Tính toán tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng theo tiêu chuẩn việt nam singapore và thái lan

TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ TÁC DỤNG LÊN NHÀ CAO TẦNG THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM, SINGAPORE VÀ THÁI LAN Học viên: Nguyễn Phước Bình Chuyên ngành: Kỹ thuật XDCT DD&CN Mã số: 60 58 02 08, Khó

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

NGUYỄN PHƯỚC BÌNH

TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ TÁC DỤNG LÊN NHÀ CAO TẦNG THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM,

SINGAPORE VÀ THÁI LAN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng – Năm 2019

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

NGUYỄN PHƯỚC BÌNH

TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ TÁC DỤNG LÊN NHÀ CAO TẦNG THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM,

SINGAPORE VÀ THÁI LAN

Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng Công trình DD&CN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN ANH THIỆN

Đà Nẵng – Năm 2019

TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ TÁC DỤNG LÊN NHÀ CAO TẦNG THEO

TIÊU CHUẨN VIỆT NAM, SINGAPORE VÀ THÁI LAN

Học viên: Nguyễn Phước Bình Chuyên ngành: Kỹ thuật XDCT DD&CN

Mã số: 60 58 02 08, Khóa: K32.XDD Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt – 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 làm tăng nhu cầu phát triển nhà ở, khách sạn, chung cư… Nhà cao tầng được xây dựng ngày càng nhiều khắp các tỉnh, thành phố trong cả nước Việc nghiên cứu một số tiêu chu n của một số nước châu Á như Singapore, Thái Lan, Việt Nam và đưa ra chỉ dẫn tính toán chi tiết

là rất cần thiết Nghiên cứu này nhằm làm sáng tỏ vấn đề vận dụng các tiêu chu n tính toán tải trọng gió của Singapore, Việt Nam và Thái Lan để tính toán tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng với các điều kiện tự nhiên đặc thù của Việt Nam và đưa ra một số hạn chế của tiêu chu n Việt Nam TCVN

2737:1995 trong áp dụng tính toán gió động vào công trình nhà cao tầng

Từ khóa – Tải trọng gió, vận tộc gió, dạng địa hình, thành phần tĩnh, thành phần động

ACCORDING TO VIETNAM, SINGAPORE AND THAILAND STANDARDS

Abstract - Vietnam is in the period of world integration; open economy associated with the

development of science and technology lead to the increase in the demand for housing, hotel and apartment High-rise buildings become more and more popular throughout the country Investigation

on wind load standards of Asian countries such as Singapore, Thailand, Vietnam is very necessary This study aims to elucidate the standards of Singapore, Thailand, Vietnam to calculate the wind load acting on tall buildings with specific natural conditions of Vietnam and present the limitations of Vietnam standard TCVN 2737-1995 in determining wind load on high-rise buildings

Key words - Wind load, wind velocity, terrain type, static component, dynamic component,

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do lựa chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 1

5 Nội dung nghiên cứu 2

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

7 Bố cục luận văn 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIÓ 3

1.1 Tổng quan về gió 3

1.1.1 Khái niệm, nguyên nhân hình thành và phân loại 3

1.1.2 Tần suất bão trên biển Đông 5

1.1.3 Hướng di chuyển và dạng đường đi của bão trên biển Đông 5

1.1.4 Mật độ bão và mùa bão ở Việt Nam 6

1.1.5 Tính chất, đặc điểm của gió 6

1.2 Tác động của gió vào công trình và các biện pháp giảm thiểu 7

1.2.1 Tác động của gió vào công trình 7

1.2.2 Các biện pháp giảm thiểu tác động của gió vào công trình [4] 8

1.3 Mô hình hoá các tác động của gió 11

1.3.1 Đặc trưng tác động của gió 11

1.3.2 Giá trị đặc trưng 11

1.3.3 Các mô hình 12

1.3.4 Các đề tài đã nghiên cứu ứng dụng tiêu chu n vào Việt Nam 12

1.4 Thí nghiệm ống thổi khí động (Wind tunnel test) 12

CHƯƠNG 2 SO SÁNH LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ LÊN NHÀ CAO TẦNG THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM, SINGAPORE VÀ THÁI LAN 15

2.1 Một số tiêu chu n về tính toán tải trọng gió 15

2.1.1 Tiêu chu n Việt Nam [1] 15

2.1.2 Tiêu chu n DPT 1311-50 18

2.1.3 Tiêu chu n SS EN 1991-1-4 26

2.2 Tác động của gió 28

2.2.1 Áp lực gió lên bề mặt công trình 28

2.2.2 Tải trọng gió 29

2.2.3 Vận tốc và áp lực gió 30

2.3 Tổng hợp so sánh giữa các tiêu chu n tính toán tải trọng gió 32

2.3.1 Dạng địa hình 32

2.3.2 Vận tốc gió cơ sở 35

2.3.3 Thành phần tải trọng gió 39

2.3.4 Hạn chế của tiêu chu n TCVN 2737:1995 40

CHƯƠNG 3 VÍ DỤ TÍNH TOÁN 41

3.1 Giới thiệu công trình tính toán 41

3.1.1 Các thông số kết cấu của công trình 42

3.2 Tính toán tải trọng gió tác dụng vào công trình theo tiêu chu n TCVN 2737:1995 44

3.2.1 Xác định vận tốc gió cơ bản 44

3.2.2 Xác định vận tốc gió theo chiều cao 44

3.2.3 Xác định áp lực gió theo độ cao 44

3.2.4 Xác định giá trị tiêu chu n thành phần tĩnh của áp lực gió tác dụng lên công trình 45

3.2.5 Xác định thành phần động của tải trọng gió tác dụng lên công trình 45

3.3 Tính toán tải trọng gió tác dụng vào công trình theo SS EN 1991-1-4 48

3.3.1 Xác định vận tốc gió cơ bản 48

3.3.2 Xác định hệ số vận tốc gió trung bình theo độ cao và dạng địa hình 48

3.3.3 Xác định hệ số áp lực theo độ cao 49

3.3.4 Xác định hệ số Cf 50

3.3.5 Xác định hệ số kết cấu Cs và Cd 50

3.4 Tính toán tải trọng gió tác dụng vào công trình theo tiêu chu n DPT 1311-50 53

3.4.1 Xác định vận tốc gió cơ bản 53

3.4.2 Xác định hệ số độ quan trọng đối với tải trọng gió Iw 53

3.4.3 Xác định áp lực gió từ vận tốc gió 54

3.4.4 Xác định hệ số độ cao và địa hình Ce 54

3.4.5 Xác định hệ số động Cg 54

3.4.6 Xác định hệ số khí động Cp 54

3.5 So sánh kết quả tính toán 55

3.5.1 So sánh tải trọng gió tác dụng lên công trình tính theo TCVN 2737-1995,

SS EN 1991-1-4 và DPT 1311-50 55

3.5.2 So sánh chuyển vị ngang của công trình do tác động của gió 58

3.6 Nhận xét đánh giá 61

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Số bão và áp thấp nhiệt đới trên biển Đông từ 1928 đến 1980 5

