BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI TRẦN HOÀNG VIỆT TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG VÀ NỘI LỰC TRONG KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG DO TÁC ĐỘNG CỦA GIÓ THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM, HOA KỲ VÀ ỐNG THỔI KHÍ ĐỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Hà Nội - 2015 BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI TRẦN HOÀNG VIỆT KHÓA: 2013-2015 TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG VÀ NỘI LỰC TRONG KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG DO TÁC ĐỘNG CỦA GIÓ THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM, HOA KỲ VÀ ỐNG THỔI KHÍ ĐỘNG Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng công nghiệp Mã số : 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS.CHU THỊ BÌNH TS VŨ THÀNH TRUNG Hà Nội - 2015 LỜI CẢM ƠN Sau hai năm theo học lớp Cao học chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Dân dụng Công nghiệp – Khoa Sau Đại học – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, phân công làm luận văn tốt nghiệp với đề tài : “ Tính toán tải trọng nội lực kết cấu Nhà cao tầng tác động gió theo tiêu chuẩn Việt Nam, Hoa Kỳ Ống thổi khí động “ Đối với kỹ sư thiết kế, việc tìm hiểu vận dụng tiêu chuẩn vào tính toán việc khó khăn, đặc biệt vận dụng nghiêm cứu tiêu chuẩn nước Tuy nhiên, suốt thời gian thực luận văn, nhận giúp đỡ , quan tâm bảo tận tình thầy ,cô giáo, chuyên gia Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng, bạn bè đồng nghiệp Vì có tinh thần kiến thức để hoàn thành tốt thời hạn luận văn Có kết này, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy, cô hướng dẫn TS Chu Thị Bình, TS Vũ Thành Trung – người tận tình hướng dẫn suốt thời gian thực luận văn, đồng thời xin chân thành cảm ơn Khoa Sau đại học – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng – Bộ Xây dựng bạn đồng nghiệp giúp đỡ, đóng góp nhiều ý kiến trình thực luận văn Do lực thời gian nghiên cứu có hạn nên luận văn tránh khỏi sai sót, tác giả mong muốn nhận góp ý, bảo thầy cô đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện Hà Nội, ngày 08 tháng 06 năm 2015 Tác giả luận văn Trần Hoàng Việt LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ công trình nghiên cứu khoa học độc lập Các số liệu khoa học, kết nghiên cứu Luận văn trung thực có nguồn gốc rõ ràng TÁC GIẢ LUẬN VĂN Trần Hoàng Việt MỤC LỤC Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Danh mục bảng, biểu Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài………………………………………………………………… ……1 Mục đích nghiên cứu……………………………………………………………… … Đối tượng phạm vi nghiên cứu……………………………………………… …… Phương pháp nghiên cứu………………………………………………………… ……2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài………………………………… ………… NỘI DUNG CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG GIÓ LÊN NHÀ CAO TẦNG………………………………………… …………… …………………… 1.1 Vai trò tải trọng gió tác động lên nhà cao tầng…………………… ……… 1.1.1 Khái niệm gió……………………………………………………… … 1.1.2 Tác động gió vào công trình………………………………………… … 1.1.3 Vai trò tải trọng gió Nhà cao tầng…………………… ……………4 1.2 Các tiêu chuẩn tính toán tải trọng gió…………………………………… …… 1.2.1 Xác định tải trọng gió theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 2737:1995)……… 1.2.2 Xác định tải trọng gió theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ (ASCE 7-2010)…………… 1.2.3 Xác định tải trọng gió theo tiêu chuẩn Trung Quốc………… …………… 1.2.4 Xác định tải trọng gió theo tiêu chuẩn EUROCODE………… ………… 1.3 Phương pháp xác định tải trọng gió Thí nghiệm ống thổi khí động……… 1.3.1 Ống thổi khí động hở………………………………………………………… 10 1.3.2 Ống thổi khí động kín………………………………………………………… 11 1.3.3 Ống thổi khí động Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng………………… 12 CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ TÁC ĐỘNG LÊN NHÀ CAO TẦNG THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN VÀ THÍ NGHIỆM ỐNG THỔI KHÍ ĐỘNG .