Tính toán tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng theo phương pháp hệ số giật g da venport (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI --- NGUYỄN TRƯỜNG THAO TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ TÁC DỤNG LÊN NHÀ CAO TẦNG THEO PHƯƠNG PHÁP HỆ SỐ GIẬT G-DAVENPORT LUẬ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

-

NGUYỄN TRƯỜNG THAO

TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ TÁC DỤNG LÊN NHÀ CAO TẦNG THEO PHƯƠNG PHÁP HỆ SỐ GIẬT

G-DAVENPORT

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DD&CN

Hà Nội – 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

-

NGUYỄN TRƯỜNG THAO KHÓA 2012-2014

TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ TÁC DỤNG LÊN NHÀ CAO TẦNG THEO PHƯƠNG PHÁP HỆ SỐ GIẬT

G-DAVENPORT

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN

Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DD&CN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGUYỄN ĐẠI MINH

Hà Nội – 2014

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian học tập và nghiên cứu tại lớp Cao học Xây dựng khóa

2012, Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội, Em đã hoàn thành Luận văn Thạc

sỹ với đề tài: “Tính toán tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng theo phương

pháp hệ số gió giật G-DAVENPORT”

Em xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô giáo Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội, Ban chủ nhiệm Khoa Xây dựng và Khoa Sau đại học đã giảng dạy và giúp đỡ Em trong suốt quá trình học tập nghiên cứu tại trường

Em xin chân thành cảm ơn Thầy: Nguyễn Đại Minh Thầy đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ Em hoàn thành tốt luận văn này

Tác giả cũng gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã động viên và giúp

đỡ tác giả trong quá trình thực hiện luận văn này

Mặc dù đã cố gắng để hoàn thiện luận văn, nhưng không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quý báu của quý Thầy

Cô và các bạn

Thái Nguyên, ngày 24 tháng 7 năm 2014

Học viên

Nguyễn Trường Thao

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn Thạc sĩ này là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi, các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Trường Thao

MỤC LỤC

Lời cảm ơn

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Danh mục các bảng, biểu

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

MỞ ĐẦU

NỘI DUNG

Chương I: Tổng quan về Nhà cao tầng và phương pháp xác định tải trọng

gió lên nhà cao tầng

4

1.2.1 Tác động của gió lên công trình nói chung 5

1.2.3 Các biện pháp giảm thiểu tác động của giáo lên công trình 19 1.3 Ý nghĩa của việc xác định tải trọng gió lên công trình 25 1.4 Giới thiệu phương pháp hệ số giật G- Davenport áp dụng trong tiêu

chuẩn của các nước trên thế giới để xác đinh tải tải trọng gió lên nhà cao

tầng

25

Chương 2: Nội dung phương pháp hệ số giật G xác định tải trọng gió lên

nhà cao tầng

27

2.1 Cơ sở nghiên cứu của phương pháp xác định tải trọng gió theo hệ số

G- Davenport (chuyển từ bài toán thống kê động sang bài tóan tĩnh

ngang tương đường thông qua biểu diễn phổ và hàm lọc)

