So sánh phương pháp xác định tải trọng gió tác dụng lên nhà công nghiệp theo tiêu chuẩn ASCE 7 2010 và TCVN 27371995

Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu ASCE 7-10 và TCVN 2737:1995 về quy trình tính toán tải trọng gió tác dụng lên kết cấu nhà công nghiệp theo phương gió thổi.. - Lập ví dụ tính toán để s

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

NGUYỄN MINH ĐĂNG

SO SÁNH PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG GIÓ TÁC DỤNG LÊN CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG

THEO TIÊU CHUẨN ASCE 7-2010 VÀ TCVN 2737-1995

Chuyên ngành: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Mã số: 60580208

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2018

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS ĐẶNG CÔNG THUẬT

Phản biện 1: PGS.TS TRẦN QUANG HƯNG

Phản biện 2: TS TRẦN ANH THIỆN

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp

thạc sĩ Kỹ thuật Xây dựng Công trình Dân dụng và Công nghiệp họp

tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 27 tháng 01 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học

Bách khoa

 Thư viện khoa Xây dựng, Trường Đại học Bách khoa -

ĐHĐN

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

- Ở Việt Nam, các kỹ sư trong nước sử dụng tiêu chuẩn Việt Nam

để thiết kế thì các công ty đến từ nước ngoài lại sử dụng tiêu chuẩn Hoa Kỳ Điều này dẫn đến những sai khác nên cần phân tích quy trình tính tải trọng gió và nêu lên vấn đề cần lưu ý

- Nhà công nghiệp là hệ kết cấu được sử dụng rất rộng rãi Đi kèm theo đó, các quy trình thiết kế và thi công đòi hỏi độ tin cậy cao

- Việc nghiên cứu ASCE 7-10 và đưa ra chỉ dẫn tính toán chi tiết

là rất cần thiết Nhưng để hiểu và vận dụng cho đúng là rất khó Vì vậy, tác giả chọn đề tài luận văn: “So sánh phương pháp xác định tải trọng gió tác dụng lên nhà công nghiệp theo tiêu chuẩn ASCE 7-

2010 và TCVN 2737-1995” làm nội dung nghiên cứu

2 Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu ASCE 7-10 và TCVN 2737:1995 về quy trình tính toán tải trọng gió tác dụng lên kết cấu nhà công nghiệp theo phương gió thổi

- Lập ví dụ tính toán để so sánh kết quả tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình tính theo tiêu chuẩn ASCE 7-10 và tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành (TCVN 2737:1995)

3 Phạm vi nghiên cứu

- Nhà công nghiệp một tầng không cửa mái

4 Đối tượng nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu là: Tải trọng gió tác dụng lên nhà công nghiệp theo phương gió thổi tính toán theo quan điểm của tiêu chuẩn ASCE 07-10 và TCVN 2737:1995

5 Nội dung nghiên cứu

- Tìm hiểu các khái niệm về gió bão, một số giải pháp làm giảm thiểu tác hại của gió

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

- Tìm hiểu tiêu chuẩn ASCE 7-10 và TCVN 2737:1995 về quy trình toán toán tải trọng gió tác dụng lên nhà công nghiệp xây dựng ở Việt Nam theo quan điểm của cả hai tiêu chuẩn với các bổ sung thay thế phù hợp với điều kiện khí hậu đặc thù của Việt Nam

- Ví dụ thực tế áp dụng tính toán tải trọng gió lên công trình nhà công nghiệp tính theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ và theo tiêu chuẩn Việt Nam để có cái nhìn tổng quát

6 Kết cấu của luận văn

- Luận văn gồm 3 chương:

Chương 1 : Tổng quan về gió, tải trọng gió, một số tiêu chuẩn

về tính toán tải trọng gió

Chương 2 : Tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình tiêu chuẩn Hoa Kỳ và theo tiểu chuẩn Việt Nam

Chương 3 : Áp dụng tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ và theo tiểu chuẩn Việt Nam CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIÓ, TẢI TRỌNG GIÓ, MỘT SỐ TIÊU CHUẨN VỀ TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ 1.1 Tổng quan về gió [3,5,6]

