Tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình có mặt bằng đa giác, chữ l và chữ u theo một số tiêu chuẩn kết hợp với kết quả thí nghiệm bằng ống thổi khí động (luận văn thạc sĩ) (2)

TRỪỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI VŨ QUANG THÀNH TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ TÁC DỤNG LÊN CÔNG TRÌNH CÓ MẶT BẰNG ĐA GIÁC, CHỮ L VÀ CHỮ U THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN KẾT HỢP VỚI KẾT QUẢ THÍ NGHI

TRỪỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

VŨ QUANG THÀNH

TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ TÁC DỤNG LÊN

CÔNG TRÌNH CÓ MẶT BẰNG ĐA GIÁC, CHỮ L VÀ CHỮ U

THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN KẾT HỢP VỚI

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM BẰNG ỐNG THỔI KHÍ ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Hà Nội – 2019

TRỪỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

VŨ QUANG THÀNH KHÓA: 2017-2019

TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ TÁC DỤNG LÊN

CÔNG TRÌNH CÓ MẶT BẰNG ĐA GIÁC, CHỮ L VÀ CHỮ U

THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN KẾT HỢP VỚI

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM BẰNG ỐNG THỔI KHÍ ĐỘNG

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

Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SỸ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:`

1 TS PHÙNG THỊ HOÀI HƯƠNG

2 TS VŨ THÀNH TRUNG

XÁC NHẬN CỦA CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN

PGS.TS CHU THỊ BÌNH

Hà Nội – 2019

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được luận văn này, ngoài sự nỗ lực của bản thân không thể không

kể đến sự giúp đỡ của Thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp Tác giả xin chân thành cảm ơn

TS Phùng Thị Hoài Hương và TS Vũ Thành Trung đã tận tình hướng dẫn, động

viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn để Tác giả có thể hoàn thành luận văn này Tác giả xin trân trọng cảm ơn các Thầy, Cô giáo, các cán bộ Khoa đào tạo Sau Đại Học, bộ môn Kết cấu bê tông cốt thép thuộc trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội, các bạn bè đã góp ý và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu luận văn

Trong quá trình thực hiện luận văn mặc dù bản thân đã có nhiều cố gắng, song những thiếu sót trong luận văn là điều khó tránh khỏi Tác giả rất mong muốn nhận được

sự đóng góp ý kiến của Thầy, Cô, bạn bè, đồng nghiệp để có thể hoàn thiện luận văn và bản thân

Xin trân trọng cảm ơn !

Hà Nội, 2019 Tác giả Luận văn

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

Vũ Quang Thành

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 6

Danh mục các hình ảnh minh họa 6

Danh mục các Bảng biểu 10

MỞ ĐẦU 1

Lý do chọn đề tài 1

Mục đích nghiên cứu 2

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

Phương pháp nghiên cứu 2

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

NỘI DUNG CHƯƠNG 1 3

TỔNG QUAN VỀ CÁC DẠNG MẶT BẰNG CÔNG TRÌNH NHÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ TẢI TRỌNG GIÓ TÁC DỤNG LÊN CÔNG TRÌNH 3

1.1 Các dạng mặt bằng nhà bê tông cốt thép 3

1.2 Tải trọng gió tác dụng lên công trình 7

1.2.1 Khái niệm gió, nguyên nhân hình thành 7

1.2.2 Tác động của gió lên công trình 8

1.2.3 Tải trọng gió dọc hướng gió đối với hình dạng mặt bằng 12

1.2.4 Tải trọng ngang hướng gió đối với hình dạng mặt bằng 14

1.2.5 Thực trạng xác định tải trọng gió đối với các công trình có dạng mặt bằng đa giác, chữ L và chữ U tại Việt Nam 14

1.3 Giới thiệu một số tiêu chuẩn, phương pháp xác định tải trọng gió 15

1.3.1 Xác định tải trọng gió theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 2737:1995) 15

1.3.2 Xác định tải trọng gió theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ (ASCE/SEI 7-2016) 15

1.3.3 Xác định tải trọng gió theo tiêu chuẩn Trung Quốc GB 50009-2012 16

1.3.4 Xác định tải trọng gió theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1991-1-4.2005 16

1.3.5 Xác định tải trọng gió theo tiêu chuẩn Ấn Độ IS 875-3 16

1.3.6 Phương pháp xác định tải trọng gió bằng thí nghiệm ống thổi khí động học 17

1.4 Nhận xét chương I 26

CHƯƠNG 2 28

XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG GIÓ TÁC DỤNG LÊN CÔNG TRÌNH CÓ MẶT BẰNG ĐA GIÁC; CHỮ L VÀ CHỮ U THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN KẾT HỢP VỚI KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM BẰNG ỔNG THỔI KHÍ ĐỘNG 28

2.1 Xác định tải trọng gió tác dụng lên công trình có mặt bằng dạng đa giác đều theo TCVN 2737 : 1995 [1] 28

2.1.1 Dạng địa hình 28

2.1.2 Tải trọng gió dọc 29

2.1.3 Tải trọng gió ngang 36

2.1.4 Tổ hợp tải trọng gió dọc và gió ngang 37

2.2 Xác định tải trọng gió tác dụng lên công trình có mặt bằng dạng đa giác đều theo tiêu chuẩn EN 1991-1-4.2005 [7] 38

2.2.1 Cơ sở tính toán 38

2.2.2 Giá trị vận tốc gió cơ bản 38

2.2.3 Vận tốc gió hiệu dụng theo độ cao 39

2.2.4 Hệ số thay đổi vận tốc gió theo độ cao và dạng địa hình 39

2.2.5 Hệ số áp lực theo độ cao 41

2.2.6 Tác động của gió 43

2.2.7 Các hệ số CsCd 45

2.2.8 Áp lực và hệ số khí động 50

2.3 Xác định tải trọng gió tác dụng lên công trình có mặt bằng đa giác, chữ L, chữ U theo tiêu chuẩn Trung Quốc GB 50009-2012 [5] 53

2.3.1 Dạng địa hình và vận tốc gió cơ sở 53

2.3.2 Tải trọng gió dọc hướng gió 54

2.3.3 Tải trọng gió ngang hướng gió 59

2.3.4 Tải trọng gió xoắn 63

2.3.5 Tổ hợp tải trọng gió dọc, gió ngang và gió xoắn 65

2.4 Tổng hợp so sánh giữa các tiêu chuẩn tính toán tải trọng gió 66

2.4.1 Dạng địa hình 66

2.4.2 Vận tốc gió cơ sở 69

2.4.3 Quy đổi vận tốc gió trung bình từ tiêu chuẩn Việt Nam sang tiêu chuẩn châu Âu và Trung Quốc [13] 71

2.4.4 Thành phần tải trọng gió 74

2.4.5 Hạn chế của tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737:1995 [1] 74

2.5 Kết quả xác định hệ số khí động của một số dạng mặt bằng công trình trong ống

thổi khí động theo điều kiện Việt Nam 75

CHƯƠNG 3 78

ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ TÁC DỤNG LÊN CÔNG TRÌNH CÓ MẶT BẰNG ĐA GIÁC; CHỮ L VÀ CHỮ U THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN KẾT HỢP VỚI KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM BẰNG ỐNG THỔI KHÍ ĐỘNG 78

3.1.1 Tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình có dạng mặt bằng hình chữ L theo tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 kết hợp với kết quả thí nghiệm bằng ống thổi khí động 78

3.1.2 Tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình có dạng mặt bằng hình chữ L, chữ U theo tiêu chuẩn GB 50009-2012 kết hợp với kết quả thí nghiệm bằng ống thổi khí động 91

