Tính toán tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng theo tiêu chuẩn Việt Nam, Singapore và Thái Lan

Vì vậy, tác giả chọn đề tài luận văn: “Tính toán tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng theo tiêu chuẩn Việt Nam, Singapore và Thái lan” làm nội dung để nghiên cứu.. Mục đích nghiên cứ

SINGAPORE VÀ THÁI LAN

Đại học Bách khoa vào ngày 12 tháng 10 năm 2019

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 Công trình DD & CN, Trường Đại học

Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Lý do lựa chọn đề tài

Việt Nam đang trong thời kỳ hội nhập thế giới, nền kinh tế

mở gắn liền với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nhu cầu phát triển nhà ở, khách sạn, chung cư…tăng cao Nhà cao tầng phát triển khắp các tỉnh, thành phố trong cả nước làm cho bộ mặt đô thị ngày càng đổi mới không ngừng Việc phát triển nhà cao tầng là một tất yếu hiện nay để đáp ứng nhu cầu nhà ở do dân số tăng cao, diện tích đất xây dựng thiếu trầm trọng và giá đất xây dựng tăng cao

Khi thiết kế nhà cao tầng bên cạnh việc thiết kế kiến trúc người kỹ sư cần lưu ý việc thiết kế kết cấu cho công trình, nó giữ vai trò quyết định đến khả năng chịu lực, bền vững và ổn định cho công trình Một trong những vấn đề mà người thiết kế cần quan tâm đó là việc xác định tải trọng ngang (tải trọng gió tĩnh + gió động, động đất)

là yếu tố quyết định đến nội lực và chuyển vị của công trình

Việc nghiên cứu một số tiêu chu n của một số nước Châu : Singapore, Thái Lan và và đưa ra chỉ dẫn tính toán chi tiết là rất cần thiết Nhưng đây là một vấn đề phức tạp, để hiểu và vận dụng cho đúng là rất khó không chỉ đối với các kỹ sư thiết kế mà còn đối với

cả các nhà khoa học nên cần có thời gian đầu tư nghiên cứu

Vì vậy, tác giả chọn đề tài luận văn: “Tính toán tải trọng

gió tác dụng lên nhà cao tầng theo tiêu chuẩn Việt Nam, Singapore và Thái lan” làm nội dung để nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu tính toán tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng theo các tiêu chu n Việt Nam, Singapore và Thái Lan

- So sánh kết quả tính toán tải trọng gió tác dụng vào một nhà cao tầng cụ thể

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu là: Tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng có chiều cao trên 40m

- Phạm vi nghiên cứu: Theo tiêu chu n của các nước Việt Nam, Singapore và Thái Lan

3 Phương pháp nghiên cứu

- Tìm hiểu các khái niệm về gió bão và nguyên nhân hình thành

- Nghiên cứu quy trình tính toán tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng theo các tiêu chu n: Việt Nam (TCVN 2737:1995 và TCXD 229:1999), Singapore (SS EN 1991-1-4:2009), Thái Lan (DPT 1311-50) Phân tích so sánh quan điểm tính toán và số liệu tính toán giữa các tiêu chu n

- p dụng tính toán tải trọng gió lên một công trình nhà cao tầng theo các tiêu chu n trên

4 Nội dung nghiên cứu

- Tìm hiểu các khái niệm về gió bão, nguyên nhân hình thành gió và các số liệu 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 chu n về tính toán tải trọng gió tác dụng vào công trình của một số nước trên thế giới

- Tìm hiểu các tiêu chu n: Singapore, Thái Lan và đưa ra quy trình toán toán tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng xây dựng

ở Việt Nam theo quan điểm của các tiêu chu n nêu trên với các bổ sung thay thế phù hợp với điều kiện khí hậu đặc thù của Việt Nam