1.1.1 Khái niệm, nguyên nhân hình thành, phân loại

1.1.2 Tính chất, đặc điểm của gió

1.2 Tác động của gió vào công trình [3,4]

1.3 Tổng quan hệ thống tiêu chuẩn về tính toán tải trọng do gió

1.3.1 Tiêu chuẩn Việt Nam [1]

1.3.2 Tiêu chuẩn Hoa Kỳ [10]

1.4 Kết luận chương 1

- Gió là một hiện tượng trong tự nhiên hình thành do sự chuyển động của không khí gây áp lực lớn lên công trình Khi thiết kế công trình cần nghiên cứu tới các giải pháp để làm giảm thiểu ảnh hưởng

do tác động của gió

- Tiêu chuẩn tính toán tải trọng gió mà các kĩ sư sử dụng phổ biến

ở Việt Nam là TCVN 2737:1995, ngoài ra họ còn áp dụng những tiêu chuẩn khác để tính toán cho phù hợp với điều kiện Việt Nam

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ TÁC DỤNG LÊN CÔNG TRÌNH THEO TIÊU CHUẨN HOA KỲ

VÀ THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM

2.1 Xác định tải trọng gió theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ ASCE 7-10 [10]

2.1.1 Dạng đón gió của công trình

+ K z : là hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao cũng như

theo mức độ luồng gió tiếp xúc với địa hình

- Hệ số K z được xác định theo công thức sau:

K z = 2.01*(z/z g ) 2/α nếu 15ft (4.6m) ≤ z ≤ z g

2.01*(15/z g ) 2/α nếu z < 15ft (4.6m) (2.2)

● với z là chiều cao tính toán (ft), zg (ft) và α là các hệ số tra bảng 1

phụ thuộc địa hình

+ K zt là hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió khi gió “trườn” lên

hoặc đập vào các dạng địa hình khác nhau, K zt = 1;

+ K d là hệ số kể đến tác động của luồng gió theo hướng chính lên

công trình, K d = 0.85;

+ V là vận tốc gió (m/s) trong điều kiện tiêu chuẩn luồng gió thổi

trong thời gian 3s tại cao độ 10m so với mặt đất tự nhiên

2.1.4 Áp lực gió tác dụng lên hệ kết cấu nhà công nghiệp

- Đối với các công trình nhà công nghiệp thấp tầng dạng kín hoặc

có bố trí ô mở, áp lực gió tác dụng được xác định theo công thức:

p = q h *(GC pf - GC pi ) (daN/m 2 ) (2.3) trong đó:

+ q h : là giá trị áp lực gió tại cao độ mái h (cao độ trung bình

của mái dốc) so với mặt đất tự nhiên;

+ G: là hệ số hiệu ứng giật (Gust effect factor), xét đến ảnh

hưởng độ rối của gió;

2.2 Xác định tải trọng gió theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 2737-1995) [1]

2.2.1 Phân chia dạng địa hình

2.2.2 Thành phần gió tác dụng lên nhà công nghiệp

- Công thức tổng quát tính tải trọng gió tác dụng lên nhà công nghiệp:

2.3 So sánh giữa tiêu chuẩn Hoa Kỳ và tiểu chuẩn Việt Nam

- Cả ASCE 7-10 và TCVN 2737-1995 đều có 3 loại địa hình [8]

Bảng 2.1: So sánh phân loại dạng địa hình theo TCVN 2737-1995 và

- TCVN 2737-1995 phân tích vận tốc gió trong khoảng thời gian 3s tại cao độ 10m so với mặt đất tự nhiên nhưng có chu kỳ lặp 20 năm và không phụ thuộc vào loại công trình Trong khi đó chu kỳ lặp của ASCE 7-10 với dạng nhà công nghiệp (công trình loại II) là 700 năm Ta có thể áp dụng công thức của Peterka và Shahid [10] để quy đổi:

trong đó:

V T là vận tốc gió có chu kỳ lặp T năm;

V 50 là vận tốc gió có chu kỳ lặp 50 năm

Khi đó, ta có V 700 = 1.391*V 20 (2.9)

- TCVN 2737-1995 không kể đến sự thay đổi áp lực gió cho các dạng địa hình khác nhau và tác động của luồng gió theo hướng chính lên công trình