3.1.3 So sánh kết quả tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình có mặt bằng chữ L theo tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn Trung Quốc (TH gió tĩnh) 127

3.2 Tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình có mặt bằng dạng đa giác đều theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737:1995 và tiêu chuẩn EN 1991-1-4.2005 128

3.2.1 Tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình có mặt bằng dạng đa giác đều theo tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 128

3.2.2 Tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình có mặt bằng dạng đa giác đều theo theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1991-1-4.2005 142

3.2.3 So sánh kết quả tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình có mặt bằng đa giác theo tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn Châu Âu 154

3.3 Nhận xét đánh giá 155

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 156

Kết luận 156

Kiến nghị 157

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Danh mục các hình ảnh minh họa

Số hiệu

Hình 1.1 Các dạng mặt bằng công trình nhà BTCT điển hình

Hình 1.2 Các dạng mặt bằng công trình nhà BTCT dạng chữ L, chữ U

Hình 1.3 Công trình chung cư Sun Square 21 Lê Đức Thọ - Mỹ Đình – Nam

Từ Liêm – TP Hà Nội (Dạng mặt bằng hình đa giác) [17]

Hình 1.4 Công trình chung cư Ellipse Tower Hà Đông - Số 110 Trần Phú – Hà

Đông – TP Hà Nội (Dạng mặt bằng hình Ellipse) [18]

Hình 1.5 Công trình chung cư Tulip Tower – Số 15 Hoàng Quốc Việt – Phú

Thuận – Quận 7 – TP Hồ Chí Minh (Dạng mặt bằng hình tròn) [19]

Hình 1.6 Công trình chung cư Mỹ Đình Pearl– Nam Từ Liêm – TP.Hà Nội

gió

Hình 1.11 Hệ số khí động lên các bề mặt khác nhau của công trình nhà cao

tầng thay đổi theo không gian và thời gian [14]

Hình 1.12 Vai trò của tải trọng gió đối với nhà cao tầng

Hình 1.13 Tác động của tải trọng gió với mặt bằng công trình

Hình 1.14 Lực tác động lên vật thể

Hình 1.15 Hệ số μs với các mặt bằng dạng đa giác đều [5]

Hình 1.16 Hệ số μs với các mặt bằng dạng hình chữ L, chữ U [5]

Hình 1.17 Hệ số μs với các mặt bằng dạng đa giác [5]

Hình 1.18 Sơ đồ ống thổi khí động của Viện KHCN Xây dựng [14]

Hình 1.19 Sơ đồ tạo môi trường gió [14]

Hình 1.20 Mô phỏng môi trường gió trong ống thổi khí động[14]

Hình 1.21 Profile vận tốc gió và profile độ rối theo tiêu chuẩn và theo thí

nghiệm (dạng địa B của TCVN 2737:1995) [14]

Hình 1.22 Hình ảnh ống thổi khí động và các thiết bị sử dụng trong ống thổi

của Viện Khoa học Công nghệ Xây Dựng [14]

Hình 1.23 Một số công trình ở Việt Nam đã tiến hành thí nghiệm trong ống thổi

Hình 1.26 Mô hình thí nghiệm nhà cao tầng với tiết diện ngang hình chữ U

trong ống thổi khí động (nhìn phía trước) [14]

Hình 1.27 Mô hình thí nghiệm nhà cao tầng với tiết diện ngang hình chữ U

Trong ống thổi khí động (nhìn phía sau) [14]

Hình 1.28 Mô hình thí nghiệm nhà cao tầng với tiết diện ngang hình chữ L

trong ống thổi khí động (nhìn phía trước) [14]

Hình 1.29 Mô hình thí nghiệm nhà cao tầng với tiết diện ngang hình chữ L

trong ống thổi khí động (nhìn phía sau) [14]

Hình 2.1 Địa hình dạng A [1]

Hình 2.2 Địa hình dạng B [1]

Hình 2.3 Địa hình dạng C [1]

Hình 2.4 Đánh giá phạm vi ảnh hưởng của địa hình [7]

Hình 2.5 Giá trị của C e(z) theo chiều cao và dạng địa hình [7]

Hình 2.6 Áp lực gió trên bề mặt [7]

Hình 2.7 Các hình dạng cấu trúc thuộc phạm vi áp dụng công thức (2.47) [7]

Hình 2.8 Đồ thị xác định giá trị áp lực gió ngoài, C pe , cho công trình với diện

tích chịu tải nằm trong khoảng từ 1m2 đến 10m2 [7]

Hình 2.9 Mặt cắt tiết diện đa giác [7]

Hình 2.10 Biểu đồ nội suy giá trị λ [7]

Hình 2.11 Hệ số khí độngs đối với mặt bằng dạng đa giác đều [5]

Hình 2.12 Hệ số khí độngs đối với mặt bằng dạng đa giác [5]

S ứng với các dạng địa hình A, B, C

và D [5]

Hình 2.16 Hàm xác định hệ số năng lượng phổ momen xoắn FT [5]

Hình 2.17 Đồ thị chuyển vận tốc trung bình trong các khoảng thời gian [8]

Hình 2.18 Hệ số khí động trung bình cho mô hình thí nghiệm công trình có

dạng mặt bằng chữ U [14]

Hình 2.19 Hệ số khí động trung bình cho mô hình thí nghiệm công trình có

dạng mặt bằng chữ L [14]

Hình 3.1 Mặt bằng tầng điển hình công trình tính toán dạng chữ L

Hình 3.2 Mặt bằng kết cấu tầng điển hình công trình tính toán dạng chữ L

Hình 3.3 Hệ số khí động của công trình có dạng mặt bằng chữ L xác định theo

thí nghiệm ống thổi khí động Hình 3.4 Mô hình tính toán công trình dạng chữ L trên Etabs 2016

Hình 3.5 Hệ số khí động μs đối với mặt bằng dạng chữ L

Hình 3.6 Mặt bằng kết cấu công trình tính toán dạng chữ U

Hình 3.7 Mô hình công trình tính toán dạng chữ U trên Etabs 2016

Hình 3.8 Hệ số khí động trong các trường hợp gió thổi ngang và xiên nhà đối

với mặt bằng dạng chữ U

Hình 3.9

So sánh kết quả tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình có mặt bằng dạng chữ L theo tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 và tiêu chuẩn GB 50009-2012 (TT gió tĩnh)

Hình 3.10 Mặt bằng kết cấu công trình tính toán dạng đa giác

Hình 3.11 Mô hình tính toán công trình có mặt bằng dạng đa giác trên Etabs

2016

Hình 3.12

Biểu đồ so sánh kết quả tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình có mặt bằng đa giác theo tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn Châu Âu

Bảng 2.1 Áp lực gió theo bản đồ phân vùng áp lực gió lãnh thổ Việt Nam Bảng 2.2 Xác định hệ số k [1]

Bảng 2.3 Xác định chiều dài cạnh quy ước L d của đa giác đều

Bảng 2.4 Xác định hệ số độ mảnh e [1]

Bảng 2.5 Xác định hệ số c với tiết diện đa giác đều [1]

Bảng 2.6 Giá trị giới hạn dao động của tần số riêng f L [1]

Bảng 2.7 Hệ số β theo thời gian sử dụng giả định của công trình [2]

Bảng 2.8 Loại địa hình và các thông số địa hình [7]

Bảng 2.9 Giá trị C r (z) theo chiều cao và các dạng địa hình

Bảng 2.10 Giá trị C e (z) theo chiều cao và các dạng địa hình

Bảng 2.11 Hệ số lực cho các loại lăng trụ đa giác đều [7]