Bảng 2.1: Áp lực gió theo bản đồ phân vùng áp lực gió lãnh thổ Việt Nam 15

Bảng 2.2: Hệ số độ quan trọng 19

Bảng 2.3: Vận tốc gió tiêu chu n và hệ số gió bão 21

Bảng 2.4: Loại địa hình và các thông số địa hình 28

Bảng 2.5: Giá trị vận tốc gió tính trung bình trong 3 giây với chu kỳ lặp 20 năm theo bản đồ phân vùng áp lực gió trên lãnh thổ Việt Nam 30

Bảng 2.6: Giá trị vận tốc gió cơ bản vb tương ứng với các vùng áp lực gió trên lãnh thổ Việt Nam 31

Bảng 2.7: Thông tin về phân loại dạng địa hình theo các tiêu chu n khác nhau 32

Bảng 2.8: So sánh phân loại địa hình theo 3 tiêu chu n 32

Bảng 2.9: Các nhóm phân dạng địa hình 35

Bảng 2.10: Thông số xác định vận tốc gió cơ sở theo các tiêu chu n 36

Bảng 2.11: Áp lực gió tiêu chu n (W(20y,3’’,B) ứng với các vùng áp lực gió 37

Bảng 2.12: Vận tốc gió tiêu chu n (v(20y,3’’,B) ứng với các vùng áp lực gió 37

Bảng 2.13: Hệ số chuyển đổi gió 3s từ chu kỳ 20 năm sang các chu kỳ khác 38

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 38

Bảng 3.1: Diaphragm 43

Bảng 3.2: Các dạng dao động 44

Bảng 3.3: Tải trọng gió – TCVN 2737:1995; Phương X (Y) 45

Bảng 3.4: Tải trọng gió – TCVN 2737:1995; Phương X (Y) 48

Bảng 3.5: Tải trọng gió - SS EN 1991-1-4, phương Y 53

Bảng 3.6: Tải trọng gió - DPT 1311-50; Phương X(Y) 54

Bảng 3.7: So sánh tải trọng gió theo TCVN 2737-1995; SS EN 1991-1-4 - Phương Y và DPT 1311-50 55

Bảng 3.8: So sánh Chuyển vị ngang do tải trọng gió tính theo TCVN 2737-1995; SS EN 1991-1-4 - Phương Y và DPT 1311-50 58

DANH MỤC CÁC HÌNH

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

gió [4] 8

Hình 1.2: Trồng cây và rào giậu để giảm bớt tốc độ gió [4] 8

Hình 1.3: Hình dáng công trình đơn giản để bớt cản gió [4] 9

Hình 1.4: Mái nghiêng 30o – 45o để giảm bớt tốc mái do áp lực âm [4] 9

Hình 1.5: Kích thước các lỗ cửa ở các tường đối diện xấp xỉ bằng nhau [4] 10

Hình 1.6: Đảm bảo cánh cửa đóng vừa lỗ cửa [4] 10

Hình 2.1: Bản đồ phân vùng áp lực gió lãnh thổ Việt Nam 16

Hình 2.2: Phân vùng vận tốc gió tiêu chu n Thái Lan 20

Hình 2.3: Hệ số áp lực bên ngoài, Cp và C*p cho các công trình mái bằng có chiều cao lớn hơn chiều rộng 25

Hình 2.4: Áp lực gió trên bề mặt 29

Hình 2.5: Đồ thị chuyển vận tốc trung bình trong các khoảng thời gian 31

Hình 2.6: Đồ thị chuyển vận tốc trung bình trong các khoảng thời 37

Hình 3.1: Mặt bằng kết cấu điển hình 41

Hình 3.2: Mô hình Etabs 3D của công trình – ví dụ 3.2 42

Hình 3.3: Biểu đồ giá trị tiêu chu n tải trọng gió tính theo TCVN 2737-1995 56

Hình 3.4: Biểu đồ giá trị tiêu chu n tải trọng gió tính theo SS EN 1991-1-4 57

Hình 3.5: Biểu đồ giá trị tiêu chu n tải trọng gió tính theo DPT 1311-50 57

Hình 3.6: Biểu đồ so sánh giá trị tiêu chu n tải trọng gió tính theo TCVN 2737-1995, SS EN 1991-1-4 và DPT 1311-50 58

Hình 3.7: Biểu đồ giá trị chuyển vị ngang theo TCVN 2737-1995 59

Hình 3.10: Biểu đồ so sánh giá trị chuyển vị ngang theo TCVN 2737-1995, SS EN 1991-1-4 và DPT 1311-50 61

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 Á: 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 Hướng nghiên cứu này nhằm làm sáng tỏ vấn đề vận dụng các tiêu chu n: Singapore, Việt Nam và Thái Lan để tính toán tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng với các điều kiện tự nhiên đặc thù của Việt Nam

2 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

3 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

4 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

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

5 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

6 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 Á

7 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 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 bị 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

Bão là một xoáy khí có đường kính lớn (tới vài trăm km) Nguyên nhân hình thành bão là do trên các đại dương nhiệt đới, ở vùng gần xích đạo, mặt biển bị đốt nóng (trên 170), nước bốc hơi mạnh và tạo thành vùng khí áp rất thấp, không khí lạnh hơn ở xung quanh lùa tới, bị đốt nóng và bay lên Quá trình này tiếp diễn liên tục, hơi nước bốc lên cao, gặp lạnh và ngưng tụ lại, nhiệt lượng toả ra do ngưng hơi rất lớn, lại làm cho hơi nước bốc lên mạnh hơn Đó là tiềm năng nuôi dưỡng và phát triển bão Khối khí lạnh từ bán cầu tràn về phía xích đạo, trái đất lại đang quay quanh trục của

nó Điều này làm cho dòng khí xoáy mãnh liệt hơn, và cơn bão được hình thành Trong quá trình phát triển chu kì của mỗi cơn bão được phân chia thành các giai đoạn như sau:

- Nhiễu động nhiệt đới: Giai đoạn hình thành, khi khí hậu không ổn định và

nhiễu loạn

- Xoáy tụ nhiệt đới: Bắt đầu một chuyển động khép kín qua các đại dương

(ngược chiều kim đồng hồ ở Bắc bán cầu và cùng chiều kim đồng hồ ở Nam bán cầu) Năng lượng của nó được thu từ hơi nước biển ấm có nhiệt độ cao hơn 170