- Ví dụ tính toán tải trọng gió tác dụng vào một nhà cao tầng

cụ thể theo các tiêu chu n nêu trên và so sánh kết quả tính toán

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Giúp cho người nghiên cứu, thiết kế có thể hệ thống một cách tường minh về lý thuyết tính toán khả năng chịu tải trọng gió (tải trọng tỉnh và động theo ngang nhà) theo các tiêu chu n

- Giúp cho người thiết kế có thể dễ dàng ứng dụng vào công tác tính toán, thiết kế kết cấu các công trình cao tầng chịu tải trọng gió theo một số tiêu chu n của Châu

6 Bố cục luận văn

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về gió

Chương 2: So sánh lý thuyết tính toán tải trọng gió lên nhà cao tầng theo tiêu chu n Việt Nam, Singapore và Thái Lan

Chương 3: Ví dụ tính toán

Kết luận và Kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIÓ 1.1 Tổng quan về gió

1.1.1 Khái niệm, nguyên nhân hình thành và phân loại

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 có nhiệt độ gia tăng, không khí nóng lên (hạ áp) và bị không khí lạnh (áp suất lớn) ở xung quanh dồn vào, đ y lên cao, tạo thành dòng thăng

Gió đặc trưng bởi hướng và vận tốc Vận tốc gió là vận tốc

di chuyển của dòng khí qua một điểm nhất định

1.1.2 Tần suất bão trên biển Đông

Bảng 1.1: Số bão và áp thấp nhiệt đới trên biển Đông từ 1928 đến

1.1.3 Hướng di chuyển và dạng đường đi của bão trên biển Đông

Nửa phía Nam biển Đông, bão di chuyển chủ yếu theo hướng Tây, đổ bộ vào khu vực Trung Trung Bộ hoặc Nam Trung Bộ; trong khi ở nửa phía Bắc, bão di chuyển chủ yếu theo hướng Tây Tây - Bắc đến Tây – Bắc đổ bộ vào bờ biển Bắc Trung Bộ, bờ biển Bắc Bộ

1.1.4 Mật độ bão và mùa bão ở Việt Nam

- Khu vực 1: Từ Quảng Ninh đến Thanh Hóa có trị số mật độ

bão và áp thấp nhiệt đới trung bình là 0.97

- Khu vực 2: Từ Nghệ An đến Quảng Bình có mật độ bão và

áp thấp nhiệt đới trung bình là 0.57

- Khu vực 3: Từ Quảng Trị đến Ninh Thuận có mật độ bão

và áp thấp nhiệt đới trung bình là 0.40

- Khu vực 4: Từ Bình Thuận vào Nam Bộ có mật độ bão và

áp thấp nhiệt đới trung bình là 0.07

1.1.5 Tính chất, đặc điểm của gió

Thời điểm xuất hiện và tốc độ gió là không tuân theo quy luật, gió có thể xuất 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

Dưới tác dụng của tải trọng gió, các công trình cao, mềm, độ

thanh mảnh lớn sẽ có dao động Tác dụng của gió lên công trình bị chi phối chủ yếu bởi vận tốc và hướng thổi của nó Các thông số này

có thể chia làm 3 nhóm chính sau đây:

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

trọng

- Nhóm các thông số đặc trưng cho địa hình

- Nhóm thông số đặc trưng của bản thân công trình

1.2.2 Các biện pháp giảm thiểu tác động của gió vào công trình [4]

1.2.2.1 Các giải pháp quy hoạch

1.3.4 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 chu n “Tải trọng và tác động” của các nước trên thế giới còn rất hạn chế, đặc biệt là chỉ dẫn về tính toán tải trọng do gió Hệ thống tiêu chu n EUROCODE đang được Bộ Xây dựng chủ trương nghiên cứu để áp dụng vào Việt Nam Các tiêu chu n của một số nước khu vực ASEAN mà đặc biệt là tiêu chu n: Tiêu chu n DPT Standard 1311-50 (viết tắt DPT 1311-50) và tiêu chu n SS EN 1991-1-4:2009-Eurocode 1 (viết tắt SS EN 1991-1-4) chưa được nghiên cứu để áp dụng tính toán vào công trình nhà nhiều tầng ở Việt Nam