Bảng 2.12 Giá trị độ mảnh với các công trình có mặt bằng hình trụ, đa giác,

hình tròn, cấu trúc mạng tinh thể [7]

Bảng 2.13 Bảng tra xác định hệ số z

Bảng 2.14 Hệ số dạng dao động 1( )z đối với kết cấu cao

Bảng 2.15 Xác định hệ số k, a1

Bảng 2.16 Hệ số điều chỉnh v

Bảng 2.17 Giá trị của hệ số C sm

Bảng 2.18 Tổ hợp tải trọng gió theo GB 50009-2012

Bảng 2.19 Thông tin về phân loại dạng địa hình theo các tiêu chuẩn khác

nhau [5]

Bảng 2.20 So sánh phân loại địa hình theo 3 tiêu chuẩn

Bảng 2.21 Các nhóm phân dạng địa hình

Bảng 2.22 Thông số xác định vận tốc gió cơ sở theo các tiêu chuẩn

Bảng 2.23 Áp lực gió tiêu chuẩn (W(20y,3’’,B) ứng với các vùng áp lực gió Bảng 2.24 Vận tốc gió tiêu chuẩn (v(20y,3’’,B) ứng với các vùng áp lực gió

Bảng 2.25 Hệ số chuyển đổi gió 3s từ chu kỳ 20 năm sang các chu kỳ khác

[2]

Bảng 2.26 Giá trị vận tốc gió cơ bản, áp lực gió tiêu chuẩn quy đổi từ

TCVN 2737:1995 sang EN 1991-1-4.2005, GB 50009-2012

Bảng 3.1 Tải trọng gió tĩnh tác dụng lên công trình có mặt bằng dạng chữ

L – Trường hợp gió thổi ngang nhà theo phương X

Bảng 3.2 Tải trọng gió tĩnh tác dụng lên công trình có mặt bằng dạng chữ

L – Trường hợp gió thổi ngang nhà theo phương XX

Bảng 3.3 Tải trọng gió tĩnh tác dụng lên công trình có mặt bằng dạng chữ

L – Trường hợp gió thổi ngang nhà theo phương Y

Bảng 3.4 Tải trọng gió tĩnh tác dụng lên công trình có mặt bằng dạng chữ

L – Trường hợp gió thổi ngang nhà theo phương YY Bảng 3.5 Tải trọng gió tĩnh tác dụng lên công trình có mặt bằng dạng chữ

L – Trường hợp gió xiên góc 135 o XY

Bảng 3.6 Tải trọng gió tĩnh tác dụng lên công trình có mặt bằng dạng chữ

L – Trường hợp gió xiên góc 45 o YX

Bảng 3.7 Chuyển đổi giá trị vận tốc và áp lực gió cơ bản từ TCVN 2737

1995 sang tiêu chuẩn GB 50009-2012 Bảng 3.8; 3.20 Xác định hệ số thay đổi áp lực gió theo chiều cao

Bảng 3.9; 3.21 Kết quả phân tích dao động công trình

Bảng 3.14

Kết quả tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình có mặt bằng chữ L theo GB5009:2012 – Trường hợp gió thổi ngang nhà theo phương XX

Bảng 3.15

Kết quả tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình có mặt bằng chữ L theo GB5009:2012 – Trường hợp gió thổi ngang nhà theo phương Y

Bảng 3.16

Kết quả tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình có mặt bằng chữ L theo GB5009:2012 – Trường hợp gió thổi ngang nhà theo phương YY

Bảng 3.25

Kết quả tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình có mặt bằng chữ U theo GB5009:2012 – Trường hợp gió thổi ngang nhà theo phương X và XX

Bảng 3.26

Kết quả tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình có mặt bằng chữ U theo GB5009:2012 – Trường hợp gió thổi ngang nhà theo phương Y

Bảng 3.27

Kết quả tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình có mặt bằng chữ U theo GB5009:2012 – Trường hợp gió thổi ngang nhà theo phương YY

Bảng 3.31 Xác định chiều dài cạnh quy ước Ld của đa giác đều theo [1]

Bảng 3.32 Kết quả tính toán tải trọng gió tĩnh tác dụng lên công trình theo

Bảng 3.38 Chuyển đổi giá trị vận tốc và áp lực gió cơ bản từ TCVN

2737-1995 sang tiêu chuẩn EN 1991-1-4 Bảng 3.39 Xác định chiều dài cạnh quy ước L d của đa giác đều

Bảng 3.40 Kết quả phân tích dao động công trình trên Etabs 2016

Bảng 3.41 Kết quả tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình theo

phương OX - Dạng dao động thứ 1 Bảng 3.42 Kết quả tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình theo

phương OY - Dạng dao động thứ 1

MỞ ĐẦU

• Lý do chọn đề tài

Ngày nay với sự phát triển không ngừng của xã hội và khoa học công nghệ, nhu cầu

về nhà ở, không gian sinh hoạt ngày càng lớn, đòi hỏi các công trình xây dựng trên Thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng được thiết kế phát triển về quy mô, các dạng mặt bằng, chiều cao và hình thái kiến trúc Thiết kế hiện đại không chỉ giới hạn các công trình thuần túy chỉ có mặt bằng hình chữ nhật hay hình vuông mà đa dạng hơn là các mặt bằng có dạng đa giác, mặt bằng hình tròn, mặt bằng hình elipe, mặt bằng hình chữ L, chữ U… hay mặt bằng kết hợp các dạng nói trên

Khi chiều cao công trình càng tăng thì mức độ ảnh hưởng của tải trọng ngang vào công trình càng lớn, đặc biệt là ảnh hưởng của tải trọng gió Việc tính toán xác định chính xác loại tải trọng này cho công trình có ý nghĩa rất quan trọng đối với những người thiết

kế, từ đó đảm bảo cho công trình được thiết kế hợp lý cả về mặt kỹ thuật và kinh tế Tải trọng gió tác động vào công trình rất khác nhau, phụ thuộc nhiều yếu tố ví dụ như phụ thuộc vào địa hình công trình, vùng lãnh thổ, chiều cao công trình và đặc biệt là hình dạng mặt bằng công trình v.v Tải trọng gió có thể được xác định bằng phương pháp ống thổi khí động với độ tin cậy tương đối cao, hoặc có thể sử dụng kết quả thí nghiệm bằng ống thổi khí động để áp dụng vào các tiêu chuẩn tính toán tải trọng gió…

Cho đến nay tại Việt Nam tải trọng gió tác dụng lên công trình vẫn được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 và TCXD 229:1999 mà chưa có tiêu chuẩn mới thay thế Hệ thống các tiêu chuẩn này chưa có chỉ dẫn đầy đủ về xác định tải trọng gió cho các dạng mặt bằng khác nhau, cụ thể có giới thiệu cách tính tải trọng gió cho các công trình

có mặt bằng dạng đa giác đều, nhưng không thấy đề cập đến các công trình có mặt bằng dạng đa giác chữ L, chữ U, v.v….Hơn nữa, các tài liệu chỉ dẫn tính toán cụ thể cho công trình có mặt bằng đa giác, chữ L, chữ U hầu như không có nên có không ít kỹ sư lúng túng trong việc tính toán tải trọng gió cho công trình có mặt bằng đa giác, chữ L, chữ U… Để nghiên cứu tính toán bổ sung các nội dung chỉ dẫn còn thiếu khi tính toán tải trọng gió tác dụng lên các công trình có mặt bằng dạng đa giác, chữ L, chữ U, tác giả đã tham khảo hệ thống các tài liệu, các công trình nghiên cứu khoa học của các tác giả trong

và ngoài nước, các tiêu chuẩn của nước ngoài như tiêu chuẩn Hoa Kỳ (ASCE), tiêu chuẩn

