CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CẦU THANG TẦNG ĐIỂN HÌNH
5.1 TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN KHUNG
5.1.1 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 50.6(m) > 40(m) nên tính tải gió gồm 2 thành phần:
- Thành phần tĩnh của gió.
- Thành phần động của gió.
5.1.1.1 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 = Wo × k × c Trong đó:
Wo: 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 Wo = 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
Diện tích đón gió của từng tầng được tính như sau: Tải trọng gió tĩnh được quy về thành lực tập trung tại các cao trình sàn, lực tập trung này được đặt tại tâm cứng 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).
Sơ đồ tính toán động lực tải gió tác dụng lên công trình:
Hình 5.1: Sơ đồ tính toán động lực tải trọng gió
29
j j 1
j
h h
S B [5.1]
2
Với hj, hj-1, B lần lượt là chiều cao của tầng thứ j, j-1 và bề rộng đón gió 5.1.1.2 Gió động:
Do công trình cao 41.3(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 thanh công xôn có hữu hạn điểm tập trung khối lượng.
Chia công trình thành nhiều 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
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 phần mềm chuyên ngành. Dùng phần mềm ETABS để tính toán các tần số dao động riêng của công trình.
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, vùng gió II 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 5.1: Kết quả 3 Mode dao động đầu tiên
Mode Period Tần số fL (1/s) Dao động Ghi chú
1 1.287 0.78 Phương X Tính
2 1.182 0.85 Xoắn Không
3 0.99 1.0.1 Phương Y Tính
30 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 kể 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 Wj ở độ cao zj so với mốc tại mặt đất được xác định theo công thức:
Wj = WokzjC (kN/m2) [5.2]
Trong đó:
W0: giá trị áp lực gió tiêu chuẩn. Công trình xây dựng tại TP. Hồ Chí Minh thuộc vùng II-A: Wo = 83 daN/m2 = 0.83 kN/m2
c: Hệ số khí động. Phía đón gió c = + 0.8, phía hút gió c = - 0.6 c = 0.6 + 0.8 = 1.4
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)
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 [5.3]
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
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
[5.4]
Trong đó:
Hệ số tin cậy tải trọng gió lấy = 1.2
fi: Tần số dao động riêng thứ i.
Wo: Giá trị áp lực gió. Lấy bằng 0.83 kN/m2 = 830 N/m2
Công trình bằng BTCT với = 0.3 nên ta tra theo đường số 1 trên đồ thị (TCXD 229 : 1999)
31 Hình 5.2: 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 )
[5.5]
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:
WFj = Wj j Sj (kN) [5.6]
o Wj: giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của gió (kN/m2) o Sj: diện tích đón gió phần công trình thứ j (m2)
o : 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):
32 Hình 5.3: Hệ tọa độ xác định hệ số tương quan không gian
Bảng 5.2: 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 5.3: Hệ số tương quan không gian 1
ρ (m) Hệ số v1 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 0.8 0.73 0.65 0.54
10 0.85 0.84 0.81 0.77 0.71 0.64 0.53
20 0.8 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 0.5 0.47 0.44 0.38
5.1.1.3 Nội lực và chuyển vị do tải trọng gió:
Nội lực cho thành phần tĩnh và động của tải gíó xác định như sau:
s
t d 2
i i 1
X X (X )
Trong đó:
33
X: Moment uốn (xoắn), lực cắt, lực dọc, hoặc chuyển vị ở đây ta xem là tải trọng tổng hợp của 2 thành phần tĩnh và động.
Xt: Moment uốn (xoắn), lực cắt, lực dọc, hoặc chuyển vị do thành phần tĩnh của tải trọng gió gây ra, ở đây ta xem là tải thành phần tĩnh
Xdi : Moment 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, ở đây ta xem là tải thành phần động.
s: số dạng dao động tính toán.
Giá trị gió tĩnh sẽ được gán vào mô hình ETABS ở tâm hình học còn gió động được gán vào tâm khối lượng của công trình.
Bảng 5.4: Kết quả tính toán thành phần tĩnh và động của tải trọng gió
Tầng
Thành phần gió tĩnh Thành phần gió động
Phương X
Phương XX
Phương Y
Phương YY
Phương X
Phương XX
Phương Y
Phương YY
WXj WXj Wyj Wyj WXj WXj Wyj Wyj