Tính toán tải trọng gió lên nhà cao tầng theo tiêu chuẩn EUROCODE

LVTS7 Tính Toán Tải trọng gió lên nhà Cao tầng theo Tiêu chuẩn EUROCODE Đăng ngày 19062011 09:54:00 AM 2465 Lượt xem 2439 lượt tải Giá : 0 VND Tính Toán Tải trọng gió lên nhà Cao tầng theo Tiêu chuẩn EUROCODE Hãng sản xuất : Unknown Đánh giá : 5 điểm 1 2 3 4 5

LỜI CẢM ƠN

Sau hơn hai năm theo học tại lớp Cao học chuyên ngành Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp – Khoa Sau Đại học – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, tôi đã được phân công làm luận văn tốt nghiệp với đề tài:

“Tính Toán Tải trọng gió lên nhà Cao tầng theo Tiêu chuẩn EUROCODE”

Đối với một kỹ sư thiết kế, việc tìm hiểu vận dụng tiêu chuẩn vào tính toán là một việc rất khó khăn, đặc biệt là vận dụng và nghiên cứu tiêu chuẩn nước ngoài Tuy nhiên, trong suốt thời gian thực hiện luận văn, tôi đã luôn nhận được sự giúp đỡ, quan tâm và chỉ bảo tận tình của các thầy (cô) giáo, các chuyên gia của Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng, các bạn bè đồng nghiệp Vì vậy tôi đã có tinh thần và kiến thức để hoàn thành tốt và đúng thời hạn luận văn của mình

Có được kết quả này, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn

chính PGS.TS Lê Thanh Huấn - người đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian

thực hiện luận văn, đồng thời tôi cũng 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 cùng các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ, đóng góp nhiều ý kiến trong quá trình thực hiện luận văn này.

-Do năng lực và thời gian nghiên cứu có hạn nên luận văn không thể tránh khỏi sai sót, tác giả mong muốn nhận được sự góp ý, chỉ bảo của thầy cô và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn.

Hà Nội, ngày 10 tháng 03 năm 2011

Tác giả luận văn

Nguyễn Mạnh Cường

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

LỜI CAM ĐOAN

Kính gửi: Khoa sau đại học Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội.

Tên tôi là: Nguyễn Mạnh Cường, là học viên lớp cao học chuyên ngànhXây dựng Dân dụng và Công nghiệp khóa 2008-2011 của Khoa Sau Đại học -trường Đại học Kiến trúc Hà Nội

Tôi được Khoa sau đại học – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội cho phéplàm luận văn tốt nghiệp dưới sự hướng dẫn chính của PGS.TS Lê thanh Huấnvới đề tài:

"Tính toán tải trọng gió lên nhà cao tầng theo tiêu chuẩn EUROCODE"Tôi xin cam đoan toàn bộ nội trong trong luận này là do tôi làm và hoàntoàn không có sự sao chép Nếu sai tôi xin chịu sự xử lý theo qui chế đào tạo củanhà trường

Hà Nội, ngày 10 tháng 02 năm 2011

Người viết cam đoan

Nguyễn Mạnh Cường

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU 1

* Đặt vấn đề 1

* Mục đích nghiên cứu 2

* Đối tượng nghiên cứu 2

* Nội dung nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1: GIÓ, TẢI TRỌNG GIÓ, MỘT SỐ TIÊU CHUẨN VỀ TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ 4

1.1 Tổng quan về gió 4

1.1.1 Khái niệm, nguyên nhân hình thành, phân loại 4

1.1.2 Tính chất, đặc điểm của gió 7

1.2 Tác động của gió vào công trình và các biện pháp giảm thiểu 8

1.2.1 Tác động của gió vào công trình 8

1.2.2 Các biện pháp giảm thiểu tác động của gió vào công trình 9

1.3 Một số hệ thống tiêu chuẩn về tính toán tải trọng do gió 13

1.3.1 Tiêu chuẩn Việt Nam 13

1.3.2 Tiêu chuẩn Trung Quốc 17

1.3.3 Tiêu chuẩn Anh 18

1.4 Tiêu chuẩn EUROCODE 20

1.4.1 Tổng quan về tiêu chuẩn EUROCODE 20

1.4.2 Tóm lược EN 1991-1-4 21

1.4.3 Các đề tài đã nghiên cứu ứng dụng tiêu chuẩn vào Việt Nam 22

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG DO GIÓ VÀO NHÀ CAO TẦNG THEO TIÊU CHUẨN EUROCODE 23

2.1 Các tính huống thiết kế đặc biệt 23

2.2 Mô hình hoá các tác động của gió 23

2.2.1 Tính chất của gió 23

2.2.2 Đặc trưng tác động của gió 23

2.2.3 Giá trị đặc trưng 23

2.2.4 Các mô hình 24

2.3 Vận tốc và áp lực gió 24

2.3.1 Cơ sở tính toán 24

2.3.2 Giá trị vận tốc gió cơ bản 24

2.3.3 Vận tốc gió hiệu dụng theo độ cao 26

2.3.4 Hệ số thay đổi vận tốc gió theo độ cao và dạng địa hình 27

2.3.5 Hệ số áp lực theo độ cao 31

2.4 Tác động của gió 33

2.4.1 Áp lực gió lên bề mặt công trình 33

2.4.2 Tải trọng gió 34

2.5 Các hệ số kết cấu: CsCd 35

2.5.1 Khái niệm chung 35

2.5.2 Một số trường hợp xác định nhanh CsCd 35

2.5.3 Trình tự tính toán 40

2.5.4 Hệ số B2, R2, kp 41

2.6 Áp lực và hệ số khí động 43

2.6.1 Lựa chọn các hệ số khí động học 43

2.6.2 Hệ số khí động cho các công trình 43

2.6.3 Lực ma sát 55

2.6.4 Tính toán các bộ phận kết cấu hình chữ nhật 56

2.6.5 Tính toán các bộ phận kết cấu hình lăng trụ 58

2.6.6 Tính toán các bộ phận kết cấu hình trụ 59

2.6.7 Xác định giá trị λ 62

CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG DO GIÓ THEO TIÊU CHUẨN EUROCODE VÀ THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM 65

3.1 Giới thiệu công trình tính toán 65

3.2 Tính toán tải trọng gió tác dụng vào công trình theo tiêu chuẩn EUROCODE 67

3.3 Tính toán tải trọng do gió tác dụng vào công trình theo tiêu chuẩn Việt Nam 68

3.4 So sánh kết quả tính toán 68

3.4.1 So sánh tải trọng gió tác dụng vào công trình 68

3.4.2 So sánh chuyển vị ngang của công trình do tác động của gió 68

3.5 Nhận xét đánh giá 68

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68

 Kết luận 68

 Kiến nghị 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

PHỤ LỤC A: PHÂN VÙNG ÁP LỰC GIÓ TRÊN LÃNH THỔ VIỆT NAM THEO ĐỊA DANH 68

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Số bão và áp thấp nhiệt đới trung bình trên biển Đông trong thời kỳ

1928 đến 1944 và 1947 đến 1980 6

Bảng 1.2: Áp lực gió theo bản đồ phân vùng áp lực gió lãnh thổ Việt Nam 14

Bảng 2.1: Giá trị vận tốc gió tính trung bình trong 3 giây với chu kỳ lặp 20 năm theo bản đồ phân vùng áp lực gió trên lãnh thổ Việt Nam 25

Bảng 2.2: Giá trị vận tốc gió cơ bản vb tương ứng với các vùng áp lực gió 26

trên lãnh thổ Việt Nam 26

Bảng 2.3: Loại địa hình và các thông số địa hình 28

Bảng 2.4: Giá trị Cr(z) theo chiều cao và các dạng địa hình 30

Bảng 2.5: Giá trị Ce(z) theo chiều cao và các dạng địa hình 31

Bảng 2.6: Áp lực gió tiêu chuẩn (qp) theo các vùng áp lực gió trên lãnh thổ Việt Nam 32

Bảng 2.7: Hệ số áp lực ngoài dọc các bức tường công trình hình chữ nhật 45

Bảng 2.8: Hệ số áp lực bên ngoài cho mái phẳng 48

Bảng 2.9: Hệ số áp lực bên ngoài cho mái dốc một chiều 50

Bảng 2.10: Hệ số áp lực bên ngoài cho mái dốc 2 phía 52

Bảng 2.11: Hệ số áp lực bên ngoài cho mái dốc nhiều phía 53

Bảng 2.12: Hệ số ma sát cho các loại cấu kiện 55

Bảng 2.13: Hệ số lực cho các loại lăng trụ 58

Bảng 2.14: Hệ số độ nhám tương ứng với các bề mặt 60

Bảng 2.15: Giá trị độ mảnh với các công trình có mặt bằng hình trụ, đa giác, hình tròn, cấu trúc mạng tinh thể 62

