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 THEOTIÊU CHUẨN VIỆT NAM, SINGAPORE VÀ THÁI LAN Học viên: Nguyễn Phước Bình Mã số: 60 58 02 08, Khóa: K32.XDD Chuyên ngành: Kỹ thuật XDCT

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng – Năm 2019

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

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

Mã số: 60 58 02 08, Khóa: K32.XDD

Chuyên ngành: Kỹ thuật XDCT DD&CN 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.

CALCULATION OF WIND LOAD ON HIGH-RISE BUILDINGS 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

v 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 sựphát triển của khoa học kỹ thuật, nhu cầu phát triển nhà ở, khách sạn, chung cư…tăngcao Nhà cao tầng phát triển khắp các tỉnh, thành phố trong cả nước làm cho bộ mặt đôthị ngày càng đổi mới không ngừng Việc phát triển nhà cao tầng là một tất yếu hiệnnay để đáp ứng nhu cầu nhà ở do dân số tăng cao, diện tích đất xây dựng thiếu trầmtrọng 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 ýviệc 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 cầnquan tâm đó là việc xác định tải trọng ngang (tải trọng gió tĩnh + gió động, động đất) làyếu 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, TháiLan và và đưa ra chỉ dẫn tính toán chi tiết là rất cần thiết Nhưng đây là một vấn đềphức 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 tầngvới 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 vàThái 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 cáctiêu chu n: Việt Nam (TCVN 2737:1995 và TCXD 229:1999), Singapore (SS EN

21991-1-4:2009), Thái Lan (DPT 1311-50) Phân tích so sánh quan điểm tính toán và sốliệu 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 tảitrọng gió tác dụng lên nhà cao tầng xây dựng ở Việt Nam theo quan điểm của các tiêuchu n nêu trên với các bổ sung thay thế phù hợp với điều kiện khí hậu đặc thù của ViệtNam

- 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 khôngkhí Nguyên nhân hình thành gió là do bề mặt trái đất tiếp nhận sự chiếu sáng, đốtnóng của mặt trời không đều, sẽ có nhiệt độ không đều Sự chênh lệch nhiệt độ giữacác vị trí gây nên sự chênh lệch về khí áp, ở nơi có nhiệt độ gia tăng, không khí nónglên (hạ áp) và bị không khí lạnh (áp suất lớn) ở xung quanh dồn vào, đ y lên cao, tạothành dòng thăng Dòng thăng này làm hạ khí áp tại nơi đó, không khí lạnh ở vùngxung quanh di chuyển theo chiều nằm ngang đến thay thế cho lượng không khí đã bịbay lên vì nóng, tạo thành gió ngang Quy luật tự nhiên là không khí thường xuyênchuyển động theo cả chiều nằm ngang và thẳng đứng Không khí di chuyển theo chiềunằm ngang càng mạnh thì gió thổi càng lớn

Bão là một xoáy khí có đường kính lớn (tới vài trăm km) Nguyên nhân hìnhthành bão là do trên các đại dương nhiệt đới, ở vùng gần xích đạo, mặt biển bị đốtnóng (trên 170), nước bốc hơi mạnh và tạo thành vùng khí áp rất thấp, không khí lạnhhơn ở xung quanh lùa tới, bị đốt nóng và bay lên Quá trình này tiếp diễn liên tục, hơinước bốc lên cao, gặp lạnh và ngưng tụ lại, nhiệt lượng toả ra do ngưng hơi rất lớn, lạilàm 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 đoạnnhư 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 170C

- Áp thấp nhiệt đới: Là xoáy tụ nhiệt đới mạnh và rộng hơn, với vận tốc gió trung bình đến 17m/s

- Bão nhiệt đới: Là áp thấp nhiệt đới mạnh và rộng hơn, với vận tốc gió trung bình đến 33m/s

- 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

có thể ở bất kỳ nơi nào (đồng bằng, trung du, miền núi) chứ không nhất thiết là ở biểnnhư bão, nhưng vận tốc gió thì rất mạnh và đột ngột lên tới 70 đến 80m/s (252 đến288km/h) Với sức mạnh như vậy, lốc như một vòi rồng hút theo mọi thứ mà nó gặptrên đường đi: đất, nước, vật liệu, xe cộ, người, mọi đồ vật… Trừ các công trình đượcxây dựng đặc biệt, nói chung các công trình xây dựng thông thường không chịu đượclốc.