- Bão lớn (cuồng phong): Là bão nhiệt đới rất mạnh, với vận tốc gió trung bình

lớn hơn 33m/s, trong đó có những cơn gió mạnh vận tốc còn lớn hơn nhiều

- Giai đoạn bão tan: Khi vận tốc gió giảm, đồng thời với việc gia tăng áp lực

khí quyển

Lốc là một hiện tượng khí tượng đặc biệt Một vùng khí quyển hẹp có áp suất đột ngột giảm, nảy sinh sự đối lưu của các dòng khí ở các vùng xung quanh, tạo nên dòng xoáy có đường kính từ vài chục mét đến vài km, di chuyển ngang trong khoảng vài chục ki-lô-mét Sức gió ở vùng xa tâm thì nhỏ nhưng càng vào trong xoáy càng mạnh lên, ở giữa thì hình thành một cái lõi (vòi rồng) Lốc thường xuất hiện bất ngờ,

có thể ở bất kỳ nơi nào (đồng bằng, trung du, miền núi) chứ không nhất thiết là ở biển như bão, nhưng vận tốc gió thì rất mạnh và đột ngột lên tới 70 đến 80m/s (252 đến 288km/h) Với sức mạnh như vậy, lốc như một vòi rồng hút theo mọi thứ mà nó gặp trên đường đi: đất, nước, vật liệu, xe cộ, người, mọi đồ vật… Trừ các công trình được xây dựng đặc biệt, nói chung các công trình xây dựng thông thường không chịu được lốc

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

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

lý

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/h

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

Do sự vận động tự quay của trái đất, gió Tín Phong và gió Tây Ôn Đới không thổi thẳng theo hướng kinh tuyến mà hơi lệch về phía tay phải ở nửa cầu Bắc và về phía tay trái ở nửa cầu Nam (nếu nhìn xuôi theo chiều gió thổi) theo Lực Coriolis Tín Phong và gió Tây Ôn Đới tạo thành hai hoàn lưu khí quyển quan trọng nhất trên bề mặt Trái Đất Gió có nhiều cường độ khác nhau, từ mạnh đến yếu Nó có thể có vận tốc từ trên 1km/h cho đến gió trong tâm các cơn bão có vận tốc khoảng 300km/h

Việt Nam nằm trong khu vực Đông Nam Á Trải dài trên 15 vĩ tuyến của vành đai nhiệt đới bán cầu Bắc Bờ biển Việt Nam tiếp cận biển Đông, một bộ phận của ổ bão Tây Bắc Thái Bình Dương Khi mới về bão và áp thấp nhiệt đới ảnh hưởng đến

Việt Nam, trước hết phải nói đến những hoạt động của chúng trên biển Đông

1.1.2 Tần suất bão trên biển Đông

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

4 cơn bão (1969)

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

từ Thái Bình Dương di chuyển vào

Bảng 1.1: Số bão và áp thấp nhiệt đới trên biển Đông từ 1928 đến 1980

Nếu quy định mùa bão gồm những tháng có số bão trung bình đạt từ 8% số bão trung bình hàng năm trở lên thì mùa bão ở biển Đông diễn ra từ tháng 7 đến tháng 11, nghĩa là muộn hơn mùa bão Tây Bắc Thái Bình Dương

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

Hướng di chuyển trung bình của bão trên biển Đông tương đối đơn giản: ở nửa phía Nam biển Đông, bão di chuyển chủ yếu theo hướng Tây, đổ bộ 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 Một chi tiết đáng quan tâm là hướng bão trung bình ở khu vực phía Nam đảo Hải Nam hơi lệch trái so với các điểm xung quanh

1.1.4 Mật độ bão và mùa bão ở Việt Nam

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

- 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, trong đó Hải Phòng có mật độ rất cao (1.70), ngược lại Thái Bình có mật độ rất thấp (0.30)

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

trung bình là 0.57, chỉ kém khu vực 1 trong đó Hà Tĩnh thấp nhất (0.40), Quảng Bình cao nhất (0.72)

- Khu vực 3: Từ Quảng Trị đến Ninh Thuận có mật độ bão và áp thấp nhiệt đới

trung bình là 0.40, thấp hơn các khu vực phía Bắc, trong đó Khánh Hòa thấp nhất (0.30), Ninh Thuận cao nhất (0.67)

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

trung bình là 0.07, thấp nhất trong cả nước

Mùa bão ở Việt Nam là từ tháng 6 đến tháng 11 Khu vực 1 có mùa bão từ tháng 6 đến tháng 9, bão nhiều nhất là trong tháng 8 Khu vực 2 có mùa bão từ tháng 7 đến tháng 10, bão nhiều nhất là trong tháng 10 Khu vực 3 có mùa bão diễn ra phức tạp: từ tháng 3 đến tháng 6 có bão lác đác, sang tháng 7, tháng 8 ít hẳn đi và đến tháng

10, tháng 11 bão nhiều lên và kéo dài cho đến tháng 12 Khu vực 4, bão và áp thấp nhiệt đới chủ yếu xảy ra trong hai tháng 10 và 11

1.1.5 Tính chất, đặc điểm của gió

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

Gió có thể di chuyển rất nhẹ nhàng ở mức khó có thể cảm nhận được hoặc nó

có thể thổi quá mạnh và nhanh chóng Tốc độ đi và phạm vi ảnh hưởng của gió là không đồng nhất giữa các khu vực, nó phụ thuộc vào vị trí địa lý và điều kiện địa hình

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

- Gió tác động đến sự vận động của biển như: Hiện tượng tạo sóng (sóng là một

trong sự vận động của biển)

- Một số loài cây cũng phát tán quả và hạt nhờ gió như: Hoa bồ công anh, hạt

trâm bầu

Gió thường có lợi cho con người Nó có thể làm quay các cánh quạt của các cối xay gió giúp chúng ta tạo ra nguồn điện, đ y thuyền buồm, thả diều… Nó là một trong những nguồn năng lượng sạch Nhưng đôi khi gió lại có hại cho đời sống của con

người Đó là trong các cơn bão, gió có vận tốc cao dễ làm ngã đổ cây cối, cột đèn, làm tốc mái nhà… gây thiệt hại nghiêm trọng đối với cơ sở vật chất, sức khỏe và tính mạng của con người

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

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

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

ở phía sau công trình, phía khuất gió và ở bên hông (mặt bên) công trình xuất hiện áp lực âm do gió hút

