện cột (m 2 ) Tiết diện dầm (m 2 ) Bề dày sàn (m) Bề dày vách (m) Câp bền BT Chiều cao 23 Bảng 3.22: So sánh tải trọng gió tính theo TCVN và theo đề xuất (3.27) 3.4. Nhận xét chương 3 Trên cơ sở của TCVN 2737:1995 đã nghiên cứu đề xuất các công thức để xác định hệ số gió giật G theo Davenport tương ứng với các hệ kết cấu khác nhau chịu tải trọng ngang. Đánh giá công thức đề xuất qua khảo sát 11 dạng nhà với 41 trường hợp, ta thấy biểu đồ phân bố thành phần gió động tính theo TCVN và theo công thức đề xuất gần trùng khớp nhau, tổng giá trị thành phần gió động sai lệch < 5%, tổng giá trị tải trọng gió sai lệch < 1.4%, sai số như vậy có thể chấp nhận được. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận Từ các kết quả nghiên cứu của luận án, có thể rút ra các kết luận sau: 1. Theo tiêu chuẩn Việt nam TCVN 2739:1995, việc tách biệt tác động của gió thành hai thành phần tĩnh và động làm qui trình phân tích phức tạp, khó kiểm soát hơn so với phương pháp GLF của Davenport sử dụng hệ số gió giật trong các tiêu chuẩn như ASCE-7, EN Công thức gần đúng (1.52) theo TCVN 2737:1995 là khá đơn giản, tuy nhiên chỉ phù hợp với dạng nhà gần như kết cấu khung. Với nhà có hệ kết cấu khung giằng (αH≤ 2.0), sai số thành phần gió động giữa công thức (1.52) và công thức (1.50) là khá lớn, khoảng 13-17%. 2. Từ phân tích dạng chuyển vị ngang của nhà cao tầng có kết cấu khung giằng đối xứng, đã đề xuất công thức gần đúng (2.37) xác định Công trình Thành phần gió tĩnh Wj (kN) TCVN(1.46) Thành phần gió động Wpz (kN) TCVN(1.50) Tổng tải trọng gió Wz (kN) (TCVN) Thành phần gió động KpWj (kN) đề xuất (3.27) Tổng tải trọng gió Wz (kN) đề xuất (3.28) Sai số Δ1(%) (thành phần gió động) Sai số Δ2(%) (tổng tải trọng gió) Đà Nẵng Plaza 4804.39 1725.26 6529.66 1674.21 6478.61 2.96% 0.78% Cục Hải Quan 3857.65 1396.41 5254.06 1344.29 5201.94 3.73% 0.99% 24 tải trọng gió động. Kết quả tính toán thành phần gió động (bảng 2.16 và bảng 2.17) theo công thức (1.50) của TCVN 2737:1995 và theo công thức đề xuất (2.37) sai số là khá nhỏ, không vượt quá 4.5%. 3. Trên cơ sở của TCVN đã nghiên cứu hệ thống hoá các công thức của tiêu chuẩn để xác định hệ số gió giật G theo Davenport tương ứng với các hệ kết cấu khác nhau chịu tải trọng ngang. Đã nghiên cứu đề xuất công thức gần đúng xác định giá trị hệ số gió giật G theo Davenport cho các công trình bê tông cốt thép cao từ 15 đến 35 tầng có mặt bằng kết cấu đối xứng với sơ đồ khung giằng, xây dựng trên địa bàn Thành phố Đà Nẵng cũng như các địa hình tương tự: = 1 + .. . . . Từ các kết quả tính toán kiểm tra cho một số nhà cao tầng, sai số thành phần gió động giữa công thức (1.50) của TCVN và công thức đề xuất trên là khá nhỏ, không vượt quá 5%. Tổng tải trọng gió xác đinh theo TCVN và quy trình đề xuất trên là rất nhỏ, nhỏ hơn 1.4%. Như vậy việc sử dụng công thức đề xuất để xác định tải trọng gió là có độ tin cậy và có thể áp dụng vào qui trình thiết kế, kiểm tra. Công thức gần đúng xác định hệ số gió giật G có cấu trúc khá đơn giản, dễ sử dụng, sai số khá nhỏ, có thể ứng dụng trong thực tiễn. 2. Kiến nghị Trong phạm vi nghiên cứu của luận án, một số vấn đề chưa được đề cập và làm rõ, cần có các nghiên cứu tiếp theo: - Đề xuất hệ số gió giật cho nhà khung giằng có sơ đồ bất đối xứng. - Nghiên cứu thực nghiệm trong hầm gió để tăng độ tin cậy của kết quả nghiên cứu. - Nghiên cứu thực nghiệm trong hầm gió để đánh giá thành phần gió xoắn tác dụng lên kết cấu nhà cao tầng mà TCVN chưa đề cập. DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 1. Phan Quang Minh, Bùi Thiên Lam (2017), Nghiên cứu đề xuất hệ số gió giật tính tải trọng gió nhà cao tầng có sơ đồ khung giằng theo TCVN 2737:1995, TC Xây Dựng, 7-2017, ISSN 0866-0762, trang 274-277. 2. Bùi Thiên Lam (2016), Điều chỉnh công thức tính thành phần động của tải trọng gió theo TCVN 2737:1995, Tạp chí Xây Dựng, 5-2016, ISSN 0866-0762, trang 47-51. 3. Bùi Thiên Lam, Đặng Công Thuật (2016), Phân tích đáp ứng động lực học ngẫu nhiên và độ tin cậy của kết cấu chịu tác động của tải trọng gió, HTKH Quốc gia Hạ tầng giao thông với phát triển bền vững lần 2, NXB Xây Dựng, ISBN 978-604-82-1809-6, pp 619-624. 4. Bùi Thiên Lam (2016), Nghiên cứu phân phối gần đúng tải trọng gió lên các tầng từ lực cắt đáy, Kỷ yếu HT Công nghệ xây dựng tiên tiến hướng đến phát triển bền vững lần 2, NXB Xây Dựng ISBN 978-604-82-2016-7, trang 1-5. 5. Bùi Thiên Lam (2015), Phân tích một số yếu tố ảnh hưởng đến tỷ lệ thành phần động và thành phần tĩnh của tải trọng gió theo TCVN 2737:1995, Kỷ yếu HT Công nghệ xây dựng tiên tiến hướng đến phát triển bền vững lần 1, NXB Xây Dựng ISBN 978-604-82-1805- 8, trang 32-38. 6. Bùi Thiên Lam (2014), A Novel Approach for Preliminary Determination of Dynamic Wind in Design Problem, Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Đại học Đà Nẵng, 12(85)-2014, ISSN 1859- 1531, trang 47-51