27

2.2 Nội dung phương pháp xác định tải trọng gió tác động lên công trình

theo hệ số G- Davenport

27

Chương 3: Ví dụ tính toán xác định tải trọng gió lên công trình theo

phương pháp hệ số gió giật G- Davenport trong tiêu chuẩn ASCE/SEI

7-05 và theo TCVN 2737: 1995

37

3.1 Thống số đầu vào của ví dụ và quy đổi thông số đầu vào theo phương

pháp hệ số giật G- Davenport và theo TCVN 2737:1995

37

3.2 Phương pháp xác định tải trọng gió theo Tiếu chuẩn TCVN

2737:1995 và tiêu chuẩn ASCE/SEI 7-05

43

3.2.1 Nội dung phương pháp xác định tải trọng gió theo TCVN

2737:1995

43

3.2.2 Nội dung phương pháp xác định tải trọng gió theo tiêu chuẩn

ASCE/SEI 7-05

54

3.3 Ví dụ tính toán xác định tải trọng gió lên nhà cao tầng theo phương

pháp hệ số giật G- Davenport trong tiêu chuẩn ASCE/SEI 7-05 và tiêu

chuẩn TCVN 2737-1995

61

3.3.1 Ví dụ tính toán xác định tải trọng gió lên nhà cao tầng theo phương

pháp hệ số giật G- Davenport trong tiêu chuẩn ASCE/SEI 7-05

61

3.3.2 Ví dụ tính toán xác định tải trọng gió lên nhà cao tầng theo phương

pháp hệ số giật G- Davenport trong tiêu chuẩn ASCE/SEI 7-05

65

DANH MỤC HÌNH, SƠ ĐỒ, ĐỒ THỊ

Số hiệu

Hình 1.1 Tác động của gió

Hình 1.2 Hai loại gió tác động lên công trình

Hình 1.3 Phản ứng của gió ngang

Hình 1.4 Thành phần của gió

Hình 1.5 Vùng gió quẩn sau lưng tường chắn

Hình 1.6 Lưu lượng không khí trên mặt cắt đứng công trình

Hình 1.7 Phân bố hệ số khí động K trên hình hộp

Hình 1.8 Biểu diễn vùng gió quẩn khi gió thổi vuông góc với 1 cạnh hộp Hình 1.9 Biểu diễn vùng gió quẩn khi gió thổi xiên góc α

Hình 1.10 Phân tích dòng khí động đi qua nhóm các tòa nhà cao tầng Hình 1.11 Phân tích áp lực gió lên bề mặt tòa nhà đặt trong nhóm các tòa

nhà cao tầng

Hình 1.12 Lợi dụng địa hình để giảm bớt tác hại gió, làm thay đổi tốc độ

và hướng gió Hình 1.13 Trồng cây và rào giậu để giảm bớt tốc độ gió

Hình 1.14 Hình dáng công trình đơn giản để bớt cản gió

Hình 1.15 Mái nghiêng 300 – 450 để giảm bớt tốc mái do áp lực âm

Hình 1.16 Mái hiên rời giảm sự chìa ra của mái

Hình 1.17 Kích thước các lỗ cửa ở các tường đối diện xấp xỉ bằng nhau Hình 1.18 Đảm bảo cánh cửa đóng vừa lỗ cửa

Hình 2.1 Cơ sở nghiên cứu của phương pháp hệ số giật G

Hình 2.2 Vận tốc gió tại cao trình z

Hình 2.3 Quan hệ vận tốc gió tại cao trình z theo thời gian t

Hình 2.4 Biểu đồ xác định hệ số đỉnh [10]

Hình 2.5 Biểu đồ xác định hệ số nhám

Hình 2.6 Biểu đồ xác định hệ số kích động gốc

Hình 2.7 Biểu đồ xác định hệ số giảm do kích thước

Hình 2.8 Biểu đồ xác định hệ số năng lượng giật

Hình 3.1 Quan hệ vận tốc gió theo thời gian

Hình 3.2 Tỷ số Vt/V3600 giữa vận tốc gió trung bình trong t giây (Vt)

với vận tốc gió trung bình trong1 giờ (V3600) (ASCE/SEI 7-05 Hình 3.3 Hệ tọa độ khi xác định hệ số tương quan n

Hình 3.4 Biểu đồ xác định hệ số động lực x

HÌnh 3.5 Mô hình ví dụ tính toán của Bungale theo ASCE/SEI 7-05 Hình 3.6 Biểu đồ so sánh giá trị tiêu chuẩn tải trọng gió tác dụng lên

công trình theo TCVN 2737:1995 và ASCE/SEI 7-05

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Số hiệu

Bảng 1.1 Độ cao khởi đầu nhà cao tầng của một số nước

Bảng 3.1 Hệ số chuyển đổi gió 3s từ chu kì 20 năm sang các chu kỳ khác Bảng 3.2 Áp lực gió tiêu chuẩn theo bản đồ phân vùng áp lực gió

Bảng 3.3 Giá trị thông số k10, z10, a

Bảng 3.4

Hệ số k kể đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao và dạng địa hình