….14 2.1 Tính toán tải trọng gió theo tiêu chuẩn Việt Nam……………………………… 14 2.1.1 Thành phần tĩnh…………………………………………………………………14 2.1.2 Thành phần động……………………………………………………………… 15 2.2 Tính toán tải trọng gió theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ (ASCE 7-2010)…………………17 2.3 Xác định tải trọng gió thí nghiệm ống thổi khí động…………….…………26 2.3.1 Đặt vấn đề……………………………………………………………… …… 26 2.3.2 Mục tiêu thí nghiệm ống thổi khí động………………………… 27 2.3.3 Các điều kiện cần thiết cho thí nghiệm ống thổi khí động……………….28 2.3.4 Phân loại mô hình thí nghiệm………………………………………………… 30 2.3.5 Các quy luật mô hình hóa…………………………………………….…………30 2.4 Kết luận Chương II……………….……………………………………………….37 CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG VÀ NỘI LỰC KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG GIÓ…………………………………………………… 39 3.1 Tính toán tải trọng gió cho công trình Vinafor………………………………… 39 3.1.1 Giới thiệu công trình tính toán………………………………………………….39 3.1.2 Tính toán tải trọng gió theo tiêu chuẩn Việt Nam………………………………42 3.1.3 Tính toán tải trọng gió theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ (ASCE 7-2010)……………….59 3.1.4 Kết tải trọng gió theo thí nghiệm ống thổi khí động……… …………… 71 3.1.5 So sánh kết tính toán tải trọng gió………………………………………….74 3.2 Tính toán nội lực cho công trình Vinafor tác động tải trọng gió… …… 75 3.3 Nhận xét đánh giá…………………………………………………………… 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ…………………………………………………………78 Kết luận……………………………………………………………………………… 78 Kiến nghị………………………………………………………………………………79 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC BẢNG , BIỂU Số hiệu bảng,biểu Tên bảng, biểu Bảng 2.1 Hệ số β Bảng 2.2 Bảng tra Hệ số áp lực theo dạng đón gió Bảng 2.3 Các hệ số dạng địa hình Bảng 2.4 Các thông số xác định tăng tốc gió qua đồi, vách núi Bảng 2.5 Bảng xác định hệ số hướng gió, Kd Bảng 2.6 Bảng xác định hệ số áp lực Cp Bảng 2.7 Bảng xác định hệ số áp lực (GCpi) Bảng 2.8 Các tham số phi thứ nguyên thí nghiệm ống thổi khí động Bảng 3.1 Giá trị lực cắt đáy, Moment đáy tính theo tiêu chuẩn TCVN 2737:1995, Hoa Kỳ, Ống thổi khí động Bảng 3.2 Giá trị nội lực tải trọng gió theo phương X Bảng 3.3 Giá trị nội lực tải trọng gió theo phương Y DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ , ĐỒ THỊ Số hiệu hình Tên hình Hình 1.1 Vai trò tải trọng gió Nhà cao tầng Hình 1.2 Một số hình ảnh ống thổi khí động hở Hình 1.2a Học viện nghiên cứu Xây dựng – Trung Quốc Hình 1.2b Trường Đại học Michigan – Mỹ Hình 1.3 Một số hình ảnh ống thổi khí động kín Hình 1.3a Đại học Tekniske - Danmarks Hình 1.3b Đại học Texas Tech Hình 1.4 Hình ảnh ống thổi khí động thiết bị sử dụng ống thổi Viện Khoa học Công nghệ Xây Dựng Hình 1.5 Một số công trình Việt Nam tiến hành ống thổi khí động Hình 2.1 Đồ thị xác định hệ số động lực Hình 2.2 Hình xác định hệ số địa hình K1,K2,K3 Hình 2.3 Profile vận tốc gió Hình 2.4 Phổ lượng vận tốc gió Hình 2.5 Sơ đồ loại mô hình thí nghiệm ống thổi khí động Hình 2.6 Mô hình cứng dùng để đo lực , moment dao động Hình 2.7 Mô hình thí nghiệm cho nhà cao tầng ống thổi khí động Hình 3.1 Mặt kết cấu tầng điển hình Hình 3.2 Mô hình công trình Hình 3.3 Mô hình thí nghiệm công trình Vinafor Hình 3.4 Hệ tọa độ hướng gió công trình Vinafor Hình 3.5 Mặt bố trí cột tầng 1 MỞ ĐẦU * Lý chọn đề tài Với tiến không ngừng khoa học công nghệ, công trình xây dựng giới nói chung Việt Nam nói riêng phát triển với cấp tiến chiều cao độ phức tạp.Khi chiều cao công trình tăng mức độ ảnh