CHƯƠNG 4. TẢI TRỌNG VÀ TÁC ĐỘNG
4.5. TẢI TRỌNG NGANG – TẢI GIÓ
4.5.2. Thành phần động của tải trọng gió
4.5.2.1. Khai báo các tải trọng thiết lập trong mô hình etabs :
Để ETABS có thể tính được tần số dao động cần khai báo tĩnh tải và hoạt tải tác dụng lên công trình. Thông qua tải trọng (hoạt tải và tỉnh tải) ETABS tính khối lượng và thông qua tiết diện dầm, sàn, cột ETABS tự động tính độ cứng K. Theo tiêu chuẩn TCXD 229:1999, khối lượng phân tích bài toán động lực học lấy với hệ số như sau:
GVHD: TS. ĐÀO DUY KIÊN TRANG 46 Khối lượng tập trung được khai báo khi phân tích dao động là 100% tĩnh tải và 50% hoạt tải.
Hình 4.4 Mô hình 3D phân tích công trình
GVHD: TS. ĐÀO DUY KIÊN TRANG 47 Hình 4.5 Tải trọng lớp hoàn thiện tác dụng lên sàn điển hình (Tải TC)
Hình 4.6 Hoạt tải ( HT<200 ) tác dụng lên sàn điển hình (Tải TC)
GVHD: TS. ĐÀO DUY KIÊN TRANG 48 Hình 4.7 Hoạt tải ( HT >=200 ) tác dụng lên sàn điển hình (Tải TC)
Hình 4.8 Tải tường tác dụng lên sàn điển hình (Tải TC) 4.5.2.2. Khảo sát các dao động riêng của hệ
Toàn bộ các kết cấu chịu lực của công trình được mô hình hoá dạng không gian
3 chiều, sử dụng các dạng phần tử khung (frame) cho cột, dầm và phần tử tấm vỏ (shell) cho sàn và vách cứng. Tính toán chu kì dao động riêng và dạng dao động riêng cho 12 dạng dao động riêng đầu tiên.
GVHD: TS. ĐÀO DUY KIÊN TRANG 49 Hình 4.9 Các dạng dao động cơ bản
Hình 4.10 Mode 1 - dạng dao động 1 – phương X
Hình 4.11 Mode 2 - dạng dao động 1 – phương Y
GVHD: TS. ĐÀO DUY KIÊN TRANG 50 Hình 4.12 Mode 3 - dạng dao động 3 – phương xoắn
4.5.2.3. Kết quả phân tích động lực học
Bảng 4.16 Bảng giá trị chu kỳ dao động riêng
Mode Period
sec UX UY RZ Sum UX Sum UY Sum RZ
1 2.63 58.270 0.380 4.710 58.270 0.380 4.710
2 2.45 2.020 40.450 15.760 60.290 40.830 20.470
3 2.12 0.870 20.110 35.500 61.160 60.940 55.970
4 0.78 10.960 0.010 0.460 72.110 60.950 56.430
5 0.70 0.160 8.110 3.470 72.270 69.070 59.900
6 0.59 0.100 4.560 7.140 72.380 73.630 67.040
7 0.39 4.400 0.000 0.070 76.780 73.630 67.110
8 0.34 0.030 3.020 1.520 76.810 76.640 68.630
9 0.28 0.010 1.920 2.590 76.820 78.560 71.230
10 0.24 2.340 0.001 0.004 79.160 78.560 71.230
11 0.22 0.000 0.420 0.320 79.160 78.980 71.550
12 0.21 0.460 0.040 0.000 79.620 79.020 71.550
GVHD: TS. ĐÀO DUY KIÊN TRANG 51 4.5.2.4. Khối lượng các tầng và tọa độ tâm khối lượng, tâm cứng
Bảng 4.17 Bảng khối lượng các tầng và tọa độ tâm cứng, tâm khối lượng
Story Diaphragm Mass X Mass Y XCM YCM XCR YCR
Tấn Tấn m m m m
MAI D1 69.81 69.81 70.1814 43.0691 69.8295 43.0385