Bảng 3.5 Giá trị giới hạn dao động của tần số riêng fL

Bảng 3.6 Hệ số tương quan không gian áp lực động của tải trọng gió n

Bảng 3.7 Các tham số r và c

Bảng 3.8 Hệ số áp lực động của tải trọng gió z

Bảng 3.9 Giá trị các tham số của ASCE/SEI 7-05

Bảng 3.10 Xác định các tham số kể đến sự gia tăng vận tốc gió của các

điều kiện địa hình của ASCE/SEI 7-05 Bảng 3.11 Hệ số hướng Kd

Bảng 3.12 Hệ số tầm quan trọng I

Bảng 3.13

Số liệu đầu vào và tính toán các thông số đầu vào do Bungale thực hiện

Bảng 3.14 Giá trị tiêu chuẩn thành phần gió tĩnh theo TCVN 2737:1995 Bảng 3.15 Giá trị tiêu chuẩn thành phần gió động theo TCVN 2737:1995 Bảng 3.16 Giá trị tiêu chuẩn của tải trọng gió lên công trình tính theo

ASCE/SEI 7-05 và TCVN 2737-1995 Bảng 3.17 So sánh giá trị lực cắt đáy do tải trọng gió tác động

1

PHẦN MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa và hiện đại hóa, để đáp ứng nhu cầu phát triển, nhiều dự án xây dựng đã và đang được thực hiện trong

đó có nhiều công trình có chiều cao lớn Các công trình càng cao thì ảnh hưởng của tải trọng ngang càng lớn và nổi trội Vì vậy, yêu cầu đầu tiên đối người kỹ

sư thiết kế là phải xác định được tải trọng ngang tác dụng lên công trình Tải trọng ngang tác dụng lên công trình bao gồm: Tải trọng động đất và tải trọng gió Đặc biệt Việt Nam là nước nhiệt đới, có bờ biển kéo dài tới hơn 3.000 km

và nằm trong vùng ảnh hưởng trực tiếp bão Tây Bắc Thái Bình Dương Do vậy việc xác định đúng tác động của tải trọng gió lên công trình ở Việt Nam càng trở lên quan trọng Chính vì thế luận văn này tập trung nghiên cứu về tải trọng gió và quy trình xác định tải trọng gió tác dụng lên kết cấu cao tầng theo

phương pháp hệ số giật G- Davenport (đã được áp dụng trong các tiêu chuẩn

của nhiều nước Châu Âu).Từ đó so sánh với cách xác định tải trọng gió lên

công trình trong tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam để đưa ra kiến nghị

Cách tính toán tải trọng gió có đặc điểm là phải lấy số liệu về gió ở khu vực xây dựng công trình, trong khi việc qui định và xử lý các số liệu này trong các tiêu chuẩn thiết kế của các nước có thể không giống nhau, mặt khác còn xét đến tương tác giữa gió và kết cấu, từ đó hình thành phương pháp tĩnh

lực ngang tương đương áp dụng trong các tiêu chuẩn thiết kế (một số nước

trên thế giới còn gọi đây là phương pháp hệ số gió giật)

Theo TCVN 2737:1995 xác định tải trọng gió với các thông số đầu vào

là áp lực gió có thời gian lấy trung bình vận tốc gió là 3s, chu kỳ lặp 20 năm trong khi đó số liệu theo phương pháp hê số gió giật G- Davenport là vận tốc

gió V trong thời gian T (thời gian tương tác gió- kết cấu) Luận văn tập trung

tìm hiểu và tính toán xác định tải trọng gió theo phương pháp hệ số giật G-

2

Davenport và theo TCVN 2737-1995 So sánh kết quả tính toán thu được và làm cơ sở đưa ra kiến nghị xác định tải trọng gió chính xác hơn

Mục đích nghiên cứu

Xác định tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng theo phương pháp hệ

số giật G- Davenport, làm rõ việc sử dụng phương pháp này trong hầu hết các tiêu chuẩn xác định tải trọng gió trên thế giới

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu về phương pháp hệ số gió giật G (Gust Loading Factor) do