Bão và lốc khác nhau ở điều kiện hình thành, sức mạnh và đặc tính tác dụngnhưng bản chất của gió bão và gió lốc thì giống nhau: đều là gió mạnh và có đầy đủcác đặc tính tác dụng của gió Do vậy tác dụng của gió bão và gió lốc lên công trình lànhư 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 thànhhướng gió: gọi theo tên nơi xuất phát có 16 hướng gió tương ứng với 16 phương vị địalý

Vận tốc gió là vận tốc di chuyển của dòng khí qua một điểm nhất định Có thểbiểu thị vận tốc gió theo các đơn vị khác nhau như ngành hàng hải và hàng không tínhbằng 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 ĐôngCực Gió Tín Phong thổi từ đai cao áp 30 độ B-N đến đai áp thấp 0 độ (xích đạo), gióTây ôn Đới thổi từ đai cao áp 60 độ B-N về 90 độ B-N, còn gió Đông Cực thổi từ đaicao 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 khôngthổi thẳng theo hướng kinh tuyến mà hơi lệch về phía tay phải ở nửa cầu Bắc và vềphía tay trái ở nửa cầu Nam (nếu nhìn xuôi theo chiều gió thổi) theo Lực Coriolis TínPhong và gió Tây Ôn Đới tạo thành hai hoàn lưu khí quyển quan trọng nhất trên bềmặt Trái Đất Gió có nhiều cường độ khác nhau, từ mạnh đến yếu Nó có thể có vậntốc 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 vànhđai nhiệt đới bán cầu Bắc Bờ biển Việt Nam tiếp cận biển Đông, một bộ phận của ổbão 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 biểnĐông, 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 hìnhthành tại chỗ và những cơn di chuyển từ Thái Bình Dương vào Trung bình trong 100cơn 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

số

và áp Trung

0.1 0.02 0.06 0.16 0.57 0.76 1.83 2.13 2.43 1.78 1.45 0.66thấp

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 nửaphía Nam biển Đông, bão di chuyển chủ yếu theo hướng Tây, đổ bộ vào khu vựcTrung 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, bờbiển Bắc Bộ Một chi tiết đáng quan tâm là hướng bão trung bình ở khu vực phía Namđảo 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 trungbình năm với chiều dài bờ biển tính bằng kinh tuyến Việt Nam được phân làm 4 khuvực:

- Khu vực 1: Từ Quảng Ninh đến Thanh Hóa có trị số mật độ bão và áp thấpnhiệt đới trung bình là 0.97, trong đó Hải Phòng có mật độ rất cao (1.70), ngược lại TháiBình có mật độ rất thấp (0.30)

- Khu vực 2: Từ Nghệ An đến Quảng Bình có mật độ bão và áp thấp nhiệt đớitrung bình là 0.57, chỉ kém khu vực 1 trong đó Hà Tĩnh thấp nhất (0.40), Quảng Bình caonhất (0.72)

- Khu vực 3: Từ Quảng Trị đến Ninh Thuận có mật độ bão và áp thấp nhiệt đớitrung 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 từtháng 6 đến tháng 9, bão nhiều nhất là trong tháng 8 Khu vực 2 có mùa bão từ tháng 7đến tháng 10, bão nhiều nhất là trong tháng 10 Khu vực 3 có mùa bão diễn ra phứctạp: 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 thấpnhiệt 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 quaycủa 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 làkhông 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 mộttrong 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 cốixay gió giúp chúng ta tạo ra nguồn điện, đ y thuyền buồm, thả diều… Nó là một trongnhững nguồn năng lượng sạch Nhưng đôi khi gió lại có hại cho đời sống của con

7người Đó là trong các cơn bão, gió có vận tốc cao dễ làm ngã đổ cây cối, cột đèn, làmtốc mái nhà… gây thiệt hại nghiêm trọng đối với cơ sở vật chất, sức khỏe và tính mạngcủa con người.