Trạng thái biến đổi của dòng thổi qua công trình phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ các kích thước của các mặt để tạo thành hình khối, vào thể loại và trạng thái bề mặt công trình Trạng thái dòng thổi còn phụ thuộc vị trí tương đối của 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 Tuỳ 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: Phương dọc và phương ngang luồng gió, trong đó dao động theo phương dọc luồng gió là chủ yếu Với các công trình thấp, dao động này là không đáng kể; Nhưng với các công trình cao 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 Vì vậy mọi tham số làm biến đổi hai yếu tố này sẽ làm ảnh hưởng đến trị số và hướng của tác dụng 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: Vận tốc, độ

cao, xung áp lực động

- Nhóm các thông số đặc trưng cho địa hình: Độ nhám môi trường mà gió đi

qua, loại địa hình, mức độ che chắn

- Nhóm thông số đặc trưng của bản thân công trình: Hình khối công trình và

hình dạng bề mặt đón gió; 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)

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

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

1.2.2.1 Các giải pháp quy hoạch

- Khi chọn địa điểm xây dựng, nên chú ý lợi dụng địa hình, địa vật để chắn gió

bão cho công trình Làm nhà tập trung thành từng khu vực, bố trí các nhà nằm so-le với nhau để giảm thiểu ảnh huởng của gió bão Trồng cây thành rào lũy, xây tường chắn để làm đổi hướng hoặc cản bớt tác dụng của gió

- Cần tránh làm nhà tại các nơi trống trải, giữa cánh đồng, ven làng, ven sông,

ven biển, trên đồi cao hoặc giữa 2 sườn đồi Tránh bố trí các nhà thẳng hàng, dễ tạo túi gió hoặc luồng xoáy nguy hiểm

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

gió [4]

Hình 1.2: Trồng cây và rào giậu để giảm bớt tốc độ gió [4]

1.2.2.2 Các giải pháp kiến trúc

- Kích thước nhà phải hợp lý, tránh nhà mảnh và dài Đơn giản nhất là mặt bằng

hình vuông và hình chữ nhật có chiều dài không lớn hơn 2,5 lần chiều rộng

- Hình dáng ngôi nhà cần giản đơn, tránh lồi ra lõm vào Bố trí mặt bằng các bộ

phận cần hợp lý, tránh mặt bằng có thể tạo túi hứng gió như mặt bằng hình chữ L, chữ

T và chữ U…

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

- Cửa trước cửa sau, kích thước xấp xỉ bằng nhau Cửa đóng khít, vừa, đủ then,

đủ chốt, ngăn ngừa gió lay

Hình 1.3: Hình dáng công trình đơn giản để bớt cản gió [4]

Hình 1.4: Mái nghiêng 30 o – 45 o để giảm bớt tốc mái do áp lực âm [4]

Hình 1.5: Kích thước các lỗ cửa ở các tường đối diện xấp xỉ bằng nhau [4]

Hình 1.6: Đảm bảo cánh cửa đóng vừa lỗ cửa [4]

1.2.2.3 Các giải pháp kết cấu công trình

* Các yêu cầu kỹ thuật chung:

- Về tổng thể phải có liên kết chặt chẽ, liên tục cho các kết cấu từ mái tới móng

theo cả 2 phương: Phương ngang và phương thẳng đứng

- Ưu tiên hệ kết cấu gồm cột và dầm tạo ra một lưới không gian có độ cứng tốt

Hệ kết cấu càng đơn giản, càng rõ ràng càng tốt

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

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

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

- Tăng cường kết cấu xung quanh những phòng quan trọng, đòi hỏi an toàn

nhất, có thể làm chỗ trú n cho những người đang có mặt trong khi x y ra thiên tai

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

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

các mặt ngoài Khi mặt ngoài nhiều ô - văng, lô - gia, ban - công… Các lồi lõm thô ráp này sẽ gây hiện tượng gió lồng, gió xoáy tại các góc chuyển hướng, áp lực gió sẽ tăng đột biến

- Vị trí công trình cao không nên đặt ở nơi có độ dốc quá lớn, địa hình sườn dốc

sẽ làm hệ số k tăng lên Trong điều kiện có thể nên chọn vị trí bằng phẳng hơn hoặc thoải hơn

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

- Hữu hiệu nhất là tìm cách làm giảm khối lượng và phân bố khối lượng hợp lí

để giảm giá trị lực quán tính sinh ra khi dao động

- Giảm trọng lượng kết cấu: Chọn vật liệu có cường độ cao, khả năng chịu lực

lớn (thép, bê tông mác cao…)

- Giảm trọng lượng vật liệu kiến trúc: Tường ngăn, tường bao, gạch lát, cửa,

cầu thang, các vật liệu kiến trúc khác, dùng tường mỏng hơn, sử dụng vật liệu tường nhẹ hơn…

- Lựa chọn hình dáng công trình hợp lý: Sao cho diện tích mặt đón gió và khối

lượng càng lên cao càng giảm dần Công trình thon dần, sẽ có mặt đón gió giảm dần, giá trị của thành phần tĩnh của tải gió càng lên cao càng nhỏ Đồng thời biên độ và hệ

số động lực trong bài toán dao động riêng cũng nhỏ hơn, dao động tắt nhanh hơn và vì vậy thành phần động sẽ bé hơn

1.3 Mô hình hoá các tác động của gió

1.3.1 Đặc trưng tác động của gió

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

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

1.3.2 Giá trị đặc trưng

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

+ Nhóm các thông số đặc trưng cho tính ngẫu nhiên của tải trọng: Vận tốc, độ cao, xung

+ Nhóm các thông số đặc trưng cho địa hình: Độ nhám môi trường mà gió đi qua (loại địa hình, mức độ che chắn…)

+ Nhóm thông số đặc trưng cho tính chất động lực của bản thân công trình: Các yếu tố về chu kỳ, tần số của dao động riêng, khối lượng và cách phân bố khối lượng, dạng dao động, độ tắt dần của dao động, hình khối công trình và hình dạng bề mặt đón gió

Chú ý: Tất cả các hệ số hoặc mô hình để tính toán tác động gió từ những giá trị

cơ bản, được chọn sao cho xác suất của hành động gió tính không vượt quá quy định của các giá trị cơ bản

1.3.3 Các mô hình

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

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

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 Bản EUROCODE 8 (Design of structures for earthquake resistance) đã được chuyển dịch và chính thức đưa vào áp dụng trong hệ thông tiêu chu n Việt Nam hiện hành từ năm 2006 Còn 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)