Davenport đề xuất năm 1967 đang được áp dụng trong các tiêu chuẩn thiết kế của các nước trên thế giới như Mỹ, Anh, Canada, Australia, Châu Âu, Nhật Bản v.v để xác định tải trọng gió tác dụng dọc theo phương theo luồng gió và hiệu ứng của nó lên các công trình cao tầng

Nghiên cứu sự tác động động học của gió lên công trình, tìm hiểu phương pháp xác định tải trọng gió theo phương pháp hệ số giật G- Davenport chuyển từ bài toán động lực học thống kê sang bài toán tĩnh học sử dụng phương pháp tĩnh lực ngang tương đương đối với tải trọng gió

Tìm hiểu cơ sở của phương pháp hệ số gió giật khi tính toán tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng theo phương dọc theo luồng gió Xem xét bài toán động học gió - kết cấu đặt trong mối quan hệ với các biểu đồ vận tốc gió được xét đến trong suốt quá trình tuổi thọ công trình

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp giải tích – lý thuyết kết hợp với chương trình máy tính

Áp dụng lý thuyết vào thực tế để tính toán ví dụ để xác định tải trọng gió theo phương pháp hệ số Giật- Davenport và theo TCVN 2737-1995, từ đó đưa ra giải pháp kiến nghị

Ý nghĩa khoa học và đóng góp của đề tài

3

Sau khi nghiên cứu phương pháp hê số giât G để tính toán tải trong gió tác dụng lên nhà cao tầng, so sánh giữa 2 kết quả tính toán tải trọng gió theo phương pháp hệ số giật G- Davenport và TCVN 2737-1995 để làm cơ sở xác định tải trọng gió chính xác hơn

Cấu trúc của luận văn:

Chương I: Tổng quan về Nhà cao tầng và phương pháp xác định tải trọng gió lên nhà cao tầng

Chương 2: Nội dung phương pháp hệ số giật G xác định tải trọng gió lên nhà cao tầng

Chương 3: Ví dụ tính toán xác định tải trọng gió lên công trình theo phương pháp hệ số gió giật G- Davenport trong tiêu chuẩn ASCE/SEI 7-05 và theo TCVN 2737: 1995

Chương 4: Kết luận và kiến nghị

THÔNG BÁO

Để xem được phần chính văn của 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

TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN

75

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Luận văn đã đạt được một số kết quả sau đây:

Gió tác dụng lên công trình là một loại tải trọng ngang bắt buộc phải xét đến trong thiết kế Để tính toán được tải trọng gió theo các tiêu chuẩn thiết

kế, cần phải nắm rõ các đặc trưng của thông số đầu vào của tải trọng này: Vận tốc gió: vận tốc gió gồm 2 thành phần là thành phần trung bình (lấy trung bình trong thời gian T) và thành phần gió giật Thành phần trung bình phụ thuộc vào thời gian lấy trung bình và chu kì lặp quy định trong các tiêu chuẩn thiết kế

Dạng địa hình: Dạng địa hình sẽ ảnh hưởng sự thay đổi tải trọng gió theo chiều cao công trình thông qua hệ số thay đổi tải trọng gió theo chiều cao

Kz được quy định trong các tiêu chuẩn thiết kế Việc quy ước các dạng địa hình và công thức xác định hệ số Kz ở trong các tiêu chuẩn thiết kế là khác

nhau (trường phái 3s, 10 phút và 1 giờ)

Hệ số vượt tải của tải trọng gió: đây là hệ số xét đến tương quan giữa chu kì lặp của gió và tuổi thọ giả định hoặc xác xuất xuất hiện gió mạnh trong suốt tuổi thọ của công trình được quy định trong các tiêu chuẩn thiết kế

Đã nghiên cứu quy trình tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình theo TCVN 2737:1995 và ASCE/SEI 7-05 Qua đó hiểu được 2 phương pháp xác định thành phần giật và động của tải trọng gió ở trong 2 tiêu chuẩn là khác nhau: Trong TCVN 2737:1995 đã đưa ra công thức độc lập để xác định thành phần động của tải trọng gió trong khi trong ASCE/SEI 7-05 đã kể đến thành phần giật của tải trọng gió thông qua hệ số giật G

