Thành phần động của tải trọng gió

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ KHUNG KHÔNG GIAN

4.2. Tải trọng tác dụng vào hệ khung

4.2.2. Tải trọng ngang tác dụng vào hệ khung

4.2.2.2 Thành phần động của tải trọng gió

Công trình có độ cao H=57.1(m) > 40 (m) nên cần phải tính thành phần động của gió.

Sơ đồ tính động lực học.

 Vị trí các điểm tập trung khối lượng đặt tương ứng với cao trình trọng tâm của các kết cấu truyền tải trọng ngang của công trình (sàn nhà).

 Giá trị các khối lƣợng tập trung ở các mức trong sơ đồ tính toán bằng tổng khối lƣợng của kết cấu chịu lực, kết cấu bao che, trang trí và 0.5 hoạt tải.

Hình 4.4.Khai báo Mass Source trong Etabs Xác định các đặc trƣng động lực học.

 Xác định tần số dao động riêng.

 Sau khi nhập vào mô hình làm việc với các thông số về tiết diện dầm, cột, bản sàn , vách cứng và hoạt tải, tĩnh tải tường, khai báo số mode là 17.

 Công trình với quy mô 17 tầng nên sự ảnh hưởng của các mode càng lớn đến ứng xử của công trình càng ít nên một cách gần đúng ta có thể bỏ qua và chọn 17 mode trong tính toán.

 Chạy chương trình. Vào mục Display/Show Tables / Modal Participation để xem các chu kỳ và dạng dao động.

Hình 4.6. Chu kì dao động của công trình.

Bảng 4.4. Kết quả chu kì và tầng số dao động

Mode Chu kỳ (s) Tần số (Hz) Chú thích

1 T1 2.011 0.497 Phương y

2 T2 1.81 0.552 Xoắn

3 T3 1.64 0.61 Phương x

4 T4 0.55 1.82 Xoắn

5 T5 0.526 1.902 Phương y

6 T6 0.347 2.885 Phương x

7 T7 0.281 3.559 Xoắn

8 T8 0.246 4.06 Phương y

9 T9 0.214 4.671 Phương y

10 T10 0.205 4.889 Phương x

11 T11 0.183 5.465 Phương x

12 T12 0.172 5.817 Xoắn

13 T13 0.142 7.026 Phương x

14 T14 0.132 7.585 Phương y

15 T15 0.124 8.087 Xoắn

16 T.Thƣợng 0.095 10.562 Xoắn

17 Tầng mái 0.088 11.363 Phương y

 Vì đây là hệ khung bê tông cốt thép:  0.3; công trình ở vùng áp lực gió IIA. Tra bảng 2 ( TCVN 229:1999)  Giá trị giới hạn của tần số dao động riêng fL=1.3.

 Ta có dạng dao động thứ 4 theo phương Xoắn có tần số f = 1.795> fL=1.3 nên việcxác định thành phần động của tải trọng gió chỉ kể đến ảnh hưởng của 3 dạng dao động đầu tiên.

 Xác định các dạng dao động riêng.

 Để tính chuyển vị tỉ đối từng sàn : sau nhập mô hình vào Etabs, khai báo sàn tuyệt đối cứng trong mặt phẳng sàn, chạy chương trình ta tìm chuyển vị tỉ đối của các sàn . Kết quả chuyển vị tại các tầng đƣợc cho trong bảng sau .

Hình 4.5. Khai báo tâm cứng cho sàn

Hình 4.8. Khối lƣợng tập trung tại các tầng

Bảng 4. 4.Biên độ mode của dao động

Điểm tập trung Mode 1(Phương Y) Mode 3(Phương X)

X1 Y1 X3 Y3

MAI 0 -0.0115 -0.0123 0

TANG THUONG 0 -0.011 -0.0117 0

TANG 15 0 -0.0104 -0.0108 0

TANG 14 0 -0.0097 -0.0099 0

TANG 13 0 -0.009 -0.009 0

TANG 12 0 -0.0082 -0.008 0

TANG 11 0 -0.0074 -0.0071 0

TANG 10 0 -0.0066 -0.0062 0

TANG 9 0 -0.0058 -0.0053 0

TANG 8 0 -0.005 -0.0045 0

TANG 7 0 -0.0041 -0.0036 0

TANG 6 0 -0.0033 -0.0029 0

TANG 5 0 -0.0025 -0.0021 0

TANG 4 0 -0.0018 -0.0015 0

TANG 3 0 -0.0012 -0.001 0

TANG 2 0 -0.0006 -0.0005 0

TANG 1 0 -0.0002 -0.0002 0

Xác định các thành phần động của tải trọng gió.