Châu Âu (Eurocode), tiêu chuẩn Trung Quốc (GB), tiêu chuẩn Ấn Độ (IS) và đặc biệt là các kết quả thí nghiệm từ thí nghiệm ống thổi khí động, để nghiên cứu cách xác định tải trọng gió tác dụng lên công trình có các mặt bằng dạng này Qua đó tổng hợp các tài liệu, công trình nghiên cứu, kết quả thí nghiệm và tiêu chuẩn nước ngoài có đề cập đến cách xác định tải trọng gió cho các dạng mặt bằng kể trên và đưa ra quy trình tính toán

Chính vì vậy tác giả lựa chọn đề tài: “Tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình có mặt bằng đa giác, chữ L và chữ U theo một số tiêu chuẩn kết hợp với kết quả thí nghiệm bằng ống thổi khí động” là có ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn cao

• Mục đích nghiên cứu

Tìm hiểu và nâng cao kiến thức về việc tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình có mặt bằng dạng đa giác, chữ L và chữ U theo một số tiêu chuẩn kết hợp với kết quả thí nghiệm thực tế

• Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Tải trọng gió tác dụng lên công trình nhà bê tông cốt thép

có mặt bằng dạng đa giác; chữ L và chữ U

- Phạm vi nghiên cứu: Tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình nhà bê tông

cốt thép

• Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng các tài liệu, tiêu chuẩn có sẵn để nghiên cứu về lý thuyết và áp dụng tính toán tải trọng gió tác động lên công trình có mặt bằng dạng đa giác, chữ L và chữ U

• Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Xác định quy trình tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình có mặt bằng dạng

đa giác, chữ L và chữ U theo một số tiêu chuẩn kết hợp với tài liệu từ kết quả thí nghiệm thực tế

- Ngoài ra, các kết quả đạt được của đề tài có thể giúp đỡ trong công tác thiết kế, thẩm tra thiết kế, đảm bảo an toàn cho các công trình nhà cao tầng có mặt bằng dạng đa giác, hình chữ L, chữ U trong các dự án xây dựng ở Việt Nam dù được thiết kế theo hệ thống các tiêu chuẩn Việt Nam hay nước ngoài

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC DẠNG MẶT BẰNG CÔNG TRÌNH NHÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ TẢI TRỌNG GIÓ TÁC DỤNG LÊN CÔNG TRÌNH

1.1 Các dạng mặt bằng nhà bê tông cốt thép

Từ khi kết cấu bê tông cốt thép ra đời, công nghệ thi công công trình đã không còn

bị hạn chế Sự phát triển của vật liệu xây dựng như bê tông cốt thép, kính và hợp kim, giúp kết cấu bao che của công trình trở nên rất đa dạng, giá thành xây dựng lại rẻ hơn Ngày nay kết cấu bê tông cốt thép vẫn là kết cấu xây dựng chủ yếu cho các công trình, thiết kế hiện đại không chỉ giới hạn các công trình bê tông cốt thép chỉ có các dạng mặt bằng hình chữ nhật hay hình vuông mà thêm vào đó là sự đa dạng của các dạng mặt bằng như hình cánh cung, hình tròn, hình Elipse, hay mặt bằng kết hợp các dạng cơ bản nói trên… Gần đây các công trình thường được thiết kế với bố cục mặt bằng dạng đa giác, chữ U, hay chữ L… với những ưu điểm nhất định của nó Tạo hình kiến trúc với các dạng mặt bằng kể trên không chỉ làm nổi bật hình thái và phong cách kiến trúc của công trình, mà còn tạo ra sự thuận lợi, hợp lý cho không gian sử dụng bên trong

Hình 1.1 Các dạng mặt bằng công trình nhà BTCT điển hình

Hình 1.2 Các dạng mặt bằng công trình nhà BTCT dạng chữ L, chữ U

Trong đó không thể không kể đến các công trình nhà cao tầng bê tông cốt thép với

sự đa dạng, phong phú về đặc điểm kiến trúc, dạng mặt bằng công trình của nó Tại các

đô thị các công trình nhà cao tầng đang trở thành một xu thế phát triển tất yếu trong quá trình đô thị hóa với mục đích làm tăng diện tích, không gian sử dụng đất, phục vụ cho số đông dân cư đô thị Công trình càng phát triển về chiều cao và quy mô thì mức độ ảnh hưởng của tải trọng tác dụng lên công trình là càng lớn mà đặc biệt là các loại tải trọng ngang, đặc biệt là tải trọng gió

Có thể kể đến một số công trình nhà cao tầng BTCT với các dạng bố cục mặt bằng hình đa giác, hình elip, hình tròn, hình chữ U, chữ L tại Việt Nam như sau:

Hình 1.3 Công trình chung cư Sun Square 21 Lê Đức Thọ - Mỹ Đình – Nam Từ Liêm

– TP Hà Nội (Dạng mặt bằng hình đa giác) – Nguồn hình [17]

Hình 1.4 Công trình chung cư Ellipse Tower Hà Đông - Số 110 Trần Phú – Hà Đông

– TP Hà Nội (Dạng mặt bằng hình Ellipse) – Nguồn hình [18]

Hình 1.5 Công trình chung cư Tulip Tower – Số 15 Hoàng Quốc Việt – Phú Thuận – Quận 7 – TP Hồ Chí Minh (Dạng mặt bằng hình tròn) – Nguồn hình [19]

Hình 1.6 Công trình chung cư Mỹ Đình Pearl– Nam Từ Liêm – TP Hà Nội

(Dạng mặt bằng hình chữ L)- Nguồn hình [20]

Hình 1.7 Công trình Eco Lakeview– 32 Đại Từ - Hoàng Mai – TP Hà Nội

(Dạng mặt bằng hình chữ U) – Nguồn hình [21]

Với sự đa dạng của các dạng mặt bằng công trình nhà cao tầng nói trên, việc xác định chính xác tải trọng gió tác dụng lên công trình đem lại ý nghĩa quan trọng với cả người thiết kế và công trình, từ đó giúp công trình đạt được hiệu quả cao về cả kinh tế lẫn kỹ thuật

Ở Việt Nam, tại các đô thị lớn như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Đà Nẵng… các công trình nhà cao tầng với các dạng mặt bằng hình chữ nhật, hình vuông, hình tròn, hình Elipse, hình cánh cung….đã được nghiên cứu tính toán và thiết kế Trong thời gian gần đây công công trình nhà cao tầng thường được thiết kế theo dạng mặt bằng đa giác, chữ

L, chữ U vì những ưu điểm nhất định của nó Tuy nhiên các tài liệu chỉ dẫn tính toán thiết kế tải trọng gió cho các dạng mặt bằng này hầu như không có nên không ít kỹ sư lúng túng trong việc tính toán tải trọng gió cho công trình

Để nghiên cứu tính toán bổ sung các nội dung chỉ dẫn còn thiếu khi tính toán tải trọng gió tác dụng lên các công trình có mặt bằng dạng đa giác, chữ L, chữ U, tác giả