1.4 Thí nghiệm ống thổi khí động (Wind tunnel test)

2.1.1 Tiêu chuẩn Việt Nam [1]

Việt Nam đang áp dụng tiêu chu n TCVN 2737:1995 Tải

trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế (viết tắt TCVN 2737:1995)

2.1.1.1 Thành phần tĩnh

Hình 2.1: Bản đồ phân vùng áp lực gió lãnh thổ Việt Nam 2.1.1.2 Thành phần động

2.1.2 Tiêu chuẩn DPT 1311-50

2.1.2.1 Phương pháp đơn giản

2.1.2.2 Phương pháp chi tiết

2.1.2.3 Phương pháp thí nghiệm hầm gió

2.1.2.4 Tính toán tải trọng gió cho phương pháp đơn giản

và phương pháp chi tiết

p = Iw.q.Ce.Cg.Cp (2.9)

 Tính toán áp lực từ vận tốc gió:

p lực gió tiêu chu n q(kg/m2) đƣợc tính từ vận tốc gió tiêu chu n (hoặc tính toán) V:

1 2

Vùng 2 Phần dưới của khu vực miền Bắc và

khu vực biên giới Đông Tây 27 1,0 Vùng 3 Trên một phần của khu vực phía Bắc 29 1,0 Vùng 4A Bờ biển phía đông của bán đảo Nam 25 1,2 Vùng 5A Tỉnh Phetchaburi và bờ biển phía Tây

 Hệ số độ cao và địa hình:

+ Phương pháp đơn giản:

+ Phương pháp chi tiết:

Hệ số động Cg:

+ Phương pháp đơn giản:

+ Phương pháp chi tiết:

Hệ số khí động:

Đối với các tòa nhà hình chữ nhật, các hệ số khí động của

gió đ y và gió hút tương ứng là 0,8 và -0,5, như thể hiện trong hình

2.3

Hình 2.3: Hệ số áp lực bên ngoài, C p và C * p cho các công trình mái

bằng có chiều cao lớn hơn chiều rộng

Giới hạn chuyển vị ngang:

Giới hạn chuyển vị ngang tối đa là 1/500 chiều cao nhà cao tầng với hệ số độ quan trọng là 0,75 ở trạng thái giới hạn về sử dụng

2.1.3.1 Giá trị vận tốc gió cơ bản

vb = Cdir.Cseason.vb.o (2.19) Vận tốc gió trung bình trong 10 phút với xác suất  vƣợt hằng năm đƣợc xác định bằng cách nhân vb với hệ số xác suất cprob

1 ln ln 1

1 ln ln 0, 98

n prob

K c

1 Mái của kết cấu cao nhất tới 25m gần bờ biển

(trong phạm vi 2km từ biển), ví dụ nhà chứa máy

- Tính toán lực bằng từ các giá trị áp lực, xem (3)

(2) Tải trọng gió tác dụng vào kết cấu hoặc bộ phận của kết cấu khi sử dụng các hệ số lực:

Fw = Cs.Cd Cf.qp(ze).Aref (2.32)

Hoặc trên cơ sở tổng hợp các lực thành phần:

Fw,e, Fw,i và Ffr tính từ áp lực bên ngoài và bên trong:

- Lực bên ngoài:Fw,e = Cs.Cd

e surfaces

W Aref (2.34)

- Lực bên trong:Fw,i=Cs.Cd

i surfaces

1, 065 0, 698

1, 525

v v

chu kỳ lặp 20 năm theo biểu thức sau:

v (50y, 600) = 0.698 1, 2.v (20y,3) (2.39)

Bảng 2.6: Giá trị vận tốc gió cơ bản v b tương ứng với các vùng áp

lực gió trên lãnh thổ Việt Nam

Dạng của profile vận tốc gió

Hệ số m của biểu đồ profile vận tốc gió α

Chiều dài độ nhám Z 0 (m)