 Giá trị tiêu chuẩn thành phần động của tải trọng gió tác dụng lên phần thứ j với dạng dao động thứ i đƣợc xác định theo công thức :

Wp(ji) = Mjiiyji Trong đó:

 Wp(ji) – lực, đơn vị tính toán lấy là (kN)

 Mj – khối lƣợng tập trung của phần công trình thứ j, (kN)

 i – hệ số động lực ứng với dạng dao động thứ i, không thứ nguyên, phụ thuộc vào thông số i và độ giảm lôga của dao động.

 yji – dịch chuyển ngang tỉ đối của trọng tâm phần công trình thứ j ứng với dạng dao động riêng thứ i, không thứ nguyên.

 i – hệ số đƣợc xác định bằng cách chia công trình thành n phần, trong phạm vi phần tải trọng gió có thể coi nhƣ không đổi.

 Xác định hệ số xi

Hệ số I đƣợc xác định bằng công thức : 1

2 1 n

ji Fj j

n

ji j j

y W y M









Trong đó:

 MJ – khối lƣợng tập trung của phần công trình thứ J.

 YJi – dịch chuyển ngang tỉ đối của trọng tâm phần công trình thứ J ứng với dao động thứ i.

 WFJ – giá trị tiêu chuẩn của thành phần động của tải gió tác dụng lên phần thứ j của công trình, ứng với các dạng dao động khác nhau khi kể đến ảnh hưởng của xung vận tốc gió, có thứ nguyên là lực, xác định theo công thức:

 WFJ = WJjDJhJ (kN) Trong đó:

 Wj – là gía trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của áp lực gió, tác dụng lên phần thứ j của công trình, xác định nhƣ sau:

 Wj = Wok(zj)c (KN/m2)

 Wo - giá trị áp lực gió tiêu chuẩn lấy theo phân vùng áp lực gió theo TCVN 2737 :1995; W0 = 83(KN/m2)

 c – hệ số khí động lấy theo bảng 6 trong TCVN 2737 : 1995, không thứ nguyên

c = 0.8+0.6 = 1.4

 k(zj) – hệ số, không thứ nguyên tính đến sự thay đổi của áp lực gió : k(zj) phụ phụ thuộc vào độ cao zj , mốc chuẩn để tính độ cao và dạng địa hình tính toán. Các giá trị của k(zj) lấy theo TCVN 2737 : 1995 ( Wj – là giá trị gió tĩnh xác định nhƣ trình bày ở phần trên)

 j – là hệ số áp lực động của tải trọng gió, ở độ cao ứng với phần thứ j của công trình không thứ nguyên. Các giá trị của j lấy theo TCVN 2737 : 1995 và đƣợc cho trong bảng 3 ( Trang 8 TCXD 229 : 1999).

 DJ;hJ – bề rộng và chiều cao của bề mặt đón gió ứng với phần thứ J

  - hệ số tương quan không gian áp lực động của tải trọng gió ứng với các dạng dao động khác nhau của công trình, không thứ nguyên xác định phụ thuộc vào tham số ; . Ứng với dạng dao động thứ nhất  = 1 (xác định nhƣ bảng 4;5 trang 8 và 9 trong TCXD 229 : 1999).

Tra bảng 4 và 5 trong TCXD 229 - 1999 ta có:

 Gió theo phương Y mặt đón gió có dạng chữ nhật định hướng song song với mặt phẳng XOZ nên : = 39.2( m);  = H = 57.1 (m).

Tra bảng 4 (trang 9 TCXD 229: 1999) ta có 1 = 0.655.

 Gió theo phương X mặt đón gió có dạng chữ nhật định hướng song song với mặt phẳng ZOY nên : = 25.2(m);  = H = 57.1 m.

Tra bảng 4 (trang 9 TCXD 229 : 1999) ta có 1 = 0.744.

 Xác định hệ số động lực học

 Hệ số động lực i xác định phụ thuộc vào thông số ivà độ giảm loga của dao động  . Thông số i đƣợc xác định theo công thức:

940

o i

i

W xf

   Trong đó:

 hệ số độ tin cậy của tải gió, lấy bằng 1.2;

 Wo - giá trị của áp lực gió (N/m2); W0=830 (N/m2);

 fi - tần số dao động riêng thứ i (Hz);

Từ i tra đồ thị (Hình 2 trang 10 – TCXD 229 : 1999) ta đƣợc i.