Đã nghiên cứu về phương pháp xác định hệ số giật G của Giáo sư Davenport để hiểu rõ hơn công thức tính toán sự tương tác của tải trọng gió

76

lên kết cấu nhà cao tầng Phương pháp mà hầu hết các tiêu chuẩn gió trên thế giới đều sử dụng

Theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737:1995 trong quy trình tính tải trọng gió động tác dụng lên công trình đã sử dụng biểu đồ để xác định hệ số động lực  tùy theo giá trị thông số , tuy nhiên giới hạn của thông số  là 0,2

Do đó với các công trình mềm: nhà cao tầng có chiều cao lớn, tháp thép… và khu vực có vận tốc gió cơ sở lớn sẽ khó xác định được hệ số động lực  Trong trường hợp này cần biên soạn tài liệu chuyên sâu về vấn đề này hoặc phải sử dụng các tiêu chuẩn gió nước ngoài để tính toán

Tải trọng gió ảnh hưởng rất lớn đến kết cấu cao tầng, đặc biệt với công trình có độ mảnh lớn và điều đó sẽ ảnh hưởng đến tính an toàn và hiệu quả kinh tế của công trình Luận văn đã thực hiện các ví dụ tính toán tải trọng gió lên nhà cao tầng theo TCVN 2737:1995 và ASCE/SEI 7-05 để khẳng định việc thực hiện chính xác quy trình tính toán tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng theo 2 tiêu chuẩn này Từ kết quả đạt được của luận văn cho thấy sự chênh lệch giá trị tải trọng gió tác dụng lên công trình khi tính toán theo quy trình trong TCVN 2737:1995 và ASCE/SEI 7-05, và sự chênh lệch là tương đối lớn Tác giả khuyến nghị nghiên cứu và rà soát thêm quy trình tính toán tải trọng gió TCVN 2737:1995 và kiểm chứng với kết quả thí nghiệm thổi ống khí động để đưa ra kết luận

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt

1 Bộ Xây dựng (1997), Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737-1995: Tải trọng

và tác động - Tiêu chuẩn thiết kế, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội

2 Bộ Xây dựng (1999), Tiêu chuẩn Việt Nam TCXD 229-1999: Chỉ dẫn

tính toán thành phần động của tải trọng gió theo TCVN 2737-1995, Nhà

xuất bản Xây dựng, Hà Nội

3 Bộ Xây dựng (2006), Tiêu chuẩn Việt Nam TCXD 194-2006: Nhà cao

tầng- Công tác khảo sát địa kỹ thuật, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội

4 Bộ Xây dựng (2012), “Đánh giá Profile vận tốc gió theo một số tiêu

chuẩn trên thế giới”, Báo cáo tổng kết công nghệ, (135/HĐKHCN), Hà

Nội

5 Trần Chủng, Vũ Thành Trung (2010), Báo cáo kết quả thí nghiệm tác

động của gió lên công trình bằng ống thổi khí động, Vụ KHCN, Viện

KHCN, Bộ Xây dựng

6 Nguyễn Thị Lê (2008), Giáo trình Thông gió, Đại học Bách khoa Đà

Nẵng, Nhà xuất bản Đại học Bách khoa Đà Nẵng

7 Nguyễn Đại Minh (2011), Kết cấu chịu tác động gió bão, Bài giảng

chuyên đề, Vụ KHCN, Viện KHCN, Bộ Xây dựng

8 Nguyễn Hoài Nam (2014), Nghiên cứu giải pháp áp lực gió lên mái dốc

nhà thấp tầng bằng thực nghiệm trong ống thổi khí động, Luận văn tiến

sĩ, Viện KHCN xây dựng, Bộ Xây dựng

9 Nguyễn Đại Minh (2011), Phương pháp hệ số gió giật G và tải trọng gió

tác dụng lên nhà cao tầng, Hội thảo kết cấu Xây dựng, Hà Nội

10 Ngô Thế Phong (2009), Kết cấu nhà nhiều tầng, Bài giảng chuyên đề,

Trường Đại học Xây dựng