Tải trọng và tác động trong thiết kế nhà cao Tầng

Tài liệu hướng dẫn chi tiết cách xác định, tính toán và mô phỏng các tải trọng và tác động lên toà nhà. Tĩnh tải, hoạt tải, tải gió, tải động đất. Chi tiết tính toán theo tiêu chuẩn Việt Nam 2737 và tiêu chuẩn tính toán động đất.

SVTH: Đoàn Văn Hiển - 81101155 GVHD:P.Gs-Ts Nguyễn Minh Long 17

Chương 4

TẢI TRỌNG VÀ TÁC ĐỘNG

4.1 Tải trọng theo phương đứng

4.1.1 Tĩnh tải

4.1.1.1 Trọng lượng bản thân các lớp cấu tạo sàn

Hình 4 1: Các lớp cấu tạo sàn thường

STT Cấu tạo sàn 

(mm)

g (KN/m3)

gtc (KN/m2) n

gtt (KN/m2)

Ghi chú

Bảng 4 1: Tĩnh tải sản thường

- Đối với sàn vệ sinh có thêm lớp vữa tạo dốc dày 35 (mm) nằm phía dưới lớp hồ dầu

STT Cấu tạo sàn 

(mm)

g (KN/m3)

gtc

(KN/m2) n

gtt

(KN/m2)

Ghi chú

5 Vữa trát trần 15 18 0.27 1.3 0.351

Bảng 4 2: Tĩnh tải sàn vệ sinh

- Chú ý: Tĩnh tải do trọng lượng bản thân sàn bê tông cốt thép được gắn và tính

toán sẵn trong các phần mềm Etabs hay Safe Phần tĩnh tải được tính toán trong bảng trên chỉ là phần hoàn thiện

4.1.1.2 Tĩnh tải tường

- Tĩnh tải tường phân bố đều trên dải và được tính theo công thức:

( / )

tt tc

- Trong đó:

 h tlà chiều cao tấm tường h t  h h s hay h t  h h d

 b tlà bề dày tường

 t trọng lượng riêng tường gạch, lấy theo sổ tay kết cấu với gạch thường,

18 ( / )

t kN m

 n: là hệ số vượt tải, lấy n = 1.2

- Theo đó, ta có bảng tính tải tường phân bố trên chiều dài như sau:

Bảng 4 3: Bảng xác định tĩnh tải tường

bt(m) ht(m) t(kN/m3) gttc(kN/m) gttt(kN/m)

4.1.2 Hoạt tải trên sàn

- Hoạt tải sàn phụ thuộc vào loại phòng, loại công trình và được lấy theo mục 4.3 TCVN 2737:1995

- Các hệ số vượt tải được lấy theo bảng 1, 2 TCVN 2737:1995 và các chỉ dẫn kèm theo

Bảng 4 4: Hoạt tải phân bố trên sàn

chức năng tải trọng tiêu chuẩn (kN/m

2)

tt

4.2 Tải trọng theo phương ngang

4.2.1 Tải gió

- Lưu ý: Tải gió được tính sau khi đã xác định được dạng kết cấu công trình và phân tích giao động được xét tới trong Chương 5: Phân tích dao động và lựa chọn

hệ kết cấu cho công trình

4.2.1.1 Thành phần tĩnh của tải trọng gió

- Tải trọng gió tĩnh được tính toán theo TCVN 2737-1995 như sau:

Áp lực gió tĩnh tính toán tại cao độ z so với mốc chuẩn được tính theo công thức:

0

tc

W W  k c

SVTH: Đoàn Văn Hiển - 81101155 GVHD:P.Gs-Ts Nguyễn Minh Long 19

Trong đó:

- W0 là giá trị của áp lực gió lấy theo bản đồ phân vùng phụ lục D và điều 6.4 TCVN 2737-1995 Công trình đang xây dựng ở T.p Hồ Chí Minh thuộc khu vực

II-A, và ảnh hưởng của gió bão được đánh giá là yếu, lấy 2

0 0.83 /

W  kN m

- k: là hệ số tính đến sự thay đổi của áp lực gió theo độ cao, lấy theo bảng 5, TCVN 2737-1995 Chọn dạng địa hình B

- c: là hệ số khí động, đối với mặt đón gió c d   0.8, mặt hút gió c h   0.6 Hệ số tổng cho mặt đón gió và hút gió là: c0.8 0.6 1.4 