- TCVN 2737-1995 chỉ xét hệ số áp lực gió bên ngoài chứ không tạo được hiệu ứng cho toàn không gian trong nhà đến ảnh hưởng của

sự tồn tại các ô mở ASCE 7-10 mô tả sự thay đổi rõ rệt hệ số áp lực trong đối với nhà kín và nhà kín một phần (bảng 4), điều này dẫn đến sai khác lớn so với TCVN 2737-1995

- TCVN 2737-1995 có xét đến áp lực cục bộ tại các vùng biên khi

hệ số áp lực bên ngoài có giá trị âm (tại vị trí tiếp giáp tường ngang, tường dọc, vùng lân cận bờ mái, bờ nóc và chân mái), tuy nhiên áp lực cục bộ này phân phối đều lên các khung chịu lực và chỉ áp dụng

cho các công trình có góc dốc mái θ > 10 o

- Trong các công thức tính toán, TCVN 2737-1995 lấy hệ số độ

tin cậy của tải trọng gió γ = 1.2 còn ASCE 7-10 lấy hệ số độ tin cậy

W LF = 1

2.4 Kết luận chương 2

- Giữa tiêu chuẩn ASCE 7-10 và tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 có một số khác biệt lớn về công thức tính toán, điều kiện địa hình, hệ số nên cần đặc biệt lưu ý Khi áp dụng tính toán đòi hỏi cần phải có những điều chỉnh để phù hợp với điều kiện đặc thù của khu vực xây

dựng công trình

CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ

TÁC DỤNG LÊN CÔNG TRÌNH THEO TIÊU CHUẨN HOA KỲ

VÀ THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM

3.1 Giới thiệu công trình tính toán

- Để minh họa trình tự tính toán tải trọng gió vào công trình và có kết quả để so sánh, công trình được lựa chọn để tính toán là: Xưởng gia công sản xuất gỗ gia dụng Cao Mậu

+ Vị trí xây dựng công trình: Khu công nghiệp Tây Bắc Củ Chi

+ Thông tin tính toán cho trường hợp 1:

- Tính tải trọng gió tác dụng lên khung nhà công nghiệp 1 tầng 1 nhịp 2 mái dốc, dạng nhà kín, nhịp L=20m, chiều dài nhà 4B = 4*5m

= 20m, chiều cao đỉnh cột H = 6m, tổng chiều cao đến mái 7.5m

- Tốc độ gió V = 200km/h, dạng địa hình C theo ASCE 7-10,

dạng địa hình B theo TCVN 2737:1995

Hình 3.1: Sơ đồ tính toán trường hợp 1

+ Thông tin tính toán cho trường hợp 2:

- Tính tải trọng gió tác dụng lên khung nhà công nghiệp 1 tầng 1 nhịp 2 mái dốc, dạng nhà kín, nhịp L=30m, chiều dài nhà 4B = 4*5m

= 20m, chiều cao đỉnh cột H = 10m, tổng chiều cao đến mái 12.5m

- Tốc độ gió V = 250km/h, dạng địa hình D theo ASCE 7-10,

3.2 Tính toán tải trọng gió tác dụng vào công trình theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ

ASCE 7-10

 Trường hợp 1:

3.2.1 Quy trình tính toán:

a/ Tính áp lực gió đơn vị theo công thức (2.1)

b/ Tính áp lực gió tác dụng lên hệ kết cấu

GCpi > 0 GCpi < 0 GCpi > 0 GCpi < 0

Hình 3.3: Đồ thị tính áp lực gió theo tiêu chuẩn ASCE 07-10 khi gió thổi ngang nhà (daN/m)

Hình 3.4: Đồ thị tính áp lực gió theo tiêu chuẩn ASCE 07-10 khi gió thổi dọc nhà (daN/m)

-385.56

-163.3 -103.53

302.3

-336.42 -147.42 -108.6

GCpi > 0 GCpi < 0

-456.12

-657.72

-415.8 -456.12

-239 -472.5 -268.4 -239-195.5

-385.56

-143.64 -195.5 -108.6 -336.42 -132.3 -108.6

GCpi > 0 GCpi < 0

Bảng 3.3: Kết quả tính toán áp lực gió đơn vị

GCpi > 0 GCpi < 0 GCpi > 0 GCpi < 0

-788 -340 -222.4

630

-687.6 -309 -237

GCpi > 0 GCpi < 0

Hình 3.6: Đồ thị tính áp lực gió theo tiêu chuẩn ASCE 07-10 khi gió thổi dọc nhà (daN/m)

