Tài liệu Nghiên cứu xác định tải trọng gió lên nhà cao tầng có kết cấu khung giằng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG *********** BÙI THIÊN LAM NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG GIÓ LÊN NHÀ CAO TẦNG CÓ KẾT CẤU KHUNG GIẰNG Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 62 52 01 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng / 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG *********** BÙI THIÊN LAM NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG GIÓ LÊN NHÀ CAO TẦNG CÓ KẾT CẤU KHUNG GIẰNG Chuyên ngành : Cơ kỹ thuật Mã số: 62 52 01 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: 1. GS.TS. PHAN QUANG MINH 2. PGS.TS. LÊ CUNG Đà Nẵng / 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan Luận án tiến sĩ này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả trong Luận án là trung thực và chưa được các tác giả nào công bố trong các nghiên cứu khoa học khác. Đà Nẵng, ngày 18 tháng 01 năm 2018 Nghiên cứu sinh Bùi Thiên Lam ii MỤC LỤC Trang Lời cam đoan i Mục lục ii Danh mục các bảng biểu v Danh mục các hình vẽ và đồ thị iix Danh mục các chữ viết tắt xii MỞ ĐẦU 1 1. Mục tiêu nghiên cứu 3 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3 3. Nội dung nghiên cứu 3 4. Phương pháp nghiên cứu 4 5. Những kết quả đạt được của luận án 4 6. Cấu trúc luận án 5 Chương 1 6 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Gió và tác động của gió lên công trình 6 1.1.1. Khái niệm về gió, bão, lốc xoáy 6 1.1.2. Tác dụng của gió lên công trình 7 1.1.3. Cấu trúc và các tham số đặc trưng ảnh hưởng đến tác dụng của tải trọng gió 9 1.1.3.1. Cấu trúc của gió 9 1.1.3.2. Phân loại các tham số đặc trưng ảnh hưởng đến tác dụng của gió 10 1.1.4. Khảo sát các tham số ảnh hưởng đến việc tính toán tác dụng của 10 tải trọng gió lên công trình 1.1.4.1. Khái niệm chung về vận tốc gió 10 1.1.4.2. Vận tốc gió cơ sở 11 1.1.4.3. Quy đổi vận tốc gió cơ sở 13 iii 1.1.4.4. Hệ số độ cao 15 1.1.4.5. Hệ số xung áp lực động  17 1.1.4.6. Hệ số tương quan không gian 19 1.1.4.7. Hệ số khí động C 20 1.1.4.8. Dạng địa hình 20 1.2. Tổng quan các nghiên cứu về tải trọng gió 21 1.2.1. Các nghiên cứu ở nước ngoài 22 1.2.2. Các nghiên cứu ở trong nước 35 1.3. Xác định tải trọng gió theo một số một số tiêu chuẩn 38 1.3.1. Theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ ASCE/SEI 7-2010 38 1.3.1.1. Áp lực gió đơn vị 38 1.3.3.2. Áp lực gió thiết kế 38 1.3.2. Theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1991-1.4 (2005) 39 1.3.2.1. Vận tốc gió cơ sở Vb 39 1.3.2.2. Vận tốc gió hiệu dụng theo độ cao Vm(z) 40 1.3.2.3. Áp lực gió theo độ cao qp(z) 40 1.3.2.4. Áp lực gió lên bề mặt công trình 41 1.3.2.5. Tải trọng gió 41 1.3.3. Xác định tải trọng gió theo TCVN 2737:1995 42 1.3.3.1. Thành