TCVN 2737:1995 3 Luật lũy thừa

đáng kể (Z 0 =0,01m)

C

Độ nhám bề mặt thuộc loại C

(Z =0,05m)

D

Độ nhám bề mặt thuộc loại D

TCVN 2737:1995 SS EN 1991-1-4 DPT 1311-50

III

Khu vực được bao bọc bởi các thảm thực vật hoặc công trình với khoảng cách

u * -vận tốc ma sát

Z0-chiều dài độ nhám bề mặt

z-chiều cao trên mặt đất

Hàm số mũ

( ) ( ) (

) -vận tốc gió cơ bản trung bình;

E- hệ số ảnh hưởng theo

độ cao của vận tốc gió;

- các hằng số phụ thuộc vào dạng địa hình Bảng 2.9: Các nhóm phân dạng địa hình

TCVN 2737:1995

A Thoáng H<1,5m

B 1,5<H<10 m

C H>10 m Dạng địa hình:

DPT 1311-50

D Thoáng, mở, bờ biển

C Nông thôn, thoáng H<9,1 m

B Thành thị Dạng địa hình: SS

II Cách ly

<20 h

III Cách ly

<20 h

IV Che chắn, H>15 m

2.3.2 Vận tốc gió cơ sở

Tiêu chuẩn TCVN 2737-1995 quy định: Vận tốc gió cở sở

V0 là vận tốc trung bình trong khoảng th i gian 3 giây bị vượt 1 lần

trong vòng 20 năm, ở độ cao 10 m so với mốc chu n

Tiêu chuẩn DPT 1311-50 quy định: Vận tốc gió cở sở V0 là

vận tốc gió trung binh trong khoảng th i gian 3 giây bị vượt 1 lần trong vòng 50 năm, ở độ cao 10 m so với mốc chu n

Tiêu chuẩn SS EN 1991-1-4:2009 quy định: Vận tốc gió

cơ sở V0 là vận tốc gió trung bình trong khoảng th i gian 10 phút

không phân biệt hướng gió và thời gian của năm với xác xuất vượt

một lần trong vòng 50 năm ở độ cao 10

Bảng 2.10: Thông số xác định vận tốc gió cơ sở theo các tiêu chuẩn

Tiêu chuẩn

Thời gian trung bình cho vận tốc gió cơ bản (s)

Chiều cao tham chiếu (m)

Chu kỳ lặp (năm)

Địa hình chuẩn

 Quy đổi vận tốc gió trung bình từ tiêu chuẩn Việt Nam

sang tiêu chuẩn Singapore và Thái Lan

Bảng 2.13: Hệ số chuyển đổi gió 3s từ chu kỳ 20 năm

Chu kỳ lặp (năm) 5 10 20 30 40 50 100

Hế số chuyển đổi áp lực gió 0,74 0,87 1 1,1 1,16 1,2 1,37

Hệ số chuyển đổi vận tốc gió 0,86 0,93 1,00 1,05 1,08 1,10 1,17

 Quy đổi vận tốc gió trung bình theo TCVN 2737:1995

ra SS EN 1991-1-4:

Quy đổi vận tốc gió trung bình trong 10 phút sang vận tốc

gió trung bình trong 3 giây đƣợc tra theo đồ thị Hình 2.6

(2.40)

Quy đổi vận tốc gió với chu kỳ lặp 20 năm sang vận tốc gió

chu kỳ với chu kỳ lặp 50 năm

(2.41)

Vận tốc gió tính trung bình trong thời gian 10 phút với chu

kỳ lặp 50 năm đƣợc liên hệ với vận tốc gió trung bình trong 3 giây với chu kỳ lặp 20 năm theo biểu thức

( ) ( ) (2.42)

Bảng 2.14: Giá trị vận tốc gió cơ bản, áp lực gió quy đổi từ TCVN

2737:1995 sang SS EN 1991-1-4, DPT 1311-50

( Xác đính áp lực gió SS EN 1991-1-4 theo công thức (2.26)