Công trình bằng bê tông cốt thép  0.3. theo đồ thị hình 1; xác định hê số động lực i cho trong bảng sau:

Bảng 4. 5. Hệ số động lực.

Mode i fi (Hz)  

1 0.497 0.068 1.650

3 0.610 0.055 1.567

 Xác định thành phần dao động của tải trọng gió.

Từ giá trị MJ ; I ;i

; yJi

ta xác định giá trị tiêu chuẩn thành phần động của tải trọng gió WP(Ji) theo công thức :

WP(ji) = Mjiiyji

Giá trị tính toán thành phần động của tải trọng gió đƣợc xác định theo công thức:

WP(Ji)tt

= WP(ij)

Trong đó:

 WP(Ji)tt – là giá trị tính toán của tải trọng gió hoặc áp lực gió;

 WP(ji) – là giá trị tiêu chuẩn của tải trọng gió hoặc áp lực gió;

 hệ số độ tin cậy đối với tải trọng gió,  lấy bằng 1.2;

 là hệ số điều chỉnh tải trọng gió theo thời gian sử dụng giả định của công trình xác định theo bảng D.5 (trang 12 TCXD 229 : 1999) .

GIÓ X MODE 3:

Bảng 4.6.Tính toán thành phần động của tải trọng gió theo phương X

Tên tầng

Chiều cao từng tầng (m)

Khối lƣợng

tầng

Kích thước

nhà Cao

độ Zj (m)

Thành phần tĩnh Wj=Wokzj c (kN/m2)

THEO PHƯƠNG X

Hệ số áp lực động

ξj

Hệ số tương quan không gian ν

Wj 1

=Wj ξj ν (kN/m2)

Các thành phần động theo phương x Wpji=MjξiΨixji

Dài L(m)

Rộng B(m)

Hệ số

Kzi c=0.8 c=0.6 f1x= 0.610

ε1 ξ1 Ψ1 x1 Wpj 1 TANGMAI 2.8 134.2151 39.2 25.2 57.1 1.50 0.995 0.746 0.268 0.744 0.347 0.055 1.567 0.038 0.0123 0.098 TANGTHUONG 3.6 1251.204 39.2 25.2 54.3 1.49 0.988 0.741 0.269 0.744 0.346 0.055 1.567 0.038 0.0117 0.865 TANG15 3.6 1282.02 39.2 25.2 50.7 1.47 0.978 0.733 0.271 0.744 0.345 0.055 1.567 0.038 0.0108 0.818 TANG14 3.6 1282.02 39.2 25.2 47.1 1.46 0.968 0.726 0.272 0.744 0.343 0.055 1.567 0.038 0.0099 0.750 TANG13 3.6 1282.02 39.2 25.2 43.5 1.44 0.959 0.719 0.274 0.744 0.342 0.055 1.567 0.038 0.0090 0.682 TANG12 3.6 1282.02 39.2 25.2 39.9 1.43 0.949 0.712 0.275 0.744 0.340 0.055 1.567 0.038 0.0080 0.606 TANG11 3.6 1282.02 39.2 25.2 36.3 1.41 0.935 0.701 0.278 0.744 0.338 0.055 1.567 0.038 0.0071 0.538 TANG10 3.6 1282.02 39.2 25.2 32.7 1.39 0.920 0.690 0.280 0.744 0.336 0.055 1.567 0.038 0.0062 0.470 TANG9 3.6 1285.856 39.2 25.2 29.1 1.36 0.905 0.679 0.283 0.744 0.333 0.055 1.567 0.038 0.0053 0.403 TANG8 3.6 1289.692 39.2 25.2 25.5 1.33 0.886 0.664 0.285 0.744 0.329 0.055 1.567 0.038 0.0045 0.343 TANG7 3.6 1289.692 39.2 25.2 21.9 1.31 0.867 0.650 0.288 0.744 0.325 0.055 1.567 0.038 0.0036 0.274 TANG6 3.6 1298.576 39.2 25.2 18.3 1.27 0.845 0.634 0.291 0.744 0.321 0.055 1.567 0.038 0.0029 0.223 TANG5 3.6 1307.46 39.2 25.2 14.7 1.24 0.821 0.616 0.296 0.744 0.317 0.055 1.567 0.038 0.0021 0.162 TANG4 3.6 1307.46 39.2 25.2 11.1 1.19 0.792 0.594 0.301 0.744 0.311 0.055 1.567 0.038 0.0015 0.116 TANG3 3.6 1307.46 39.2 25.2 7.5 1.13 0.747 0.560 0.311 0.744 0.302 0.055 1.567 0.038 0.0010 0.077 TANG2 3.9 1261.76 39.2 25.2 3.9 1.03 0.685 0.514 0.318 0.744 0.284 0.055 1.567 0.038 0.00050 0.037

GIÓ Y MODE 1:

Bảng 4. 7.Tính toán thành phần động của tải trọng gió theo phương Y

Tên tầng

Chiều cao từng tầng (m)

Khối lƣợng

tầng

Kích thước

nhà Cao độ Zj (m)

Thành phần tĩnh Wj=Wokzj c (kN/m2)

THEO PHƯƠNG Y Hệ số

áp lực động

ξj

Hệ số tương quan không gian ν

Wj 1

=Wj ξj ν (kN/m2)

Các thành phần động theo phương y Wpji=MjξiΨixji

Dài L(m)

Rộng B(m)

Hệ số

Kzi c=0.8 c=0.6 f1y= 0.497

ε1 ξ1 Ψ1 y1 Wpj 1 TANGMAI 2.8 134.215 39.2 25.2 57.1 1.50 0.995 0.746 0.268 0.655 0.306 0.068 1.650 0.034 0.0115 0.086 TANGTHUONG 3.6 1251.204 39.2 25.2 54.3 1.49 0.988 0.741 0.269 0.655 0.305 0.068 1.650 0.034 0.0110 0.763 TANG15 3.6 1282.02 39.2 25.2 50.7 1.47 0.978 0.733 0.271 0.655 0.304 0.068 1.650 0.034 0.0104 0.739 TANG14 3.6 1282.02 39.2 25.2 47.1 1.46 0.968 0.726 0.272 0.655 0.302 0.068 1.650 0.034 0.0097 0.689 TANG13 3.6 1282.02 39.2 25.2 43.5 1.44 0.959 0.719 0.274 0.655 0.301 0.068 1.650 0.034 0.0090 0.639 TANG12 3.6 1282.02 39.2 25.2 39.9 1.43 0.949 0.712 0.275 0.655 0.299 0.068 1.650 0.034 0.0082 0.583 TANG11 3.6 1282.02 39.2 25.2 36.3 1.41 0.935 0.701 0.278 0.655 0.297 0.068 1.650 0.034 0.0074 0.526 TANG10 3.6 1282.02 39.2 25.2 32.7 1.39 0.920 0.690 0.280 0.655 0.296 0.068 1.650 0.034 0.0066 0.469 TANG9 3.6 1285.856 39.2 25.2 29.1 1.36 0.905 0.679 0.283 0.655 0.293 0.068 1.650 0.034 0.0058 0.413 TANG8 3.6 1289.692 39.2 25.2 25.5 1.33 0.886 0.664 0.285 0.655 0.290 0.068 1.650 0.034 0.0050 0.357 TANG7 3.6 1289.692 39.2 25.2 21.9 1.31 0.867 0.650 0.288 0.655 0.286 0.068 1.650 0.034 0.0041 0.293 TANG6 3.6 1298.576 39.2 25.2 18.3 1.27 0.845 0.634 0.291 0.655 0.282 0.068 1.650 0.034 0.0033 0.237 TANG5 3.6 1307.46 39.2 25.2 14.7 1.24 0.821 0.616 0.296 0.655 0.279 0.068 1.650 0.034 0.0025 0.181 TANG4 3.6 1307.46 39.2 25.2 11.1 1.19 0.792 0.594 0.301 0.655 0.274 0.068 1.650 0.034 0.0018 0.130 TANG3 3.6 1307.46 39.2 25.2 7.5 1.13 0.747 0.560 0.311 0.655 0.266 0.068 1.650 0.034 0.0012 0.087 TANG2 3.9 1261.76 39.2 25.2 3.9 1.03 0.685 0.514 0.318 0.655 0.250 0.068 1.650 0.034 0.00060 0.042 TANG1 4.4 1283.424 39.2 25.2 4.4 1.00 0.664 0.498 0.318 0.655 0.242 0.068 1.650 0.034 0.00020 0.014

Bảng 4. 8.Bảng tổng hợp các thành phần gió

Tên tầng

Chiều cao từng tầng (m)

Khối lƣợng tầng

Kích thước

nhà Cao

độ Zj

(m)

Thành phần tĩnh Wj=Wokzj c (kN/m2)

Giá trị tiêu chu n thành phần tĩnh của tải trọng gió

Giá trị tiêu chu n thành phần động của tải trọng gió

Giá trị tính toán thành phần tĩnh của tải trọng gió

Giá trị tính toán thành phần động

của tải trọng gió

Tổng tải toàn phần tính toán

Wj (kN/m²)

Theo phương

X WPX

(kN/m2)

Theo phương

Y WPY

(kN/m2)

Gán vào sàn (kN)

Theo phương

X WPX

(kN)

Theo phương

Y WPY

(kN)

Gán vào sàn (kN)-Ghi chú: Gió

tổng Dài

L(m) Rộng B(m)

Hệ số Kzi

c=0.8 c=0.6

Phương X

Phương

Y Dạng 1 Dạng 1 Fx Fy Dạng 1 Dạng 1 Fx Fy

TANGMAI 2.8 134.2151 39.2 25.2 57.1 1.50 0.995 0.746 1.741 1.741 0.098 0.086 73.71 114.66 4.13 5.63 77.84 120.30 TANGTHUONG 3.6 1251.204 39.2 25.2 54.3 1.49 0.988 0.741 1.728 1.728 0.865 0.763 167.23 260.13 83.74 114.80 250.96 374.93 TANG15 3.6 1282.02 39.2 25.2 50.7 1.47 0.978 0.733 1.711 1.711 0.818 0.739 186.31 289.81 89.10 125.11 275.41 414.93 TANG14 3.6 1282.02 39.2 25.2 47.1 1.46 0.968 0.726 1.695 1.695 0.750 0.689 184.49 286.98 81.67 116.69 266.16 403.67 TANG13 3.6 1282.02 39.2 25.2 43.5 1.44 0.959 0.719 1.678 1.678 0.682 0.639 182.67 284.15 74.25 108.27 256.91 392.42 TANG12 3.6 1282.02 39.2 25.2 39.9 1.43 0.949 0.712 1.661 1.661 0.606 0.583 180.82 281.27 66.00 98.65 246.82 379.92 TANG11 3.6 1282.02 39.2 25.2 36.3 1.41 0.935 0.701 1.636 1.636 0.538 0.526 178.09 277.02 58.57 89.02 236.66 366.05 TANG10 3.6 1282.02 39.2 25.2 32.7 1.39 0.920 0.690 1.611 1.611 0.470 0.469 175.35 272.77 51.15 79.40 226.50 352.17 TANG9 3.6 1285.856 39.2 25.2 29.1 1.36 0.905 0.679 1.584 1.584 0.403 0.413 172.39 268.17 43.85 69.98 216.25 338.15 TANG8 3.6 1289.692 39.2 25.2 25.5 1.33 0.886 0.664 1.550 1.550 0.343 0.357 168.75 262.50 37.35 60.51 206.10 323.01 TANG7 3.6 1289.692 39.2 25.2 21.9 1.31 0.867 0.650 1.517 1.517 0.274 0.293 165.11 256.83 29.88 49.62 194.98 306.45 TANG6 3.6 1298.576 39.2 25.2 18.3 1.27 0.845 0.634 1.479 1.479 0.223 0.237 161.03 250.50 24.23 40.21 185.27 290.71 TANG5 3.6 1307.46 39.2 25.2 14.7 1.24 0.821 0.616 1.437 1.437 0.162 0.181 156.40 243.30 17.67 30.67 174.07 273.97 TANG4 3.6 1307.46 39.2 25.2 11.1 1.19 0.792 0.594 1.386 1.386 0.116 0.130 150.94 234.80 12.62 22.08 163.56 256.88 TANG3 3.6 1307.46 39.2 25.2 7.5 1.13 0.747 0.560 1.307 1.307 0.077 0.087 142.31 221.37 8.41 14.72 150.73 236.10 TANG2 3.9 1261.76 39.2 25.2 3.9 1.03 0.685 0.514 1.20 1.20 0.037 0.042 135.92 211.43 4.229 7.399 140.150 218.833 TANG1 4.4 1283.424 39.2 25.2 4.4 1.00 0.664 0.498 1.16 1.16 0.015 0.014 145.826 226.841 1.904 2.777 147.7305 229.617