phần gió tĩnh 43 1.3.3.2. Thành phần gió động 43 1.4. Nhận xét chương 1 45 Chương 2 THÀNH PHẦN GIÓ ĐỘNG CHO NHÀ CÓ SƠ ĐỒ KHUNG GIẰNG BỐ TRÍ ĐỐI XỨNG 47 2.1. Sự làm việc của hệ kết cấu khung giằng 47 2.1.1 Sự tương tác trong hệ kết cấu khung giằng chịu tải trọng phân bố 49 2.1.2. Phân tích hệ khung giằng 52 iv 2.1.2.1. Phương trình vi phân cơ bản của kết cấu khung giằng chịu tải trọng ngang 52 2.1.2.2. Trường hợp chịu tải trọng ngang phân bố đều 54 2.1.2.3. Trường hợp chịu tải trọng ngang phân bố tam giác 58 2.1.2.4. Nhận xét 60 2.2. Xác định thành phần gió động cho nhà có sơ đồ khung giằng kết cấu 60 đối xứng 2.2.1. Đánh giá sai số của công thức gần đúng (1.52) 60 2.2.1.1. Công trình 20 tầng 61 2.2.1.2. Công trình 30 tầng 64 2.2.2. Hoàn thiện công thức tính gần đúng thành phần gió động 66 2.2.2.1. Đề xuất công thức biểu diễn hàm K1 66 2.2.2.2. Thiết lập công thức tính thành phần gió động theo biểu thức 68 đề xuất (2.25) 2.3. Đánh giá sai số của công thức đề xuất 71 2.3.1. Nhà có mặt bằng kết cấu dạng 1 71 2.3.2. Nhà có mặt bằng dạng 2 76 2.3.3. Nhà có mặt bằng dạng 3 78 2.3.4. Nhà có mặt bằng dạng 4 80 2.3.5. Nhận xét, so sánh 83 2.4. Nhận xét chương 2 86 Chương 3 87 XÁC ĐỊNH HỆ SỐ GIÓ GIẬT CHO HỆ KẾT CẤU KHUNG GIẰNG NHÀ CAO TẦNG Ở TP ĐÀ NẴNG 3.1. Phương pháp hệ số gió giật Davenport 86 3.2. Đề xuất công thức tính hệ số gió giật theo TCVN 2737:1995 90 ( ) 90 3.2.2. Khi công trình có mặt bằng đối xứng, khối lượng và bề rộng mặt đón gió 91 3.2.1. Đối với công trình và các bộ phận kết cấu có tần số dao động cơ bản lớn hơn tần số dao động riêng ( ) v không đổi theo chiều cao. 3.2.2.1. Trường hợp αH = 2 ÷ 6 91 3.2.2.2. Trường hợp αH ≤ 2 92 3.3.3.3. Xây dựng công thức gần đúng tính hệ số gió giật 93 3.3. Đánh giá sai số công thức đề xuất tính thành phần gió động 99 3.3.1. Nhà có mặt bằng dạng 1 99 3.3.2. Nhà có mặt bằng dạng 2 102 3.3.3. Nhà có mặt bằng dạng 3 103 3.3.4. Khảo sát các nhà dạng 1a, 2a và 3a 106 3.3.5. Khảo sát các dạng nhà 4, 5 và 6 111 3.3.6. Khảo sát công trình Đà Nẵng Plaza và Cục Hải Quan TP Đà Nẵng 116 3.4. Nhận xét chương 3 120 KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 122 Những đóng góp mới của luận án 124 Danh mục các công trình đã công bố liên quan đến luận án 125 Tài liệu tham khảo 126 Phụ lục 133 vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Số hiệu Tên bảng biểu Trang Bảng 1.1. Thời gian lấy vận tốc trung bình của một số Tiêu chuẩn thiết kế 12 Bảng 1.2. Các dạng địa hình gió theo một số tiêu chuẩn 13 Bảng 1.3. Hệ số chuyển đổi gió 3s từ chu kì 20 năm sang các chu kỳ khác 14 Bảng 1.4. Chiều cao gradient zg; số mũ m và thời gian lấy trung bình vận tốc 16 gió của một số Tiêu chuẩn thiết kế Bảng 2.1. Kích thước các bộ phận kết cấu công trình 20 tầng 61 Bảng 2.2. Giá trị αH ứng với các