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Lợi dụng địa hình để giảm bớt tác hại gió, làm thay đổi tốc độ và

hướng gió 10

Hình 1.2: Trồng cây và rào giậu để giảm bớt tốc độ gió 10

Hình 1.3: Hình dáng công trình đơn giản để bớt cản gió 11

Hình 1.4: Mái nghiêng 30o – 45o để giảm bớt tốc mái do áp lực âm 11

Hình 1.5: Mái hiên rời giảm sự chìa ra của mái 11

Hình 1.6: Kích thước các lỗ cửa ở các tường đối diện xấp xỉ bằng nhau 12

Hình 1.7: Đảm bảo cánh cửa đóng vừa lỗ cửa 12

Hình 1.8: Bản đồ phân vùng áp lực gió lãnh thổ Việt Nam 14

Hình 2.1: Đồ thị chuyển vận tốc trung bình trong các khoảng thời gian 26

Hình 2.2: Minh họa các dạng địa hình 28

Hình 2.3: Đánh giá phạm vi ảnh hưởng của địa hình 30

Hình 2.4: Giá trị của Ce(z) theo chiều cao và dạng địa hình 32

Hình 2.5: Áp lực trên bề mặt 33

Hình 2.5a: CsCd cho kết cấu nhà thép nhiều tầng có mặt bằng hình chữ nhật với các bức tường thẳng đứng bao ngoài, độ cứng và khối lượng phân bố đều, tần số xác định theo công thức (2.22) 36

Hình 2.5b: CsCd cho kết cấu nhà bê tông cốt thép nhiều tầng có mặt bằng hình chữ nhật với các bức tường thẳng đứng bao ngoài, độ cứng và khối lượng phân bố đều, tần số xác định theo công thức (2.22) 36

Hình 2.5c: CsCd cho kết cấu dạng trụ tròn bằng thép không có lớp đệm (tần số dao động riêng xác định theo công thức (2.23)) với 1=1000 và Ws/Wt=1.0 37

Hình 2.5d: CsCd cho kết cấu dạng trụ tròn bằng bê tông cốt thép không có lớp đệm (tần số dao động riêng xác định theo công thức (2.23)) với 1=700 và Ws/ Wt=1.0 37

Hình 2.5e: CsCd cho kết cấu dạng trụ tròn bằng thép có lớp đệm (tần số dao động riêng xác định theo công thức (2.23)) với 1=1000 và Ws/Wt=1.0 38

Hình 2.6: Các thông số hình học của kết cấu dạng trụ tròn 39

Hình 2.7: Các hình dạng cấu trúc thuộc phạm vi áp dụng công thức (2.24) 41

Hình 2.8: Đồ thị xác định giá trị áp lực gió ngoài, Cpe, cho công trình với diện tích chịu tải nằm trong khoảng từ 1m2 đến 10m2 44

Hình 2.9: Chiều cao tham chiếu theo h , b và đường profile của áp lực gió 45

Hình 2.10: Sơ đồ Phân khu cho nhà hình chữ nhật 46

Hình 2.11: Sơ đồ Phân khu cho mái phẳng 47

Hình 2.12: Sơ đồ Phân khu cho mái dốc một chiều 49

Hình 2.13: Sơ đồ Phân khu cho mái dốc 2 phía 51

Hình 2.14: Sơ đồ Phân khu cho mái dốc 4 phía 53

Hình 2.15: Hệ số áp lực bên ngoài cho mái vòm với mặt bằng hình chữ nhật 54

Hình 2.16: Hệ số áp lực bên ngoài cho chỏm cầu với mặt bằng hình tròn 55

Hình 2.17: Diện tích tham chiếu chịu ma sát do gió 56

Hình 2.18: Hệ số lực, Cf,0, với các cấu kiện mặt cắt hình chữ nhất sắc nét 57

Hình 2.19: Hệ số r cho mặt cắt hình vuông có vo tròn góc 57

Hình 2.20: Mặt cắt tiết diện đa giác 58

Hình 2.21: Biểu đồ phân phối áp lực trên các vị trí trụ tròn 60

Hình 2.22: Biểu đồ hệ số lực cho kết cấu dạng trụ 61

Hình 2.23: Biểu đồ nội suy giá trị λ 63

Hình 2.24: Mô tả định nghĩa hệ số độ kín bề mặt 63

Hình 2.25: Sơ đồ khối quy trình tính toán tải trọng gió lên công trình 64

MỞ ĐẦU

* Đặt vấn đề

Với sự tiến bộ không ngừng của khoa học công nghệ, các công trình xâydựng trên Thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đang phát triển với cấp tiếnvề chiều cao cũng như độ phức tạp Khi chiều cao của công trình càng tăng thìmức độ phức tạp khi tính toán thiết kế cũng gia tăng theo Đặc biệt là việc xácđịnh phản ứng của công trình trước các yếu tố tác động của điều kiện bên ngoàinhư tải trọng do gió, động đất, tải trọng nổ,… Để giải quyết điều này việc tiếnhành nghiên cứu, cập nhật và biên soạn hệ thống các tiêu chuẩn thiết kế mới làvấn đề cấp thiết

Ở Việt Nam hiện nay, hệ thống các tiêu chuẩn về thiết kế kết cấu côngtrình xây dựng nói chung được hình thành qua nhiều năm, chủ yếu dựa trên sựchuyển dịch từ các tiêu chuẩn của Nga (Liên Xô cũ), Anh, Mỹ, ISO, TrungQuốc, Úc… Khi thiết kế một công trình, các tiêu chuẩn đưa vào sử dụng đòi hỏisự liên quan chặt chẽ với nhau về tải trọng, vật liệu khi đưa vào trong tính toánnghĩa là hệ thống tiêu chuẩn phải có tính đồng bộ cao Việc song song tồn tạinhiều loại tiêu chuẩn theo các nước khác nhau đang phá vỡ tính đồng bộ đó

Để xây dựng đồng bộ hệ thống tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam theo hướngđổi mới và hội nhập, Bộ Xây dựng đang có chủ trương sẽ đổi mới thay thế dầncác tiêu chuẩn trong hệ thống tiêu chuẩn cũ Theo phương hướng đó, trong thờigian gần đây Bộ đã cho ban hành tiêu chuẩn TCXDVN 356:2005 “Kết cấubêtông và bêtông cốt thép” (theo tiêu chuẩn SNIP 2.03.01-84*) và tiêu chuẩnTCXDVN 375:2006 “Thiết kế công trình chịu động đất” (theo tiêu chuẩn Châu

âu EN 1998)

Việc ban hành các tiêu chuẩn mới, mặc dù theo chủ trương thay thế dầndần hệ thống tiêu chuẩn cũ nhưng việc tồn tại đồng thời các tiêu chuẩn theo cáchệ thống tiêu chuẩn thuộc các nước khác nhau đã gây ra những khó khăn nhấtđịnh trọng việc sử dụng, áp dụng trong thực tế Đặc biệt là đối với tiêu chuẩnTCXDVN 375:2006 Tiêu chuẩn này được biên soạn dựa trên cơ sở chấp nhận

EN 1998 có bổ sung thay thế các phần mang tính đặc thù của Việt Nam Tuynhiên, nội dung của tiêu chuẩn là xây dựng các qui định, hướng dẫn bổ sung choviệc thiết kế các công trình trong vùng chịu động đất Việc tính toán thiết kế cáccông trình vẫn phải tuân thủ các tiêu chuẩn thiết kế trong hệ thống tiêu chuẩncủa Châu Âu (EN) như: EN 1991-1; EN 1992-1-1; EN 1993-1-1; EN 1994-1-1…

Do đó, khi thiết kế kết cấu nhà cao tầng có kể đến tải trọng động đất theotiêu chuẩn TCXDN 375:2006, tải trọng do gió tác động vào công trình cũng nêntính toán theo tiêu chuẩn tương ứng là EN 1991-1-4.

