Tính toán tải gió

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ HỆ KHUNG

3.1. TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG

3.1.4. Tính toán tải gió

 Theo TCVN 2737 : 1995 và TCXD 229 : 1999: Gió nguy hiểm nhất là gió vuông góc với mặt đón gió.

 Công trình cao 71.4 m > 40 m nên tải gió gồm thành phần tĩnh và thành phần động.

 Tải trọng gió bao gồm hai thành phần:

 Thành phần tĩnh của gió.

 Thành phần động của gió.

3.1.4.1. Gió tĩnh

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

 Áp lực gió tĩnh tính toán tại cao độ z tính theo công thức:Wtc = W0 × k × c 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 Tp. Hồ Chí Minh thuộc khu vực II-A, và ảnh hưởng của gió bão được đánh giá là yếu, lấy W0 = 0.83 Kn/m2

 kz: là hệ số tính đến sự thay đổi của áp lực gió theo độ cao, lấy theo bảng 5, TCVN 2737 : 1995

 c: là hệ số khí động, đối với mặt đón gió c = + 0.8, mặt hút gió c = - 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 quy về thành lực tập trung tại các cao trình sàn, lực tập trung này được đặt tại tâm hình học của mỗi tầng (Wtcx là lực gió tiêu chuẩn theo phương X và Wtcy là lực gió tiêu chuẩn theo phương Y, lực gió bằng áp lực gió nhân với diện tích đón gió). Diện tích đón gió của từng tầng được tính như sau:

j j 1 j

h h

S B

2

 

 

hj, hj+1, B lần lượt là chiều cao tầng của tầng thứ j, j+1, và bề rộng đón gió

Bảng B.3.18. Kết quả tính toán gió tĩnh theo phương X và Y

Tầng hi(m) zj (m) k(zj) Wx(KN) Wy(KN)

22 3.4 71.4 1.544 77.7855 118.966

21 3.4 68 1.534 169.089 236.361

20 3.4 64.6 1.524 167.964 234.789

19 3.4 61.2 1.514 166.84 233.217

18 3.4 57.8 1.501 165.473 231.307

17 3.4 54.4 1.487 163.974 229.211

16 3.4 51 1.474 162.475 227.116

15 3.4 47.6 1.461 160.976 225.02

14 3.4 44.2 1.447 159.477 222.925

13 3.4 40.8 1.433 157.978 220.829

12 3.4 37.4 1.414 155.906 217.932

11 3.4 34 1.394 153.657 214.789

10 3.4 30.6 1.376 151.408 211.646

9 3.4 27.2 1.347 148.542 207.64

8 3.4 23.8 1.301 145.544 203.449

7 3.4 20.4 1.293 142.546 199.258

6 3.4 17 1.260 138.886 194.142

5 3.4 13.6 1.223 134.83 188.472

4 3.4 10.2 1.182 130.333 182.186

3 3.4 6.8 1.109 122.308 170.968

2 3.4 3.4 1.014 111.771 156.238

1 3.4 0 - - -

Hầm 3.4 -3.4 - - -

3.1.4.2. Gió động.

 Do công trình cao 71.4 m > 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 hữu hạn điểm tập trung khối lượng tại cao trình sàn tầng

 Giá trị khối lượng tập trung bằng tổng của trọng lượng bản thân kết cấu bê tông cốt thép, tải trọng các lớp cấu tạo sàn và phần hoạt tải dài hạn

Hình B.3.13. Sơ đồ tính toán động lực tải gió tác dụng lên công trình

Hình B.3.14. Mô hình 3D của công trình trong ETABS

 Sử dụng ETABS để xác định các tầng số và dạng dao động riêng, với các nội dung chính được trình bày như sau:

 Cột và dầm được mô hình bằng đối tượng đường ( Line Object)

 Vách và sàn được mô hình bằng đối tượng vùng ( Area Object)

 Trọng lượng bản thân của kết cấu được ETABS tự tính toán thông qua hệ số selfweight.

 Trọng lượng các lớp cấu tạo sàn được phân bố đều trên sàn.

 Trọng lượng bản thân tường được gán bằng tải phân bố đều dọc theo chiều dài tường.

 Khối lượng tập trung tại các tầng được xác định thông qua việc khai báo Mass source trong ETABS

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.

Thành phần động của gió được tính toán như sau:

 Các tần số dao động riêng từ kết quả phân tích của ETABS

Bảng B.3.19. Bảng kết quả 05 Mode dao động Mode Period Tần số fL

(1/s) Dao động

1 3.0457 0.3283 Phương X

2 2.9314 0.3411 Xoắn

3 2.6580 0.3762 Phương Y

4 0.8347 1.1980 Phương X

5 0.8334 1.199 Xoắn

 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 Wj ở độ cao zj so với mốc tại mặt đất được xác định theo công thức:

Wj = W0 kzj C (kN/m2)

 Trong đó:

 W0: Giá trị áp lực gió tiêu chuẩn. Công trình xây dựng tại TP. Hồ Chí Minh thuộc vùng II-A: W0 = 0.83 kN/m2

 c: Hệ số khí động

c = 1.4 ( bao gồm gió hút và gió đẩy)

 kzj: Hệ số xét đến sự thay đổi áp lực gió theo chiều cao (tra Bảng 5 - TCVN 2737 : 1995, theo dạng địa hình B)

 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

WP(j1)=Mj ξ1ψ1yj1

 Trong đó:

 WP(ij): lực, đơn vị tính toán kN

 Mj: khối lượng tập trung tại tầng thứ j, (đơn vị kNs2/m)

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

 i: hệ số được xác định bằng cách chia công trình thành n phần.

 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:

0 i

i

W 940 f

   



 Trong đó:

 Hệ số tin cậy tải trọng gió lấy  = 1.2

 fi: Tần số dao động riêng thứ i.

 W0: Giá trị áp lực gió. Lấy bằng 0.83 kN/m2

 Công trình bằng BTCT với  = 0.3 nên ta tra theo đường số 1 trên đồ thị (TCXD 229 : 1999)

Hình B.3.15. Đồ thị xác định hệ số động lực 

 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 tỷ đối của khối lượng tập trung tại tầng thứ j ứng với dạng dao động riêng thứ i

 WFj - giá trị tiêu chuẩn thành phần động của tải trọng gió tác dụng tại tầng thứ j của công trình. Ứng với các dạng dao động khác nhau khi chỉ kể đến ảnh hưởng của xung vận tốc gió, WFj được xác định theo công thức:

WFj = Wj  j Sj  (kN) (*)

 Wj: giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của gió (kN/m2)

 Sj: diện tích đón gió phần công trình thứ j (m2)

 : 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):

Hình B.3.16. Hệ tọa độ khi xác định hệ số tương quan 

Bảng B.3.20. 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 B.3.21. 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

Bảng B.3.22. Kết quả tính toán gió động theo phương X

Tên tầng

Khối lượng

tầng

Cao độ zj

(m)

THEO PHƯƠNG X Giá trị tiêu

chuẩn thành phần

động tải trọng gió

theo phương Y WPx(kN/m2)

Hệ số

áp lực động

ξj

Hệ số tương

quan không

gian ν

Wj 1 = Wj ξj ν (kN/m2)

Wj 2,3 = Wj ξj ν (kN/m2)

Các thành phần động theo phương X Wpji=MjξiΨiyji

f1x = 0.328

ε1 ξ1 Ψ1 x1 Wpj 1 Dạng 1 STORY22 698.4342 71.4 0.264 0.722 0.342 0.474 0.102 1.882 0.048 0.0104 0.658 28.514081 STORY21 953.6821 68.0 0.265 0.719 0.340 0.472 0.102 1.882 0.048 0.0101 0.872 82.740771 STORY20 953.6821 64.6 0.266 0.719 0.339 0.471 0.102 1.882 0.048 0.0097 0.838 79.463909 STORY19 955.7011 61.2 0.267 0.719 0.337 0.469 0.102 1.882 0.048 0.0093 0.805 76.348339 STORY18 955.7011 57.8 0.268 0.719 0.336 0.467 0.102 1.882 0.048 0.0089 0.770 73.064539 STORY17 955.7011 54.4 0.269 0.719 0.335 0.465 0.102 1.882 0.048 0.0084 0.727 68.95979 STORY16 955.7011 51.0 0.271 0.719 0.333 0.463 0.102 1.882 0.048 0.0080 0.692 65.67599 STORY15 955.7011 47.6 0.272 0.719 0.332 0.462 0.102 1.882 0.048 0.0075 0.649 61.571241 STORY14 955.7011 44.2 0.273 0.719 0.330 0.460 0.102 1.882 0.048 0.0070 0.606 57.466492 STORY13 955.7011 40.8 0.275 0.719 0.329 0.457 0.102 1.882 0.048 0.0064 0.554 52.540792 STORY12 955.7011 37.4 0.277 0.719 0.327 0.455 0.102 1.882 0.048 0.0059 0.511 48.436043 STORY11 955.7011 34.0 0.279 0.719 0.325 0.452 0.102 1.882 0.048 0.0053 0.459 43.510344 STORY10 953.6821 30.6 0.282 0.719 0.323 0.449 0.102 1.882 0.048 0.0047 0.406 38.503131 STORY9 953.6821 27.2 0.284 0.719 0.320 0.445 0.102 1.882 0.048 0.0041 0.354 33.587838 STORY8 953.6821 23.8 0.286 0.719 0.316 0.439 0.102 1.882 0.048 0.0035 0.302 28.672544

Tên tầng

Khối lượng

tầng

Cao độ zj

(m)

THEO PHƯƠNG X Giá trị tiêu

chuẩn thành phần

động tải trọng gió

theo phương Y WPx(kN/m2)

Hệ số

áp lực động

ξj

Hệ số tương

quan không

gian ν

Wj 1 = Wj ξj ν (kN/m2)

Wj 2,3 = Wj ξj ν (kN/m2)

Các thành phần động theo phương X Wpji=MjξiΨiyji

f1x = 0.328

ε1 ξ1 Ψ1 x1 Wpj 1 Dạng 1 STORY7 953.6821 20.4 0.289 0.719 0.312 0.434 0.102 1.882 0.048 0.00290 0.250 23.757251 STORY6 953.6821 17.0 0.293 0.719 0.309 0.429 0.102 1.882 0.048 0.00230 0.199 18.841958 STORY5 953.6821 13.6 0.298 0.719 0.305 0.424 0.102 1.882 0.048 0.00180 0.155 14.74588 STORY4 953.6821 10.2 0.303 0.719 0.299 0.416 0.102 1.882 0.048 0.00130 0.112 10.649802 STORY3 953.6821 6.8 0.313 0.719 0.290 0.403 0.102 1.882 0.048 0.00080 0.069 6.5537244 STORY2 953.6821 3.4 0.318 0.719 0.269 0.375 0.102 1.882 0.048 0.00050 0.043 4.0960778

STORY 1 - - - -

HẦM - - - -

Bảng B.3.23. Kết quả tính toán gió động theo phương X

Tên tầng

Khối lượng

tầng

Cao độ zj

(m)

THEO PHƯƠNG X Giá trị tiêu

chuẩn thành phần

động tải trọng gió

theo phương Y WPx(kN/m2)

Hệ số

áp lực động

ξj

Hệ số tương

quan không

gian ν

Wj 1 = Wj ξj ν (kN/m2)

Wj 2,3 = Wj ξj ν (kN/m2)

Các thành phần động theo phương X Wpji = MjξiΨiyji

f2x = 0.328

ε1 ξ1 Ψ1 x1 Wpj 1 Dạng 2 STORY22 698.4342 71.4 0.264 0.722 0.342 0.474 0.028 1.387 0.068 0.0113 0.750 32.5008011 STORY21 953.6821 68.0 0.265 0.719 0.340 0.472 0.028 1.387 0.068 0.0094 0.852 80.7821911 STORY20 953.6821 64.6 0.266 0.719 0.339 0.471 0.028 1.387 0.068 0.0075 0.679 64.4538759 STORY19 955.7011 61.2 0.267 0.719 0.337 0.469 0.028 1.387 0.068 0.0054 0.490 46.5050365 STORY18 955.7011 57.8 0.268 0.719 0.336 0.467 0.028 1.387 0.068 0.0034 0.309 29.2809489 STORY17 955.7011 54.4 0.269 0.719 0.335 0.465 0.028 1.387 0.068 0.0013 0.118 11.1956569 STORY16 955.7011 51.0 0.271 0.719 0.333 0.463 0.028 1.387 0.068 0.0008 0.073 6.88963503 STORY15 955.7011 47.6 0.272 0.719 0.332 0.462 0.028 1.387 0.068 0.0027 0.245 23.2525182 STORY14 955.7011 44.2 0.273 0.719 0.330 0.460 0.028 1.387 0.068 0.0044 0.399 37.8929927 STORY13 955.7011 40.8 0.275 0.719 0.329 0.457 0.028 1.387 0.068 0.0059 0.536 50.8110584 STORY12 955.7011 37.4 0.277 0.719 0.327 0.455 0.028 1.387 0.068 0.0071 0.645 61.1455109 STORY11 955.7011 34.0 0.279 0.719 0.325 0.452 0.028 1.387 0.068 0.0080 0.726 68.8963503 STORY10 953.6821 30.6 0.282 0.719 0.323 0.449 0.028 1.387 0.068 0.0084 0.761 72.188341 STORY9 953.6821 27.2 0.284 0.719 0.320 0.445 0.028 1.387 0.068 0.0086 0.779 73.907111 STORY8 953.6821 23.8 0.286 0.719 0.316 0.439 0.028 1.387 0.068 0.0083 0.752 71.328956

Tên tầng

Khối lượng

tầng

Cao độ zj

(m)

THEO PHƯƠNG X Giá trị tiêu

chuẩn thành phần

động tải trọng gió

theo phương Y WPx(kN/m2)

Hệ số

áp lực động

ξj

Hệ số tương

quan không

gian ν

Wj 1 = Wj ξj ν (kN/m2)

Wj 2,3 = Wj ξj ν (kN/m2)

Các thành phần động theo phương X Wpji = MjξiΨiyji

f2x = 0.328

ε1 ξ1 Ψ1 x1 Wpj 1 Dạng 2 STORY7 953.6821 20.4 0.289 0.719 0.312 0.434 0.028 1.387 0.068 0.00770 0.698 66.1726459 STORY6 953.6821 17.0 0.293 0.719 0.309 0.429 0.028 1.387 0.068 0.00680 0.616 58.4381808 STORY5 953.6821 13.6 0.298 0.719 0.305 0.424 0.028 1.387 0.068 0.00560 0.507 48.1255607 STORY4 953.6821 10.2 0.303 0.719 0.299 0.416 0.028 1.387 0.068 0.00440 0.399 37.8129405 STORY3 953.6821 6.8 0.313 0.719 0.290 0.403 0.028 1.387 0.068 0.00310 0.281 26.6409354 STORY2 953.6821 3.4 0.318 0.719 0.269 0.375 0.028 1.387 0.068 0.00180 0.163 15.4689302

STORY 1 - - - -

HẦM - - - -

Bảng B.3.24. Kết quả tính toán gió động theo phương Y

Tên tầng

Khối lượng

tầng

Cao độ zj

(m)

THEO PHƯƠNG Y Giá trị tiêu

chuẩn thành phần

động tải trọng gió

theo phương Y WPy(kN/m2)

Hệ số

áp lực động

ξj

Hệ số tương

quan không

gian ν

Wj 1

Wj ξj ν (kN/m2)

Wj 2,3

Wj ξj ν (kN/m2)

Các thành phần động theo phương Y Wpji=MjξiΨiyji

f1y= 0.376

ε1 ξ1 Ψ1 y1 Wpj 1 Dạng 1 STORY22 698.4342 71.4 0.264 0.641 0.304 0.474 0.089 1.795 0.043 0.0104 0.559 37.087355 STORY21 953.6821 68.0 0.265 0.641 0.303 0.472 0.089 1.795 0.043 0.0100 0.734 97.386924 STORY20 953.6821 64.6 0.266 0.641 0.302 0.471 0.089 1.795 0.043 0.0097 0.712 94.465316 STORY19 955.7011 61.2 0.267 0.641 0.301 0.469 0.089 1.795 0.043 0.0093 0.684 90.76158 STORY18 955.7011 57.8 0.268 0.641 0.300 0.467 0.089 1.795 0.043 0.0089 0.655 86.857857 STORY17 955.7011 54.4 0.269 0.641 0.298 0.465 0.089 1.795 0.043 0.0085 0.626 82.954133 STORY16 955.7011 51.0 0.271 0.641 0.297 0.463 0.089 1.795 0.043 0.0080 0.589 78.074478 STORY15 955.7011 47.6 0.272 0.641 0.296 0.462 0.089 1.795 0.043 0.0075 0.552 73.194823 STORY14 955.7011 44.2 0.273 0.641 0.295 0.460 0.089 1.795 0.043 0.0070 0.515 68.315168 STORY13 955.7011 40.8 0.275 0.641 0.293 0.457 0.089 1.795 0.043 0.0064 0.471 62.459582 STORY12 955.7011 37.4 0.277 0.641 0.292 0.455 0.089 1.795 0.043 0.0059 0.434 57.579927 STORY11 955.7011 34.0 0.279 0.641 0.290 0.452 0.089 1.795 0.043 0.0053 0.390 51.724342 STORY10 953.6821 30.6 0.282 0.641 0.288 0.449 0.089 1.795 0.043 0.0047 0.345 45.771854 STORY9 953.6821 27.2 0.284 0.641 0.285 0.445 0.089 1.795 0.043 0.0041 0.301 39.928639 STORY8 953.6821 23.8 0.286 0.641 0.282 0.439 0.089 1.795 0.043 0.0035 0.257 34.085423

Tên tầng

Khối lượng

tầng

Cao độ zj

(m)

THEO PHƯƠNG Y Giá trị tiêu

chuẩn thành phần

động tải trọng gió

theo phương Y WPy(kN/m2)

Hệ số

áp lực động

ξj

Hệ số tương

quan không

gian ν

Wj 1

Wj ξj ν (kN/m2)

Wj 2,3

Wj ξj ν (kN/m2)

Các thành phần động theo phương Y Wpji=MjξiΨiyji

f1y= 0.376

ε1 ξ1 Ψ1 y1 Wpj 1 Dạng 1 STORY7 953.6821 20.4 0.289 0.641 0.278 0.434 0.089 1.795 0.043 0.00290 0.213 28.242208 STORY6 953.6821 17.0 0.293 0.641 0.275 0.429 0.089 1.795 0.043 0.00230 0.169 22.398992 STORY5 953.6821 13.6 0.298 0.641 0.272 0.424 0.089 1.795 0.043 0.00180 0.132 17.529646 STORY4 953.6821 10.2 0.303 0.641 0.267 0.416 0.089 1.795 0.043 0.00130 0.095 12.6603 STORY3 953.6821 6.8 0.313 0.641 0.258 0.403 0.089 1.795 0.043 0.00080 0.059 7.7909539 STORY2 953.6821 3.4 0.318 0.641 0.240 0.375 0.089 1.795 0.043 0.00050 0.037 4.8693462

STORY 1 - - - -

HẦM - - - -

3.1.4.3. Nội lực và chuyển vị do tải trọng gió

 Ứng xử của tải gíó xác định từ kết quả tổ hợp nội lực của từng thành phần gió như sau:

t s d 2

i i 1

X X (X )



  

 Trong đó:

 X: Nội lực hoặc chuyển vị do tải gió tĩnh hoặc động đất.

 Xt: Nội lực hoặc chuyển vị do thành phần tĩnh của tải trọng gió gây ra

 Xid: Nội lực hoặc chuyển vị do thành phần động của tải trọng gió ở dạng dao động thứ i gây ra

 s: số dạng dao động tính toán.

 Tổ hợp nội lực hoặc chuyển vị do tải gió gây ra theo phương X và phương Y được khai báo ở phần “ Load combination” trong ETABS như sau:

 WX = WTX + SRSS (WDX1; WDX2)

 WY = WTY + SRSS (WDY1; WDY2)

Với SRSS là dạng tổ hợp lấy căn của tổng các bình phương (Square Root of the Sum of the Squares)