nhà 63 Bảng 2.3. So sánh thành phần gió động theo công thức (1.52) và (1.50) 63 với công trình 20 tầng Bảng 2.4. Kích thước các bộ phận kết cấu công trình 30 tầng 65 Bảng 2.5. Giá trị αH ứng với các mô hình 65 Bảng 2.6. So sánh thành phần gió động theo công thức (1.52) và (1.50) 65 với công trình 30 tầng Bảng 2.7. Giá trị K1 tính theo công thức (2.24) và (2.25) 67 Bảng 2.8. Số liệu nhà dạng 1, cao 20 tầng 72 Bảng 2.9. Số liệu nhà dạng 1, cao 30 tầng 72 Bảng 2.10. Số liệu nhà dạng 2, cao 20 tầng 76 Bảng 2.12. Số liệu nhà dạng 2, cao 30 tầng 77 Bảng 2.12. Số liệu nhà dạng 3, cao 20 tầng 79 Bảng 2.13. Số liệu nhà dạng 3, cao 30 tầng 79 Bảng 2.14. Số liệu nhà dạng 4, cao 20 tầng 81 Bảng 2.15. Số liệu nhà dạng 4, cao 30 tầng 81 Bảng 2.16. So sánh lực cắt đáy thành phần gió động theo các công thức tính của 4 dạng nhà cao 20 tầng. 84 vii Bảng 2.17. So sánh lực cắt đáy thành phần gió động theo các công thức 85 tính của 4 dạng nhà cao 30 tầng Bảng 3.1. Độ cao Gradient zβ và hệ số α 92 Bảng 3.2. Chu kỳ dao động riêng cơ bản của công trình theo kiến nghị 95 của một số tác giả Bảng 3.3. Các hệ số f , ε , ξ Bảng 3.4 So sánh lực cắt đáy tính theo TCVN và theo công thức đề xuất, 97 104 nhà cao 20 tầng. Bảng 3.5 So sánh lực cắt đáy tính theo TCVN và theo công thức đề xuất, 105 nhà cao 30 tầng. Bảng 3.6. Số liệu nhà dạng 1a, cao 20 tầng, vách dày 200, 250 và 300 106 Bảng 3.7. Số liệu nhà dạng 1a, cao 30 tầng, vách dày 250, 300 và 350 106 Bảng 3.8. Số liệu nhà dạng 2a, cao 20 tầng vách dày 200, 250 và 300 107 Bảng 3.9. Số liệu nhà dạng 2a, cao 30 tầng, vách dày 250, 300 và 350 107 Bảng 3.10. Số liệu nhà dạng 3a, cao 20 tầng, vách dày 200, 250 và 300 107 Bảng 3.11. Số liệu nhà dạng 3a, cao 30 tầng, vách dày 250, 300 và 350 108 Bảng 3.12. So sánh lực cắt đáy tính theo TCVN và theo công thức đề xuất, 109 nhà cao 20 tầng, dạng 1a, 2a, 3a Bảng 3.13. So sánh lực cắt đáy tính theo TCVN và theo công thức đề xuất, 110 nhà cao 30 tầng, dạng 1a, 2a, 3a Bảng 3.14. Số liệu các dạng nhà 4, 5 và 6 Bảng 3.15. Thành phần gió động nhà dạng 4 tính theo TCVN và theo 112 113 hệ số đề xuất, 20 tầng Bảng 3.16. Thành phần gió động nhà dạng 5 tính theo TCVN và theo 114 hệ số đề xuất, 25 tầng Bảng 3.17. Thành phần gió động nhà dạng 6 tính theo TCVN và theo hệ số đề xuất, 30 tầng 115 viii Bảng 3.18. So sánh tải trọng gió tính theo TCVN (1.50) và theo hệ 116 số đề xuất (3.27) nhà dạng 4, 5, 6. Bảng 3.19. Số liệu công trình Đà Nẵng Plaza và Cục Hải Quan TP Đà Nẵng 117 Bảng 3.20. Thành phần gió động công trình Đà Nẵng Plaza tính theo TCVN 118 và theo công thức đề xuất. Bảng 3.21. Thành phần gió động công trình Cục Hải Quan TP Đà Nẵng 119 tính theo TCVN và theo công thức đề xuất. Bảng 3.22. So sánh tải trọng gió tính theo TCVN (1.50) và theo hệ số đề xuất (3.27) 120 ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Số hiệu Tên hình vẽ Trang Hình 1.1. Quan hệ vận tốc gió theo thời gian 9 Hình 1.2. Vận tốc gió tại cao trình z 11 Hình 1.3. Tỷ số giữa vận tốc gió trung bình trong t giây (Vt) với vận tốc gió 14 trung bình trong 1 giờ (ASCE/SEI 7-10) Hình 2.1. Hệ kết cấu khung giằng 46 Hình 2.2 (a) Vách chịu tải trọng ngang phân bố đều 49 (b) Khung chịu tải trọng ngang (c) Sự tương tác khung-vách. Hình 2.3. Hình dạng chuyển vị ngang, momen, lực cắt điển hình của kết cấu 50 khung-vách chịu tải trọng ngang. Hình 2.4. (a) Kết cấu khung-vách phẳng 52 (b) Phân tích liên tục cho kết cấu khung-vách (c) Sơ đồ tự do cho khung và vách Hình 2.5. Thanh công xôn chịu tải trọng ngang 56 Hình 2.6. Hệ số K1, khi chịu tải trọng ngang phân bố đều 57 Hình 2.7. Hệ số K1, khi chịu tải trọng ngang phân bố tam giác 58 Hình 2.8. Mặt bằng kết cấu công trình 20 tầng 60 Hình 2.9. Mặt bằng kết cấu công trình 30 tầng 63 Hình 2.10. Biểu đồ K1 tính theo công thức (2.24) và (2.25) 67 Hình 2.11. Mặt bằng kết cấu nhà dạng 1 70 Hình 2.12. Thành phần gió động, nhà dạng 1, cao 20 tầng, vách dày 200 72 Hình 2.13. Thành phần gió động, nhà dạng 1, cao 20 tầng, vách dày 250 72 Hình 2.14. Thành phần gió động, nhà dạng 1, cao 20 tầng, vách dày 300 73 Hình 2.15. Thành phần gió động, nhà dạng 1, cao 30 tầng, vách dày 250 73 x Hình 2.16. Thành phần gió động, nhà dạng 1, cao 30 tầng, vách dày 300 74 Hình 2.17. Thành phần gió động, nhà dạng 1, cao 30 tầng, vách dày 350 74 Hình 2.18. Mặt bằng kết cấu nhà dạng 2 75 Hình 2.19. Thành phần gió động, nhà dạng 2, cao 20 tầng, vách dày 200 76 Hình 2.20. Thành phần gió động, nhà dạng 2, cao 30 tầng, vách dày 300 77 Hình 2.21. Mặt bằng kết cấu nhà dạng 3 77 Hình 2.22. Thành phần gió động, nhà dạng 3, cao 20 tầng, vách dày 200 79 Hình 2.23. Thành phần gió động, nhà dạng 3, cao 30 tầng, vách dày 300 79 Hình 2.24. Mặt bằng kết cấu nhà dạng 4 81 Hình 2.25. Thành phần gió động, nhà dạng 4, cao 20 tầng, vách dày 200 81 Hình 2.26. Thành phần gió động, nhà dạng 4, cao 30 tầng, vách dày 300 82 Hình 3.1. Xác định hệ số gió giật 87 Hình 3.2. Vận tốc gió trung bình ở các độ cao 88 Hình 3.3. Biểu đồ xác định hệ số động lực  93 Hình 3.4. Hệ tọa độ khi xác định hệ số tương quan  95 Hình 3.5. Thành phần gió động, nhà dạng 1, cao 20 tầng, vách dày 200 98 Hình 3.6. Thành phần gió động, nhà dạng 1, cao 20 tầng, vách dày 250 99 Hình 3.7. Thành phần gió động, nhà dạng 1, cao 20 tầng, vách dày 300 99 Hình 3.8. Thành phần gió động, nhà dạng 1, cao 30 tầng, vách dày 250 100 Hình 3.9. Thành phần gió động, nhà dạng 1, cao 30 tầng, vách dày 300 100 Hình 3.10. Thành phần gió động, nhà dạng 1, cao 30 tầng, vách dày 350 101 Hình 3.11. Thành phần gió động, nhà dạng 2, cao 20 tầng, vách dày 200 101 Hình 3.12. Thành phần gió động, nhà