KTTM D1 224.33 224.33 47.2226 42.8999 51.8782 41.3127 TUM THANG D1 1399.66 1399.66 64.2736 39.9134 44.5089 38.3599 T22 D1 2927.95 2927.95 49.2814 39.6375 44.2065 38.2951 T21 D1 3313.35 3313.35 46.5148 39.6325 44.0675 38.2335 T20 D1 3310.45 3310.45 46.5148 39.6321 43.9536 38.1687 T19 D1 3310.45 3310.45 46.5148 39.6321 43.8516 38.0955 T18 D1 3310.45 3310.45 46.5148 39.6321 43.7569 38.0144 T17 D1 3310.45 3310.45 46.5148 39.6321 43.6669 37.9255 T16 D1 3310.45 3310.45 46.5148 39.6321 43.5801 37.8284 T15 D1 3310.45 3310.45 46.5148 39.6321 43.4951 37.7218 T14 D1 3321.65 3321.65 46.5277 39.6566 43.4103 37.5999 T13 D1 3324.00 3324.00 46.5328 39.6567 43.3299 37.4801 T12 D1 3324.00 3324.00 46.5328 39.6567 43.2504 37.3579 T11 D1 3324.00 3324.00 46.5328 39.6567 43.1718 37.2284 T10 D1 3324.00 3324.00 46.5328 39.6567 43.0941 37.0881 T9 D1 3324.00 3324.00 46.5328 39.6567 43.0176 36.9338 T8 D1 3318.05 3318.05 46.5519 39.6346 42.9432 36.7595 T7 D1 3278.20 3278.21 46.5889 39.6253 42.8705 36.5442 T6 D1 3271.38 3271.38 46.5912 39.6258 42.812 36.3155 T5 D1 3271.38 3271.38 46.5912 39.6258 42.7702 36.0649 T4 D1 3271.38 3271.38 46.5912 39.6258 42.7556 35.7432 T3 D1 3418.63 3418.63 47.7645 38.1672 42.7962 35.2772
T2 D1 3212.50 3212.50 47.038 38.0879 43.0855 34.156
TRET D1 8941.94 8941.94 46.5047 28.1805 47.6511 28.502 HAM 1 D1 6940.85 6940.85 46.8269 30.3715 45.9425 29.0139 4.5.2.5. Xác định giá trị tính toán thành phần động tải gió:
Thành phần động của gió được xác định dựa theo tiêu chuẩn TCVN 229 -1999.
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. Trong tiêu chuẩn chỉ kể đến thành phần gió dọc theo phương X và phương Y bỏ qua thành phần gió ngang, momen xoắn.
Các bước xác định thành phần gió động theo tiêu chuẩn TCVN 229-1999 như sau:
- Bước 1: Thiết lập sơ đồ tính toán động lực.
- Bước 2: Xác định tần số và dạng dao động theo phương X và phương Y - Bước 3: Tính toán thành phần động theo phương X và phương Y Số dạng dao động cần tính:
GVHD: TS. ĐÀO DUY KIÊN TRANG 52 Tùy mức độ nhạy cảm của công trình đối với tác dụng động lực của tải trọng gió mà thành phần động của tải trọng gió chỉ cần kể đến tác động do thành phần xung của vận tốc gió hoặc cả với lực quán tính của công trình.
Trong tính toán gió theo tiêu chuẩn TCXD 229-1999 “Chỉ dẫn tính toán gió động’’ chỉ cần tính với các mode có f < fL = 1.3 Hz (fL: giá trị giới hạn tần số dao động riêng - Tra bảng 2 TCXD 229-1999). Thành phần động của gió lúc này bao gồm cả thành phần xung và lực quán tính.
