4.3.1. Tải trọng cơ bản:
Tải trọng tĩnh tải, hoạt tải sử dụng tác dụng vào khung được sinh viên trình bày ở chương 2. Ở mục này sinh viên trình bày hai loại tải quan trọng trong thiết kế nhà cao tầng là tính toán tải gió theo TCVN 273-1995 (kết hợp chỉ dẫn 229-1999 tính toán gió động) và tải động đất theo TCVN 9386-2012.
4.3.2. Tải gió:
Công trình có độ cao h = 57.8m so với mặt đất tự nhiên > 40m nên phải tính phần gió tĩnh và cả gió động do dao động riêng của công trình gây ra (theo điều 6.2 TCVN 2737-1995: Tải trọng và tác động)
Tải trọng gió gồm 2 thành phần: Gió tĩnh và gió động.
4.3.2.1. Gió tĩnh:
Quan niệm sàn tuyệt đối cứng sinh viên gán tải trọng gió vào tâm khối lượng sàn.
Gió tĩnh được xác định theo công thức:
W tc = WjBh = W o kcBh (kN) W tt = nWjBh = n.W o .k.c.B.h (kN) Trong đó:
W o : Giá trị áp lực gió, lấy theo bản đồ phân vùng (phụ lục D và điều 6.4 TCVN 2737-1995).
Do công trình được xây dựng tại TPHCM thuộc vùng áp lực gió IIA nên lấy W o = 0.83 kN/m 2 (bảng E1-TCVN 2737-1995 kết hợp điều 6.4.1 của tiêu chuẩn này)
k: Hệ số tính đến sự thay đổi áp lực gió (tra bảng 5 TCVN 2737-1995), theo dạng địa hình B c: Hệ số khí động, c = 0.8 + 0.6=1.4 (tra bảng 6 TCVN 2737-1995)
n: Hệ số vượt tải, n = 1.2 (theo điều 6.3 TCVN 2737-1995)
B: Bề rộng đón gió của khung đang xét (B = 19.4m theo phương X và B=51.35m theo phương Y)
h: Diện truyền tải (tương ứng với chiều cao đoán gió mỗi tầng).
Bảng 4.2- Kết quả tính gió tĩnh theo phương X.
STT Tầng H (m) Z j (m) k j H j
(m) L Yj (m) W Xj
(kN)
1 Tầng 1 3.4 1.2 0.363 3.30 24.0 40.0
2 Tầng 2 4.2 5.4 0.552 3.85 24.0 71.2
3 Tầng 3 3.5 8.9 0.635 3.50 24.0 74.4
4 Tầng 4 3.5 12.4 0.697 3.50 24.0 81.7
5 Tầng 5 3.5 15.9 0.747 3.50 24.0 87.5
6 Tầng 6 3.5 19.4 0.790 3.50 24.0 92.6
7 Tầng 7 3.5 22.9 0.828 3.50 24.0 97.0
8 Tầng 8 3.5 26.4 0.861 3.50 24.0 100.9
9 Tầng 9 3.5 29.9 0.892 3.50 24.0 104.5
10 Tầng 10 3.5 33.4 0.920 3.50 24.0 107.8
11 Tầng 11 3.5 36.9 0.946 3.50 24.0 110.8
12 Tầng 12 3.5 40.4 0.970 3.50 24.0 113.7
13 Tầng 13 3.5 43.9 0.993 3.5 24.0 116.3
14 Tầng 14 3.5 47.4 1.015 3.5 24.0 118.9
15 Tầng 15 3.5 50.9 1.035 3.5 24.0 121.3
16 Sân thượng 3.5 54.4 1.055 1.75 24.0 61.8
17 Mái 3.4 57.8 1.073 1.70 9.0 22.9
SUM 60.0 1523.1
Bảng 4.3- Kết quả tính gió tĩnh theo phương Y.
STT Tầng H (m) Z j (m) k j H j
(m) L Xj (m) W Yj
(kN)
1 Tầng 1 3.4 1.2 0.363 3.30 40.5 67.6
2 Tầng 2 4.2 5.4 0.552 3.85 40.5 120.1
3 Tầng 3 3.5 8.9 0.635 3.50 40.5 125.6
4 Tầng 4 3.5 12.4 0.697 3.50 40.5 137.8
5 Tầng 5 3.5 15.9 0.747 3.50 40.5 147.7
6 Tầng 6 3.5 19.4 0.790 3.50 40.5 156.2
7 Tầng 7 3.5 22.9 0.828 3.50 40.5 163.6
8 Tầng 8 3.5 26.4 0.861 3.50 40.5 170.3
9 Tầng 9 3.5 29.9 0.892 3.50 40.5 176.3
10 Tầng 10 3.5 33.4 0.920 3.50 40.5 181.9
11 Tầng 11 3.5 36.9 0.946 3.50 40.5 187.0
12 Tầng 12 3.5 40.4 0.970 3.50 40.5 191.8
13 Tầng 13 3.5 43.9 0.993 3.50 40.5 196.3
14 Tầng 14 3.5 47.4 1.015 3.50 40.5 200.6
15 Tầng 15 3.5 50.9 1.035 3.50 40.5 204.6
16 Sân thượng 3.5 54.4 1.055 1.75 40.5 104.2
17 Mái 3.4 57.8 1.073 1.70 8.2 21.6
SUM 49.5 2553.3
4.3.2.2. Gió động:
- Do công trình cao 57.8m (tính từ MĐTN) > 40 m nên phải tính đến thành phần động của tải gió. Để xác định được thành phần động của tải trọng gió thì cần xác định tần số dao dộng riêng của công trình.
- Thiết lập sơ đồ tính toán động lực học.
- Sơ đồ tính toán là hệ thanh công xôn có hữu hạn điểm tập trung khối lượng.
- Chia công trình thành n phần sao cho mỗi phần có độ cứng và áp lực gió lên bề mặt công trình có thể coi như không đổi.
- Vị trí của các điểm tập trung khối lượng đặt tương ứng với cao trình sàn.
- Giá trị khối lượng tập trung bằng tổng của trọng lượng bản thân kết cấu, tải trọng các lớp cấu tạo sàn (phân bố đều trên sàn), hoạt tải (phân bố đều trên sàn). TCVN 2737 : 1995 và TCXD 229 : 1999 cho phép sử dụng hệ số chiết giảm đối với hoạt tải, tra bảng 1 (TCXD 229 : 1999), lấy hệ số chiết giảm là 0.5.
Sơ đồ tính toán động lực tải gió tác dụng lên công trình.
- Việc tính toán tần số dao động riêng của 1 công trình nhiều tầng là rất phức tạp, do đó cần phải có sự hỗ trợ của các chương trình máy tính. Trong đồ án này phần mềm ETABS được dùng để tính toán các tần số dao động riêng của công trình.
Mô hình phân tích kết cấu.
Việc mô hình trong chương trình ETABS được thực hiện như sau:
- Cột và dầm được mô hình bằng phần tử Line.
- Vách và sàn được mô hình bằng phần tử Area.
- Trọng lượng bản thân của kết cấu do ETABS tự tính toán.
- Trọng lượng các lớp cấu tạo sàn được phân bố đều trên sàn.
- Trọng lượng bản thân tường được gán trên dầm và dầm None.
- Hoạt tải được gán phân bố đều trên sàn.
- Trong TCXD 229 : 1999, quy định chỉ cần tính toán thành phần động của tải trọng gió ứng với s dạng dao động đầu tiên, với tần số dao động riêng cơ bản thứ s thỏa mãn bất đẳng thức:
s L s 1
f f f
- Trong đó: fL được tra trong bảng 2 TCXD 229 : 1999, đối với kết cấu sử dụng bê tông cốt thép, lấy δ = 0.3, ta được fL = 1.3 Hz. Cột và vách được ngàm với móng.