Các tiêu chuẩn nằm trong hệ thống tiêu chuẩn chung Châu Âu EN đượcxây dựng trên nguyên tắc đó là đưa ra các giả thiết, những chỉ dẫn tính toánchung kèm theo các qui định kỹ thuật rất chặt chẽ, rõ ràng Trên cơ sở đó mỗinước phải có những nghiên cứu phù hợp với những điều kiện thực tế riêng củamình như tiêu chuẩn BS EN 1991-1-4:2005 của Anh, tiêu chuẩn NF EN 1991-1-4:2005 của Pháp… Vì vậy, để áp dụng EN 1991-1-4:2004 vào Việt Nam cũngphải dựa trên nguyên tắc đó và cần có sự nghiên cứu đưa ra chỉ dẫn tính toán đểcác kỹ sư có thể sử dụng mà không bị bỡ ngỡ

Việc nghiên cứu EN 1991-1-4:2004 và đưa ra chỉ dẫn tính toán chi tiết làrất cần thiết Nhưng đây là một vấn đề phức tạp, để hiểu và vận dụng cho đúnglà rất khó không chỉ đối với các kỹ sư thiết kế mà còn đối với cả các nhà khoahọc nên cần có thời gian đầu tư nghiên cứu Vì vậy, tác giả chọn đề tài luận văn:

“Tính toán tải trọng gió lên nhà cao tầng theo tiêu chuẩn EUROCODE” làm nộidung nghiên cứu Hướng nghiên cứu này nhằm làm sáng tỏ về vấn đề vận dụngtiêu chuẩn EUROCODE để tính toán tải trọng gió vào công trình mà điển hìnhlà nhà cao tầng với các điều kiện tự nhiên đặc thù của Việt Nam

* Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là: Tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng theophương gió thổi tính toán theo quan điểm của tiêu chuẩn EUROCODE

* Nội dung nghiên cứu

Tìm hiểu các khái niệm về gió bão, nguyên nhân hình thành gió và các sốliệu thống kê về gió bão ở Việt Nam

Tìm hiểu một số giải pháp làm giảm thiểu tác hại của gió bão

Tìm hiểu tiêu chuẩn về tính toán tải trọng gió tác dụng vào công trình củamột số nước trên thế giới

Tìm hiểu tiêu chuẩn EN 1991-1-4 và đưa ra quy trình toán toán tải trọnggió tác dụng lên nhà cao tầng xây dựng ở Việt Nam theo quan điểm của tiêuchuẩn EUROCODE với các bổ sung thay thế phù hợp với điều kiện khí hậu đặcthù của Việt Nam

Ví dụ thực tế áp dụng tính toán tải trọng gió lên công trình nhà cao tầngtính theo tiêu chuẩn EUROCODE và theo tiêu chuẩn Việt Nam để có cái nhìntổng quát

CHƯƠNG 1: GIÓ, TẢI TRỌNG GIÓ, MỘT SỐ TIÊU CHUẨN VỀ TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ

1.1 Tổng quan về gió [4,6,7]

1.1.1 Khái niệm, nguyên nhân hình thành, phân loại

Gió là một hiện tượng trong tự nhiên hình thành do sự chuyển động củakhông khí Nguyên nhân hình thành gió là do bề mặt trái đất tiếp nhận sự chiếusáng, đốt nóng của mặt trời không đều, sẽ có nhiệt độ không đều Sự chênh lệchnhiệt độ giữa các vị trí gây nên sự chênh lệch về khí áp, ở nơi có nhiệt độ giatăng, không khí nóng lên (hạ áp) và bị không khí lạnh (áp suất lớn) ở xungquanh dồn vào, đẩy lên cao, tạo thành dòng thăng Dòng thăng này làm hạ khíáp tại nơi đó, không khí lạnh ở vùng xung quanh di chuyển theo chiều nằmngang đến thay thế cho lượng không khí đã bị bay lên vì nóng, tạo thành gióngang Quy luật tự nhiên là không khí thường xuyên chuyển động theo cả chiềunằm ngang và thẳng đứng Không khí di chuyển theo chiều nằm ngang càngmạnh thì gió thổi càng lớn

Bão là một xoáy khí có đường kính lớn (tới vài trăm km) Nguyên nhânhình thành bão là do trên các đại dương nhiệt đới, ở vùng gần xích đạo, mặt biển

bị đốt nóng (trên 170), nước bốc hơi mạnh và tạo thành vùng khí áp rất thấp,không khí lạnh hơn ở xung quanh lùa tới, bị đốt nóng và bay lên Quá trình nàytiếp diễn liên tục, hơi nước bốc lên cao, gặp lạnh và ngưng tụ lại, nhiệt lượng toả

ra do ngưng hơi rất lớn, lại làm cho hơi nước bốc lên mạnh hơn Đó là tiềm năngnuôi dưỡng và phát triển bão Khối khí lạnh từ bán cầu tràn về phía xích đạo,trái đất lại đang quay quanh trục của nó Điều này làm cho dòng khí xoáy mãnhliệt hơn, và cơn bão được hình thành Trong quá trình phát triển chu kì của mỗicơn bão được phân chia thành các giai đoạn như sau:

- Nhiễu động nhiệt đới: giai đoạn hình thành, khi khí hậu không ổn địnhvà nhiễu loạn

- Xoáy tụ nhiệt đới: bắt đầu một chuyển động khép kín qua các đạidương (ngược chiều kim đồng hồ ở Bắc bán cầu và cùng chiều kimđồng hồ ở Nam bán cầu) Năng lượng của nó được thu từ hơi nướcbiển ấm có nhiệt độ cao hơn 170C

- Áp thấp nhiệt đới: là xoáy tụ nhiệt đới mạnh và rộng hơn, với vận tốcgió trung bình đến 17m/s

- Bão nhiệt đới: là áp thấp nhiệt đới mạnh và rộng hơn, với vận tốc gió

trung bình đến 33m/s

- Bão lớn (cuồng phong): là bão nhiệt đới rất mạnh, với vận tốc giótrung bình lớn hơn 33m/s, trong đó có những cơn gió mạnh vận tốccòn lớn hơn nhiều

- Giai đoạn bão tan: khi vận tốc gió giảm, đồng thời với việc gia tăng áplực khí quyển

Lốc là một hiện tượng khí tượng đặc biệt Một vùng khí quyển hẹp có ápsuất đột ngột giảm, nảy sinh sự đối lưu của các dòng khí ở các vùng xung quanh,tạo nên dòng xoáy có đường kính từ vài chục mét đến vài km, di chuyển ngangtrong khoảng vài chục ki-lô-mét Sức gió ở vùng xa tâm thì nhỏ nhưng càng vàotrong xoáy càng mạnh lên, ở giữa thì hình thành một cái lõi (vòi rồng) Lốcthường xuất hiện bất ngờ, có thể ở bất kỳ nơi nào (đồng bằng, trung du, miềnnúi) chứ không nhất thiết là ở biển như bão, nhưng vận tốc gió thì rất mạnh vàđột ngột lên tới 70 đến 80m/s (252 đến 288km/h) Với sức mạnh như vậy, lốcnhư một vòi rồng hút theo mọi thứ mà nó gặp trên đường đi: đất, nước, vật liệu,

xe cộ, người, mọi đồ vật… Trừ các công trình được xây dựng đặc biệt, nóichung các công trình xây dựng thông thường không chịu được lốc

Bão và lốc khác nhau ở điều kiện hình thành, sức mạnh và đặc tính tácdụng nhưng bản chất của gió bão và gió lốc thì giống nhau: đều là gió mạnh vàcó đầy đủ các đặc tính tác dụng của gió Do vậy tác dụng của gió bão và gió lốclên công trình là như nhau nên trong thực tế người ta thường gọi chung đó là tácdụng của gió

Gió đặc trưng bởi hướng và vận tốc Chiều di chuyển của dòng khí tạothành hướng gió: gọi theo tên nơi xuất phát có 16 hướng gió tương ứng với 16phương vị địa lý

Vận tốc gió là vận tốc di chuyển của dòng khí qua một điểm nhất định Cóthể biểu thị vận tốc gió theo các đơn vị khác nhau như ngành hàng hải và hàngkhông tính bằng hải lý/giờ Khi dùng đơn vị SI vận tốc gió tính bằng đơn vị m/shoặc km/h

Trên địa cầu có ba loại gió chính là: gió Tín Phong, gió Tây Ôn Đới, gióĐông Cực Gió Tín Phong thổi từ đai cao áp 30 độ B-N đến đai áp thấp 0 độ(xích đạo), gió Tây ôn Đới thổi từ đai cao áp 60 độ B-N về 90 độ B-N, còn gióĐông Cực thổi từ đai cao áp 90 độ B-N đến Vòng Cực B-N

Do sự vận động tự quay của trái đất, gió Tín Phong và gió Tây Ôn Đới

không thổi thẳng theo hướng kinh tuyến mà hơi lệch về phía tay phải ở nửa cầuBắc và về phía tay trái ở nửa cầu Nam (nếu nhìn xuôi theo chiều gió thổi) theoLực Coriolis Tín Phong và gió Tây Ôn Đới tạo thành hai hoàn lưu khí quyểnquan trọng nhất trên bề mặt Trái Đất Gió có nhiều cường độ khác nhau, từmạnh đến yếu Nó có thể có vận tốc từ trên 1km/h cho đến gió trong tâm cáccơn bão có vận tốc khoảng 300km/h.

Việt Nam nằm trong khu vực Đông Nam Á trải dài trên 15 vĩ tuyến củavành đai nhiệt đới bán cầu Bắc Bờ biển Việt Nam tiếp cận biển Đông, một bộphận của ổ bão Tây Bắc Thái Bình Dương Khi mới về bão và áp thấp nhiệt đớiảnh hưởng đến Việt Nam, trước hết phải nói đến những hoạt động của chúngtrên biển Đông

 Tần số bão trên biển Đông

Trung bình mỗi năm có 12 cơn bão và Áp thấp nhiệt đới hoạt động trên biểnĐông, năm nhiều nhất có tới 18 cơn bão (1961, 1964, 1973, 1974), năm ít nhấtcũng có 4 cơn bão (1969)

Bão và áp thấp nhiệt đới hoạt động trên biển Đông bao gồm những cơn hìnhthành tại chỗ và những cơn di chuyển từ Thái Bình Dương vào Trung bìnhtrong 100 cơn bão hoạt động trên biển Đông có khoảng 45 cơn bão sinh ra tạiđây và 55 cơn bão từ Thái Bình Dương di chuyển vào

Bảng 1.1: Số bão và áp thấp nhiệt đới trung bình trên biển Đông trong thời kỳ

1928 đến 1944 và 1947 đến 1980 (Nguồn bảng 2 chương II [6])

và áp

thấp

Trung bình 0.1 0.02 0.06 0.16 0.57 0.76 1.83 2.13 2.43 1.78 1.45 0.66Bão và áp thấp nhiệt đới hoạt động trên biển Đông nhiều nhất vào tháng 8và tháng 9; ít nhất vào tháng 2, tháng 3 Song không có tháng nào là không cóbão

Nếu quy định mùa bão gồm những tháng có số bão trung bình đạt từ 8%

số bão trung bình hàng năm trở lên thì mùa bão ở biển Đông diễn ra từ tháng 7đến tháng 11, nghĩa là muộn hơn mùa bão Tây Bắc Thái Bình Dương.

 Hướng di chuyển và dạng đường đi trung bình của bão trên biển Đông

Hướng di chuyển trung bình của bão trên biển Đông tương đối đơn giản:

ở nửa phía Nam biển Đông, bão di chuyển chủ yếu theo hướng Tây, đổ bộ vàokhu vực Trung Trung Bộ hoặc Nam Trung Bộ; trong khi ở nửa phía Bắc, bão dichuyển chủ yếu theo hướng Tây Tây - Bắc đến Tây – Bắc đổ bộ vào bờ biển BắcTrung Bộ, bờ biển Bắc Bộ hoặc bờ biển phía Đông Nam lục địa Trung Quốc.Một chi tiết đáng quan tâm là hướng bão trung bình ở khu vực phía Nam đảoHải Nam hơi lệch trái so với các điểm xung quanh

 Mật độ bão và mùa bão ở Việt Nam

Mật độ bão ở mỗi khu vực là tổng mật độ bão và áp thấp nhiệt đới của cáctỉnh, trong đó mật độ bão của mỗi tỉnh là tỷ số giữa số cơn bão và áp thấp nhiệtđới trung bình năm với chiều dài bờ biển tính bằng kinh tuyến Việt Nam đượcphân làm 4 khu vực:

- Khu vực 1: từ Quảng Ninh đến Thanh Hóa có trị số mật độ bão và ápthấp nhiệt đới trung bình là 0.97, trong đó Hải Phòng có mật độ rấtcao (1.70), ngược lại Thái Bình có mật độ rất thấp (0.30)

- Khu vực 2: từ Nghệ An đến Quảng Bình có mật độ bão và áp thấpnhiệt đới trung bình là 0.57, chỉ kém khu vực 1 trong đó Hà Tĩnh thấpnhất (0.40), Quảng Bình cao nhất (0.72)

- Khu vực 3: từ Quảng Trị đến Ninh Thuận có mật độ bão và áp thấpnhiệt đới trung bình là 0.40, thấp hơn các khu vực phía Bắc, trong đóKhánh Hòa thấp nhất (0.30), Ninh Thuận cao nhất (0.67)

- Khu vực 4: từ Bình Thuận vào Nam Bộ có mật độ bão và áp thấp nhiệtđới trung bình là 0.07, thấp nhất trong cả nước

Mùa bão ở Việt Nam là từ tháng 6 đến tháng 11 Khu vực 1 có mùa bão từtháng 6 đến tháng 9, bão nhiều nhất là trong tháng 8 Khu vực 2 có mùa bão từtháng 7 đến tháng 10, bão nhiều nhất là trong tháng 10 Khu vực 3 có mùa bãodiễn ra phức tạp: từ tháng 3 đến tháng 6 có bão lác đác, sang tháng 7, tháng 8 íthẳn đi và đến tháng 10, tháng 11 bão nhiều lên và kéo dài cho đến tháng 12.Khu vực 4, bão và áp thấp nhiệt đới chủ yếu xảy ra trong hai tháng 10 và 11.1.1.2 Tính chất, đặc điểm của gió

Gió được hình thành là do sự khác biệt về nhiệt độ của khí quyển, do sựtự quay của Trái Đất, và do sự nóng lên không đồng đều của các lục địa và đạidương

Gió có thể di chuyển rất nhẹ nhàng ở mức khó có thể cảm nhận được hoặcnó có thể thổi quá mạnh và nhanh chóng Tốc độ đi và phạm vi ảnh hưởng củagió là không đồng nhất giữa các khu vực, nó phụ thuộc vào vị trí địa lý và điềukiện địa hình

Gió có một đặc điểm rất quan trọng là ảnh hưởng đến các vật xung quanh:

- Gió tác động đến sự vận động của biển như: hiện tượng tạo sóng (sónglà một trong sự vận động của biển)

- Một số loài cây cũng phát tán quả và hạt nhờ gió như: hoa bồ cônganh, hạt trâm bầu

Gió thường có lợi cho con người Nó có thể làm quay các cánh quạt củacác cối xay gió giúp chúng ta tạo ra nguồn điện, đẩy thuyền buồm, thả diều…Nó là một trong những nguồn năng lượng sạch Nhưng đôi khi gió lại có hại chođời sống của con người Đó là trong các cơn bão, gió có vận tốc cao dễ làm ngã

đổ cây cối, cột đèn, làm tốc mái nhà… gây thiệt hại nghiêm trọng đối với cơ sởvật chất, sức khỏe và tính mạng của con người

Thời điểm xuất hiện và tốc độ gió là không tuân theo quy luật, gió có thểxuất hiện tại một thời điểm và hướng bất kỳ với tốc độ mạnh yếu khác nhau

1.2 Tác động của gió vào công trình và các biện pháp giảm thiểu

1.2.1 Tác động của gió vào công trình [4,5]

Gió thổi gây áp lực lên mọi vật cản trên đường đi của nó, gọi là áp lựcgió Áp lực này tỷ lệ với bình phương vận tốc gió Theo thời gian, vận tốc gióluôn luôn thay đổi gây nên sự mạch động của gió Vì thế gió bão gây áp lực lớnlên công trình, rất nguy hiểm và có sức phá hoại rất lớn

Khi gió thổi vượt qua một công trình thì tất cả các vùng của công trình đóđều chịu một áp lực nhất định Phía đón gió xuất hiện áp lực trội đập trực tiếpvào mặt đón; ở phía sau công trình, phía khuất gió và ở bên hông (mặt bên) côngtrình xuất hiện áp lực âm do gió hút

Trạng thái biến đổi của dòng thổi qua công trình phụ thuộc chủ yếu vào tỷlệ các kích thước của các mặt để tạo thành hình khối, vào thể loại và trạng thái

bề mặt công trình Trạng thái dòng thổi còn phụ thuộc vị trí tương đối của côngtrình so với các công trình lân cận và cảnh quan khu vực (bờ cao, sườn dốc, núiđồi, thung lũng…) Trạng thái này ảnh hưởng đến góc tới của dòng thổi, làmthay đổi cả định tính, định lượng của áp lực gió lên công trình.

Dưới tác dụng của tải trọng gió, các công trình cao, mềm, độ thanh mảnhlớn sẽ có dao động Tuỳ theo phân bố độ cứng của công trình mà dao động nàycó thể theo phương bất kỳ trong không gian Thông thường chúng được phântích thành hai phương chính: phương dọc và phương ngang luồng gió, trong đódao động theo phương dọc luồng gió là chủ yếu Với các công trình thấp, daođộng này là không đáng kể; nhưng với các công trình cao khi dao động sẽ phátsinh lực quán tính làm tăng thêm tác dụng của tải trọng gió

Tác dụng của gió lên công trình bị chi phối chủ yếu bởi vận tốc và hướngthổi của nó Vì vậy mọi tham số làm biến đổi hai yếu tố này sẽ làm ảnh hưởngđến trị số và hướng của tác dụng Các thông số này có thể chia làm 3 nhómchính sau đây:

- Nhóm các thông số đặc trưng cho tính ngẫu nhiên của tải trọng: vậntốc, độ cao, xung áp lực động

- Nhóm các thông số đặc trưng cho địa hình: Độ nhám môi trường màgió đi qua, loại địa hình, mức độ che chắn

- Nhóm thông số đặc trưng của bản thân công trình: hình khối côngtrình và hình dạng bề mặt đón gió; các yếu tố ảnh hưởng của dao dộngriêng (chu kỳ, tần số, giá trị, khối lượng và cách phân bố khối lượng,dạng và độ tắt dần của dao động)

1.2.2 Các biện pháp giảm thiểu tác động của gió vào công trình [5]

Các giải pháp kỹ thuật nhằm phòng ngừa và giảm nhẹ các thiệt hại do tácđộng của gió bão và lốc xoáy gây ra cho công trình xây dựng trong các vùng bịảnh hưởng của thiên tai Các giải pháp kỹ thuật cho nhà bao gồm các mặt từ quyhoạch, kiến trúc, kết cấu, vật liệu đến thi công

 Các giải pháp quy hoạch

- Khi chọn địa điểm xây dựng, nên chú ý lợi dụng địa hình, địa vật đểchắn gió bão cho công trình Làm nhà tập trung thành từng khu vực,bố trí các nhà nằm so-le với nhau để giảm thiểu ảnh huởng của gió

bão Trồng cây thành rào lũy, xây tường chắn để làm đổi hướng hoặccản bớt tác dụng của gió.

- Cần tránh làm nhà tại các nơi trống trải, giữa cánh đồng, ven làng, vensông, ven biển, trên đồi cao hoặc giữa 2 sườn đồi, sườn núi Tránh bốtrí các nhà thẳng hàng, dễ tạo túi gió hoặc luồng xoáy nguy hiểm

Hình 1.1: Lợi dụng địa hình để giảm bớt tác hại gió, làm thay đổi tốc độ và

hướng gió [5]

Hình 1.2: Trồng cây và rào giậu để giảm bớt tốc độ gió [5]

 Các giải pháp kiến trúc

- Kích thước nhà phải hợp lý, tránh nhà mảnh và dài Đơn giản nhất làmặt bằng hình vuông và hình chữ nhật có chiều dài không lớn hơn 2,5lần chiều rộng

- Hình dáng ngôi nhà cần giản đơn, tránh lồi ra lõm vào Bố trí mặtbằng các bộ phận cần hợp lý, tránh mặt bằng có thể tạo túi hứng giónhư mặt bằng hình chữ L, chữ T và chữ U…

- Độ dốc mái cao (30o – 45o), để giảm bớt tốc mái do áp lực âm Tránhnhững hình dạng mái nhà có thể tạo dòng rối cục bộ Mái góc, máiviền tránh chìa quá rộng Nên sử dụng mái hiên rời nhằm giảm sự chìa

ra của mái

- Cửa trước cửa sau, kích thước xấp xỉ bằng nhau Cửa đóng khít, vừa,đủ then, đủ chốt, ngăn ngừa gió lay

Hình 1.3: Hình dáng công trình đơn giản để bớt cản gió [5]

Hình 1.4: Mái nghiêng 30o – 45o để giảm bớt tốc mái do áp lực âm [5]

Hình 1.5: Mái hiên rời giảm sự chìa ra của mái [5]

Hình 1.6: Kích thước các lỗ cửa ở các tường đối diện xấp xỉ bằng nhau [5]

Hình 1.7: Đảm bảo cánh cửa đóng vừa lỗ cửa [5]

 Các giải pháp kết cấu công trình

* Giải pháp chung:

- Làm đổi hướng hoặc cản bớt tác dụng của gió

- Chống đổ ngang, đổ dọc, đổ xiên

- Chống tốc một phần hoặc bay cả mái

- Chống đổ do xoắn

- Chống đổ do mất ổn định tổng thể

* Các yêu cầu kỹ thuật chung:

- Về tổng thể phải có liên kết chặt chẽ, liên tục cho các kết cấu từ máitới móng theo cả 2 phương: phương ngang và phương thẳng đứng

- Ưu tiên hệ kết cấu gồm cột và dầm tạo ra một lưới không gian có độcứng tốt Hệ kết cấu càng đơn giản, càng rõ ràng càng tốt

- Nên dùng cột chống đứng bên trong nhà và những vùng mở rộng

- Kiểm tra các nhịp lớn và các phần công-sơn

- Khoảng cách giữa các thanh xà gồ, kèo trên khung mái phải hợp lý

- Tăng cường kết cấu xung quanh những phòng quan trọng, đòi hỏi antoàn nhất, có thể làm chỗ trú ẩn cho những người đang có mặt trongkhi xẩy ra thiên tai

* Các giải pháp nhằm làm giảm giá trị thành phần tĩnh của tải trọng gió:

- Giảm mức độ phức tạp của mặt đón gió, nhằm giảm hệ số khí động Cx

cho các mặt ngoài Khi mặt ngoài nhiều ô-văng, lô-gia, ban-công…Các lồi lõm thô ráp này sẽ gây hiện tượng gió lồng, gió xoáy tại các

góc chuyển hướng, áp lực gió sẽ tăng đột biến

- Vị trí công trình cao không nên đặt ở nơi có độ dốc quá lớn, địa hìnhsườn dốc sẽ làm hệ số K tăng lên Trong điều kiện có thể nên chọn vịtrí bằng phẳng hơn hoặc thoải hơn

* Các giải pháp nhằm làm giảm giá trị thành phần động của tải trọng gió:

- Hữu hiệu nhất là tìm cách làm giảm khối lượng và phân bố khối lượnghợp lí để giảm giá trị lực quán tính sinh ra khi dao động

- Giảm trọng lượng kết cấu: chọn vật liệu có cường độ cao, khả năngchịu lực lớn (thép, bê tông mác cao…)

- Giảm trọng lượng vật liệu kiến trúc: tường ngăn, tường bao, gạch lát,cửa, cầu thang, các vật liệu kiến trúc khác, dùng tường mỏng hơn, sửdụng vật liệu tường nhẹ hơn…

- Lựa chọn hình dáng công trình hợp lý: sao cho diện tích mặt đón gióvà khối lượng càng lên cao càng giảm dần Công trình thon dần, sẽ cómặt đón gió giảm dần, giá trị của thành phần tĩnh của tải gió càng lêncao càng nhỏ Đồng thời biên độ và hệ số động lực trong bài toán daođộng riêng cũng nhỏ hơn, dao động tắt nhanh hơn và vì vậy thànhphần động sẽ bé hơn

1.3 Một số hệ thống tiêu chuẩn về tính toán tải trọng do gió

1.3.1 Tiêu chuẩn Việt Nam [2]

Tiêu chuẩn hiện hành về tính toán tải trọng gió ở Việt Nam đang được áp

dụng là tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết

kế Theo đó, tải trọng do gió được phân làm hai thành phần là thành phần tĩnh và

thành phần động

- Wo: giá trị áp lực gió theo bản đồ phân vùng

- k: hệ số tính đến sự thay đổi của áp lực gió theo độ cao và dạng địahình xác định theo Bảng 5 [2]

- c: hệ số khí động, xác định theo Bảng 6 [2]

- Hệ số tin cậy của tải trọng gió lấy bằng 1.2

Giá trị áp lực gió Wo được xác định theo Bảng 4 [2] theo đó lãnh thổ ViệtNam được phân ra làm 05 vùng áp lực gió như trong Bảng 1.2 Chi tiết phânvùng áp lực gió trên lãnh thổ Việt Nam theo các địa danh xem trong Phụ lục A.Bảng 1.2: Áp lực gió theo bản đồ phân vùng áp lực gió lãnh thổ Việt Nam

Đối với nhà và các công trình được xây dựng tại các vùng có địa hìnhphức tạp (hẻm núi, giữa các núi song song, các cửa đèo…), giá trị áp lực gió Wo

được xác định theo công thức (1.2)

Trong đó vo là vận tốc gió ở độ cao 10m so với mốc chuẩn (vận tốc trungbình trong khoảng thời gian 3 giây, bị vượt trung bình 1 lần trong vòng 20 năm)tương ứng với dạng địa hình B tính theo đơn vị m/s.