đã tham khảo hệ thống các tài liệu, các công trình nghiên cứu khoa học của các tác giả trong và ngoài nước, các tiêu chuẩn của nước ngoài như tiêu chuẩn Hoa Kỳ (ASCE), tiêu chuẩn Châu Âu (Eurocode), tiêu chuẩn Trung Quốc (GB), tiêu chuẩn Ấn Độ (IS)

và đặc biệt là các kết quả thí nghiệm từ thí nghiệm ống thổi khí động, để nghiên cứu cách xác định tải trọng gió tác dụng lên công trình có các mặt bằng dạng này Qua đó tổng hợp các tài liệu, công trình nghiên cứu, kết quả thí nghiệm và tiêu chuẩn nước ngoài có đề cập đến cách xác định tải trọng gió cho các dạng mặt bằng kể trên và đưa

ra quy trình tính toán

1.2 Tải trọng gió tác dụng lên công trình

1.2.1 Khái niệm gió, nguyên nhân hình thành

Gió là một hiện tượng trong tự nhiên hình thành do sự chuyển động của không khí Nguyên nhân hình thành gió là do bề mặt trái đất tiếp nhận sự chiếu sáng, đốt nóng của mặt trời không đều, sẽ có nhiệt độ không đều Sự chênh lệch nhiệt độ giữa các vị trí gây nên sự chênh lệch về khí áp, ở nơi nhiệt độ gia tăng, không khí nóng lên và bị không khí lạnh (áp suất lớn) ở xung quanh dồn vào, đẩy lên cao tạo thành dòng thăng Dòng thăng này làm hạ khí áp tại nơi đó, không khí lạnh ở vùng xung quanh di chuyển theo chiều nằm ngang đến thay thế cho lượng không khí đã bay lên vì nóng tạo thành gió ngang

Quy luật tự nhiên là không khí thường xuyên chuyển động theo cả chiều nằm ngang và thẳng đứng Không khí di chuyển theo chiều nằm ngang càng mạnh thì gió thổi càng lớn Gió đặc trưng bởi hướng và vận tốc Chiều di chuyển của dòng khí tạo thành hướng gió Vận tốc gió là vận tốc di chuyển của dòng khí qua một điểm nhất định Có thể biểu thị vận tốc gió theo các đơn vị khác nhau như ngành hàng hải và hàng không tính bằng hải lý/giờ Khi dùng đơn vị SI vận tốc gió tính bằng đơn vị m/s hoặc km/s

1.2.2 Tác động của gió lên công trình

Do gió là một hiện tượng rất phức tạp liên quan đến sự nhiễu động của dòng, nó có thể tạo ra sự đa dạng về tác động của gió đến công trình Gió bao gồm nhiều xoáy với kích cỡ các đặc tích xoáy khác nhau dọc theo dòng chuyển động trên mặt đất Khi gió tác động đến công trình, dạng của dòng gió sẽ tạo ra các sự thay đổi áp lực gió nhiều (xem Hình 1.8) Các sự thay đổi chủ yếu là sự biến dạng của dòng đều, sự tách xoáy, sự tạo xoáy và sự phát triển của vệt xoáy (xem Hình 1.9) Nhìn chung, vector gió tại một điểm

có thể được xem là tổng của thành phần gió trung bình và thành phần gió động (rối) (xem Hình 1.10) Hệ số khí động lên các bề mặt khác nhau của công trình nhà cao tầng thay đổi theo thời gian và không gian (xem Hình 1.11)

Hình 1.8 Hình phối cảnh về sự hình thành các xoáy khi dòng gió thổi qua

công trình nhà cao tầng

Hình 1.9 Sự hình thành các xoáy khi dòng gió thổi qua công trình nhà cao tầng

Hình 1.10 Phản ứng của công trình nhà cao tầng dưới tác dụng của tải trọng gió

Hình 1.11 Hệ số khí động lên các bề mặt khác nhau của công trình nhà cao tầng thay

đổi theo không gian và thời gian

Gió thổi sẽ gây ra áp lực lên mọi vật cản trên đường đi của nó Áp lực này tỷ lệ với bình phương vận tốc gió Vận tốc gió luôn thay đổi theo thời gian gây nên sự mạch động của gió (sự đứt quãng của dòng gió) Vì thế gió bão gây áp lực lớn lên công trình, có sức phá hoại rất lớn

Khi gió thổi vượt qua một công trình thì tất cả các vùng của công trình đó đều chịu một áp lực nhất định Phía đón gió chịu áp lực trội đập trực tiếp vào mặt đón; ở phía sau

và các mặt bên công trình xuất hiện áp lực âm do gió hút Trạng thái biến đổi của dòng thổi qua công trình phụ thuộc vào hình dạng công trình, loại và trạng thái bề mặt công trình Trạng thái dòng thổi còn phụ thuộc vị trí tương đối của công trình so với các công trình lân cận và cảnh quan khu vực (bờ cao, sườn dốc, núi đồi, thung lũng …) Trạng thái này ảnh hưởng đến góc tới của dòng thổi, làm thay 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 mảnh lớn sẽ có dao động Tùy theo phân bố độ cứng của công trình mà dao động này có thể theo phương bất kỳ trong không gian Thông thường chúng được phân tích thành hai phương chính Với các công trình có chiều cao nhỏ, dao động này không đáng kể, nhưng với các công trình có chiều cao lớn khi dao động sẽ phát sinh 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 hướng thổi của

nó Do đó mọi tham số làm biến đổi hai yếu tố này sẽ làm ảnh hưởng đến trị số và hướng tác dụng Các thông số này có thể chia làm 3 nhóm chính sau:

- Nhóm các thông số đặc trưng cho tính ngẫu nhiên của tải trọng;

- Nhóm các thông số đặc trưng cho địa hình: loại địa hình, mức độ che chắn;

các yếu tố ảnh hưởng của dao động riêng (chu kỳ, tần số, giá trị, khối lượng và cách phân

bố khối lượng, dạng và độ tắt dần của dao động)

Với công trình cao tầng, tải trọng ngang có vai trò rất quan trọng Nếu coi cả công trình như một thanh conson ngàm vào đất thì dưới tác dụng của tải trọng ngang, mô men

sẽ tỷ lệ bậc 2 với chiều cao công trình và chuyển vị đỉnh tỷ lệ bậc 4 với chiều cao công trình Khi chiều cao công trình càng tăng thì mức độ ảnh hường của tải trọng ngang càng

lớn Hình vẽ dưới đây cho thấy với các công trình cao tầng có chu kỳ dao động lớn thì tải trọng gió chiếm ưu thế so với tải trọng động đất Với các công trình có chu kỳ dao động nhỏ hơn 3s thì tải trọng động đất chiếm ưu thế so tới tải trọng gió

Thiết kế kháng chấn

Thiết kế kháng gió Đối với nhà cao tầng

(Tải trọng động đất trung bình)

Tải trọng gió là tải trọng ngang chính

Hình 1.12 Vai trò của tải trọng gió đối với nhà cao tầng

Hình dạng kích thước của công trình nó liên quan đến sự phân bố áp lực gió lên bề mặt Khi cơn gió đi đến gặp bề mặt đón gió thì tất cả năng lượng động học của nó được chuyển thành áp lực động Các thành phần lực có phương song song với dòng gió được gọi là lực cản, còn các lực có phương vuông góc với dòng gió gọi là lực hút Khi tâm hình học không trùng với tâm cứng thì công trình xuất hiện mômen xoắn

Đặc biệt đối với nhà cao tầng thường chịu tác động của tải trọng gió là rất lớn vì càng lên cao tốc độ gió càng mạnh Do càng lên cao càng ít vật cản nên nhà cao tầng sẽ chịu hầu như hoàn toàn tác động của gió Ngoài ra tác động của gió lên nhà cao tầng khác với nhà thấp tầng đó là ảnh hưởng lớn của mômen xoắn gây lên Mômen xoắn xuất hiện

do áp lực không đều, mặt cắt ngang công trình không đối xứng hoặc do tâm hình học và tâm cứng không trùng nhau