- Gió động của công trình được tính theo 2 phương X và Y, mỗi dạng dao động chỉ xét theo phương có chuyển vị lớn hơn. Tính toán thành phần động của gió gồm các bước sau:
+ Bước 1: Xác định tần số dao động riêng.
+ Sử dụng phần mềm ETABS khảo sát với 12 Mode dao động của công trình.
Bảng 4.4- Kết quả mode dao động.
Mode Period Tần số
fL (1/s) Dao động Ghi chú
1 2.32 0.431 Phương X Tính
2 2.31 0.433 Phương Y Tính
3 1.84 0.542 Xoắn Không tính
4 0.63 1.576 Phương X Không tính 5 0.62 1.618 Phương Y Không tính
6 0.51 1.944 Xoắn Không tính
7 0.29 3.426 Phương X Không tính 8 0.27 3.638 Phương Y Không tính
9 0.24 4.213 Xoắn Không tính
10 0.17 5.848 Phương X Không tính 11 0.16 6.406 Phương Y Không tính
12 0.14 7.316 Xoắn Không tính
+ Nhận xét: Tần số dao động riêng: f3 < fL = 1.3Hz < f4 .Vì vậy, theo điều 4.3 TCXD 229 : 1999, ta cần tính toán thành phần động của gió có kể đến tác dụng của cả xung vận tốc gió và lực quán tính của công trình tương ứng với 3 dạng dao động đầu tiên.
Tuy nhiên do dạng dao động 3 là xoắn nên ta không xét đến trong tính toán.
+ Bước 2: Xác định giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của áp lực gió lên các phần tính toán của công trình. Giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của áp lực gió W j ở độ cao z j so với mốc tại mặt đất được xác định theo công thức:
Wj = W 0 x k x z j x C (kN/m 2 ) - Trong đó:
+ W 0 : Giá trị áp lực gió tiêu chuẩn. Công trình xây dựng tại TP. Hồ Chí Minh thuộc vùng II-A: Wo = 83 daN/m 2 = 0.83 kN/m 2 .
+ c: Hệ số khí động. Phía đón gió c = + 0.8, phía hút gió c = - 0.6 + c = 0.6 + 0.8 = 1.4
+ k zj : Hệ số xét đến sự thay đổi áp lực gió theo chiều cao (tra bảng 5 - TCVN 2737 : 1995, theo dạng địa hình B).
+ Kết quả tính toán như mục 5.4.4.1
+ Bước 3: Xác định thành phần động của tải trọng gió tác dụng lên công trình.
+ Giá trị tiêu chuẩn thành phần động của tải gió tác dụng lên phần thứ j, ứng với dạng dao động thứ i được xác địng theo công thức.
WP(j1)=Mj ξ1ψ1yj1 - Trong đó:
+ WP(ij): lực, đơn vị tính toán kN.
+ Mj: khối lượng tập trung của phần công trình thứ j, T.
+ i: hệ số động lực ứng với dạng dao động thứ i, không thứ nguyên.
Đồ thị xác định hệ số động lực + i: hệ số được xác định bằng cách chia công trình thành n phần.
+ Xác định Mj: Khối lượng các điểm tập trung theo các tầng được xuất từ ETABS (Center Mass Rigidity)
+ Xác định i
+ Hệ số động lực được xác định ứng với 3 dạng dao động đầu tiên, phụ thuộc vào thông số i và độ giảm loga của dao động:
o i
i
W 940 f
- Trong đó:
+ Hệ số tin cậy tải trọng gió lấy = 1.2 + f i : Tần số dao động riêng thứ i.
+ W 0 : Giá trị áp lực gió. Lấy bằng 0.83 kN/m 2 = 830 N/m 2
+ Công trình bằng BTCT với = 0.3 nên ta tra theo đường số 1 trên đồ thị (TCXD 229 : 1999).