 Thành phần động

Theo [2], khi xác định áp lực mặt trong Wi cũng như khi tính toán nhànhiều tầng có chiều cao dưới 40m, hoặc nhà công nghiệp 1 tầng cao dưới 3.6mvới tỷ số độ cao trên nhịp nhỏ hơn 1.5, xây dựng ở địa hình dạng A và B (địahình trống trải và tương đối trống trải theo điều 6.5 [2]) thì không cần tính đếnthành phần động của tải trọng gió

Thành phần động của tải trọng gió được xác định theo các phương tươngứng với phương tính toán thành phần tĩnh của tải trọng gió Thành phần độngcủa tải trọng gió tác dụng lên công trình là do lực xung của vận tốc gió và quántính công trình gây ra Giá trị của lực này được xác định trên cơ sở thành phầntĩnh của tải trọng gió nhân với các hệ số có kể đến ảnh hưởng lực do xung củavận tốc gió và quán tính của công trình

Giá trị tiêu chuẩn thành phần động của tải trọng gió Wp ở độ cao z đượcxác định như sau:

* Đối với công trình và các bộ phận kết cấu có tần số dao động riêng cơbản f1 (Hz) lớn hơn giá trị giới hạn của tần số dao động riêng fL quy định trongđiều 6.14 [2] được xác định theo công thức:

Trong đó:

- W: Giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của tải trọng gió ở độ cao tínhtoán được xác định theo Điều 6.3 [2]

- : Hệ số áp lực của tải trọng gió ở độ cao z lấy theo bảng 8 [2]

- : Hệ số tương quan không gian áp lực động của tải trọng gió xác địnhtheo điều 6.15 [2]

* Đối với công trình (và các bộ phận kết cấu của nó) có sơ đồ tính toán làhệ một bậc tự do (khung ngang nhà công nghiệp một tầng, tháp nước…) khi

f1<fL xác định theo công thức (1.4)

Trong đó:

k

pk k

M y

W y

1 2

- m: là khối lượng phần công trình mà có độ cao z

- y: là dịch chuyển ngang của công trình ở độ cao z ứng với dạng daođộng riêng thứ nhất

-  Hệ số được xác định bằng cách chia công trình thành r phần, trongphạm vi mỗi phần tải trọng gió không đổi, giá trị xác định theo (1.7)

(1.7)

Trong đó:

- Mk: Khối lượng phần thứ k của công trình

- yk: Dịch chuyển ngang của trọng tâm phần thứ k ứng với dạng daođộng riêng thứ nhất

* Đối với nhà nhiều tầng có độ cứng, khối lượng và bề rộng mặt đón giókhông đổi theo chiều cao, cho phép xác định giá trị tiêu chuẩn thành phần độngcủa tải trọng gió ở độ cao z theo công thức (1.8)

 Phân chia dạng địa hình

Xem xét quá trình phát triển của tiêu chuẩn tải trọng và tác động của ViệtNam, phiên bản TCVN 2737 : 1984 được biên soạn dựa theo [17] với chỉ hai

dạng địa hình A và B, trong đó địa hình A là địa hình chuẩn Đến phiên bảnTCVN 2737 : 1990, tuy vẫn dựa trên phương pháp tính toán như [17] (sử dụngvận tốc gió trung bình trong 2 phút) nhưng có sự thay đổi về cách phân loạidạng địa hình, địa hình được phân thành 3 dạng A, B, C trong đó B là dạng địahình chuẩn dựa theo tiêu chuẩn của Úc AS 1170.2-1983 Đến phiên bản TCVN2737:1995, cách phân loại dạng địa hình này vẫn được giữ lại, lãnh thổ ViệtNam được chia ra làm 3 dạng địa hình như sau:

- Dạng địa hình A là địa hình trống trải, không có hoặc có ít vật cản caoquá 1.5m (bờ biển thoáng, mặt sông, hồ lớn, đồng muối, cánh đồngkhông có cây cao…)

- Dạng địa hình B (được chọn là dạng địa hình chuẩn) là địa hình tươngđối trống trải, có một số vật cản thưa thớt cao không quá 10m (vùngngoại ô ít nhà, thị trấn, làng mạc, rừng thưa hoặc rừng non, vùng trồngcây thưa…)

- Dạng địa hình C là địa hình bị che chắn mạnh, có nhiều vật cản sátnhau, cao từ 10m trở lên (trong thành phố, vùng rừng rậm…)

Công trình được xem là thuộc dạng địa hình nào nếu tính chất dạng địahình đó không thay đổi trong khoảng cách 30h khi h < 60m và 2km khi h > 60mtính từ mặt đón gió của công trình, h là chiều cao công trình

1.3.2 Tiêu chuẩn Trung Quốc [14]

Tiêu chuẩn hiện hành về tính toán tải trọng gió ở Trung Quốc đang được

áp dụng là tiêu chuẩn GB 50009-2001: Load code for the design of building

structures (phiên bản tiếng Anh) Theo đó, tải trọng do gió cũng được phân làm

hai thành phần là thành phần tĩnh và thành phần động

 Thành phần tĩnh

Giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của tải trọng gió trong tiêu chuẩn GB50009-2001 tính theo công thức:

Wk = βz * µs * µz * W0 (1.9)Trong đó:

- Wk: giá trị áp lực đặc trưng của gió

- βz: hệ số ảnh hưởng động của gió ở độ cao z, khi chỉ xét đến thànhphần tĩnh βz = 1

- µs: hệ số hình dạng của tải trọng gió

- µz: hệ số áp lực gió theo chiều cao

- Wo: giá trị áp lực gió tham chiếu (được xác định theo bản đồ phânvùng và bảng địa danh của Trung Quốc)

Về áp lực gió tiêu chuẩn trong GB 50009-2001 được xác định dựa trên cơ

sở vận tốc gió lấy trung bình trong 10 phút, ở độ cao 10m, bị vượt trung bìnhmột lần trong vòng 50 năm

 Phân chia dạng địa hình

Về các dạng địa hình, GB 50009-2001 chia làm 4 dạng như sau (Điều7.2.1):

- Dạng địa hình A là dạng địa hình gần biển, các hòn đảo trên biển, bờbiển, bờ hồ và sa mạc

- Dạng địa hình B (được chọn là dạng địa hình chuẩn) là dạng địa hìnhvùng ngoại ô, khu đô thị của thành phố với những cánh đồng, làngmạc, đồi và nhà cửa

- Dạng địa hình C là dạng địa hình tại các thành phố với nhiều côngtrình tập trung

- Dạng địa hình D là dạng địa hình tại các thành phố với nhiều côngtrình tập trung và các nhà cao tầng

1.3.3 Tiêu chuẩn Anh [10]

Tiêu chuẩn hiện hành về tính toán tải trọng gió ở Anh đang được áp dụng

là tiêu chuẩn BS 6399 : Part 2 : 1997: Loading for Buildings – Code of Practice

for Wind loads Theo đó, tải trọng do gió cũng được xét tới hai thành phần là

thành phần tĩnh và thành phần động Phạm vi áp dụng của tiêu chuẩn là với cáccông trình có chiều cao dưới 300m (H < 300m) và hệ số điều chỉnh động dưới0.25 (Cr < 0.25)

Vận tốc cơ bản của gió (vb) trong tiêu chuẩn được xác định là vận tốc vận

tốc gió lấy trung bình trong 10 phút, ở độ cao 10m, bị vượt trung bình một lầntrong vòng 50 năm.