- Hệ số độ tin cậy của tải trọng gió là   1.2

- Tải trọng gió tĩnh được qui về thành lực tập trung tại các cao trình sàn, lực tập trung này được đặt tại tâm cứng của mỗi tầng, lực gió bằng áp lực gió nhân với diện tích đón gió Diện tích đón gió của từng tầng được tính như sau:

1

2

j j j

h h

- h h j, j1,B lần lượt là chiều cao tầng của tầng thứ j, j-1, và bề rộng đón gió Riêng tầng mái diện đón gió chỉ có của 1/2 tầng dưới

 Bề rộng đón gió theo phương x: B x  21.5 ( )m

 Bề rộng đón gió theo phương y: B y  59.6 ( )m

Bảng 4 5: Bảng xác định giá trị gió tĩnh

Mái 62.1 1.39 1.61 36.55 59.0 70.8 50.7 81.8 98.1

17 58.7 1.37 1.60 73.1 116.8 140.1 101.3 161.9 194.2

16 55.3 1.36 1.58 73.1 115.5 138.6 101.3 160.1 192.2

15 51.9 1.34 1.56 73.1 114.2 137.1 101.3 158.3 190.0

14 48.5 1.33 1.54 73.1 112.8 135.4 101.3 156.4 187.7

13 45.1 1.31 1.52 73.1 111.4 133.6 202.6 308.7 370.5

12 41.7 1.29 1.50 73.1 109.8 131.8 202.6 304.4 365.3

11 38.3 1.27 1.48 73.1 108.1 129.8 202.6 299.8 359.7

10 34.9 1.25 1.45 73.1 106.3 127.6 202.6 294.8 353.8

9 31.5 1.23 1.43 73.1 104.4 125.3 202.6 289.4 347.3

8 28.1 1.20 1.40 73.1 102.3 122.7 202.6 283.5 340.2

7 24.7 1.18 1.37 73.1 99.9 119.9 202.6 277.0 332.4

6 21.3 1.15 1.33 73.1 97.3 116.8 202.6 269.7 323.7

5 17.9 1.11 1.29 73.1 94.3 113.2 202.6 261.4 313.7

4 14.5 1.07 1.24 73.1 90.8 109.0 202.6 251.7 302.0

3 11.1 1.02 1.18 73.1 86.5 103.8 202.6 239.9 287.8

2 7.7 0.95 1.11 73.1 81.0 97.2 202.6 224.6 269.5

1 4.3 0.86 1.00 82.78 82.6 99.1 229.5 229.0 274.8 trệt 0

4.2.1.2 Thành phần động của tải trọng gió

Được xác định dựa trên cơ sở thành phần tĩnh của tải gió nhân với hệ số xét tới xung

của vận tốc gió và lực quán tính của công trình

- Công trình có độ cao 65.77m > 40m nên cần phải tính thành phần động của tải

trọng gió Để xác định được thành phần động của tải trọng gió thì cần xác định tần

số dao dộng riêng của công trình

- Giá trị tần số dao động riêng của công trình xét tới thành phần động của tải gió

được mô hình và giải với khối lượng dao động:

Mass source = DEAD + 0.5LIVE (hệ số chiết giảm 0.5 lấy theo TCVN 2737:1995

và TCXD 229:1999)

- Mô hình phân tích dao động để lấy tần số dao động đã được diễn giải chi tiết

trong Chương 5: Phân Tích Dao Động và Lựa Chọn Hệ Kết Cấu Chịu Lực

- Mặt băng công trình có trục đối xứng, do đó có thể tính theo công thức (4.7) và

(4.8) TCXD 229:1999 Tuy nhiên với mục đích sử dụng lâu dài và có thể ứng dụng

cho các công trình khác nên sinh viên chọn tính toán theo công thức (4.3) TCXD

229:1999

- Trong TCXD 229:1999 quy định, chỉ cần xét tới giao động của s dạng dao động

đầu tiên ứng với bất đẳng thức: f s  f L  f s1

 Trong đó, f L được tra trong bảng 2 – TCXD 229:1999

Bảng 4 6: Giá trị giới hạn tần số giao động riêng

Đối với kết cấu bê tông cốt thép lấy   0.3, vùng gió IIA nên ta được giá trị 1.3 ( )

L

f  Hz

- Gió động cho công trình được tính theo 2 phương x, y Mỗi modes dao động

trong etabs chỉ xét theo dạng dao động của phương có chuyển vị lớn hơn

- Các bước tính toán gió động được thực hiện như sau:

 Bước 1: Xác định tần số giao động riêng trong etabs

Bảng 4 7: Giá trị tần số dao động riêng cần tính toán

Modes Chu kỳ Dạng dao động tần số

f(Hz) ghi chú

1 2.518 thứ nhất theo phương x 0.397 tính

3 1.994 thứ nhất theo phương y 0.502 tính

4 0.668 thứ 2 theo phương x 1.497 f>fL

Vậy ta chỉ tính 2 dạng dao động đầu tiên là dạng dao động thứ nhất theo phương

x và dạng thứ nhất theo phương y

SVTH: Đoàn Văn Hiển - 81101155 GVHD:P.Gs-Ts Nguyễn Minh Long 21

 Bước 2: Tính giá trị tiêu chuẩn thành phần động của tải trọng gió khi chỉ xét đến

ảnh hưởng của xung vận tốc gió

Fj j j j

W W S

Trong đó:

 W j: Giá trị tiêu chuẩn của thành phần tĩnh của áp lực gió tác dụng lên

phần thứ j của công trình (tầng thứ j của công trình)

 j: Là hệ số áp lực động của tải gió, ở cao độ ứng với thành phần j của

công trình, không thứ nguyên và được lấy theo bảng 3 TCXD 229:1999

Bảng 4 8: Hệ số áp lực động của tải trọng gió

Theo TCVN 2737:1995 ứng với thời gian lấy trung bình vận tốc gió là 3s, hệ số áp

lực đông có thể xác định theo công thức

0.07

0.09

0.14

( ) 0.303

10

( ) 0.486

10

( ) 0.684

10

A

B

C

z z

z z

z z













 S j: Là diên truyền tải gió lên thành phần thứ j, được xác định như trong

phân tính thành phần tĩnh của tải gió

 : Là hệ số tương quan không gian áp lực động của tải gió ứng với các

dạng dao động khác nhau của công trình, không thứ nguyên Khi tính toán

với dạng dao động thứ nhất lấy   1, còn đối với các dạng dao động còn lại

lấy   1 Giá trị 1 được lấy theo bảng 4 – TCVN 229:1999 phụ thuộc vào

2 thông số  và  tra trong bảng 5 – TCVN 229:1999 Chúng ta xác định chiều cao công trình, mặt đón gió và mặt tính toán để xác định 2 hệ số  và



Hình 4 2: Hệ tọa độ để xác định hệ số tương quan

 (m) Hệ số 1 khi  bằng (m)

Bảng 4 9: Xác định hệ số tương quan

Mặt phẳng tọa độ cơ bản song

song với bề mặt tính toán ρ χ

Với công trình hiện tính, mặt phẳng tính toán là mặt đón gió zox Nên ta có

/ ;

x y

 Bước 3: Xác định giá trị tiêu chuẩn thành phần động của tải gió

tc

p ( ji ) j i i ji

W  M   y Trong đó:

SVTH: Đoàn Văn Hiển - 81101155 GVHD:P.Gs-Ts Nguyễn Minh Long 23

 M j: Khối lượng của thành phần giao động thứ j, đơn vị T và được lấy ra

từ bảng kết của dao động của Etabs

 i: Là hệ số động lực ứng với dạng dao động thứ i, không thứ nguyên

Phụ thuôc vào thông số i và độ giảm loga dao động

o i

i

W 940f



 

Với:

o  : Là hệ số độ tin cậy của tải trọng gió, lấy bằng 1.2

o W0: Là giá trị áp lực gió tiêu chuẩn theo vùng, 2

0 0.83 ( / )

o f i: Là tần số dao động riêng thứ i (Hz), lấy trong bảng 4.7

Sau khi tính toán các hệ số i ta tra đồ thị hình 2, đường cong 1 cho công

trình bê tông cốt thép để xác định giá trị hệ số động lực

 y ij: Là dịch chuyển tương đối của thành phần khối lượng thứ j, ứng với

dạng dao động thứ i của công trình

 i là hệ số được xác định bằng công thức:

1 2 1

n

ji Fj j

i n

ji j j

y W

y M





:

Fj

W Đã được xác định trong bước 2

 Bước 4: Xác định giá trị tính toán của thành phần động của tải trọng gió

p(ji)

pi

tt

W W 

Trong đó:

  là hệ số điều chỉnh tải trọng gió theo thời gian sử dụng của công trình,

được tra trong bảng 6 – TCXD 229:1999

  là hệ số độ tin cậy của tải trọng gió, lấy   1.2

Bảng 4 11: Hệ số 

Công trình Khu Tái Định Cư Bình Khánh có thời gian sử dụng trên 50 năm nên

lấy hệ số   1

Theo các bước trên, thành phần động của tải trọng gió tác dụng lên lên công trình