hưởng tải trọng ngang lớn Việc nghiên cứu tính toán xác hóa tải trọng ngang với nhà cao tầng có ý nghĩa quan trọng, góp phần thiết kế công trình đảm bảo yêu cầu kỹ thuật mà tránh thiết kế thừa, lãng phí Theo định số 09/2005/QĐ-BXD ngày 07 tháng 04 năm 2005 Bộ Xây dựng, việc tính toán tải trọng gió cho công trình xây dựng nước ta thực theo tiêu chuẩn nhiều nước Thực tế cho thấy tiêu chuẩn tính toán tải trọng gió thường sử dụng tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 Việt Nam, tiêu chuẩn ASCE 7-10 Hoa Kỳ, phương pháp thí nghiệm dựa kết thí nghiệm ống thổi khí động Các câu hỏi đặt là: Các kết tính toán tải trọng gió tác động lên nhà cao tầng theo tiêu chuẩn khác có kết khác nhiều hay ít? Phương pháp tính kết gần kết thí nghiệm hơn? Những vấn đề nêu nghiên cứu làm rõ luận văn Một công trình cụ thể với đủ số liệu để phân tích kết cấu có kết thí nghiệm ống thổi khí động đưa vào tính toán cụ thể tải trọng gió nội lực số cấu kiện (Cột,vách) theo số tiêu chuẩn, qua rút nhận xét * Mục đích nghiên cứu Tính toán tải trọng nội lực kết cấu nhà cao tầng tác động gió theo tiêu chuẩn Việt Nam, Hoa Kỳ Ống thổi khí động * Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu : Tải trọng nội lực kết cấu nhà cao tầng - Phạm vi nghiên cứu : Tải trọng nội lực kết cấu nhà cao tầng cho công trình cụ thể tác động gió theo tiêu chuẩn Việt Nam, Hoa Kỳ Ống thổi khí động * Phương pháp nghiên cứu Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết * Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Các nhận xét rút từ kết tính toán giúp kỹ sư kết cấu có hiểu biết thêm ứng xử nhà cao tầng tác dụng tải trọng gió Các phương pháp tính toán tải trọng gió theo số tiêu chuẩn rõ qua luận văn THÔNG BÁO Để xem phần văn tài liệu này, vui lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội Email: digilib.hau@gmail.com TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN 78 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ * Kết luận : - Luận văn tổng quan phương pháp tính toán tải trọng gió theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 2737:1995) , Hoa Kỳ (ASCE 7-10) phương pháp thí nghiệm Ống thổi khí động So với tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737:1995, tiêu chuẩn ASCE 7-10 có số khác biệt lớn cần đặc biệt lưu ý tính toán sau : + Khi tính toán theo ASCE 7-10, vận tốc gió áp lực gió tra từ phụ lục quốc gia Việt Nam cần phải chuyển đổi từ vận tốc gió trung bình giây với chu kỳ lặp 20 năm thành vận tốc gió trung bình giây với chu kỳ lặp 50 năm quy định xác suất vượt khác với cấp công trình khác nên cần chuyển đổi tiếp vận tốc gió: - Đối với công trình kết cấu có cấp rủi ro loại II chuyển tiếp chu kỳ lặp từ 50 năm sang 700 năm ; - Đối với công trình kết cấu có cấp rủi ro loại III IV chuyển tiếp chu kỳ lặp từ 50 năm sang 1700 năm ; - Đối với công trình kết cấu có cấp rủi ro loại I chuyển tiếp chu kỳ lặp từ 50 năm sang 300 năm ; + Về phân chia dạng địa hình , tiêu chuẩn ASCE 7-10 phân chia địa hình làm 03 dạng ký hiệu từ B đến D, tiêu chuẩn Việt Nam phân chia địa hình làm 03 dạng ký hiệu từ A đến C Trong dạng địa hình C tiêu chuẩn ASCE 710 tương đương với dạng địa hình B tiêu chuẩn Việt Nam ; + Tiêu chuẩn Việt Nam tách biệt riêng thành phần tĩnh thành phần động tải trọng gió Tiêu chuẩn ASCE 7-10 , ảnh hưởng thành phần động xác định với thành phần tĩnh cách đưa vào công thức tính toán hệ số ảnh hưởng động phụ thuộc vào dạng địa hình đặc trưng phản ứng động kết cấu ; 79 - Kết tải trọng gió theo thí nghiệm ống thổi khí động cho thấy tải trọng gió tác dụng lên công trình tồn ba thành phần : lực gió dọc, lực gió ngang moment xoắn .Trong tiêu chuẩn ASCE 7-10 TCVN 2737:1995 xét đến lực gió dọc mà chưa xét đến hai thành phần lực gió ngang moment xoắn ; - Luận văn so sánh tương quan tính toán công trình cụ thể Việt Nam với tiêu chuẩn khác cho thấy chệnh lệch lớn tải trọng gió nội lực Kết áp lực gió nội lực theo tiêu chuẩn Việt Nam lớn, kết theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ ASCE 7-10 có giá trị sát với thực nghiệm * Kiến nghị : - Việc áp dụng tiêu chuẩn nước vào tính toán tải trọng gió, thiết kế cấu kiện cần phải nghiên cứu, cân nhắc kỹ để đảm bảo tính đồng hệ thống tiêu chuẩn ; - Đối với công trình quan trọng, có chiều cao lớn, hình dạng nhà phức tạp, địa hình xung quanh nhà phức tạp, độ mảnh lớn cần quy định phương pháp xác định tải trọng gió ống thổi khí động bắt buộc thiết kế ; - Để có đánh giá cụ thể chi tiết hơn, tác giả kiến nghị nên tính toán chi tiết cho ví dụ khác để so sánh kết tính toán thu được; với nên tìm hiểu thêm tiêu chuẩn để vận dụng tính toán đến ảnh hưởng tải trọng gió tác dụng vào công trình theo phương vuông góc với hướng gió thổi moment xoắn TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt : Bộ Xây dựng (1997), Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737: 1995: Tải trọng tác động – Tiêu chuẩn thiết kế, Nhà Xuất Xây dựng Hà Nội Bộ Xây dựng (1999), Tiêu chuẩn Xây dựng TCXD 229:1999: Chỉ dẫn tính toán thành phần động tải trọng gió theo TCVN 2737:1995, Nhà Xuất Xây dựng Hà Nội Bộ Xây dựng (2009), Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 02:2009: Số liệu điều kiện tự nhiên dùng xây dựng Bộ Xây dựng (2013), Thông tư số: 10/2013/TT-BXD: Quy định chi tiết số nội dung quản lý chất lượng công trình xây dựng Đỗ Hoàng Lâm (2013), Nghiên cứu làm việc tính toán hệ vách dựng kính áp dụng nhà cao tầng chịu tải trọng gió Việt Nam, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật , Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Vũ Thành Trung (2006), Mô hình hóa công trình ống thổi khí động, Viện Khoa học công nghệ xây dựng Vũ Thành Trung (2011), Tải trọng gió lên Nhà cao tầng – Thí nghiệm ống thổi khí động, Viện khoa học công nghệ xây dựng Nguyễn Đại Minh (2011), Phương pháp hệ số gió giật G tải trọng gió tác dụng lên Nhà cao tầng, Viện khoa học công nghệ xây dựng Tiếng Anh : American Society of Civil Engineer (2006), ASCE 7-10, Minimum Design Loads for buildings and other structures, Reston, VA, 2010 10 Azlan Adnan, Suhana Suradi (2008), Comparison on the effect of earthquake and wind loads on the performance of reinforced concrete buildings, the 14th World Conference on Earthquake Engineering, Beijing, China 11 Khaled M Heiza, Magdy A Tayel (2012), Comparative Study of The Effects of Wind and Earthquake Loads on High-rise Buildings, Concrete Research Letters, Vol 3(1) 12 GB 50009-2001 : Load code for the design of building structures (phiên tiếng Anh) 13 Eurocode1: Actions on structures – General Actions – Part 1-4 :Wind Actions 14 TE Solution (2011), Report on the Wind Tunnel Test for VINAFOR Tower, Hanoi, Vietnam  ... HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI TRẦN HOÀNG VIỆT KHÓA: 2013-2015 TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG VÀ NỘI LỰC TRONG KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG DO TÁC ĐỘNG CỦA GIÓ THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM, HOA KỲ VÀ ỐNG THỔI KHÍ ĐỘNG Chuyên ngành... trọng nội lực kết cấu nhà cao tầng tác động gió theo tiêu chuẩn Việt Nam, Hoa Kỳ Ống thổi khí động * Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu : Tải trọng nội lực kết cấu nhà cao tầng. .. CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ TÁC ĐỘNG LÊN NHÀ CAO TẦNG THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN VÀ THÍ NGHIỆM ỐNG THỔI KHÍ ĐỘNG .….14 2.1 Tính toán tải trọng gió theo tiêu chuẩn Việt Nam……………………………… 14 2.1.1