Thời điểm xuất hiện và tốc độ gió là không tuân theo quy luật, gió có thể xuấthiện 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 Áplực này tỷ lệ với bình phương vận tốc gió Theo thời gian, vận tốc gió luôn luôn thayđổi gây nên sự mạch động của gió Vì thế gió bão gây áp lực lớn lên công trình, rấtnguy 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 chịumột 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 lệcác kích thước của các mặt để tạo thành hình khối, vào thể loại và trạng thái bề mặtcông trình Trạng thái dòng thổi còn phụ thuộc vị trí tương đối của công trình so vớicác 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, địnhlượng 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 theophương bất kỳ trong không gian Thông thường chúng được phân tích thành haiphương chính: Phương dọc và phương ngang luồng gió, trong đó dao động theophương dọc luồng gió là chủ yếu Với các công trình thấp, dao động này là không đángkể; Nhưng với các công trình cao khi dao động sẽ phát sinh lực quán tính làm tăngthêm tác dụng của tải trọng gió

Tác dụng của gió lên công trình bị chi phối chủ yếu bởi vận tốc và hướng thổicủa nó Vì vậy mọi tham số làm biến đổi hai yếu tố này sẽ làm ảnh hưởng đến trị số vàhướng 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 độngcủa gió bão và lốc xoáy gây ra cho công trình xây dựng trong các vùng bị ảnh hưởngcủa 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 gióbão cho công trình Làm nhà tập trung thành từng khu vực, bố trí các nhà nằm so-le vớinhau để giảm thiểu ảnh huởng của gió bão Trồng cây thành rào lũy, xây tường chắn đểlàm 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 túigió 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

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

- 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 thoảihơn

* 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 nhẹhơn…

- Lựa chọn hình dáng công trình hợp lý: Sao cho diện tích mặt đón gió và khốilượng càng lên cao càng giảm dần Công trình thon dần, sẽ có mặt đón gió giảm dần, giátrị của thành phần tĩnh của tải gió càng lên cao càng nhỏ Đồng thời biên độ và hệ sốđộng lực trong bài toán dao động riêng cũng nhỏ hơn, dao động tắt nhanh hơn và vì vậythành 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 củanó; Vì vậy mọi tham số làm biến đổi hai yếu tố này sẽ làm ảnh hưởng đến trị số vàhướng của tác dụng Các thông số ảnh hưởng này có thể chia làm 3 nhóm chính sauđây:

+ 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: Cácyếu 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 đóngió

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 địnhcủa 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 vàohình dạng, kích thước và tính chất động của cấu trúc Phần này bao gồm các phản ứngđộng do gió chuyển động hỗn loạn cộng hưởng với một hình thức rung động cơ bảncùng 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 “Tảitrọng và tác động” của các nước trên thế giới còn rất hạn chế, đặc biệt là chỉ dẫn vềtính toán tải trọng do gió Hệ thống tiêu chu n EUROCODE đang được Bộ Xây dựngchủ trương nghiên cứu để áp dụng vào Việt Nam Bản EUROCODE 8 (Design ofstructures for earthquake resistance) đã được chuyển dịch và chính thức đưa vào ápdụng trong hệ thông tiêu chu n Việt Nam hiện hành từ năm 2006 Còn các tiêu chu ncủa một số nước khu vực ASEAN mà đặc biệt là tiêu chu n: Tiêu chu n DPT Standard1311-50 (viết tắt DPT 1311-50) và tiêu chu n SS EN 1991-1-4:2009-Eurocode 1 (viếttắt SS EN 1991-1-4) chưa được nghiên cứu để áp dụng tính toán vào công trình nhànhiều 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 cáchiện tượng mất ổn định khí động và một số hiện tượng khác do gió gây ra mà khi tínhtoán bằng tiêu chu n sẽ khó hoặc không thực hiện được Ngoài ra, công tác này còn cónhiều ý nghĩa trong việc giảm giá thành của công trình xây dựng vì tải trọng gió lêncông trình khi xác định bằng thí nghiệm trong ống thổi khí động thường nhỏ hơnkhoảng 15% so với tải trọng khi xác định bằng tiêu chu n Trong các công đoạn quantrọng và có ảnh hưởng rất lớn đến kết quả thí nghiệm Vì vậy trong thí nghiệm ống