+ Xác định i :
+ Hệ số i được xác định theo công thức:
n
ji Fj j 1
i n
2 ji j j 1
(y W ) (y M )
+ Trong đó:
+ yji: dịch chuyển ngang tỉ đối của trọng tâm phần công trình thứ j ứng với dạng dao động riêng thứ i
+ WFj - giá trị tiêu chuẩn thành phần động của tải trọng gió tác dụng lên phần thứ j của công trình, ứng với các dạng dao động khác nhau khi chỉ kể đến ảnh hưởng của xung vận tốc gió, được xác định theo công thức:
WFj = Wj j Sj (kN) (*) + Wj: giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của gió (kN/m 2 ) + Sj: diện tích đón gió phần công trình thứ j (m 2 )
+ : hệ số tương quan không gian áp lực động của tải trọng gió.
là hệ số tương quan không gian áp lực động của tải trọng gió ứng với dạng dao động khác nhau của công trình, không thứ nguyên. Khi tính toán với dạng dao động thứ nhất thì lấy bằng 1, còn đối với các dạng dao động còn lại, lấy bằng 1.
+ Giá trị 1 được lấy theo bảng 10, TCVN 2737 : 1995, phụ thuộc vào 2 tham số ρ và χ.
Tra bảng 11, TCVN 2737 : 1995 để có được 2 thông số này, a và b được xác định như hình sau (mặt màu đen là mặt đón gió):
Hệ tọa độ xác định hệ số tương quan Bảng 4.5- Các tham số ρ và χ.
Mặt phẳng tọa độ cơ bản song song với bề mặt tính toán ρ χ
ZOY b h
ZOX 0.4a h
XOY b a
Bảng 4.6- Hệ số tương quan không gian 1
ρ (m) Hệ số 1 khi χ bằng (m)
5 10 20 40 80 160 350
0.1 0.95 0.92 0.88 0.83 0.76 0.67 0.56
5 0.89 0.87 0.84 0.80 0.73 0.65 0.54
10 0.85 0.84 0.81 0.77 0.71 0.64 0.53
20 0.80 0.78 0.76 0.73 0.68 0.61 0.51
40 0.72 0.72 0.7 0.67 0.63 0.57 0.48
80 0.63 0.63 0.61 0.59 0.56 0.51 0.44
160 0.53 0.53 0.52 0.50 0.47 0.44 0.38
+ Để sử dụng các hệ số tương quan không gian 1, ta cần kết hợp nội suy hai chiều.
Bảng 4.7- Bảng các thông số cần xuất.
Thông số Ký
hiệu Giá trị Đơn
vị Ghi chú
- Giá trị áp lực gió W o 83 kG/m 2 Bảng 4 (TCVN 2737:1995) - Giá trị giới hạn của tần số f L 1.3 H z Bảng 9 (TCVN 2737:1995) - Tham số xác định hệ số n 1 56.6 m Bảng 11 (TCVN 2737:1995) - Tham số xác định hệ số n 1X 1X 24 m Bảng 11 (TCVN 2737:1995) - Tham số xác định hệ số n 1Y 1Y 40.5 m Bảng 11 (TCVN 2737:1995) - Hệ số tương quan không gian 1X 0.747 Bảng 10 (TCVN 2737:1995) - Hệ số tương quan không gian 1Y 0.652 Bảng 10 (TCVN 2737:1995)
Thông số i i i
phương X 0.078 1.720 0.041
phương Y 0.078 1.717 0.035
Bảng 4.8- Thành phần động của tải gió theo phương X và phương Y.