Bảng 4.18 Bảng chu kỳ, tần số dao động và phương dao động chủ yếu
Mode
Chu kỳ Tần số UX UY RZ
Phương dao động
(s) (Hz) % % %
1 2.63 0.380 58.270 0.380 4.710 Phương X
2 2.45 0.409 2.020 40.450 15.760 Phương Y
3 2.12 0.472 0.870 20.110 35.500 Xoắn Z
4 0.78 1.290 10.960 0.010 0.460
5 0.70 1.435 0.160 8.110 3.470
6 0.59 1.695 0.100 4.560 7.140
7 0.39 2.577 4.400 0.000 0.070
8 0.34 2.941 0.030 3.020 1.520
9 0.28 3.521 0.010 1.920 2.590
10 0.24 4.132 2.340 0.001 0.004
11 0.22 4.464 0.000 0.420 0.320
12 0.21 4.673 0.460 0.040 0.000
Ta có giá trị giới hạn của tần số dao động riêng ứng với gió vùng I và độ giảm loga của 0.3 ứng với công trình bê tông cốt thép: fL = 1.1
Nếu f1 > fLthì thành phần động của tải trọng gió chỉ kể tác dụng của xung vận tốc gió.
Nếu f1< fLthì phải kể thêm lực quán tính
Do đó: chỉ cần tính với 3 mode dao động đầu tiên. Vì công trình có tâm khối lượng và tâm cứng gần trùng nhau nên bỏ qua mode 3 là mode xoắn.
Tính toán thành phần động tải trong gió:
GVHD: TS. ĐÀO DUY KIÊN TRANG 53 Giá trị tiêu chuẩn thành phần động của gió tác dụng lên phần tử j của dạng dao động thứ i được xác định theo công thức:
WP(ji) = . . . Trong đó :
- :Khối lượng tập trung của phần công trình thứ j . - :Hệ số động lực ứng với dao động thứ i .
- i:Hệ số được xác định bằng cách chia công trình thành nhiều phần, trong phạm vi mỗi phần tải trọng gió có thể xem như không đổi .
- :Biên độ dao động tỷ đối của phần công trình thứ j với dạng dao động riêng thứ i
Xác định :
Hệ số động lực ứng với dạng dao động thứ i được xác định dựa vào Đồ thị xác định hệ số động lực cho trong TCXD 229:1999, phụ thuộc vào thông số và độ giảm lôga của dao động
.
Do công trình bằng BTCT nên có = 0.3 Thông sốixác định theo công thức: .W0
i 940.
fi
Trong đó:
- : Hệ số tin cậy của tải trọng gió lấy bằng 1.2
- W (N/m0 2): Giá trị áp lực gió, đã xác định ở trên W0 = 0.55 kN/m2. - fi: Tần số dao động riêng thứ i
Hình 4.13 Đồ thị xác định hệ số động lực I
Đường cong 1: Sử dụng cho công trình bê tông cốt thép và gạch đá kể cả các công trình bằng khung thép có kết cấu bao che 0.3
Đường cong 2: Sử dụng cho các công trình tháp trụ thép, ống khói, các thiết bị dạng cột có bệ bằng bê tông cốt thép 0.15
Mj i i yji
Mj
i
yji
i
i
i
GVHD: TS. ĐÀO DUY KIÊN TRANG 54
Xác định
Hệ số được xác định bằng công thức: 1
2 1 n
ji Fj j
i n
ji j j
y W y M
Trong công thức trên, là 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 chỉ kể đến ảnh hưởng của xung vận tốc gió, xác định theo công thức:
Fj j j j i
W W S Trong đó
- Sj: Diện tích mặt đón gió ứng với phần tử thứ j của công trình .
- j: Hệ số áp lực động của tải trọng gió ở độ cao zj ứng với phần tử thứ j của công trình, tra Bảng 3 TCXD 299:1999 .
- i: Hệ số tương quan không gian áp lực động tải trọng gió ứng với dạng dao động thứ nhất, phụ thuộc vào tham số , , tra theo Bảng 4, Bảng 5 TCXD 299-1999.
Ngoài ra từ các công thức trên ta có được công thức tính giá trị tiêu chuẩn thành phần động của gió theo công thức tổng quát sau:
2
( )
j ji Tj ji i
Pji i
j ji
M y W y
W M y
Sau khi xác định được các thông số , , , ta xác định được các giá trị tiêu chuẩn thành phần động của gió tác dụng lên phần tử j ứng với dạng dao động thứ i WP(ji) .
Xác định giá trị tính toán thành phần động của tải trọng gió : Giá trị tính toán thành phần động của gió được xác định theo công thức:
Trong đó:
- Hệ số độ tin cậy lấy bằng 1.2
- : Hệ số điều chỉnh tải trọng gió theo thời gian, lấy bằng 1 . 4.5.2.6. Áp dụng tính toán
Đặc điểm công trình
Địa điểm xây dựng: Tỉnh, thành: Tp. Bình Dương
Quận, huyện: Dĩ An
i
i
WFj
Mj i i yi
tt
p( ji) P( ji)
W W . .
:
GVHD: TS. ĐÀO DUY KIÊN TRANG 55
Vùng gió: I-A
Địa hình: C
- Kích thước mặt bằng trung bình theo cạnh X, Lx (m): 84.5 - Kích thước mặt bằng trung bình theo cạnh Y, Ly (m): 49.8 - Cao độ của đỉnh công trình so với mặt đất H (m): 77.50
Thông số Ký
hiệu Giá trị Đơn
vị Ghi chú
- Giá trị áp lực gió Wo 0.55 kN/m2 Bảng 4 (TCVN 2737:1995) - Giá trị giới hạn của tần số fL 1.1 Hz Bảng 9 (TCVN 2737:1995) - Tham số xác định hệ số n1 77.5 m Bảng 11 (TCVN 2737:1995) - Tham số xác định hệ số n1X 1x 49.8 m Bảng 11 (TCVN 2737:1995) - Tham số xác định hệ số n1Y 1Y 84.5 m Bảng 11 (TCVN 2737:1995) - Hệ số tương quan không gian 1x 0.615 Bảng 10 (TCVN 2737:1995) - Hệ số tương quan không gian 2x 0.557 Bảng 10 (TCVN 2737:1995)
Thông số gió theo phương X ứng với dạng dao động thứ 1, Mode 1 i
Giá trị 0.0719 1.7551
Thông số gió theo phương Y ứng với dạng dao động thứ 1, Mode 2
Giá trị 0.0669 1.7203
Bảng 4.19 Bảng giá trị tải gió theo phương X ứng với dao động thứ 1 (Mode1)
Tầng Mj (t) 𝜻j WFj
(kN) yji yjiWFj yji2Mj WpjiX (kN)
Tầng Trệt 8941.94 0.94 24.90 0.00 0.11 0.16 1.6
GVHD: TS. ĐÀO DUY KIÊN TRANG 56 Tầng Mj (t) 𝜻j WFj
(kN) yji yjiWFj yji2Mj WpjiX (kN)
Tầng 2 3212.50 0.74 39.50 0.03 1.25 3.25 4.4
Tầng 3 3418.63 0.69 36.60 0.06 2.37 14.29 9.5
Tầng 4 3271.38 0.66 37.20 0.17 6.19 90.87 23.4
Tầng 5 3271.38 0.64 38.40 0.17 6.40 90.87 23.4
Tầng 6 3271.38 0.62 39.50 0.17 6.58 90.87 23.4
Tầng 7 3278.21 0.61 40.40 0.17 6.73 91.06 23.4