3.3 Tính toán tải trọng gió tác dụng vào công trình theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737:1995

-965.8

-548.5 -489-400.2

-788

-293.6 -400.2 -222.3

-687.6 -270.4 -222.3

GCpi > 0 GCpi < 0

Hình 3.7: Đồ thị tính áp lực gió theo tiêu chuẩn TCVN 2737:1995

-386.07 -386.07

-211.23

-105.61 -193.04 -193.04

Hình 3.8: Đồ thị tính áp lực gió theo tiêu chuẩn TCVN 2737:1995

-779 -779

-434

-217 -389.5 -389.5

 So sánh các kết quả thu được của trường hợp 1

- Lập bảng so sánh các giá trị nội lực lớn nhất ở các trường hợp:

ASCE 07-10 (GCpi < 0) TCVN 2737:1995

Hình 3.9: Đồ thị so sánh giá trị lực dọc và lực cắt của khung giữa giữa tiêu chuẩn ASCE 07-10 và tiêu chuẩn TCVN 2737:1995

Hình 3.10: Đồ thị so sánh giá trị moment của khung giữa giữa tiêu chuẩn ASCE 07-10 và tiêu chuẩn TCVN 2737:1995

Hình 3.11: Đồ thị so sánh giá trị chuyển vị của khung giữa giữa tiêu chuẩn ASCE 07-10 và tiêu chuẩn TCVN 2737:1995

2616.35 2007.23

TCVN 2737:1995

Lực dọc (daN) Lực cắt (daN)

11092.5 11092.45

5731.245 4463.687 6007.7185663.682

TCVN 2737:1995

TCVN 2737:1995

Chuyển vị ngang (m) Chuyển vị dọc (m)

Hình 3.12: Đồ thị so sánh giá trị lực dọc và lực cắt của khung biên giữa tiêu chuẩn ASCE 07-10 và tiêu chuẩn TCVN 2737:1995

Hình 3.13: Đồ thị so sánh giá trị moment của khung biên giữa tiêu chuẩn ASCE 07-10 và tiêu chuẩn TCVN 2737:1995

Hình 3.14: Đồ thị so sánh giá trị chuyển vị của khung biên giữa tiêu chuẩn ASCE 07-10 và tiêu chuẩn TCVN 2737:1995

3374.84

3008.67

2014.02 1596.94 968.37 1162.62

2962.89 3051.07

2521.47 1886.76 1161.04 826.22 0

TCVN 2737:1995

Lực dọc (daN) Lực cắt (daN)

8021.32 8021.32

4980.5984706.797

2640.5562317.27 0

TCVN 2737:1995

Chuyển vị ngang (m)

Chuyển vị dọc (m)

 So sánh các kết quả thu được của trường hợp 2

- Lập bảng so sánh các giá trị nội lực lớn nhất ở các trường hợp:

ASCE 07-10 (GCpi < 0) TCVN 2737:1995

Hình 3.15: Đồ thị so sánh giá trị lực dọc và lực cắt của khung giữa giữa tiêu chuẩn ASCE 07-10 và tiêu chuẩn TCVN 2737:1995

Hình 3.16: Đồ thị so sánh giá trị moment của khung giữa giữa tiêu chuẩn ASCE 07-10 và tiêu chuẩn TCVN 2737:1995

Hình 3.17: Đồ thị so sánh giá trị chuyển vị của khung giữa giữa tiêu chuẩn ASCE 07-10 và tiêu chuẩn TCVN 2737:1995

11918.47

9883.5 7745.47 5734.55 9401.86 9174.78 9864.48 10731.37 9022.29

7192.55

10237.92 8064.97

TCVN 2737:1995

Lực dọc (daN) Lực cắt (daN)

43123.943123.92

30564.4628158.47

39105.71 34042.19

TCVN 2737:1995

TCVN 2737:1995

Chuyển vị ngang (m) Chuyển vị dọc (m)