Nhà cao tầng chịu tải trọng gió lớn, mức độ phức tạp trong tính toán cũng tăng lên Tải trọng gió cũng làm xuất hiện nội lực đổi chiều, do vậy cần cảnh giác khi thiết kế cấu kiện ngang Thành phần động của tải trọng gió cũng rất phức tạp và thường tập trung vào các bộ chịu lực của công trình, do đó đối với công trình nhà cao tầng cần ưu tiên giải pháp kết cấu mạch lạc, rõ ràng

Tác động của tải trọng gió đối với hình dạng mặt bằng công trình bao gồm tải trọng dọc hướng gió và ngang hướng gió

Hình 1.13 Tác động của tải trọng gió với mặt bằng công trình

1.2.3 Tải trọng gió dọc hướng gió đối với hình dạng mặt bằng

Gió thổi đến công trình thì bề mặt công trình đó đều chịu một áp lực nhất định Phía đón gió chịu áp lực đón; ở phía sau chịu áp lực hút Độ lớn của tải trọng gió phụ thuộc vào hình dạng bề mặt đón gió (hình dạng bề mặt công trình) Dưới tác dụng của thành phần gió dọc hướng gió, công trình sẽ chuyển động dọc theo phương tác dụng của luồng gió Áp lực gió được xác định trên cơ sở áp lực động của không khí Nếu cơn gió thổi đến bề mặt đón gió của một vật cản, thì tất cả năng lượng động học của nó được chuyển thành áp lực động

Áp lực động của gió tác dụng lên vật cản được xác định theo Bernoulli:

- Trọng lượng thể tích (mật độ) không khí (kg/m3) phụ thuộc nhiệt độ và áp suất

- Khi gió có vận tốc  đi đến vật cản nó sẽ tạo ra một áp lực cục bộ  trên bề mặt của vật thể và cũng tuân theo định luật Bernoulli:

độ lớn của vật cản (trong một phạm vi hữu hạn) v.v…

Vậy tải trọng của gió phụ thuộc rất nhiều vào hình dạng mặt bằng công trình Với cùng một vận tốc gió r khi thổi đến vật thể có hình dạng khác nhau thì hệ số khí động

khác nhau và diện tích bề mặt đón gió cũng khác nhau dẫn đến lực gió tác động vào các công trình có hình dạng khác nhau là khác nhau

1.2.4 Tải trọng ngang hướng gió đối với hình dạng mặt bằng

Với mặt bằng dạng đa giác, chữ L, chữ U, gió tạo phía sau công trình một dòng khí, tính chất của dòng khí này phụ thuộc vào độ nhớt của nó mà đặc trưng là trị số Reynolds (Re) Dòng xoáy tách ra ở phía sau công trình tạo lên lực ngang làm công trình dao động theo phương vuông góc với luồng gió Dưới tác dụng của tải trọng gió, công trình bị dao động theo cả 2 phương, dọc và ngang hướng gió Dao động ngang hướng gió thuộc hiện tượng tự dao động nếu tự dao động dẫn đến mất ổn định thì được gọi là mất ổn định khí động Có nhiều dạng mất ổn định khí động như: kích động xoáy, galoping, fluter…, các hiện tượng này có thể xảy ra khi luồng gió thổi tới là chảy tầng hay chảy rối

Tiêu chuẩn để đánh giá trạng thái mất ổn định ở đây là: nếu biên độ dao động tăng mãi theo thời gian thì gọi là mất ổn định Lực này gồm hai thành phần chính, đó là cưỡng bức do tách xoáy và thành phần cản khí động Thành phần cưỡng bức ảnh hưởng nhiều đến công trình dạng mặt bằng kể trên, khi không kể đến ảnh hưởng của xoắn thì mất ổn định trong trường hợp này gọi là kích động xoáy Thành phần cản khí động ảnh hưởng nhiều đến công trình dạng mặt bằng đa giác, chữ L, chữ U, khi không kể đến ảnh hưởng của xoắn thì mất ổn định khí động trong trường hợp này gọi là galoping Mất ổn định khí động dạng uốn, xoắn kết hợp do lực khí động gây ra gọi là mất ổn định dạng fluter 1.2.5 Thực trạng xác định tải trọng gió đối với các công trình có dạng mặt bằng đa giác, chữ L và chữ U tại Việt Nam

Cho đến nay tại Việt Nam tải trọng gió tác dụng lên công trình vẫn được các kỹ sư thiết kế xác định theo tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 và TCXD 229:1999 mà chưa có tiêu chuẩn mới thay thế Hệ thống các tiêu chuẩn này mới chỉ đưa ra chỉ dẫn tính toán tải trọng gió cho công trình có các dạng mặt bằng hình chữ nhật, hình vuông, hình trụ tròn…song chưa có chỉ dẫn hoặc chỉ dẫn chưa thực sự đầy đủ về xác định tải trọng gió cho các dạng mặt bằng phức tạp khác, cụ thể như mặt bằng dạng đa giác, chữ L, và chữ U v.v….Hơn nữa, các tài liệu chỉ dẫn tính toán cụ thể cho công trình có mặt bằng đa giác, chữ L, chữ

U hầu như không có nên có không ít kỹ sư lúng túng trong việc tính toán tải trọng gió cho công trình có mặt bằng đa giác, chữ L, chữ U

Qua tìm hiểu cách xác định tải trọng gió tác dụng lên công trình có các dạng mặt bằng kể trên, tác giả nhận thấy đa số các kỹ sư cũng như các đơn vị thiết kế đều sử dụng tiêu chuẩn Việt Nam để xác định tải trọng gió trong đó thông số hệ số khí động được xác định theo lý thuyết hệ số khí động với mặt đón gió và hút gió được đề cập trong tiêu chuẩn này Điều này gây ra không ít tranh cãi trong quá trình triển khai tính toán thiết kế, thẩm tra, thẩm định… cũng như kết quả thu được chưa thực sự đáng tin cậy do hệ số khí động tại các góc công trình không được kể đến

1.3 Giới thiệu một số tiêu chuẩn, phương pháp xác định tải trọng gió

1.3.1 Xác định tải trọng gió theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 2737:1995)

TCVN 2737 – 1995 [1] – Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế, là tiêu chuẩn thiết kế hiện hành của Việt Nam, chỉ dẫn cụ thể việc xác định tải trọng tác dụng lên công trình TCVN 2737 – 1995 [1] do Viện Khoa học kỹ thuật xây dựng - Bộ Xây dựng biên soạn, Vụ Khoa học Công nghệ - Bộ Xây dựng đề nghị, Bộ Xây dựng ban hành năm 1995 Nội dung tiêu chuẩn gồm 06 chương và phụ lục Trong đó phương pháp xác định tải trọng gió tác dụng lên công trình được chỉ dẫn tại cụ thể tại chương 6, với tải trọng gió tác dụng lên công trình gồm hai thành phần chính: Thành phần tĩnh và thành phần động Toàn bộ các đại lượng và trường hợp tính toán, quy trình tính toán được chỉ dẫn xác định theo các điều khoản được quy định cụ thể trong tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 [1]

1.3.2 Xác định tải trọng gió theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ (ASCE/SEI 7-2016)

ASCE - American Society of Civil Engineers, là hệ thống tiêu chuẩn hiện hành của

Hoa Kỳ chỉ dẫn về xác định tải trọng tác dụng lên công trình Cấu trúc tiêu chuẩn ASCE/SEI 7-16 [6] của Hoa Kỳ bao gồm 31 chương Trong đó tải trọng gió tác dụng lên công trình được chỉ dẫn chi tiết cụ thể từ chương 26 đến chương 31 với tải trọng gió thiết

kế được quy định đối với từng dạng kết cấu, công trình là khác nhau Cụ thể với kết cấu

và dạng công trình được chia ra làm 4 dạng chính như sau:

* Kết cấu cứng một phần và toàn phần, kết cấu mềm - 27.3.1 [8]

* Nhà với mái đơn, mái vòm, mái tự do - 27.3.2 [8]

* Phần mái nhô ra - 27.3.3 [8]

* Tường chắn - 27.3.5 [8]

Toàn bộ các đại lượng và trường hợp tính toán, quy trình tính toán được chỉ dẫn xác định theo các điều khoản được quy định cụ thể trong tiêu chuẩn ASCE/SEI 7-16 [8]

1.3.3 Xác định tải trọng gió theo tiêu chuẩn Trung Quốc GB 50009-2012

GB 50009-2012 [5] - Load code for the design of building structures (phiên bản tiếng Anh) là tiêu chuẩn hiện hành của Trung Quốc, chỉ dẫn cụ thể về việc xác định tải trọng tác dụng lên công trình Trong đó chỉ dẫn tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình được chỉ dẫn chi tiết tại chương 08 Theo đó tải trọng gió tác dụng lên công trình cũng được phân làm hai thành phần tĩnh và thành phần động

Toàn bộ các đại lượng và trường hợp tính toán, quy trình tính toán được chỉ dẫn xác định theo các điều khoản được quy định cụ thể trong tiêu chuẩn GB 50009-2012 [5]

1.3.4 Xác định tải trọng gió theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1991-1-4.2005

EN 1991-1-4.2005 [7] là một phần trong hệ thống các tiêu chuẩn chung được Ủy ban cộng đồng châu Âu ban hành nhằm mục đích sử dụng như là một tài liệu chung để tính toán thay thế cho các tiêu chuẩn riêng của từng quốc gia thành viên Nội dung của

EN 1991-1-4.2005 [7] là cung cấp các thông tin chỉ dẫn về việc tính toán tải trọng tác động do gió vào kết cấu công trình

Hệ thống tiêu chuẩn EN ngày nay đã được ứng dụng rộng rãi không chỉ trong phạm

vi các nước thành viên Ủy ban cộng đồng châu Âu mà còn được chuyển dịch vào áp dụng

ở nhiều nước thuộc châu Âu và các châu lục khác trên thế giới

Cấu trúc của EN 1991-1-4.2005 [7] được chia làm 08 chương và phụ lục Trong đó tải trọng gió tác dụng lên công trình được chỉ dẫn cụ thể từ chương 05 – chương 08 với phạm vi áp dụng của EN 1991-1-4.2005 [7] là áp dụng cho tính toán với các công trình

có chiều cao dưới 200m và với kết cấu cầu có nhịp không lớn hơn 200m

Toàn bộ các đại lượng và trường hợp tính toán, quy trình tính toán được chỉ dẫn xác định theo các điều khoản được quy định cụ thể trong tiêu chuẩn EN 1991-1-4.2005 [7] 1.3.5 Xác định tải trọng gió theo tiêu chuẩn Ấn Độ IS 875-3

IS – India Standards là hệ thống các tiêu chuẩn của Ấn Độ chỉ dẫn về tính toán kết cấu dành cho các công trình xây dựng được ban hành bởi cục Ấn Độ Trong đó phần thứ

3 với tên gọi IS 875-3 [6] “Code of practice for Design Loads (other than earthquake) for

Building sand Structures” là một phần của hệ thống tiêu chuẩn này chỉ dẫn cụ thể về việc xác định tải trọng gió tác dụng lên công trình Tiêu chuẩn IS 875-3 [6] được phát hành vào ngày 13/11/1987 cho đến nay vẫn là tài liệu chính thống chỉ dẫn tính toán xác định tải trọng gió tác dụng lên công trình tại Ấn Độ

Cấu trúc của IS 875-3 [6] gồm 09 chương và phụ lục Việc tính toán tải trọng gió theo tiêu chuẩn IS 875-3 [6] được chỉ dẫn xác định theo các điều khoản được quy định cụ thể trong tiêu chuẩn IS 875–3 [6]

1.3.6 Phương pháp xác định tải trọng gió bằng thí nghiệm ống thổi khíđộng

1.3.6.1 Giới thiệu thí nghiệm ống thổi khí động

Khi sử dụng các tiêu chuẩn của các quốc gia để tính toán xác định tải trọng gió còn một số điểm hạn chế nhất định như:

- Không hoặc khó xác định được ảnh hưởng của gió ngang;

- Không xác định được gia tốc trên đỉnh công trình do gió gây ra;

- Không xét đến ảnh hưởng của hướng gió tác dụng;

- Không xác định được hệ số khí động chính xác của bề mặt công trình hoặc không đầy đủ

Từ những hạn chế này mà phương pháp ống thổi khí động đã được sử dụng rất phổ biến trên thế giới để xác định tải trọng gió lên các kết cấu công trình Đặc biệt là các công trình hoặc kết cấu có hình dạng phức tạp và nhạy cảm với tải trọng gió (nhà cao tầng, hình dạng mặt bằng phức tạp, kết cấu mái phức tạp, kết cấu tháp rỗng….) Ngoài

ra phương pháp ống thổi khí động còn có các ưu điểm sau:

- Mô phỏng dòng gió tác dụng lên công trình (sự thay đổi vận tốc gió theo chiều cao, độ rối);

- Thay đổi được hướng gió tác dụng;

- Mô phỏng được địa hình xung quanh;

- Mô hình được mô phỏng với hình dạng của công trình;

- Xác định được sự phân bố hệ số khí động tác dụng lên các mặt của công trình;

- Xác định được phản ứng của công trình dưới tác dụng của gió (lực dọc theo hướng gió, lực ngang theo hướng gió, momen xoắn, gia tốc đỉnh) theo tất cả các hướng gió;

- Xác định ảnh hưởng của công trình đến vận tốc gió xung quanh công trình Thí

nghiệm ống thổi khí động cung cấp tải trọng gió thiết kế tối ưu so với tiêu chuẩn, và dẫn đến khả năng tiết kiệm chi phí cho tường bao, kết cấu các công trình lớn Thí nghiệm còn có khả năng xác định được tải trọng cục bộ dùng cho thiết kế cấu kiện chịu áp lực đẩy hoặc hút;

Ống thổi khí động bao gồm một ống tạo luồng chính (tùy theo phòng thí nghiệm, tùy theo loại công trình hay vật thể thí nghiệm thì ống này có kích thước tiết diện khác nhau), bên trong lắp đặt hệ thống quạt gió để tạo luồng khí, trên hướng đi của luồng gió

có thể có những bàn xoay (dùng để đặt các mô hình thí nghiệm), có thể đặt thêm các cục tạo nhám , các tấm chắn tạo độ rối, bên ngoài đặt các thiết bị ghi số liệu, thiết bị đo

áp lực, các hệ thống điện tử sử dụng các cảm biến điện trở, các tín hiệu từ cảm biến được chuyển tới các máy vi tính để ghi lại số liệu mà gió tác dụng vào các vật thí nghiệm Tùy theo cách tiếp cận mà ống khí động được chia thành một số loại:

- Theo cấu trúc: Ống khí động kín, ống khí động hở;

- Theo phương đặt ống: Ống theo phương đứng, ống theo phương ngang Cách phân loại Ống thổi khí động hở (Open circuit wind tunnel) và Ống thổi khí động kín (Closed circuit wind tunnel) được dùng nhiều trong các phòng thí nghiệm gió

