1 TÍNH TỐN TẢI TRỌNG GIĨ THEO CÁC TIÊU CHUẨN KHÁC NHAU Đỗ Đức Tín Cơng ty TNHH ĐT & XD Trường Thành Phát Địa chỉ: 88A/4 Đường - KCN Biên Hòa - P An Bình - TP Biên Hòa - T Đồng Nai Mail: Ductinlhu@gmail.com Trần Đình Lợi Địa chỉ: 88A/4 Đường - KCN Biên Hòa - P An Bình - TP Biên Hòa - T Đồng Nai Mail: Trandinhloi90@gmail.com TÓM TẮT: Khi thiết kế nhà cao tầng bên cạnh việc thiết kế kiến trúc người kỹ sư cần lưu ý việc thiết kế kết cấu cho cơng trình, giữ vai trò định đến khả chịu lực, bền vững ổn định cho cơng trình Một vấn đề mà người thiết kế cần quan tâm việc xác định tải trọng ngang, đặc biệt tải trọng gió, giữ vai trò định đến nội lực chuyển vị cơng trình Nhóm nghiên cứu lựa chọn đề tài “Tính tốn tải trọng gió theo tiêu chuẩn khác nhau” để khảo sát cách tính tốn tổ hợp tải trọng gió tiêu chuẩn, giúp người thiết kế lựa chọn phương pháp tính phù hợp với điều kiện Việt Nam Đặt vấn đề: Đối với nhà cao tầng, tính tốn thiết kế cần quan tâm đến ảnh hưởng tải trọng ngang, đặc biệt tải trọng gió Trước tiên ta cần hiểu rõ số khái niệm tải trọng gió: Tải trọng gió tác động lên cơng trình lực đẩy ngang gió tác động vào cơng trình Hình Một số hình ảnh tải trọng gió Dao động cơng trình: Dao động kết cấu phân loại: dao động tự (còn gọi dao động riêng) dao động cưỡng Dao động riêng (tức dao động tự do) là: kết cấu chịu tác động loại nhiễu động mà sinh dao động khơng ngoại lực mà dao động tác động lực hồi phục đàn hồi thân hệ mà Dao động cưỡng dao động kết cấu sinh tác động trì lực cưỡng bên ngồi biến thiên theo quy luật định Tần số dao động riêng số lần dao động hoàn chỉnh giây không kể đến lực tác động bên hệ Dạng dao động ứng với tần số dao dộng riêng: hệ có hai bậc tự tồn dạng dao động Khái quát hóa: hệ có n bậc tự có n dạng dao động riêng 2 Hình Mơ hình dao động uốn dầm có bậc tự Mục tiêu nhóm nghiên cứu trình bày cách tính tốn tải trọng gió theo ba tiêu chuẩn để thấy phương pháp tổ hợp tải trọng gió khác nào? Làm sở để so sánh đánh giá cách ứng xử kết cấu tác động tải trọng gió thơng qua diện tích cốt thép Phương pháp nghiên cứu: 2.1 Đối tượng nghiên cứu Tải trọng gió tác động vào cơng trình nhà cao tầng Việt Nam 2.2 Phương pháp phân tích liệu Việc tính tốn thiết kế theo tiêu chuẩn TCVN 2737: 1995 , TCXD 229: 1999 tiêu chuẩn nước như: tiêu chuẩn Anh BS 6399 Part 2: 1995, tiêu chuẩn Mỹ ASCE7-98 tính tốn tải trọng gió cho nhà cao tầng Bước đầu phải quy đổi thông số đầu vào cho phù hợp với điều kiện tính tốn Việt Nam, tiếp tục tổ hợp tải trọng Cuối sử dụng phần mềm etabs để tính tốn nội lực cốt thép 2.2.1 Tính tốn tải trọng gió theo TCVN (Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam 27371995) 2.2.1.1 Tính tốn thành phần gió tĩnh Giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh tải trọng gió W độ cao Z so với mốc chuẩn xác định theo cơng thức: W = W0 × k × c Trong đó:  W0: giá trị áp lực gió theo đồ phân vùng  k: hệ số tính đến thay đổi áp lực gió theo độ cao  c: hệ số khí động  Hệ số độ tin cậy tải trọng gió lấy 1,2 2.2.1.2 Tính tốn thành phần động Tính gió động chiều cao cơng trình H > 40m Mơ hình tính gió động conson, có n điểm tập trung khối lượng M cao trình sàn tầng Chia cơng trình thành n phần cho phần có vùng áp lực gió lên bề mặt cơng trình coi khơng thay đổi Vị trí tập trung khối lượng m tâm khối lượng sàn Khối lượng tiêu chuẩn sàn m tính tốn từ tải trọng bao gồm: toàn tĩnh tải 50% hoạt tải Độ cứng conson lấy độ cứng tương đương cơng trình thật Xác định tần số dao động riêng cơng trình, xếp theo thứ tự tăng dần dạng dao động riêng ứng với tần số dao động riêng tương ứng So sánh tần số dao động thứ ( f1 ) với tần số giới hạn fL (theo TCXD 229 -1999) Nếu f1 > fL giá trị tiêu chuẩn thành phần động gió lên phần tính tốn cơng trình kể đến xung vận tốc gió Nếu f1 < fL giá trị tiêu chuẩn thành phần động gió lên phần tính tốn cơng trình phải kể đến ảnh hưởng xung vận tốc gió lực qn tính cơng trình 2.2.1.3 Giá trị tính tốn thành phần động tải trọng gió Được xác định theo cơng thức: W tt  W   Trong đó:  W tt : giá trị tính tốn thành phần động tải trọng gió  W : giá trị tiêu chuẩn thành phần động tải trọng gió áp lực gió   : hệ số độ tin cậy tải trọng gió,  lấy 1,2   :là hệ số điều chỉnh tải trọng gió theo thời gian sử dụng giả định cơng trình 2.2.1.4 Tổ hợp nội lực tải trọng gió ( gió tĩnh + gió động ) Nội lực chuyển vị gây thành phần tĩnh động tải trọng gió xác định sau: X  Xt  s (X i 1 d i ) Trong đó:  X: moment uốn (xoắn), lực dọc, lực cắt chuyển vị  Xt: moment uốn (xoắn), lực dọc, lực cắt chuyển vị thành phần tĩnh tải trọng gió gây  Xdi: moment uốn (xoắn), lực dọc, lực cắt chuyển vị thành phần động tải trọng gió gây  S: số dạng dao động tính tốn 2.2.2 Tính tốn tải trọng gió theo TC Anh (BS 6399: 1995) 2.2.2.1 Áp lực động Giá trị áp lực động qs xác định bỡi công thức: qs  0,613 Ve2 ( N / m2 ) Trong đó:  qS: áp lực động ( N/m2 )  Ve: tốc độ gió hiệu (m/s) 2.2.2.2 Tải trọng gió tồn phần P  0,85( Pfront   Prear )(1  Cr ) Trong đó:    P P front : Thành phần tải gió tác dụng lên mặt đón gió rear : Thành phần tải gió tác dụng lên mặt khuất gió Cr : hệ số tăng động 2.2.2.3 Tốc độ gió trường Vs  Vb  Sa  Sd  Ss  S p Trong đó:  Vb: tốc độ gió  Sa: hệ số độ cao  Sd: hệ số hướng  Ss: hệ số thay đổi theo mùa  Sp: hệ số xác suất 2.2.2.4 Tốc độ gió hiệu Ve  Vs  Sb Trong đó: + Vs: tốc độ gió trường + Sb: hệ thay đổi phụ thuộc vào chiều cao dạng địa hình 2.2.2.5 Áp lực lên mặt ngồi cơng trình pe  qs  C pe  Ca Trong đó:  Ca: yếu tố ảnh hưởng kích cỡ áp lực  Cpe: hệ số áp lực ngồi bề mặt cơng trình 2.2.2.6 Áp lực lên mặt cơng trình pi  qs  C pi  Ca Trong đó:  Cpi: hệ số áp lực bề mặt công trình  Ca: yếu tố ảnh hưởng kích cỡ áp lực 2.2.2.7 Áp lực