Hình 3.18: Đồ thị so sánh giá trị lực dọc và lực cắt của khung biên giữa tiêu chuẩn ASCE 07-10 và tiêu chuẩn TCVN 2737:1995

Hình 3.19: Đồ thị so sánh giá trị moment của khung biên giữa tiêu chuẩn ASCE 07-10 và tiêu chuẩn TCVN 2737:1995

Hình 3.20: Đồ thị so sánh giá trị chuyển vị của khung biên giữa tiêu chuẩn ASCE 07-10 và tiêu chuẩn TCVN 2737:1995

11918.47

9883.5 7745.47 5734.55 4395.74 4392.64

9864.48 10731.37 9022.29

7192.55 4920.26 3763.91 0

TCVN 2737:1995

Lực dọc (daN) Lực cắt (daN)

43123.9 43123.92

30564.4628158.47

18737.7215857.76 0

TCVN 2737:1995

TCVN 2737:1995

Chuyển vị ngang (m) Chuyển vị dọc (m)

- Hệ số áp lực gió khi “trườn”

lên hoặc đập vào dạng địa hình

Hệ số tin

cậy

- Hệ số tin cậy được nhân vào

sau khi tính toán

► Nhận xét kết quả thu được

- Sự giống nhau và khác nhau giữa hai tiêu chuẩn:

+ Giống nhau:

 Dạng địa hình theo 2 tiêu chuẩn được xem là tương đương nhau

 Hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió theo độ K z (theo tiêu chuẩn ASCE 7-10) và k (tiêu chuẩn TCVN 2737-1995) giống nhau

 TCVN 2737-1995 không kể đến sự thay đổi áp lực gió cho các dạng địa hình khác nhau và tác động của luồng gió theo hướng chính lên công trình

 TCVN 2737-1995 chỉ xét hệ số áp lực gió bên ngoài ASCE 7-10

mô tả sự thay đổi rõ rệt hệ số áp lực trong đối với tính kín của nhà

 Hệ số khí động học và sự phụ thuộc của nó giữa hai giữa hai tiêu chuẩn ASCE 7-10 và TCVN 2737-1995 hoàn toàn khác nhau

 Trong tính toán, TCVN 2737-1995 lấy hệ số độ tin cậy của tải

trọng gió γ = 1.2 còn ASCE 7-10 lấy hệ số độ tin cậy W LF = 1

- Dựa trên kết quả ví dụ, ta thấy nguyên tắc xác định tải trọng gió tác dụng lên khung theo ASCE 7-10, các kết quả giá trị thu được của trường hợp (GCpi > 0) lớn hơn trường hợp (GCpi < 0) nên ta chọn trường hợp (GCpi > 0) là trường hợp nguy hiểm hơn để tiến hành tính toán thiết kế và so sánh

- Tiêu chuẩn ASCE 7-10 xét nhiều trường hợp hơn và giá trị thu được lớn hơn đáng kể so với TCVN 2737-1995 điều này sẽ dẫn đến các sai lệch về kết quả chuyển vị, kết quả nội lực trong khung

3.5 Kết luận chương 3

- Nguyên tắc tính toán tải trọng gió tác dụng lên nhà công nghiệp

có rất nhiều điểm khác biệt giữa ASCE 7-10 và TCVN 2737-1995, đặc biệt là ở cách tính vận tốc gió và hệ số khí động Khi áp dụng ASCE 7-10, người sử dụng có thể quy đổi tương đương số liệu đầu vào của vận tốc gió nhưng không thể quy đổi hệ số khí động Cách xác định giá trị hệ số khí động theo ASCE 7-10 xét cả ảnh hưởng của luồng gió đến toàn bộ không gian trong và ngoài nhà nên kết quả thu được chi tiết và rõ ràng hơn TCVN 2737-1995

+ Khi tính toán tải trọng gió cho các công trình ở Việt Nam

theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ, TCVN 2737-1995 cần phải chuyển đổi vận tốc gió trong khoảng thời gian 3s tại cao độ 10m so với mặt đất tự nhiên nhưng có chu kỳ lặp 20 năm và không phụ thuộc vào loại công trình sang chu kỳ lặp của ASCE 7-10 với dạng nhà công nghiệp (công trình loại II) là 700 năm