ứng với các dạng dao động theo các phương được tính toán và tổng hợp trong

bảng dưới đây

Bảng 4 12: Bảng thông số tính gió động

FL = 1.3 Hz

f1x = 2.1821 Hz 1x = 0.0154 1x = 1.28502

f1y = 1.6651 Hz 1y = 0.0202 1y = 1.3266

1x = 0.700 1y = 0.613

Thời gian sử dụng công trình: 50 năm ==>  = 1

SVTH: Đoàn Văn Hiển - 81101155 GVHD: P.Gs-Ts Nguyễn Minh Long 25

BẢNG TÍNH GIÓ ĐỘNG ỨNG VỚI DẠNG DAO ĐỘNG ĐẦU TIÊN f 1 Thông số chung tính gió Tính toán gió động theo phương x Tính toán gió động theo phương y

yijy

Mái 62.1 2803.4 1.61 0.412 -0.0069 36.55 17.0 66.3 79.6 -0.007 101.3 47.1 209.6 251.6

17 58.7 3090.5 1.60 0.414 -0.0065 73.1 33.8 68.9 82.6 -0.007 202.6 93.7 215.5 258.6

16 55.3 3090.5 1.58 0.417 -0.0062 73.1 33.6 65.7 78.8 -0.006 202.6 93.2 199.9 239.8

15 51.9 3090.5 1.56 0.419 -0.0059 73.1 33.4 62.5 75.0 -0.006 202.6 92.7 184.3 221.1

14 48.5 3099.5 1.54 0.422 -0.0055 73.1 33.2 58.4 70.1 -0.006 202.6 92.1 172.3 206.7

13 45.1 3109.8 1.52 0.424 -0.0051 73.1 33.0 54.4 65.2 -0.005 202.6 91.5 157.1 188.6

12 41.7 3109.8 1.50 0.427 -0.0047 73.1 32.8 50.1 60.1 -0.005 202.6 90.8 141.4 169.7

11 38.3 3121.2 1.48 0.431 -0.0043 73.1 32.5 46.0 55.2 -0.004 202.6 90.2 126.2 151.4

10 34.9 3134.4 1.45 0.434 -0.0039 73.1 32.2 41.9 50.3 -0.004 202.6 89.4 110.9 133.0

9 31.5 3134.4 1.43 0.438 -0.0034 73.1 32.0 36.5 43.8 -0.003 202.6 88.6 98.2 117.8

8 28.1 3145.8 1.40 0.443 -0.003 73.1 31.6 32.3 38.8 -0.003 202.6 87.7 82.6 99.2

7 24.7 3158.9 1.37 0.448 -0.0025 73.1 31.3 27.1 32.5 -0.002 202.6 86.7 70.2 84.3

6 21.3 3158.9 1.33 0.454 -0.0021 73.1 30.8 22.7 27.3 -0.002 202.6 85.5 57.5 69.0

5 17.9 3171.7 1.29 0.461 -0.0017 73.1 30.4 18.5 22.2 -0.001 202.6 84.2 44.9 53.8

4 14.5 3186.3 1.24 0.470 -0.0013 73.1 29.8 14.2 17.0 -0.001 202.6 82.6 32.2 38.6

3 11.1 3186.3 1.18 0.481 -0.0009 73.1 29.1 9.8 11.8 -7E-04 202.6 80.6 22.5 27.0

2 7.7 3199.1 1.11 0.498 -0.0006 73.1 28.1 6.6 7.9 -5E-04 202.6 78.0 16.2 19.4

1 4.3 3362.2 1.00 0.505 -0.0003 82.775 29.1 3.5 4.1 -2E-04 229.5 80.7 6.8 8.2

Bảng 4 13: Bảng tính thành phần động của tải gió.