Xác định tải trọng gió lên công trình bằng thí nghiệm trong ống thổi khí động

có nhiều ý nghĩa trong nghiên cứu và thiết kế Công tác này sẽ giúp phát hiện được các hiện tượng mất ổn định khí động và một số hiện tượng khác do gió gây ra mà khi tính toán bằng tiêu chu n sẽ khó hoặc không thực hiện được Ngoài ra, công tác này còn có nhiều ý nghĩa trong việc giảm giá thành của công trình xây dựng vì tải trọng gió lên công trình khi xác định bằng thí nghiệm trong ống thổi khí động thường nhỏ hơn khoảng 15% so với tải trọng khi xác định bằng tiêu chu n Trong các công đoạn quan trọng và có ảnh hưởng rất lớn đến kết quả thí nghiệm Vì vậy trong thí nghiệm ống

thổi khí động cần đảm bảo các điều kiện sau:

- Đảm bảo điều kiện tương tự về phân bố theo chiều cao của vận tốc gió: Sự

phân bố theo chiều cao của vận tốc gió thực và của vận tốc trong ống thổi khí động phải tương tự như nhau

V (z): Vận tốc gió trung bình ở độ cao z;

V 10 : Vận tốc gió trung bình ở độ cao 10m;

α: Hệ số mũ

- Đảm bảo điều kiện tương tự về sự phân bố của độ rối lv, lu, lw: Sự phân bố độ

rối của vận tốc gió thực và của vận tốc gió trong ống thổi khí động phải tương tự như nhau

- Phổ năng lượng của vận tốc gió: Phổ năng lượng của vận tốc gió thực và của

vận tốc gió trong ống thổi khí động phải tương tự như nhau

4 ( )

1 70, 8

v v

v

v

nl V

n S n

nl V

Trong đó:

n: Tần số;

Sv(n): Hàm mật độ phổ cho V(t);

lv: Tỷ lệ chiều dài độ rối

- Mô hình thí nghiệm và địa hình xung quanh sẽ được mô phỏng như đúng như

thực tế

- Diện tích chắn gió của mô hình phải nhỏ hơn 8% diện tích mặt cắt ngang của

ống thổi khí động, trừ trường hợp có điều chỉnh kết quả, để tránh hiện tượng blockage (nếu diện tích chắn gió của mô hình lớn quá sẽ làm sai kết quả đo)

- Gradient áp lực gió dọc trong khu vực thí nghiệm cần được kể đến

- Các ảnh hưởng của số Revnolds đối với áp lực và các lực phải được giảm

áp lực bên ngoài tác động lên các tấm tường của các tòa nhà có hình học lệch rõ rệt so với hình dạng phổ biến đã có sẵn thông tin

CHƯƠNG 2

SO SÁNH LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ LÊN NHÀ CAO TẦNG THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM, SINGAPORE VÀ THÁI LAN

2.1 Một số tiêu chuẩn về tính toán tải trọng gió

2.1.1 Tiêu chuẩn Việt Nam [1]

Tiêu chu n hiện hành về tính toán tải trọng gió ở Việt Nam đang được áp dụng

là tiêu chu n TCVN 2737:1995 Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế (viết tắt

TCVN 2737:1995) Theo đó, tải trọng do gió được phân làm hai thành phần là thành phần tĩnh và thành phần động

- W0: giá trị áp lực gió theo bản đồ phân vùng

- k: hệ số tính đến sự thay đổi của áp lực gió theo độ cao và dạng địa hình xác

định theo Bảng 5 [1] hoặc theo (A.23) [1]

- c: hệ số khí động, xác định theo Bảng 6 [1]

- Hệ số tin cậy của tải trọng gió lấy bằng 1,2

Giá trị áp lực gió Wo được xác định theo Bảng 4 [1] theo đó lãnh thổ Việt Nam được phân ra làm 05 vùng áp lực gió như trong Bảng 2.1 Chi tiết phân vùng áp lực gió trên lãnh thổ Việt Nam theo các địa danh xem trong Phụ lục A

Bảng 2.1: Áp lực gió theo bản đồ phân vùng áp lực gió lãnh thổ Việt Nam

Hình 2.1: Bản đồ phân vùng áp lực gió lãnh thổ Việt Nam

Đối với nhà và các công trình được xây dựng tại các vùng có địa hình phức tạp (hẻm núi, giữa các núi song song, các cửa đèo…), giá trị áp lực gió Wo được xác định theo (6) [1]:

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

2.1.1.2 Thành phần động

Theo mục 1.2 [2], khi xác định áp lực mặt trong Wi cũng như khi tính toán nhà nhiều tầng có chiều cao dưới 40m, hoặc nhà công nghiệp 1 tầng cao dưới 3.6m với tỷ

số độ cao trên nhịp nhỏ hơn 1.5, xây dựng ở địa hình dạng A và B (địa hình trống trải

và tương đối trống trải theo điều 6.5 [1] thì không cần tính đến thành phần động của tải trọng gió

Thành phần động của tải trọng gió được xác định theo các phương tương ứng với phương tính toán thành phần tĩnh của tải trọng gió Thành phần động của tải trọng gió tác dụng lên công trình là do lực xung của vận tốc gió và quán tính công trình gây

ra Giá trị của lực này được xác định trên cơ sở thành phần tĩnh của tải trọng gió nhân với các hệ số có kể đến ảnh hưởng lực do xung của vận tốc gió và quán tính của công trình

Giá trị tiêu chu n thành phần động của tải trọng gió Wp ở độ cao z được xác định như sau:

* Đối với công trình và các bộ phận kết cấu có tần số dao động riêng cơ bản f1(Hz) lớn hơn giá trị giới hạn của tần số dao động riêng fL quy định trong điều 6.14 [1]

được xác định theo công thức sau:

Wp = W   (2.3) Trong đó:

- W: Giá trị tiêu chu n thành phần tĩnh của tải trọng gió ở độ cao tính toán được

xác định theo Điều 6.3 [1]

- : Hệ số áp lực của tải trọng gió ở độ cao z lấy theo bảng 8 [1]

- : Hệ số tương quan không gian áp lực động của tải trọng gió xác định theo

điều 6.15 [1]

* Đối với công trình (và các bộ phận kết cấu của nó) có sơ đồ tính toán là hệ một bậc tự do (khung ngang nhà công nghiệp một tầng, tháp nước…) khi f1<fL xác định theo công thức sau:

Trong đó:

- : Hệ số động lực được xác định bằng đồ thị ở Hình 2 [1], phụ thuộc vào

thông số và độ giảm lôga của dao động

1

.940

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

- y: là dịch chuyển ngang của công trình ở độ cao z ứng với dạng dao động

riêng thứ nhất

- Hệ số được xác định bằng cách chia công trình thành r phần, trong phạm vi mỗi phần tải trọng gió không đổi, giá trị xác định theo công thức sau:

1 2 1

.W

r

k pk k

r

k k k

y

y M

(2.7)