ròng tác dụng lên bề mặt cơng trình Áp lực ròng p làm xuyên qua bề mặt xác định sau:  Đối với cơng trình xây dựng: p  pe  pi  Đối với mái che đứng tự do: p  qs  C p  Ca Với: Cp: hệ số áp lực thực cho bề mặt mái che 2.2.2.8 Tải trọng gió tác dụng lên bề mặt cơng trình P  p A Trong đó:  p: áp lực ròng tác dụng lên bề mặt  A: diện tích truyền tải 2.2.3 Tính tốn tải trọng gió theo TC Mỹ (ASCE – 78, 2003) 2.2.3.1 Áp lực gió qz  0,613K z K zt KdV I ( N / m2 ) Trong đó:  V: Vận tốc gió  Kd: Hệ số hướng  I: Hệ số quan trọng  Kz: Hệ số tiếp xúc  Kzt: Hệ số địa hình 2.2.3.2 Xác định hệ số tác động theo G Gf Đối với kết cấu cứng, hệ số tác động theo G = 0,85 tính theo công thức:  (1  1, gQ I z Q)  G f  0,925    1, g I  v z   Đối với kết cấu đàn hồi hệ số tác động theo Gf xác định theo công thức sau:  (1  1, g Q  g R )  Q R  G f  0,925     1, g v I z   2.2.3.3 Tải trọng gió thiết kế  Đối với cơng trình có kết cấu cứng cho tất chiều cao: p  qGC p  qi (GC pi );( N / m2 )  Đối với cơng trình có kết cấu đàn hồi: p  qG f C p  qi (GC pi );( N / m2 ) Trong đó:  q = qz : tường đón gió độ cao z so với mặt đất  q = qh : tường khuất gió, tường thu hồi mái xác định với chiều cao mái trung bình h  qi = qh : tất tường mái cho cơng trình bao che  G, Gf : hệ số tác động theo  Cp: hệ số áp lực  (GCPi) : hệ số áp lực Kết quả: 3.1 Ví dụ tính tốn áp dụng phần mềm Etabs để tính nội lực Tính tải trọng gió tác dụng lên cơng trình thành phố Hồ Chí Minh có chiều dài cơng trình L = 40 m, chiều rộng B = 38 m, chiều cao cơng trình H = 46,8 m Mặt cơng trình hình chữ nhật đối xứng Sử dụng phần mềm Etabs để mô hình cơng trình, tính tốn nội lực cho kết cấu khung Cơng trình có qui mơ 13 tầng, chiều cao tầng 3,9m; chiều cao tầng điển hình 3,6m , tầng mái 3,3m xây dựng thành phố Hồ Chí Minh Sơ chọn chiều sâu chơn móng 2m Dùng vật liệu bê tông B25, cốt thép dọc AII, cốt thép đai AI Hoạt tải tiêu chuẩn toàn phần Ptp = 200 kG/m2 , hoạt tải mái Pmái = 75 kG/m2 ( np = 1,2 ), tĩnh tải tính tốn lớp cấu tạo sàn g = 120 kG/m2, tường 20 cm xây tất dầm Hình Mặt cơng trình Hình Mơ hình tính tốn 3.2 So sánh giá trị tải trọng gió theo TCVN, TC Anh, TC Mỹ: Bảng Giá trị tải trọng gió theo tiêu chuẩn Theo TCVN 2737-1995 Tầng Theo TC Anh Theo TC Mỹ Phương X Phương Y Phương X Phương Y Phương X Phương Y (KN) (KN) (KN) (KN) (KN) (KN) 333,9 317,03 281,97 267,87 221,106 232,744 239,12 226,86 217,07 206,21 146,132 153,823 261,68 248,22 248,17 235,76 151,677 159,660 280,48 265,7 267,56 254,19 155,890 164,094 299,14 283,41 282,54 268,41 159,321 167,706 316,86 300,58 293,87 279,18 162,232 170,771 334,14 317,34 302,51 287,38 164,772 173,444 351,75 334,74 311,34 295,78 167,031 175,822 367,4 350,58 317,58 301,70 169,070 177,968 10 382,31 365,71 322,86 306,72 170,931 179,927 11 397,0 381,28 328,24 311,83 172,645 181,732 12 397,55 383,38 319,71 303,73 166,976 175,765 13 193,73 187,4 155,11 147,35 80,484 84,720 Nhận xét : + Giá trị thơng số đầu vào tốn thiết kế + Dựa vào bảng 3.1 ta thấy, giá trị tải trọng gió theo TCVN lớn giá trị tải trọng gió theo TC Anh Mỹ vì:  Cụ thể TC Anh Mỹ sử dụng vận tốc gió hay áp lực gió sở lấy trung bình khoảng thời gian: (Anh), giây (Mỹ) độ cao 33ft ≈ 10m , chu kỳ lặp thông thường 50 năm  Do sai khác hệ số ảnh hưởng độ cao, dạng địa hình 3.3 So sánh diện tích cốt thép dầm Bảng Giá trị cốt thép theo tiêu chuẩn Cốt thép chịu M  max Cốt thép chịu M  max Theo TCVN 2737-1995 Theo TC Anh Theo TC Mỹ 6,209 cm2 6,548 cm2 7,603 cm2 12,958 cm2 13,499 cm2 14,849 cm2 Nhận xét: + Diện tích cốt thép dầm trục C/ nhịp 10-11 theo tiêu chuẩn chênh lệch không nhiều + Diện tích cốt thép chịu moment dương nhỏ nhiều so với diện tích cốt thép chịu moment âm + Giá trị tải trọng gió theo TCVN lớn giá trị tải trọng gió theo TC Anh Mỹ diện tích cốt thép lại nhỏ vì:  Có khác biệt cách tổ hợp tải trọng tiêu chuẩn  Cách tính tốn cốt thép tiêu chuẩn khác  Hệ số giảm độ bền vật liệu theo tiêu chuẩn Anh Mỹ Bàn luận: Qua q trình tính tốn, thiết kế so sánh nhóm nghiên cứu đưa số lưu ý tính tốn tải trọng gió cho nhà cao tầng: Khi tính tốn tải trọng gió nhà cao tầng cần hiểu xác định giá trị đầu vào để thiết kế nhà cao tầng khác với nhà thấp tầng ứng xử tải trọng ngang trội so với tải trọng đứng Khi sử dụng tiêu chuẩn nước (TC Anh, TC Mỹ…) để thiết kế cần chuyển đổi số liệu đầu vào cho phù hợp với đặc trưng tính tốn tiêu chuẩn so với đặc trưng tính tốn tiêu chuẩn việt Nam Khi tiến hành nghiên cứu đề tài “ Tính tốn tải trọng gió theo tiêu chuẩn khác ” với kiến thức hạn chế, tài liệu tham khảo ít, nội dung đề tài hạn chế, chưa sâu giải hết vấn đề quan tâm kỹ sư thiết kế chúng Tôi hy vọng mở hướng trình thiết kế nhà cao tầng, đề tài sớm ứng dụng vào thực tế Lời cảm ơn: Lời chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Th.S Nguyễn Quốc Thông trực tiếp hướng dẫn chúng em thực đề tài Thầy nhiệt tình dẫn giúp chúng em hoàn thành đề tài đồng thời chúng em học tập thêm nhiều kiến thức chuyên môn Chúng em xin chân thành cảm ơn tất thầy, cô khoa Kỹ Thuật Công Trình tận tình giúp đỡ chúng em trình thực đề tài 8 Qua chúng em biết ơn đến lời động viên khích lệ tinh thần từ phía bạn bè người thân gia đình giúp chúng em vững bước để hoàn thành tốt đề tài nghiên cứu DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam 2737-1995, Tải trọng tác động – tiêu chuẩn thiết kế Tiêu chuẩn xây dựng 229-1999, Chỉ dẫn tính tốn thành phần động tải trọng gió theo TCVN 2737-1995, Nxb Xây dựng ASCE – 78: Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, published by American Society of Civil Engineers, 1801 Alexander Bell Drive Reston, Virginia 20191 – 4400, 2003 BS 6399: 1995 Loading for buildings: Part Code of practice for wind loads