Vận tốc gió theo hướng (vs) được xác định từ thông qua giá trị vb theocông thức sau:

vs = vb * Sa * Sd * Ss * Sp (1.10)Trong đó:

- vb: giá trị vận tốc gió cơ bản

- Sa: hệ số độ cao

- Sd: hệ số phụ thuộc vào hướng

- Ss: hệ số phụ thuộc vào mùa

- Sp: hệ số kể đến yếu tố xác xuất

Vận tốc tính toán của gió (ve) được xác định theo công thức sau:

Trong đó:

- vs: giá trị vận tốc gió theo hướng

- Sb: hệ số phụ thuộc dạng địa hình

Áp lực gió tính toán được xác định theo công thức:

- Cpe: hệ số khí động bề mặt bên ngoài công trình

- Cpi: hệ số khí động bề mặt bên trong công trình

- Ca: hệ số kể đến diện tích bề mặt

Lực gió tác dụng vào bề mặt công trình được xác định theo công thức:

P = p * A (1.15)Trong đó:

- p: áp lực gió tác dụng vào bề mặt

- A: diện tích bề mặt chắn

Lực gió tác dụng vào công trình được xác định theo công thức

 Phân chia dạng địa hình

Về các dạng địa hình, BS 6399 : Part 2 : 1997 phân chia địa hình làm 04dạng A, B, C và D

1.4 Tiêu chuẩn EUROCODE [12]

1.1 Tổng quan về tiêu chuẩn EUROCODE

Năm 1975, Ủy ban Cộng đồng Châu Âu quyết định về một chương trìnhhành động trong lĩnh vực xây dựng Mục tiêu của chương trình là việc loại bỏnhững trở ngại kỹ thuật thương mại và hài hoà các đặc tính kỹ thuật Trong chương trình hành động này, Ủy ban đã có sáng kiến thành lập một bộtiêu chuẩn về việc thiết kế kỹ thuật các công trình xây dựng Trong giai đoạnđầu tiên, bộ tiêu chuẩn này sẽ được sử dụng như là một tài liệu chung để tínhtoán thay thế cho các tiêu chuẩn riêng của từng quốc gia thành viên và cuối cùng

sẽ thay thế các tiêu chuẩn riêng đó và trở thành tiêu chuẩn chính thức của tất cảcác nước tham gia

Sau 15 năm, Ủy ban Cộng đồng Châu Âu với sự giúp đỡ của một Ban chỉđạo với Đại diện các nước thành viên đã cho ra đời các phiên bản đầu tiên vàođầu những năm 80 của thế kỷ trước

Đến nay, hệ thống tiêu chuẩn EN đã được nghiên cứu và ban hành chínhthức bao gồm 9 phần dưới dây:

- EN 1990 Eurocode : Basis of Structural Design

- EN 1991 Eurocode 1: Actions on structures

- EN 1992 Eurocode 2: Design of concrete structures

- EN 1993 Eurocode 3: Design of steel structures

- EN 1994 Eurocode 4: Design of composite steel and concretestructures

- EN 1995 Eurocode 5: Design of timber structures

- EN 1996 Eurocode 6: Design of masonry structures

- EN 1997 Eurocode 7: Geotechnical design

- EN 1998 Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance

- EN 1999 Eurocode 9: Design of aluminium structures

Hệ thống tiêu chuẩn EN ngày nay đã được ứng dụng rỗng rãi không chỉtrong phạm vi các nước thành viên Ủy ban cộng đồng châu âu mà còn đượcchuyển dịch vào áp dụng ở nhiều nước thuộc châu Âu và các châu lục khác trênthế giới

1.2 Tóm lược EN 1991-1-4

EN 1991-1-4 là phần 1-4 của tiêu chuẩn EN 1991-1 (Actions on structures– General actions) EN 1991-1-4 cung cấp các thông tin chỉ dẫn về việc thiết kếkết cấu công trình với tải trọng do gió Hiện nay, ở Châu Âu, EN 1991-1-4 đangđược sử dụng kết hợp với hệ thống tiêu chuẩn EN 1990 và các phần của EN

1990 và EN 1992 đến 1999 để thiết kế kết cấu công trình

Cấu trúc của EN 1991-1-4 được chia làm 09 chương:

- Chương 1: Các quy định chung

- Chương 2: Các tình huống thiết kế

- Chương 3: Mô phỏng tác động của gió

- Chương 4: Vận tốc gió và vận tốc áp lực

- Chương 5: Tác động của gió

- Chương 6: Các yếu tố kết cấu CsCd

- Chương 7: Áp lực và hệ số lực

- Chương 8: Tác động của tải trọng gió lên kết cấu cầu

- Chương 9: Các phụ lục từ A đến F

Phạm vi áp dụng của EN 1991-1-4 là áp dụng cho tính toán với các côngtrình có chiều cao dưới 200m và với kết cấu cầu có nhịp không lớn hơn 200m.1.3 Các đề tài đã nghiên cứu ứng dụng tiêu chuẩn vào Việt Nam

Ở Việt Nam các luận văn cũng như các đề tài nghiên cứu về tiêu chuẩn

“Tải trọng và tác động” của các nước trên thế giới còn rất hạn chế, đặc biệt làchỉ dẫn về tính toán tải trọng do gió Việc nghiện cứu vận dụng tiêu chuẩn tínhtoán tải trọng do gió theo tiêu chuẩn Trung Quốc (GB), Mỹ, Anh (BS) và một sốnước châu âu khác đã được Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng - Bộ Xây dựngchuyển dịch và một số tác giả khác nghiện cứu Hệ thống tiêu chuẩnEUROCODE đang được Bộ Xây dựng chủ trương nghiên cứu để áp dụng vàoViệt Nam Bản EUROCODE 8 (Design of structures for earthquake resistance)đã được chuyển dịch và chính thức đưa vào áp dụng trong hệ thông tiêu chuẩnViệt Nam hiện hành từ năm 2006 Tuy nhiên, việc nghiên cứu về tiêu chuẩn EN

1991 - 1 - 4 cũng đã được Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng tập trung nghiêncứu Tuy nhiên, việc ban hành tiêu chuẩn cũng như đưa ra một chỉ dẫn tính toánchi tiết vẫn chưa được thực hiện

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG DO GIÓ VÀO NHÀ CAO TẦNG THEO TIÊU CHUẨN EUROCODE

2.1 Các tính huống thiết kế đặc biệt [12]

Các tác động có liên quan do gió được xác định cho từng tình huống thiếtkế cụ thể được xác định theo EN 1990-3-2

Theo EN 1990-3-2 các tác động kể đến khác (như: tải trọng do tuyết, tảitrọng do giao thông, băng) sẽ được điều chỉnh các hiệu ứng do gió nên được đưavào các chỉ dẫn riêng Xem thêm EN 1991-1-3, EN 1991-2 và ISO FDIS12494

Theo EN 1990-3-2, những thay đổi tới kết cấu trong các giai đoạn sửdụng (sự khác biệt về hình dạng, ảnh hưởng của đặc tính động…), có thể thayđổi các hiệu ứng do gió, nên được đưa vào thành các chỉ dẫn riêng Xem thêmtrong EN 1991-1-6

Trong khi thiết kế các cửa sổ và cửa ra vào được giả định là đóng Trongtrường hợp các cửa được mở khi chịu ảnh hưởng của bão phải được coi là mộttình huống thiết kế ngẫu nhiên Xem thêm EN 1990-3-2

Ảnh hưởng mỏi do tác động của gió cần được xem xét cho các cấu trúcnhạy cảm (số chu kỳ tải có thể được lấy từ phụ lục B, C và E của EN 1991-1-4)

2.2 Mô hình hoá các tác động của gió

2.2.1 Tính chất của gió [12]

Gió hoạt động thay đổi theo thời gian và tác động trực tiếp như những áplực trên bề mặt bên ngoài của các cấu trúc che chắn (kín) do độ nhám của bề mặtbên ngoài, đồng thời cũng có tác động gián tiếp vào các bề mặt bên trong Nócũng có thể tác động trực tiếp trên bề mặt bên trong của cấu trúc mở Áp lực tácđộng lên diện của bề mặt tạo thành lực thông thường tác động vào bề mặt củakết cấu hoặc các thành phần riêng rẽ cho từng bộ phận Ngoài ra, khi bề mặt kếtcấu rộng lớn ảnh hưởng theo phương tiếp tuyến của tải trọng gió được tạo ra bởithành phần ma sát giữa dòng gió và bề mặt có thể là đáng kể

2.2.2 Đặc trưng tác động của gió [12]