Trong đó:

- Mk: Khối lượng phần thứ k của công trình

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

thứ nhất

* Đối với nhà nhiều tầng có độ cứng, khối lượng và bề rộng mặt đón gió không đổi theo chiều cao, cho phép xác định giá trị tiêu chu n thành phần động của tải trọng gió ở độ cao z theo công thức sau:

 Phân chia dạng địa hình:

Xem xét quá trình phát triển của tiêu chu n tải trọng và tác động của Việt Nam,

phiên bản TCVN 2737:1984 được biên soạn dựa theo SNiP II-6-74 – Loads and Effects với chỉ hai dạng địa hình A và B, trong đó địa hình A là địa hình chu n Đến phiên bản TCVN 2737:1990, tuy vẫn dựa trên phương pháp tính toán như SNiP II-6-

74 – Loads and Effects (sử dụng vận tốc gió trung bình trong 2 phút) nhưng có sự thay

đổi về cách phân loại dạng địa hình, địa hình được phân thành 3 dạng A, B, C trong đó

B là dạng địa hình chu n dựa theo tiêu chu n của Úc AS 1170.2-1983 Đến phiên bản TCVN 2737:1995, cách phân loại dạng địa hình này vẫn được giữ lại, lãnh thổ Việt Nam được chia ra làm 3 dạng địa hình như sau:

- Dạng địa hình A là địa hình trống trải, không có hoặc có ít vật cản cao quá

1.5m (bờ biển thoáng, mặt sông, hồ lớn, đồng muối, cánh đồng không có cây cao…)

- Dạng địa hình B (được chọn là dạng địa hình chu n) là 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…)

- Dạng địa hình C là địa hình bị che chắn mạnh, có nhiều vật cản sát nhau, cao

từ 10m trở lên (trong thành phố, vùng rừng rậm…)

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

2.1.2 Tiêu chuẩn DPT 1311-50

Tiêu chu n đưa ra 3 cách tiếp cận khác nhau để quyết định thiết kế tải trọng gió cho nhà cao tầng và các kết cấu xây dựng như sau:

2.1.2.1 Phương pháp đơn giản

Phương pháp đơn giản sử dụng thích hợp để tính toán tải trọng gió đối với các công trình trung bình và thấp tầng, thiết kế bao che (lớp vỏ) cho các tòa nhà cao tầng

Phương pháp này được áp dụng khi hệ kết cấu chịu lực của các công trình tương đối cứng, phần động của tải trọng gió được thay bằng tải trọng tĩnh tương đương

2.1.2.2 Phương pháp chi tiết

Phương pháp chi tiết thích hợp cho các công trình có chiều cao lớn hơn ít nhất 4 lần chiều rộng hữu hiệu, công trình có chiều cao lớn hơn 80m hoặc các công trình có trọng lượng nhẹ, tần số dao động riêng thấp, đặc tính giảm chấn thấp khiến nhà cao tầng dễ bị dao động

2.1.2.3 Phương pháp thí nghiệm hầm gió

Thí nghiệm hầm gió thích hợp để tính chính xác thành phần động của gió, xác định hệ số áp lực bên ngoài tác động lên các tấm tường của các tòa nhà có hình học lệch rõ rệt so với hình dạng phổ biến đã có sẵn thông tin

2.1.2.4 Tính toán tải trọng gió cho phương pháp đơn giản và phương pháp chi tiết

Áp lực gió đ y hoặc gió hút trên một phần hoặc toàn bộ bề mặt của một tòa nhà được tính theo công thức sau:

- CP = hệ số khí động, tính trung bình trên diện tích bề mặt xem xét

Tải trọng gió tuyệt đối tác dụng lên công trình được tính bằng hiệu đại số của tải trọng trên bề mặt đón gió trừ đi bề mặt hút gió, và trong một số trường hợp có thể được tính là tổng của các áp lực gió đ y hoặc gió hút …

Bảng 2.2: Hệ số độ quan trọng

Tầm quan trọng công trình

Hệ số độ quan trọng Trạng thái giới hạn về

- V V đối với trạng thái giới hạn về sử dụng 50

- V T V đối với trạng thái giới hạn về độ bền F 50

- V50 = vận tốc gió tiêu chu n trung bình trong 1 giờ tại độ cao 10m, tại địa hình đón gió với chu kỳ lặp 50 năm V50 và hệ số gió bão TF được thể hiện tại bảng 2.3 và hình 2.2 dưới đây

Tốc độ gió tối đa hàng năm từ 73 trạm đo đã được sử dụng trong phân tích gió cực hạn Các dữ liệu đã được chuyển đổi theo chiều cao và địa hình của mỗi trạm sang vận tốc gió trung bình trong một giờ ở độ cao 10 m từ thiết bị đo gió

Hình 2.2: Phân vùng vận tốc gió tiêu chuẩn Thái Lan

Việc phân tích các bản đồ phân tán cho vận tốc gió với chu kỳ lặp 50 năm cho thấy có thể chia thành bốn khu vực như thể hiện trong hình 2.2 Vận tốc theo chu kỳ lặp lại 50 năm của mỗi vùng được ước tính theo giá trị tương ứng của thông số địa hình và phân tán gió của vùng đó Tốc độ gió cao hơn đối với vùng 2 và 3 do ảnh hưởng của các cơn bão nhiệt đới suy yếu vào khu vực từ phía đông và sấm sét trong mùa hè (từ tháng ba đến tháng năm) mỗi năm

Vận tốc gió thiết kế của vùng 4 bị chi phối bởi gió mùa tây nam và đông bắc với vận tốc gió thấp 25 m/s Tuy nhiên theo các số liệu ghi nhận cho thấy gió lốc nhiệt đới có thể tác động tới khu vực này nhiều nhất là vào tháng 11 và tháng 12 Năm 1989, cơn bão Gay (Kalavi) hình thành từ vịnh Thái Lan và đổ bộ vào Chumporn Theo báo cáo, cơn bão này với vận tốc gió quét bề mặt một phút ở 100 hải lý (51,4 m/s), tương đương vận tốc trung bình theo giờ 41,1 m/s Tốc độ gió thiết kế của vùng này phải tính tới tác động của gió lốc nhiệt đới để đảm bảo các công trình nhà cao tầng xây sau thảm họa sẽ không đổ sập nếu xuất hiện một cơn bão cùng cường độ như cơn bão Gay Do

đó, phải tính rằng các nhà cao tầng xây sau thảm họa tại khu vực này phải có khả năng chống chịu áp lực gió xuất hiện với tốc độ gió 41,1 m/s ở trạng thái giới hạn về độ bền Với hệ số tải trọng 1,6 và hệ số độ quan trọng cho nhà cao tầng xây sau thảm họa là 1,15 Tốc độ gió thiết kế tương ứng cho vùng 4 sẽ là:

Bảng 2.3: Vận tốc gió tiêu chuẩn và hệ số gió bão

Vùng 2 Phần dưới của khu vực miền Bắc và

Vùng 5A Tỉnh Phetchaburi và bờ biển phía Tây

 Hệ số độ cao và địa hình:

Hệ số độ cao và địa hình Ce phản ánh những thay đổi của vận tốc gió theo chiều cao, và chịu ảnh hưởng của thay đổi theo địa hình, được tính toán khác nhau theo phương pháp đơn giản và chi tiết dưới đây như sau:

+ Phương pháp đơn giản:

Địa hình A (trống trải hoặc địa hình tiêu chu n): địa hình trống trải với chỉ vài tòa nhà rải rác, cây cối hoặc vài vật cản khác, mặt biển thoáng hoặc đất ven bờ được xác định theo công thức sau:

Trong đó Z là độ cao so với mặt đất tính bằng mét

+ Phương pháp chi tiết:

Yếu tố độ cao và địa hình Ce được xác định dựa vào vận tốc gió trung bình, vận tốc này biên thiên đáng kể tùy thuộc vào độ nhám chung của địa hình ở đó gió đã thổi trước khi đến tòa nhà Để xác định hệ số Ce, ba loại địa hình đã được thiết lập như sau:

Địa hình A: (trống trải hoặc địa hình tiêu chu n): địa hình trống trải với chỉ rải rác vài tòa nhà, cây cối hoặc vài vật cản khác, mặt biển thoáng hoặc đất ven bờ được xác định theo công thức sau:

thận trọng do các tác dụng gió xoáy và dao động có thể xảy ra gần các tòa nhà cao được xác định theo công thức thức sau:

Trong đó Z là độ cao so với mặt đất tính bằng mét

Địa hình B hoặc C không nên dùng trừ trường hợp độ nhám không thay đổi theo hướng hướng gió ít nhất 1 km hoặc 10 lần chiều cao của tòa nhà, và hệ số địa hình phải được tính toán lại nếu độ nhám địa hình của hướng này khác biệt so với một hướng khác

- Dao động riêng của công trình

Các hệ số động áp dụng cho phương pháp đơn giản hoặc chi tiết được đưa ra như sau:

+ Phương pháp đơn giản:

Hệ số động Cg được lấy bằng:

- 2,0 cho toàn bộ hoặc phần kết cấu chính

- 2,5 cho áp lực gió đ y hoặc gió hút tác động vào các kết cấu nhỏ bao gồm

tường chắn

- 2,0 hoặc một giá trị xác định bằng cách tính toán chi tiết cho áp lực bên trong

(xem tiêu chuẩn [7])

+ Phương pháp chi tiết:

Hệ số động được tính theo công thức thức sau:

1 ( / )

gp: hệ số tĩnh cho tác động tải nhận được từ tính toán trong tiêu chu n

Giá trị / có thể biểu diễn bằng biểu thức sau:

K = hệ số kể đến ảnh hưởng (tính mấp mô, gồ ghề) của địa hình

K = 0,08 cho địa hình A

K = 0,10 cho địa hình B

K = 0,14 cho địa hình C

CeH = hệ số độ cao và địa hình tại điểm trên cùng của tòa nhà, H

B = hệ số mất ổn định của nền lấy theo tiêu chu n phụ thuộc W/H

W = chiều rộng mặt đón gió của tòa nhà

H = chiều cao mặt đón gió của tòa nhà

s = hệ số giảm kích thước lấy theo tiêu chu n phụ thuộc W/H và tần số noH/VH

n0 = tần số dao động riêng (Hz), trong thiết kế công trình bê tông cốt thép = 44/H

VH = vận tốc gió trung bình gió (m/s) tại đỉnh của kết cấu, H

F = tỷ lệ năng lượng ở tần số tự nhiên của kết cấu lấy theo tiêu chu n phụ thuộc

no/VH

 = hệ số giảm chấn, xác định từ thực nghiệm dựa trên kết cấu thực Giá trị chung sử dụng trong thiết kế nhà cao tầng nằm trong khoảng 0,005 và 0,015 đối với khung thép và khung bê tông

 Hệ số khí động:

Hệ số khí động là tỷ lệ của áp lực gió gây ra trên một tòa nhà chia cho áp lực của vận tốc gió ở độ cao tiêu chu n Áp lực gió lên bề mặt kết cấu biến thiên đáng kể theo hình dạng kết cấu, hướng gió và mặt nghiêng của vận tốc gió

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

 Giới hạn chuyển vị ngang:

Giới hạn chuyển vị ngang theo phương ngang dưới tác động của gió có thể cần xem xét từ quan điểm tính sử dụng được và thuận tiện 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

Khống chế dao động công trình:

Khi tải trọng gió theo phương ngang tối đa và độ võng theo hướng song song với gió (hướng gió xuôi), dao động tối đa của tòa nhà sẽ dẫn tới khả năng người sử dụng nhận thấy dao động hoặc bị khó chịu theo hướng gió vuông góc (hướng gió ngược) nếu WD

H nhỏ hơn 1/3, trong đó W là kích thước hướng vuông góc với gió, D

là kích thước nhà hướng xuôi gió và H là chiều cao của nhà

Dao động tối đa theo hướng gió xuôi có thể xác định theo biểu thức sau:

gp: dao động tối đa theo hướng gió

Fs= tỷ trọng trung bình của tòa nhà, kg/m3 xuôi, m/s2

β = tỷ lệ giảm chấn trong điều kiện gió xuôi

nD= tần số dao động tự nhiên trong điều kiện gió xuôi, Hz

∆= khuyếch tán ngang do gió tối đa tại điểm cao nhất của nhà theo hướng gió xuôi (m)

Giới hạn dao động từ 1,5 đến 2 của trọng lực được sử dụng kết hợp với Phương trình trên và trong trường hợp vuông góc với hướng gió và hệ số độ quan trọng = 0,75

ở trạng thái giới hạn về sử dụng

2.1.3 Tiêu chuẩn SS EN 1991-1-4

Việc tính toán tác động do gió bao gồm các bước sau:

Lựa chọn tốc độ gió tham chiếu, được xác định trên cơ sở xác suất của một bản

đồ thời tiết Bảng phân vùng gió của một quốc gia được xác định bởi chính quyền quốc gia Vận tốc gió trung bình vm phải được xác định từ vận tốc gió cơ bản vb phụ thuộc vào điều kiện thời tiết của khu vực