1.3.6.2 Ống thổi khí động của Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng

Để xác định được tải trọng gió bằng thí nghiệm trong ống thổi khí động thì các luật

mô hình hóa quan trọng (tương tự về hình học, tương tự về môi trường gió (profile vận tốc gió và độ rối), tương tự động lực của dòng gió xung quanh công trình v.v) thực hiện, trong khi các thí nghiệm tương tự khác ở trong thí nghiệm này được tuân thủ

Thí nghiệm được thực hiện trong ống thổi khí động của Viện KHCN Xây dựng Đây là ống thổi khí động tại có dạng kín (Closed Circuit Wind Tunnel) theo phương đứng và có hai nhánh và có tổng chiều dài là 35,5 m, chiều cao là 9,1 m (xem Hình 1.14)

Kích thước tiết diện trong lòng ống thổi của nhánh dưới có kích thước 2m x 2 m với phần mở rộng có bố trí bàn xoay đường kính 4 m, kích thước tiết diện ống thổi nhánh trên chiều cao 2 m với chiều rộng rộng 8 m, tại vị trí bàn xoay có cửa kính lớn để quan sát Ống thổi này có hệ thống quạt gió công suất lớn gồm động cơ và bộ điều khiển để tạo ra luồng gió có vận tốc có thể thay đổi liên tục từ 0 đến 50m/s tại vị trí bàn xoay nhỏ

và từ 0 đến tối thiểu 12m/s ở vị trí bàn xoay lớn Trong ống thổi sử dụng các cục tạo

nhám bằng gỗ, thanh chắn, thanh spire để mô phỏng địa hình và tạo độ rối theo yêu của các công trình thí nghiệm

Ngoài các thiết bị trên hầm gió này còn được trang bị một thiết bị đo áp lực là hệ thống DPMS (Dynamic Pressure Measurement System) do công ty TFI sản xuất Thiết bị gồm 04 modul, mỗi modul có 64 kênh, tổng cộng 256 kênh Hệ thống này được nối trực tiếp vào máy tính, quá trình thu nhận số liệu được thực hiện hoàn toàn tự động theo các thông số đặt sẵn

Hình 1.18 Sơ đồ ống thổi khí động của Viện KHCN Xây dựng [14]

Ống thổi khí động có hệ thống động cơ tạo gió công suất lớn gồm 4 động cơ

và bộ điều khiển Ống thổi đi kèm với bàn tạo nhám bề mặt, hệ thống các loại đầu

đo, hệ thống máy tính nối mạng nội bộ, hệ thống thu thập và xử lý số liệu cùng các phần mềm chuyên dụng kèm theo

m Nhánh

trên 8 m

x 2 m

Đầu nắn dòng 2

Nhánh dưới 2 m

m

Khoang lắng

Ống thổi khí động được thiết kế dựa trên kinh nhiệm thiết kế của nhiều ống thổi khí động trên thế giới vì vậy đã tránh được một số nhược điểm của một số ống thổi khí động đang có trên thế giới

* Điều kiện trường gió

Dạng địa hình loại B (địa hình tương đối trống trải, có một số vật cản thưa thớt cao không quá 10m (vùng ngoại ô ít nhà, thị trấn, làng mạc, rừng thưa hoặc rừng non, vùng trồng cây thưa…)) của TCVN 2737:1995 là dạng địa hình chuẩn nên được chọn để tạo môi trường gió trong ống thổi khí động của các thí nghiệm của đề tài Các dạng địa hình loại A và C cũng được chọn để tạo môi trường gió trong ống thổi khí động nhưng chỉ để tham chiếu nên kết quả không đưa vào báo cáo này Điều kiện môi trường gió theo được

mô phỏng bằng các khối tạo nhám và thanh chắn được đặt trên sàn của ống thổi khí động (xem Hình 1.19 và Hình 1.20) Các thanh chắn được thay đổi độ vát để điều chỉnh profile vận tốc gió để đạt đến profile vận tốc gió của dạng địa hình loại B (TCVN 2737:1995) Chiều dài bố trí các khối tạo nhám và độ cao của khối tạo nhám sẽ được điều chỉnh để đến khi đạt được profile độ rối theo yêu cầu Profile vận tốc gió và profile độ rối theo tiêu chuẩn và theo thí nghiệm (dạng địa hình loại B của TCVN 2737:1995) được thể hiện ở Hình 1.21 dưới đây

Hình 1.19 Sơ đồ tạo môi trường gió [14]

Hình 1.20 Mô phỏng môi trường gió trong ống thổi khí động [14]

Hình 1.21 Profile vận tốc gió và profile độ rối theo tiêu chuẩn

và theo thí nghiệm (dạng địa B của TCVN 2737:1995) [14]

chắn

Khối tạo

độ nhám

Mô hình thí nghiệm

Hình 1.22 Hình ảnh ống thổi khí động và các thiết bị sử dụng trong ống thổi của

Viện Khoa học Công nghệ Xây Dựng [14]

Kết quả đo áp lực thu được bằng cách kết nối bộ chuyển đổi áp lực qua Scanivalve hiệu chỉnh và hệ thống ống Tải trọng gió thiết kế được ước tính bằng cách kết hợp các

hệ số đo áp lực với dữ liệu tốc độ gió theo hướng

Hình 1.23 Một số công trình ở Việt Nam đã tiến hành thí nghiệm trong

ống thổi khí động [14]

Ngoài ra thông qua thí nghiệm có thể xác định một cách tương đối chính xác hệ

số khí động tương ứng với các dạng mặt bằng công trình tương đối phức tạp như mặt bằng dạng đa giác, chữ L, chữ U, chữ T, chữ H… mà trong các tiêu chuẩn quốc gia về tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình còn chỉ dẫn hạn chế hoặc không đầy đủ

1.3.6.3 Thí nghiệm ống thổi khí động học xác định hệ số khí động của công trình có dạng mặt bằng hình chữ U, chữ L

* Lựa chọn tỷ lệ mô hình thí nghiệm

- Tỷ lệ kích thước mô hình thí nghiệm tuân theo phương trình 1:

WT

L FS

L L

V V

Trong đó:

+V : Tỷ lệ kích thước;

+V WT: Vận tốc gió trong ống thổi khí động (lấy theo điều kiện của ống thổi khí động

và khả năng của thiết bị);

+V : Vận tốc gió thực tế; FS

- Tỷ lệ thời gian lấy số liệu thí nghiệm trong ống thổi khí động tuân theo phương trình 3

L T V

m và chiều rộng B = 30 ÷ 60 m) đã được lựa chọn để tiến hành thí nghiệm Loại mô hình

và kích thước của các mô hình được lựa chọn dựa trên các khảo sát các mô hình nhà cao tầng phổ biến ở Việt Nam hiện nay và ý kiến thống nhất trong các buổi tọa đàm của nhóm

đề tài và các chuyên gia Các thông số về mô hình hóa như sau:

Loại mô hình: Mô hình cứng (mô hình đo áp lực)

Vật liệu: Mica

Các mô hình nhà được sử dụng phổ biến tại Việt Nam Sơ đồ các mô hình thí nghiệm và các mô hình thí nghiệm nhà cao tầng với các tiết diện hình chữ U, hình chữ L trong ống thổi khí động của Viện KHCN Xây dựng được thể hiện trong các hình dưới đây:

Hình 1.24 Mô hình thí nghiệm nhà cao

Hình 1.26 Mô hình thí nghiệm nhà cao tầng với tiết diện ngang hình chữ U trong

ống thổi khí động (nhìn phía trước) [14]