Tầng 8 3318.05 0.60 41.20 0.33 13.73 368.67 47.4 Tầng 9 3324.00 0.59 41.90 0.33 13.97 369.33 47.5 Tầng 10 3324.00 0.58 42.50 0.33 14.18 369.33 47.5 Tầng 11 3324.00 0.57 43.10 0.50 21.57 831.00 71.2 Tầng 12 3324.00 0.56 43.70 0.50 21.84 831.00 71.2 Tầng 13 3324.00 0.56 44.20 0.50 22.09 831.00 71.2 Tầng 14 3321.65 0.55 44.70 0.67 29.77 1476.29 94.9 Tầng 15 3310.45 0.55 45.10 0.67 30.07 1471.31 94.6 Tầng 16 3310.45 0.54 45.50 0.67 30.35 1471.31 94.6 Tầng 17 3310.45 0.54 45.90 0.67 30.61 1471.31 94.6 Tầng 18 3310.45 0.53 46.30 0.67 30.86 1471.31 94.6 Tầng 19 3310.45 0.53 46.60 0.83 38.87 2298.93 118.2 Tầng 20 3310.45 0.52 47.00 0.83 39.16 2298.93 118.2 Tầng 21 3313.35 0.52 48.70 0.83 40.59 2300.94 118.3 Tầng 22 2927.95 0.52 50.50 0.83 42.04 2033.30 104.6 Tum thang 1399.66 0.51 58.70 0.83 48.93 971.99 50.0
KTTN 224.33 0.51 22.20 1.00 22.22 224.33 9.6
GVHD: TS. ĐÀO DUY KIÊN TRANG 57 Tầng Mj (t) 𝜻j WFj
(kN) yji yjiWFj yji2Mj WpjiX (kN)
Mái 69.81 0.51 5.60 1.00 5.58 69.81 3.0
SUM 526.0648 21541.4771 1460.3870
Bảng 4.20 Bảng giá trị tải gió theo phương Y ứng với dao động thứ 1 (Mode2)
Tầng Mj (t) 𝜻j WFj
(kN) yji yjiWFj yji2Mj WpjiY (kN)
Tầng Trệt 8941.937 0.944 38.3 0.01 0.20 0.24 3.8
Tầng 2 3212.503 0.744 60.6 0.03 1.53 2.06 6.7
Tầng 3 3418.627 0.693 56.2 0.05 2.76 8.26 13.8
Tầng 4 3271.377 0.663 57.1 0.14 8.15 66.76 38.3
Tầng 5 3271.377 0.641 59.0 0.14 8.43 66.76 38.3
Tầng 6 3271.377 0.624 60.6 0.14 8.66 66.76 38.3
Tầng 7 3278.205 0.610 62.0 0.14 8.86 66.90 38.4
Tầng 8 3318.051 0.598 63.3 0.14 9.04 67.72 38.8
Tầng 9 3324.003 0.588 64.4 0.29 18.39 271.35 77.8
Tầng 10 3324.003 0.579 65.3 0.29 18.67 271.35 77.8 Tầng 11 3324.003 0.571 66.2 0.29 18.93 271.35 77.8 Tầng 12 3324.003 0.564 67.1 0.29 19.17 271.35 77.8 Tầng 13 3324.003 0.557 67.9 0.43 29.08 610.53 116.7 Tầng 14 3321.646 0.552 68.6 0.43 29.39 610.10 116.6 Tầng 15 3310.454 0.546 69.3 0.43 29.68 608.04 116.2 Tầng 16 3310.454 0.541 69.9 0.43 29.96 608.04 116.2 Tầng 17 3310.454 0.536 70.5 0.43 30.22 608.04 116.2 Tầng 18 3310.454 0.532 71.1 0.57 40.62 1,080.96 154.9
GVHD: TS. ĐÀO DUY KIÊN TRANG 58 Tầng Mj (t) 𝜻j WFj
(kN) yji yjiWFj yji2Mj WpjiY (kN) Tầng 19 3310.454 0.528 71.6 0.57 40.94 1,080.96 154.9 Tầng 20 3310.454 0.524 72.2 0.57 41.24 1,080.96 154.9 Tầng 21 3313.352 0.521 74.8 0.57 42.75 1,081.91 155.1 Tầng 22 2927.952 0.517 77.5 0.71 55.35 1,493.85 171.3 Tum thang 1399.664 0.514 44.0 0.86 37.71 1,028.32 98.3
KTTN 224.3284 0.511 19.0 0.71 13.59 114.45 13.1
Mái 69.81134 0.508 4.5 1.00 4.51 69.81 5.7