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

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

2.1.3.1 Giá trị vận tốc gió cơ bản

Giá trị cơ bản của vận tốc gió cơ bản, vb.o là giá trị vận tốc gió đo được trung bình trong 10 phút không phân biệt hướng gió và thời gian của năm Độ cao 10m kể từ mặt đất ở khu vực có dạng địa hình trống trải có thảm thực vật thấp như cỏ và không

bị cản bởi nhà cửa, cây cối…

Vận tốc gió cơ bản được xác định theo công thức sau:

Trong đó:

- vb: vận tốc gió cơ bản, được định nghĩa là một hàm của hướng gió và thời gian của năm ở độ cao 10m kể từ mặt đất

- vb.0: Giá trị cơ bản của vận tốc gió cơ bản, theo tiêu chu n là 20m/s

- Cdir: hệ số hướng gió Giá trị khuyến nghị lấy = 1

- Cseason: hệ số mùa Giá trị khuyến nghị lấy = 1

Vận tốc gió trung bình trong 10 phút với xác suất  vượt hằng năm được xác định bằng cách nhân vb với hệ số xác suất cprob

n prob

K c

Với K thông số hình dạng, K = 0,2

n: hệ số mũ, n = 0,5

2.1.3.2 Vận tốc gió trung bình theo độ cao

Vận tốc gió trung bình vm(z) ở độ cao z trên một địa hình phụ thuộc vào độ nhám địa hình và vận tốc gió cơ bản (vb) được xác định theo công thức sau:

Bảng 2.4: Loại địa hình và các thông số địa hình

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

phạm vi 2km từ biển), ví dụ nhà chứa máy bay, kho hàng 0,003 1

Trong trường hợp phải lựa chọn giữa hai hoặc nhiều loại địa hình trong định nghĩa của một khu vực nhất định thì nên lựa chọn loại địa hình có độ dài nhám thấp nhất

- Zmax: là giá trị chiều cao lớn nhất, được lấy giá trị là 200m

2.2.1 Áp lực gió lên bề mặt công trình

Áp lực gió tác dụng vào bề mặt bên ngoài công trình, We, được xác định theo biểu thức:

Trong đó:

- qp(ze): là giá trị áp lực gió theo độ cao

- Cpe: là hệ số áp lực gió cho các mặt bên ngoài

- ze: là chiều cao tham chiếu cho áp lực bên ngoài

Áp lực gió tác dụng vào bề mặt bên trong công trình, Wi, được xác định theo biểu thức:

Trong đó:

- qp(zi): là giá trị áp lực gió theo độ cao

- Cpi: là hệ số áp lực gió cho các mặt bên trong

- zi: là chiều cao tham chiếu cho áp lực bên ngoài

Hình 2.4: Áp lực gió trên bề mặt

Áp lực dòng gió lên tường, mái hoặc các cấu kiện là do sự chênh lệch về áp lực

bề mặt với mặt đối diện với quy ước về dấu thông thường, áp lực hướng vào bề mặt kết cấu mang dấu dương và hướng ra mang dấu âm Minh họa được thể hiện trong Hình 2.4

2.2.2 Tải trọng gió

(1) Tải trọng gió tác dụng lên toàn bộ bề mặt kết cấu hoặc các bộ phận kết cấu được xác định theo:

- Tính toán lực bằng cách sử dụng các hệ số lực, xem (2)

- 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 được xác định theo công thức sau:

Fw = Cs.Cd Cf.qp(ze).Aref (2.32) Hoặc trên cơ sở tổng hợp các lực thành phần theo công thức sau:

element

Trong đó:

- CsCd: là hệ số phụ thuộc vào đặc điểm kết cấu

- Cf: là hệ số áp lực cho toàn bộ kết cấu hoặc các bộ phận kết cấu

- Aref: là diện tích tham chiếu của kết cấu hoặc các bộ phận kết cấu

(3) Tải trọng gió, Fw, tác động lên kết cấu hoặc bộ phận của kết cấu có thể được xác định bằng cách tổng hợp các lực thành phần Fw,e, Fw,i và Ffr tính từ áp lực bên ngoài

và bên trong bằng cách sử dụng biểu thức sau:

- Lực bên ngoài: Fw,e = Cs.Cd e

- CsCd: là hệ số phụ thuộc vào đặc điểm kết cấu

- We: là áp lực bên ngoài lên bề mặt kết cấu ở độ cao ze

- Wi: là áp lực bên trong lên bề mặt kết cấu ở độ cao ze

- Aref: là diện tích tham chiếu của kết cấu hoặc các bộ phận kết cấu

- Cfr: là hệ số ma sát

- Afr: là diện tích bề mặt ngoài song song với hướng gió

(4) Các hiệu ứng của lực ma sát do gió lên bề mặt có thể không cần xét tới khi tổng diện tích bề mặt của tất cả các mặt song song với hướng gió nhỏ hơn hoặc bằng 1/4 lần tổng diện tích của tất cả các bề mặt bên ngoài vuông góc với hướng gió (bền mặt chắn gió)

2.2.3 Vận tốc và áp lực gió

* Theo [1], lãnh thổ Việt Nam được chia ra làm 5 vùng áp lực gió (từ vùng I

đến vùng V) Vận tốc gió tính trung bình trong 3 giây với chu kỳ lặp 20 năm như trong Bảng 2.5

Bảng 2.5: Giá trị vận tốc gió tính trung bình trong 3 giây với chu kỳ lặp 20 năm theo

bản đồ phân vùng áp lực gió trên lãnh thổ Việt Nam

Giá trị vận tốc cơ bản vb được xác định thông qua vân tốc gió của tiêu chu n Việt Nam bằng cách chuyển đổi từ vận tốc gió trung bình trong 3 giây sang vận tốc gió trung bình trong 10 phút và vận tốc gió với chu kỳ lăp 20 năm sang chu kỳ lặp 50 năm

Quy đổi vận tốc gió trung bình trong 3 giây sang vận tốc gió trung bình trong

10 phút được tra theo đồ thị Hình 2.5

Hình 2.5: Đồ thị chuyển vận tốc trung bình trong các khoảng thời gian

600 3

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

trong 50 năm được được xác định theo công thức sau: Theo (4.2)[9]

v50y = 1, 2.v20y (2.38) Vận tốc gió tính trung bình trong thời gian 10 phút với chu kỳ lặp 50 năm được liên hệ với vận tốc gió trung bình trong 3 giây với chu kỳ lặp 20 năm theo biểu thức sau:

v (50y, 600) = 0.698 1, 2.v (20y,3) (2.39) Giá trị vận tốc cơ bản vb tương ứng với các vùng áp lực gió trên lãnh thổ Việt Nam được cho trong Bảng 2.6

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