13thổi 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: Sựphân bố theo chiều cao của vận tốc gió thực và của vận tốc trong ống thổi khí động phảitương tự như nhau

z

V (z ) V

10 10Trong đó:

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

ζv, ζu, ζw: Độ lệch chu n của vận tốc gió theo phương v,u,w (phương dọc, phương ngang, phương thẳng đứng của ống thổi khí động);

V : Vận tốc gió trung bình dọc trong ống thổi khí động tại vị trí đặt mẫu thí

14Trong 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 nhưthực tế

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

- Các tính năng của thiết bị đo phải đáp ứng các yêu cầu của từng thí nghiệm

Tóm lại: Thí nghiệm ống thổi khí động nhằm phục vụ rất nhiều cho công tác

nghiên cứu và thiết kế Tùy theo yêu cầu của thí nghiệm mà chúng ta áp dụng loại môhình thích hợp và đối với từng loại mô hình sẽ có các yêu cầu khác nhau Thí nghiệmống thổi khí động 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 sovới 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 thànhphần tĩnh và thành phần động

2.1.1.1 Thành phần tĩnh

Giá trị tiêu chu n thành phần tĩnh của tải trọng gió ở độ cao z so với mốc chu n

được xác định theo (5) [1]

W = Wo.k.cTrong đó:

- 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 Namđược phân ra làm 05 vùng áp lực gió như trong Bảng 2.1 Chi tiết phân vùng áp lực giótrên 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 địnhtheo (6) [1]:

Trong đó vo là vận tốc gió ở độ cao 10m so với mốc chu n (vận tốc trung bìnhtrong khoảng thời gian 3 giây, bị vượt trung bình 1 lần trong vòng 20 năm) tương ứngvới 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 nhànhiều 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 tảitrọng gió

Thành phần động của tải trọng gió được xác định theo các phương tương ứngvới phương tính toán thành phần tĩnh của tải trọng gió Thành phần động của tải trọnggió 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 nhânvới các hệ số có kể đến ảnh hưởng lực do xung của vận tốc gió và quán tính của côngtrình

Giá trị tiêu chu n thành phần động của tải trọng gió Wp ở độ cao z được xácđịnh 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  

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:

Wp = W   

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

.w o 940.f1

* Các nhà có mặt bằng đối xứng f1 < fL < f2 với f2 là tần số dao động riêng thứ

hai của công trình, xác định theo công thức sau:

Wp = m   yTrong đó:

- 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:

- 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

18thứ nhất.

* Đối với nhà nhiều tầng có độ cứng, khối lượng và bề rộng mặt đón gió khôngđổi 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 thayđổi 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 bảnTCVN 2737:1995, cách phân loại dạng địa hình này vẫn được giữ lại, lãnh thổ ViệtNam 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 đốitrống 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 đókhông thay đổi trong khoảng cách 30h khi h < 60m và 2km khi h > 60m tính từ mặtđón 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 cáccông 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 đốicứng, 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 4lần chiều rộng hữu hiệu, công trình có chiều cao lớn hơn 80m hoặc các công trình cótrọng lượng nhẹ, tần số dao động riêng thấp, đặc tính giảm chấn thấp khiến nhà caotầng 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, xácđịnh hệ số áp lực bên ngoài tác động lên các tấm tường của các tòa nhà có hình họclệch 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 nhàđược tính theo công thức sau:

p = Iw.q.Ce.Cg.CpTrong đó:

- p = áp lực gió tĩnh vuông góc với bề mặt đón gió (áp lực gió đ y hoặc gió

- 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 củatải trọng trên bề mặt đón gió trừ đi bề mặt hút gió, và trong một số trường hợp có thểđược tính là tổng của các áp lực gió đ y hoặc gió hút …

Hệ số độ quan trọngTầm quan trọng công trình Trạng thái giới hạn về Trạng thái giới hạn về

Sau thiên tai 1,15 0,7

- V V50 đối với trạng thái giới hạn về sử dụng.