Các tác động của gió được đặc trưng bởi một tập hợp của các áp lực đơnhoặc lực tương đương với lực tác động cực hạn của gió hỗn loạn

Ngoại trừ trường hợp có ghi chú riêng, tác động của gió nên được phânloại là các tác động thay đổi

2.2.3 Giá trị đặc trưng [12]

Những tác động do gió khi tính bằng cách sử dụng EN 1991-1-4 là nhữnggiá trị đặc trưng được xác định từ các giá trị cơ bản của vận tốc gió, áp suất vậntốc Theo EN 1990-4-1.2 các giá trị cơ bản là những giá trị đặc trưng có xác suấthàng năm (exceedence) 0.02, tương đương với một thời gian trở lại (chu kỳ lặp)là 50 năm

Chú ý: Tất cả các hệ số hoặc mô hình để tính toán tác động gió từ nhữnggiá trị cơ bản, được chọn sao cho xác suất của hành động gió tính không vượtquá quy định của các giá trị cơ bản

2.2.4 Các mô hình [12]

Các tác động của gió lên kết cấu (tức là phản ứng của cấu trúc), phụ thuộcvào hình dạng, kích thước và tính chất động của cấu trúc Phần này bao gồm cácphản ứng động do gió chuyển động hỗn loạn cộng hưởng với một hình thứcrung động cơ bản cùng gió Các phản ứng của các cấu trúc nên được tính từ áplực vận tốc cao điểm

Phản ứng Aeroelastic cần được xem xét cho các cấu trúc linh hoạt, chẳnghạn như dây cáp, cột buồm, ống khói và cầu

2.3 Vận tốc và áp lực gió

2.3.1 Cơ sở tính toán [12]

Gió là hơi hỗn loạn, tức là tốc độ và hướng biến động Do đó, trongEurocode gió được xem xét như một áp lực hoặc lực bán tĩnh Việc tính toán tácđộng do gió bao gồm các bước sau:

- Lựa chọn tốc độ gió tham chiếu, được xác định trên cơ sở xác suất củamột bản đồ thời tiết Bảng phân vùng gió của một quốc gia được xácđịnh bởi chính quyền quốc gia Vận tốc gió hiệu dụng theo độ cao vm

phải được xác định từ vận tốc gió cơ bản vb phụ thuộc vào điều kiệnthời tiết của khu vực

- Tính toán các hệ số thay đổi vận tốc, áp lực theo chiều cao, tùy thuộcvào các đặc tính (địa hình, độ nhám) và độ cao trên mặt đất

- Tính toán các hệ số áp lực hoặc lực lên các loại công trình: (công trìnhhình chữ nhật, panels, đa giác, dạng giàn, dạng chỏm cầu…)

2.3.2 Giá trị vận tốc gió cơ bản [12]

Giá trị vận tốc gió cơ bản được xác định thông qua giá trị vận tốc độ giótiêu chuẩn tham chiếu vb,0, là giá trị vận tốc gió đo được trung bình trong 10 phútkhông phân biệt hướng gió và thời gian của năm với xác suất vượt một lần trong

50 năm ở độ cao 10 kể từ mặt đất ở khu vực có dạng địa hình trống trải có thảmthực vật thấp như cỏ và không bị cản bởi nhà cửa, cây cối…

Giá trị vận tốc gió cơ bản được xác định theo công thức (2.1)

vb = Cdir * Cseason * vb,o (2.1)Trong đó:

- vb: giá trị vận tốc gió cơ bản được định nghĩa là đại lượng phụ thuộcvào hướng gió và thời điểm trong năm

- Cdir: hệ số kể đến ảnh hưởng của hướng, xem Ghi chú 1

- Cseason: hệ số kể đến yếu tố theo mùa, xem Ghi chú 2

- vb,0: giá trị vận tốc gió cơ bản theo phụ lục quốc gia

Ghi chú 1: giá trị của các yếu tố hướng, Cdir, cho các hướng gió khác nhau cóthể tìm thấy trong các phụ lục Quốc gia, trong trường hợp không có lấy giá trịbằng 1

Ghi chú 2: giá trị của các yếu tố hướng, Cseason, cho các hướng gió khác nhau cóthể tìm thấy trong các phụ lục Quốc gia, trong trường hợp không có lấy giá trịbằng 1

Theo [2], lãnh thổ Việt Nam được chia ra làm 5 vùng áp lực gió (từ vùng

I đến vùng V) Vận tốc gió tính trung bình trong 3 giây với chu kỳ lặp 20 nămnhư trong Bảng 2.1

Bảng 2.1: Giá trị vận tốc gió tính trung bình trong 3 giây với chu kỳ lặp 20 năm

theo bản đồ phân vùng áp lực gió trên lãnh thổ Việt NamVùng áp lực

gió trên bản đồ

Quy đổi vận tốc gió trung bình trong 3 giây sang vận tốc gió trung bìnhtrong 10 phút được tra theo đồ thị Hình 2.1

Hình 2.1: Đồ thị chuyển vận tốc trung bình trong các khoảng thời gian

(Nguồn hình 2.3.10 [13])

525 1

065 1

Giá trị vận tốc cơ bản vb tương ứng với các vùng áp lực gió trên lãnh thổViệt Nam được cho trong Bảng 2.2

Bảng 2.2: Giá trị vận tốc gió cơ bản vb tương ứng với các vùng áp lực gió

trên lãnh thổ Việt Nam

Vùng áp lực gió

trên bản đồ

Vận tốcvb (m/s) 22.90 24.90 28.14 30.10 32.39 34.53 38.45 42.012.3.3 Vận tốc gió hiệu dụng theo độ cao [12]

Các vận tốc gió hiệu dụng vm(z) ở độ cao z trên một địa hình phụ thuộcvào độ nhám (gồ ghề) địa hình và vận tốc gió cơ bản (vb) được xác định theobiểu thức (2.5)

vm(z) = Cr(z) * C0(z) * vb (2.5)Trong đó

- Cr(z): là hệ số thay đổi vận tốc gió theo độ cao và dạng địa hình, xácđịnh theo mục 2.3.4

- C0(z): là hệ số orography, lấy bằng 1.0 ngoại trừ trường hợp có các ghichú khác

Ghi chú: Ảnh hưởng của cấu trúc lân cận tới vận tốc gió nên được xem xét

2.3.4 Hệ số thay đổi vận tốc gió theo độ cao và dạng địa hình [12]

Hệ số thay đổi vận tốc gió theo độ cao và dạng địa hình, Cr(z), là hệ sốđặc trưng cho sự thay thổi của vận tốc hiệu dụng gió trên bề mặt kết cấu do:

- Độ cao trên mặt đất

- Độ nhám mặt đất phía trước hướng gió theo phương gió được xem xétGiá trị Cr(z) ở độ cao z được cho bởi biểu thức sau trên cơ sở của mộthàm số logarit:

với trường hợp zmin  z zmax (2.6)

Cr(z) = Cr(zmin) với trường hợp z zmin

(2.7)

Trong đó:

- z0: là chiều dài nhám

- kr: là yếu tố địa hình phụ thuộc vào chiều dài nhám z0, được xác địnhtheo biểu thức (2.8)

kr = 0.19 *

07 0

z

(2.8)

Trong đó:

- z0,II = 0.05m

- zmax : là giá trị chiều cao lớn nhất, được lấy giá trị là 200m, ngoại trừcó ghi chú khác

- zmin : là giá trị chiều cao nhỏ nhất được lấy theo Bảng 2.3

Bảng 2.3: Loại địa hình và các thông số địa hình (Nguồn bảng 4.1[12])

0 - Ở biển hoặc khu vực giáp ranh với biển 0.003 1

I - Ở hồ hoặc khu vực nằm ngang với thảm thực vật chịu

II - Khu vực với thảm thực vật thấp như: cỏ và bị cô lập

(Cây, các tòa nhà) với sự cách ly ít nhất là 20 lần độ cao

chướng ngại vật

III - Khu vực được bao bọc bởi các thảm thực vật hoặc

công trình với khoảng cách ly lớn nhấtl à 20 lần độ cao

chướng ngại vật, như làng mặc, vùng ngoại ô

IV - Khu vực trong đó ít nhất 15% bề mặt của công trình

được bao phủ và che chắn bởi các công trình với độ cao

Các dạng địa hình được minh họa như trong các hình vẽ dưới đây (Hình 2.2)

Hình 2.2: Minh họa các dạng địa hình (Nguồn phụ lục A.1[12])

0 - Ở biển hoặc khu vực giáp ranh với

biển