STT Tầng M j (kN) W pjiX (kN) W pjiY (kN)
1 Tầng 1 1226.38 0 0
2 Tầng 2 1249.61 3.88 7.11
3 Tầng 3 1240.87 8.75 12.84
4 Tầng 4 1240.87 14.87 20.54
5 Tầng 5 1237.38 21.81 30.72
6 Tầng 6 1234.45 28.72 40.86
7 Tầng 7 1234.45 36.55 52.35
8 Tầng 8 1234.45 43.52 63.84
9 Tầng 9 1234.45 51.35 74.06
10 Tầng 10 1233.03 58.25 85.45
11 Tầng 11 1129.51 59.73 87.63
12 Tầng 12 1231.86 72.09 104.48
13 Tầng 13 1231.86 78.17 114.68
14 Tầng 14 1231.86 83.38 122.32
15 Tầng 15 1231.86 88.59 131.24
16 Sân thượng 1199.85 89.22 133.35
17 Mái 54.84 2.12 3.14
SUM 741 1085
4.3.2.3. Tổ hợp thành phần tĩnh và thành phần động của tải gió:
Thành phần tĩnh và động của tải trọng gió được tổ hợp theo TCVN 229:1999 như sau:
2
1
t s d
i i
X X X
Tải trọng gió được phân phối vào công trình như sau:
+ Thành phần tĩnh của tải trọng gió được quy thành tải trọng tập trung tác dụng vào tâm cứng của từng tầng.
+ Thành phần động của tải trọng gió được quy thành tải trọng tập trung tác dụng vào tâm khối lượng của từng tầng.
4.3.3. Tải động đất:
+ Động đất được xem như là một trong những yêu cầu bắt buộc không thể thiếu và là yêu cầu quan trọng nhất khi thiết kế các công trình cao tầng. Do đó, bất kỳ công trình xây dựng nào nằm ở phân vùng về động đất phải tính toán tải trọng động đất.
+ Tính toán lực động đất theo tiêu chuẩn TCVN 9386 : 2012 (Thiết kế công trình chịu động đất)
+ Theo TCVN 9386 : 2012, có 2 phương pháp tính toán tải trọng động đất là phương pháp tĩnh lực ngang tương đương và phương pháp phân tích phổ dao động.
+ Theo mục 3.2.4.2(P) TCVN 9386 : 2012: Các hiệu ứng quán tính của tác động động đất thiết kế phải được xác định có xét đến các khối lượng liên quan tới tất cả các lực trọng trường xuất hiện trong tổ hợp tải trọng sau:
G k,j "+" E,i . Q k,i
Trong đó:
E,i là hệ số tổ hợp tải trọng đối với tác động thay đổi thứ i.
Các hệ số tổ hợp E,i xét đến khả năng là tác động thay đổi Q k,i không xuất hiện trên toàn bộ công trình trong thời gian xảy ra động đất.
Các hệ số tổ hợp E,i trong 3.2.4(2)P dùng để tính toán các hệ quả của tác động động đất phải được xác định theo biểu thức sau:
E,i = . 2,i
Bảng 4.9- Giá trị của để tính toán Ei
Tầng
Các loại từ A - C* Mái
Các tầng được sử dụng đồng thời Các tầng được sử dụng độc lập
1,0 0,8 0,5 Các loại từ D-F* và kho lưu
trữ
1,0
* Các loại tác động thay đổi được định nghĩa trong Bảng 3.4.
Bảng 4.10- Các giá trị 2,i đối với các loại nhà.
Tác động 2,i
Tải trọng đặt lên nhà, loại
Loại A: Khu vực nhà ở, gia đình 0,3
Loại B: Khu vực văn phòng 0,3
Loại C: Khu vực hội họp 0,6
Loại D: Khu vực mua bán 0,6
Loại E: Khu vực kho lưu trữ 0,8
Loại F: Khu vực giao thông, trọng lượng xe ≤ 30 kN 0,6 Loại G: Khu vực giao thông, 30 kN ≤ trọng lượng xe ≤ 160 kN 0,3
Loại H: Mái 0
+ Trong đồ án này sinh viên lựa chọn 2,i = 0.3 (dành cho khu vực nhà ở) và = 0.8 (cho trường hợp các tầng sử dụng đồng thời ).
Hệ số chiết giảm khối lượng khi tính động đất là: 0.3 x 0.8 = 0.24.
Bảng 4.11- Kết quả chu kỳ dao động.
Mode Period UX UY
1 2.33 122.34 16.89 2 2.29 16.95 -121.75 + Địa điểm công trình:
+ Tỉnh, thành: TP.HCM + Quận, huyện: Quận 2
+ Loại đất nền: D (Lớp đất dự kiến đặt móng có chỉ số N SPT dưới mũi cọc khoảng 5m nằm trong (nhát/20cm), dựa trên bảng 3.2-TCXD 9386:2012 để kết luận loại đất nền).