4.2.1.3 Tổ hợp nội lực gây ra bởi tải trọng gió

- Theo Mục 4.12 TCXD 229:1999, nội lực và chuyển vị gây ra do thành phần tĩnh

và động của tải trọng gió được xác định như sau:

s

i

i 1



  

Trong đó:

 X: là momen uốn (xoắn), lực cắt, lực dọc, hoặc chuyển vị

 Xt: là momen uốn (xoắn), lực cắt, lực dọc, hoặc chuyển vị do thành phần tĩnh của tải trọng gió gây ra

i

X : là momen uốn (xoắn), lực cắt, lực dọc, hoặc chuyển vị do thành phần động của tải trọng gió gây ra khi dao động ở dạng thứ i

 s : số dạng dao dộng đang tính toán

- Dễ thấy là s = 1 nên XXt X1d Nói chung, kết cấu còn làm việc trong giai đoạn đàn hồi, nên chúng ta có thể áp dụng nguyên lý cộng tác dụng trong sức bền vật liệu Từ đó thấy rằng tổng nội lực, chuyển vị dưới tác dụng của 2 thành phần tĩnh

và động của tải trọng gió cũng bằng nội lực, chuyển vị gây ra bởi một tải trọng có giá trị bằng tổng tải trọng của hai thành phần đó

Vậy khi tính toán có thể tổ hợp hai thành phần này với nhau

4.2.2 : Tải trọng động đất (Sử dụng trong khung có thiết kế kháng chấn)

4.2.2.1 Xác định mức độ thiết kế kháng chấn cho công trình

- Công trình thuộc loại công trình nhà ở, chung cư Tra phụ lục E TCVN 9386:2012 với mức độ quan trọng của công trình thuộc mức II, hệ số tầm quan trọng 1

I

 

- Công trình được xây dựng tại quận 2 – Thành Phố Hồ Chí Minh, tra Phụ lục H – TCVN 9386:2012 Bảng phân vùng gia tốc nền ta được gia tốc tham chiếu nền:

2

/ 0.0856 0.8397 0.8397 ( / )

a g a  a a   m s

Trong đó:

 a gR/ g : là gia tốc nền tham chiếu quy đổi theo gia tốc trọng trường, tra được theo phụ lục H

 g: là gia tốc trọng trường, 2

9.81 ( / )

g  m s

 a gR: là gia tốc nền tham chiếu

 a g: là gia tốc thiết kế

- Theo mục 3.2.1 TCVN 9386:2012 ta có:

0.78 ( / )

g

a  m s  Động đất mạnh, cần tính toán và cấu tạo kháng chấn

SVTH: Đoàn Văn Hiển - 81101155 GVHD:P.Gs-Ts Nguyễn Minh Long 27

0.39 (m s/ )a g 0.78 (m s/ ) Động đất yếu, giảm nhẹ các biện pháp kháng chấn

0.39 ( / )

g

a  m s  Động đất rất yếu, không cần thiết kế kháng chấn

- Với công trình Khu Tái Định Cư Bình Khánh cần tính toán và cấu tạo kháng chấn

đầy đủ

4.2.2.2 Xác Định Hệ Số Ứng Xử Của Kết Cấu

Là hệ số xét đến khả năng tiêu tán năng lượng của kết cấu

Theo mục 5.2.2.2 TCVN 9386:2012 ta có công thức xác định hệ số ứng xử của kết cấu theo phương nằm ngang như sau:

0 w 1.5

qq k 

Trong đó:

 q0: là giá trị cơ bản của hệ số ứng xử, phụ thuộc vào loại kết cấu và tính đều đặn của mặt đứng Tra bảng 5.1 TCVN 9386:2012 cho hệ có sự đều đặn theo mặt đứng kết cấu:

Bảng 4 14: Giá trị cơ bản của hệ số ứng xử cho hệ có sự đều đặn theo mặt đứng

o Công trình đang xét có kết cấu thuộc hệ khung, hệ hỗn hợp do đó

0 3 u 1

q   l

o  u / 1 Xác định bằng cách sử dụng các giá trị xấp xỉ được nêu trong tiêu chuẩn, phụ thuộc loại kết cấu:

Kết cấu công trình thuộc hệ khung, hỗn hợp tương đương khung Xét với công trình nhiều tầng, nhiều nhịp ta có  u / 1 1.3

 k w: Là hệ số phản ánh dạng thường gặp trong hệ kết cấu có tường và được lấy bằng 1 với hệ khung và kết cấu hỗn hợp tương đương khung

Vậy hệ số ứng xử cho kết cấu công trình: q 3( u / 1) kw  3 1.3 1   3.9

4.2.2.3 Các phương pháp tính toán động đất

Có 2 phương pháp phổ biến để tính toán tải trọng động đất là: Phương pháp lực tĩnh ngang tương đương và phương pháp phân tích phổ phản ứng

- Phương pháp lực tĩnh ngang tương đương là phương pháp trong đó lực quán tính

do động đất sinh ra tác động lên công trình theo phương nằm ngang được thay bằng các lực tĩnh ngang Lực tĩnh do tác động của động đất đặt tập trung tại chân công