- V T F V50 đối với trạng thái giới hạn về độ bền

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

Tốc độ gió tối đa hàng năm từ 73 trạm đo đã được sử dụng trong phân tích giócực hạn Các dữ liệu đã được chuyển đổi theo chiều cao và địa hình của mỗi trạm sangvận 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 chothấy có thể chia thành bốn khu vực như thể hiện trong hình 2.2 Vận tốc theo chu kỳlặp lại 50 năm của mỗi vùng được ước tính theo giá trị tương ứng của thông số địahình và phân tán gió của vùng đó Tốc độ gió cao hơn đối với vùng 2 và 3 do ảnhhưởng của các cơn bão nhiệt đới suy yếu vào khu vực từ phía đông và sấm sét trongmùa 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 bắcvới vận tốc gió thấp 25 m/s Tuy nhiên theo các số liệu ghi nhận cho thấy gió lốc nhiệtđới 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 báocáo, cơn bão này với vận tốc gió quét bề mặt một phút ở 100 hải lý (51,4 m/s), tươngđương vận tốc trung bình theo giờ 41,1 m/s Tốc độ gió thiết kế của vùng này phải tínhtới tác động của gió lốc nhiệt đới để đảm bảo các công trình nhà cao tầng xây sau thảmhọa 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 năngchống 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 là1,15 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

khu vực biên giới Đông Tây

của bán đảo Nam

 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 chiềucao, và chịu ảnh hưởng của thay đổi theo địa hình, được tính toán khác nhau theophương 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 vàitòa nhà rải rác, cây cối hoặc vài vật cản khác, mặt biển thoáng hoặc đất ven bờ đượcxác định theo công thức sau:

C e

C e 0, 9,

10Địa hình B: Khu vực ngoại thành và các đô thị, địa hình rừng hoặc trung tâmcủa thị trấn lớn được xác định theo công thức thức sau:

e

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, vậntốc này biên thiên đáng kể tùy thuộc vào độ nhám chung của địa hình ở đó gió đã thổitrước 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 rảirác vài tòa nhà, cây cối hoặc vài vật cản khác, mặt biển thoáng hoặc đất ven bờ đượcxác định theo công thức sau:

C

10Địa hình B: khu vực ngoại thành và các đô thị, địa hình rừng hoặc trung tâmcủa thị trấn lớn được xác định theo công thức sau:

12, 7

trung tâm các thành phố lớn nơi có mật độ xây dựng dày đặc và phải sử dụng một cách

23thận 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:

e e

30Trong 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.

Hệ số động Cg, được định nghĩa là tỷ lệ giữa tác động tối đa so với tác động

trung bình của tải trọng, gồm có:

- Tải trọng gió ngẫu nhiên tác động trong thời gian ngắn vào tất cả hoặc một

phần của công trình

- Áp lực biến động gây ra bởi dao động của kết cấu, bao gồm cả "lực hình thành

các dòng xoáy"

- 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:

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

C

eH

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 trịchung sử dụng trong thiết kế nhà cao tầng nằm trong khoảng 0,005 và 0,015 đối vớikhung 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 lựccủa vận tốc gió ở độ cao tiêu chu n Áp lực gió lên bề mặt kết cấu biến thiên đáng kểtheo 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.

 Giới hạn chuyển vị ngang:

Giới hạn chuyển vị ngang theo phương ngang dưới tác động của gió có thể cầnxem 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 songvới gió (hướng gió xuôi), dao động tối đa của tòa nhà sẽ dẫn tới khả năng người sửdụng nhận thấy dao động hoặc bị khó chịu theo hướng gió vuông góc (hướng gió

ngược) nếu WD

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

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:

Trong đó:

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 gióxuôi (m)

Giới hạn dao động từ 1,5 đến 2 của trọng lực được sử dụng kết hợp với Phươngtrình 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 quốcgia Vận tốc gió trung bình vm phải được xác định từ vận tốc gió cơ bản vb phụ thuộcvào điều kiện thời tiết của khu vực

Tính toán các hệ số thay đổi vận tốc, áp lực theo chiều cao, tùy thuộc vào cácđặc 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 chữnhật, 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 trungbình trong 10 phút không phân biệt hướng gió và thời gian của năm Độ cao 10m kể từmặt 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:

vb = Cdir.Cseason.vb.o

Trong đó:

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