+ Hệ số tầm quan trọng: I = 1, được xác định dựa vào Phụ lục F-TCXD 9386:2012.
+ Đặc điểm kết cấu:
+ Cấp dẻo: trung bình, do ớ nước ta chưa sản xuất được vật liệu để đáp ứng cấp dẻo cao chỉ có thể sản xuất được vật liệu phù hợp với cấp dẻo trung bình.
+ Loại kết cấu: hệ hỗn hợp tương đương tường, do khả năng chịu cắt của hệ tường tại chân đế của nhà lớn hơn 50% tổng khả năng chịu cắt của toàn bộ hệ kết cấu.
+ Các thông số dẫn xuất:
+ Gia tốc nền quy đổi: a gRo = 0.0856, bảng tra Phụ lục I + Gia tốc nền: a gR = 0.0856 x 9.81 = 0.8397 m/s 2
+ Gia tốc nền thiết kế: a g a . gR I 0.8397x1 0.8397m / s 2 + Thông số xác định phổ: tra bảng 3.2 TCXD9386:2012 + Hệ số nền S = 1.35
+ Giới hạn dưới của chu kỳ T B = 0.2s + Giới hạn trên của chu kỳ T C = 0.6s
+ Giá trị xác định điểm bắt đầu của phản ứng dịch chuyển T D = 2s
+ Hệ số ứng xử: q q k o w 1.5 (chỉ dẫn tính toán tại mục 5.2.2.2 TCXD9386:2012) + Trong đó:
+ o u
1
q 3 3x1.3 3.9
, là giá trị cơ bản của hệ số ứng xử, phụ thuộc vào loại hệ kết cấu và tính đều đặn của công trình theo mặt đứng;
+ w 1 0
0.5 k 1
3
, là hệ số phản ánh dạng phá hoại phổ biến trong hệ kết cấu có tường;
Với 0 wi
wi
h 3.5x4 3.5x4 3.5x2 l 4.5x4 7x4 6.1x2 0.6
w
1 0.6
k 0.53
3
+ q = 3.9 x 0.53 = 2.067
+ Hệ số xác định cận dưới: 0.2 (theo mục 3.2.2.5)
+ Hệ số điều chỉnh đế kết quả gần xác với thực tế: 1 (theo mục 4.3.3.2.2)
+ Với chu kì T1(x) = 2.33s, T2(y) = 2.29s. Không thỏa mãn yêu cầu phương pháp tĩnh lực ngang tương đương:
C 1
4T 2.4s
T 2s
+ (điều 4.3.3.2 TCVN 9386 : 2012). Nên trong đồ án này tải trọng động đất sẽ được tính toán theo phương pháp phổ phản ứng.
+ Xây dựng phổ phản ứng thiết kế theo phương ngang, S d (T):
B d g
B
2 T 2,5 2
0 T T : S (T) a .S.
3 T q 3
B C d g
T T T : S (T) a .S. 2,5
q
C g
C D d
g
T a .S. 2,5 .
q T
T T T : S (T)
.a
C D
g 2
D d
g
2, 5 T T a .S. .
q T
T T : S (T)
.a
+ Xây dựng phổ phản ứng thiết kế theo phương đứng, S vd (T)
Theo mục 4.3.3.5.2 TCXD9386:2012, qui định thành phần thẳng đứng được xét tới trong trường hợp a vg 2.5g 2.5m / s 2 . Công trình được đặt tại quận 2 với a vg = 0.9 x a g = 0.9 x 0.8397
= 0.756 m/s 2 nên không cần xét đén thành phần đứng của tải trọng động đất. Do đó, không cần xây dựng phổ phản ứng theo phương đứng.
+ Phổ thiết kế:
Phổ thiết kế khai báo trong phần mềm Etabs.
Tải động đất gán vào mô hình Etabs.