IA IB IIA IIB IIIA IIIB Vận tốc

(m/s)

TCVN 2737:1995 29,95 32,56 36,8 39,37 42,36 45,16 50,28 54,94

SS EN 1991-1-4 23,00 25,00 28,26 30,23 32,52 34,67 38,60 42,18 DPT 1311-50 32,95 35,82 40,48 43,31 46,6 49,68 55,31 60,43

IA IB IIA IIB IIIA IIIB

qp (daN/m2) TCVN 2737:1995 55 65 83 55 110 125 155 185

SS EN 1991-1-4 33,06 39,06 49,91 57,12 66,1 75,13 93,12 111,2

 So sánh vận tốc gió:

 So sánh áp lực gió theo độ cao:

 So sánh hệ số thay đổi vận tốc gió, áp lực gió theo độ

cao và dạng địa hình:

2.3.3 Thành phần tải trọng gió

Theo TCVN 2737:1995, tính toán thảnh phần tải trọng gió tác dụng lên công trình đƣợc chia thành 2 thành phần gió tĩnh và gió động, công thức xác định độc lập nhau

Theo tiêu chu n EN 1991-1-4 và DPT 1311-50 cũng chia tác động của gió thành hai thành phần tĩnh và động nhưng ảnh hưởng của thành phần động được xác định cùng vói thành phần tĩnh bằng cách đưa vào công thức tính toán hệ số ảnh hưởng động phụ thuộc vào dạng địa hình và đặc trưng phản ứng động của kết cấu

2.3.4 Hạn chế của tiêu chuẩn TCVN 2737:1995

Theo TCVN 2737-1995, hệ số động lực ξ xác định bằng đồ thị phụ thuộc thông số và độ giảm loga  của dao động Tuy nhiên trên đồ thị này thì giá trị lớn nhất của thông số ε = 0,2 Do vậy với các công trình mềm hoặc công trình thiết kế tại vùng có áp lực gió cơ bản lớn thì thông số ε sẽ vượt qua giá trị giới hạn Trong trường hợp này sẽ khó các định thành phần động của tải trọng gió tác dụng lên công trình theo TCVN 2737-1995

Tiêu chu n Việt Nam TCVN 2737-1995 không có chỉ dẫn tính toán để xác định áp lực gió lên công trình trên sườn đồi, núi Duy nhất có công trình trên nền đất cao được quan tâm Nhưng theo tiêu chu n DPT 1311-50 đã đưa ra các chỉ dẫn rất chi tiết kể đến hiệu ứng gia tăng vận tốc gió của các điều kiện địa hình như đồi, rặng núi

và nền đất cao

CHƯƠNG 3

VÍ DỤ TÍNH TOÁN 3.1 Giới thiệu công trình tính toán

Giả định công trình được xây dựng tại TP Hà Nội Công trình gồm 18 tầng, chiều cao tầng trệt và tầng 18 là 4,5m; chiều cao các tầng còn lại 3,3m; Mặt bằng công trình dạng hình vuông có kích thước là 30 x 30 (m) Tổng chiều cao công trình tính từ mặt đất là: 61,8m

Địa điểm xây dựng công trình có các đặc điểm sau: Vùng áp lực gió II.B, vận tốc gió cơ bản:

2

0 3s,20y

0 3s,20y

10p,50y 10p,50y

DPT 1311-50: Địa hình dạng B

SS EN 1991-1-4: Địa hình dạng II

Hình 3.1: Mặt bằng kết cấu điển hình

Hình 3.2: Mô hình Etabs 3D của công trình – ví dụ 3.2

3.1.1 Các thông số kết cấu của công trình

Tầng Diaphragm MassX MassY XCM YCM

 Khai báo các đặc trưng của công trình trong chương trình:

Tổ hợp khối lượng tham gia tính toán dao động: