CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ KẾT CẤU KHUNG
4.3. TẢI TRỌNG TÁC DỤNG VÀO KHUNG
4.3.3. Tải gió tác dụng vào khung
Công trình có độ cao h = 59.5 (m) so với mặt đất > 40 (m) nên phải tính phần gió tĩnh và cả gió động do dao động riêng của công trình gây ra (theo TCVN 2737-1995: Tải trọng và tác động).
Vì chiều dài và độ cứng theo phương x và phương y gần giống nhau nên chỉ cần tính tải trọng ngang tác dụng theo phương x sau đó phương y lấy giá trị của phương x để cho công việc tính toán đơn giản hơn.
Tải trọng gió gồm 2 thành phần: Gió tĩnh và gió động.
4.3.3.1. Gió tĩnh
Với quan niệm tính toán xem sàn là tuyệt đối cứng theo phương ngang, tải trọng gió được truyền vào trọng tâm sàn.
Gió tĩnh được xác định theo công thức:
0
tc j
W W B h W k c B h kN
0
tt j
W n W B h n W k c B h kN Trong đó:
Wo: 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 Wo = 0.83 (kN/m2)
k: Hệ số tính đến sự thay đổi áp lực gió (tra bảng 5 TCVN 2737-1995), theo dạng địa hình B.
n: Hệ số vượt tải, n = 1.2
B: Bề rộng đón gió của khung đang xét, h: Diện truyền tải
Bảng 4.4. Tải trọng gió tĩnh theo phương X, Y
Tầng H(m) Zj(m) Kj C Gió tĩnh X Gió tĩnh Y
LYj (m) WXj(kN) LYj (m) WXj(kN)
Tầng 1 0.0 0.0 0.0 1.4 22.8 0.0 67.5 0.0
Tầng 2 4.4 4.4 0.862 1.4 22.8 115.1 67.5 340.7
Tầng 3 4.4 8.8 0.977 1.4 22.8 115.5 67.5 342.1
Tầng 4 3.4 12.2 1.036 1.4 22.8 106.8 67.5 316.3
Tầng 5 3.4 15.6 1.083 1.4 22.8 111.7 67.5 330.6
Tầng 6 3.4 19.0 1.122 1.4 22.8 115.7 67.5 342.5
Tầng 7 3.4 22.4 1.156 1.4 22.8 119.2 67.5 352.8
Tầng 8 3.4 25.8 1.186 1.4 22.8 122.2 67.5 361.9
Tầng 9 3.4 29.2 1.212 1.4 22.8 125.0 67.5 370.1
Tầng 10 3.4 32.6 1.237 1.4 22.8 127.5 67.5 377.5
Tầng 11 3.4 36.0 1.259 1.4 22.8 129.8 67.5 384.3
Tầng 12 3.4 39.4 1.280 1.4 22.8 131.9 67.5 390.6
Tầng 13 3.4 42.8 1.299 1.4 22.8 133.9 67.5 396.4
Tầng 14 3.4 46.2 1.317 1.4 22.8 135.8 67.5 401.9
Tầng 15 3.4 49.6 1.334 1.4 22.8 137.5 67.5 407.1
Tầng 16 3.4 53.0 1.350 1.4 22.8 141.2 67.5 418.0
Tầng 17 3.5 56.5 1.365 1.4 22.8 134.6 67.5 398.4
Mái 3.0 59.5 1.378 1.4 7.8 21.4 22.5 61.9
4.3.3.2. Gió động
Để tính gió động cần phải xác định tần số dao động riêng (fi) và dạng dao động của công trình bằng chương trình Etabs.
Sau khi khai báo tiết diện dầm cột, sàn, tĩnh tải và hoạt tải đứng (chưa có tải trọng ngang) chạy chương trình Etabs được khối lượng, biên độ và chu kỳ dao động của các mode, đây là các cơ sở để tính toán gió động.
Các bước tính toán gió động
Bước 1: Giá trị tiêu chuẩn thành phần động chỉ kể đến xung vận tốc gió f fL 1.3Hz
được tính theo công thức 4.1 trang 8 TCVN 229-1999 [4]
pj j j
W W v Trong đó:
Wj: Giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh, W W0 k c Wo: Áp lực gió lấy theo bản đồ phân vùng
k: Hệ số tính theo sự thay đổi của áp lực gió c: Hệ số khí động
j: Hệ số áp lực động của tải trọng gió (tra bảng 3 TCVN 229-1999)
ν: Hệ số tương quan không gian áp lực động của tải trọng gió, lấy theo bảng 4, trong đó các hệ số ρ và χ lấy theo bảng 5, TCVN 229-1999, đối với mode 2 và mode 3, giá trị ν2 = ν3 =1 Bước 2: Giá trị tiêu chuẩn thành phần động có xét đến lực quán tính f fL 1.3Hz
được xác định theo công thức 4.3 trang 10 TCVN 229-1999 [4]
( )
p ij j i i ji
W M y Trong đó:
Mj: Khối lượng của phần công trình mà trọng tâm có độ cao z
i: Hệ số động lực phụ thuộc hệ số εi, (công thức 4.4 trang 10 TCVN 229-1999) [4]
0
940 i W
f
: Hệ số độ tin cậy của tải trọng gió lấy = 1.2
Wo: Giá trị tiêu chuẩn của áp lực gió (N/m2) xác định theo vùng gió = 0.83(kN/m2) fi: Tần số ứng với dạng dao động thứ i (Hz)
Hình 4.3. Đồ thị xác định hệ số động lực
Từ tra đồ thị hình 2.4.6 (Tương ứng hình 2 trang 10 – TCXD 229 : 1999) được Công trình bằng bê tông cốt thép = 0.3. Theo đường cong số 1; xác định hệ số động lực ξ
yji: Dịch chuyển ngang của công trình ở độ cao z ứng với dạng dao động thứ i ψi: Được xác định theo công thức 4.5 TCVN 229-1999,
2
ji Fj
i
ji j
y W
y M
Mj: Khối lượng của phần công trình mà trọng tâm có độ cao z lấy bằng toàn bộ tĩnh tải đứng và 50% hoạt tải trên sàn.
yji: Dịch chuyển ngang của trọng tâm phần thứ k.
WFj: Giá trị tiêu chuẩn thành phần động chỉ kể đến xung vận tốc gió (f > fL=1.3hz ) Bước 3: Giá trị tính toán thành phần động của tải trọng gió được xác định theo công thức 4.10 (trang 12 TCVN 229-1999)
Wtt W Trong đó:
Wtt: Giá trị tính toán của tải trọng gió hoặc áp lực gió W: Giá trị tiêu chuẩn của tải trọng gió hoặc áp lực gió γ: Hệ số độ tin cậy của tải trọng gió, γ lấy bằng 1.2
β: Hệ số điều chỉnh tải trọng gió theo thời gian giả định của công trình, xác định theo
Tính toán:
Tính giá trị thành phần động chỉ kể đến xung vận tốc gió (f > fL) của các mode:
Bảng 4.5. Chu kì dao động xuất từ ETABS
Hình 4.4. Chu kỳ dao động xuất ra từ chương trình Etabs Nhận xét: các tần số dao động riêng
f1 = 1/T1 = 1/1.159 = 0.863 (Hz): dao động theo phương X f2 = 1/T2 = 1/ 1.082 = 0.924 (Hz): dao động theo phương Y f3 = 1/T3 = 1/1.043 = 0.958 (Hz): dao động xoắn
Mode Period Tần số
(f) UX UY RZ Phương Ghi chú
1 1.159 0.862813 0.00000131 0.7388 0.000007532 Y Xét
2 1.082 0.924214 0.673 0.000003439 0.0468 X Xét
3 1.043 0.958773 0.0459 0.000005667 0.6831 XOẮN Xét
4 0.318 3.144654 0 0.135 6.473E-07 Không xét
5 0.281 3.558719 0.0434 0 0.1053 Không xét
6 0.274 3.649635 0.1168 0 0.0399 Không xét
7 0.146 6.849315 0 0.0521 0 Không xét
8 0.127 7.874016 0.009 0 0.0451 Không xét
9 0.123 8.130081 0.0472 0 0.0086 Không xét
10 0.083 12.04819 0 0.0263 0 Không xét
11 0.074 13.51351 0.0125 0 0.013 Không xét
12 0.073 13.69863 0.0131 0 0.0125 Không xét
f4 = 1/T4 = 3.14 (Hz) = > fL = 1.3 (Hz) nên ta dừng lại ở mode 3. Nên việc xác định thành phần dao động của tải trọng gió cần kể đến ảnh hưởng của 2 dao động dao động 1 và giao động 3.
Từ Etabs ta xuất ra các giá trị cần thiết cho bản tính excel (VBA ) đã được tạo ra từ trước tính toán và có kết quả gió động theo 2 dạng dao động theo 2 phương X và Y.
Bảng 4.6. Tải trọng gió động theo 2 phương X, Y
Tầng H(m) Zj(m) Kj C Gió động X Gió động Y
DjX (m) WpjiX(kN) DjY (m) WpjiY(kN)
Tầng 2 4.4 4.4 0.862 1.4 22.8 2.069 67.5 6.069
Tầng 3 4.4 8.8 0.977 1.4 22.8 7.566 67.5 21.286
Tầng 4 3.4 12.2 1.036 1.4 22.8 7.566 67.5 42.572
Tầng 5 3.4 15.6 1.083 1.4 22.8 15.133 67.5 42.572
Tầng 6 3.4 19.0 1.122 1.4 22.8 22.699 67.5 63.857
Tầng 7 3.4 22.4 1.156 1.4 22.8 30.265 67.5 85.143
Tầng 8 3.4 25.8 1.186 1.4 22.8 37.831 67.5 106.429
Tầng 9 3.4 29.2 1.212 1.4 22.8 45.398 67.5 127.715
Tầng 10 3.4 32.6 1.237 1.4 22.8 45.398 67.5 149.001
Tầng 11 3.4 36.0 1.259 1.4 22.8 52.964 67.5 170.286
Tầng 12 3.4 39.4 1.280 1.4 22.8 60.530 67.5 191.572
Tầng 13 3.4 42.8 1.299 1.4 22.8 68.096 67.5 191.572
Tầng 14 3.4 46.2 1.317 1.4 22.8 75.663 67.5 212.858
Tầng 15 3.4 49.6 1.334 1.4 22.8 83.229 67.5 234.144
Tầng 16 3.4 53.0 1.350 1.4 22.8 83.229 67.5 234.144
Tầng 17 3.5 56.5 1.365 1.4 22.8 90.795 67.5 255.430
Mái 3.0 59.5 1.378 1.4 7.8 7.874 22.5 255.430
Việc tổ hợp nội lực gió chúng ta phải nhờ đến phần mền ETABS để thực hiện công việc này do quá trình tính toán tổ hợp này rất phức tạp và khối lượng tính toán quá lớn. Quá trình tổ hợp nội lực tải trọng được thực hiện theo các bước sau:
Tạo ra 4 trường hợp tải bao gồm:
Gió tĩnh theo phương X: GTX Gió tĩnh theo phương Y: GTY
Gió động theo phương X ứng với mode dao động 2: GDX Gió động theo phương Y ứng với mode dao động 1: GDY Khai báo các tổ hợp cho các trường hợp tải (COMB)
Tổ hợp nội lực thành phần tĩnh và động của tải trọng gió thông qua 2 COMB Gió theo phương X: GX = GTX “+” GDX
Gió theo phương Y: GY = GTY “+” GDY: Tổ hợp theo dạng ADD
Gió tĩnh gán vào Etabs gán vào tâm hình học còn gió động gán vào tâm khối lượng.