dạng 2, cao 30 tầng, vách dày 300 102 Hình 3.13. Thành phần gió động, nhà dạng 3, cao 20 tầng, vách dày 200 102 Hình 3.14. Thành phần gió động, nhà dạng 3, cao 30 tầng, vách dày 300 103 Hình 3.15. Nhà dạng 1a 105 Hình 3.16. Nhà dạng 2a 106 xi Hình 3.17. Nhà dạng 3a 107 Hình 3.18. Nhà dạng 4: a- Mặt bằng. b- Sơ đồ 3D 110 Hình 3.19. Nhà dạng 5: a- Mặt bằng. b- Sơ đồ 3D 110 Hình 3.20. Nhà dạng 6: a- Mặt bằng. b- Sơ đồ 3D 111 Hình 3.21. Sơ đồ kết cấu công trình Đà Nẵng Plaza 115 Hình 3.22. Sơ đồ kết cấu công trình Cục hải quan TP ĐN 116 xii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT VIẾT TẮT GIẢI THÍCH ABL Asmospheric Boundary Layer – Lớp biên không khí AIJ Architectural Institute of Japan – Viện kiến trúc Nhật Bản ANCOVA Analysis of Covariance – Phân tích hiệp biến AR Autoregressive – Tự động hồi qui ASP Average Speed Profile – Biên dạng vận tốc trung bình AS/NZS Australian and New Zealand Standard - Tiêu chuẩn Úc và Niu Di Lân ASCE American Society of Civil Engineers – Hiệp hội kỹ sư dân dụng Hoa Kỳ BS British Standard - Tiêu chuẩn Anh BXD Bộ Xây dựng EAM Elastic Asmospheric Model – Mô hình khí đàn hồi EN Eropean Standard – Tiêu chuẩn Châu Âu ESWL Equivalent static wind load – Lực gió tĩnh tương đương GLF Gust Loading Factor – Hệ số tải trọng giật HFFB High Frefrence Force Balance – Cân bằng lực tầng số cao QCVN Qui chuẩn Việt Nam RMS Root Mean Square – Trung bình quân phương SPAN Synchronous Pressure Acquisition Network – Hệ thống thu nhận áp lực đồng bộ. SWR Spectral Wind Response – Phổ phản ứng gió TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TCXDVN Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam 1 MỞ ĐẦU Vị trí địa lý nước ta nằm ở vùng gần xích đạo và có bờ biển chạy dọc ở phía Đông, hàng năm phải đón nhận hàng chục cơn bão lớn nhỏ đổ bộ vào đất liền, nhất là khu vực Miền Trung, gây nhiều tổn thất về người và của. Đặc biệt, do hiện tượng biến đổi khí hậu nên gió bão ngày càng mạnh và diễn biến phức tạp hơn, đe dọa trực tiếp đến an toàn công trình và người sử dụng. Cùng với sự gia tăng dân số, gia tăng giá đất, xây dựng nhà cao tầng luôn là mối quan tâm của các nhà qui hoạch, quản lí đô thị. Ở Việt Nam nói chung và ở Đà Nẵng nói riêng hàng loạt các cao ốc văn phòng, khách sạn, chung cư cao tầng đã và đang được thiết kế, xây dựng, làm thay đổi đáng kể cảnh quan đô thị. Trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng, ảnh hưởng do tác dụng của tải trọng ngang do gió và động đất là rất lớn. Khi tính toán tải trọng gió đối với nhà cao tầng cần hiểu và xác định đúng giá trị các thông số đầu vào để thiết kế vì sự ứng xử của nhà cao tầng với tải trọng ngang là nổi trội so với tải trọng thẳng đứng. Chi phí cho hệ kết cấu để chịu tải trọng thẳng đứng (trọng lượng bản thân và hoạt tải sử dụng) tỉ lệ bậc nhất với chiều cao nhà. Trong khi đó chi phí cho hệ kết cấu để chịu tải trọng ngang tăng nhanh hơn nhiều khi chiều cao nhà tăng lên. Theo các tiêu chuẩn thiết kế các nước trên Thế giới, có ba phương pháp xác định tải trọng gió tác dụng lên công trình: phương pháp đơn giản (simplified procedure), phương pháp giải tích hay còn gọi phương pháp chi tiết (analytical procedure) và phương pháp ống thổi khí động (wind tunnel procedure). Tiêu chuẩn Việt nam TCVN 2737:1995 [13] được biên soạn theo tiêu chuẩn Nga SNiP 2.01.0785* [48] chưa đề cập đến phương pháp ống thổi khí động. Đối với các công trình nhà cao tầng có mặt bằng đối xứng, ảnh hưởng của dạng dao động thứ nhất đến giá trị thành phần gió động là chủ yếu, các dạng dao động cao hơn thường chỉ ảnh hưởng đến giá trị gia tốc đỉnh [14]. Việc sử dụng công thức gần đúng tính toán thành phần động của tải trọng gió với dạng dao động thứ 2 nhất rất có ý nghĩa thực tiễn nên tiêu chuẩn của hầu hết các nước tiên tiến như Hoa Kỳ ASCE/SEI 7-16 [16], Úc AS/NZS 1170.2:2011 [56], Châu Âu EN 1991-1-4 [29], Nhật Bản AIJ-2004 [36]... đều đưa ra phương pháp gần đúng để áp dụng cho các công trình này. Theo đó, tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng theo phương dọc luồng gió được tính từ thành phần gió tĩnh tương đương nhân với hệ số gió giật (Gust Loading Factor- GLF). Phương pháp GLF được Alan Garnett Davenport (Canada) [24] giới thiệu và áp dụng lần đầu tiên trong ngành xây dựng vào năm 1967. Thành phần gió động theo TCVN 2737:1995 cũng được tính toán trên cơ sở lấy thành phần gió tĩnh nhân với các hệ số kể đến ảnh hưởng của xung vận tốc gió và lực quán tính của công trình [13], [14], với quy trình tính toán có thể sử dụng phương pháp gần đúng hoặc phương pháp giải tích từ kết quả phân tích động học công trình. Phương pháp gần đúng để tính toán thành phần động của tải trọng gió theo TCVN 2737:1995 áp dụng cho nhà cao tầng có độ cứng, khối lượng và bề rộng mặt đón gió không đổi theo chiều cao cho kết quả thành phần động của tải trọng gió biến đổi theo quy luật bậc nhất theo cao độ z. Công thức này đơn giản, dễ sử dụng. Tuy nhiên, công thức này chỉ phù hợp với các công trình có chuyển vị ngang trên các tầng ở dạng dao động riêng thứ nhất xem gần đúng tuân theo quy luật bậc nhất theo cao độ z. Trong thực tế số công trình nhà cao tầng đáp ứng được điều kiện này là rất ít do khống chế từ việc đảm bảo các yêu cầu về kiến trúc và hiệu quả kinh tế. Việc không quy định rõ phạm vi áp dụng của công thức này có thể dẫn đến các sai số lớn, nhất là đối với công trình cao tầng có sơ đồ kết cấu khung giằng (khung và vách cùng chịu tải trọng ngang). Việc hoàn thiện phương pháp gần đúng để tính toán thành phần động của tải trọng gió theo TCVN 2737:1995 áp dụng cho các công trình có độ cứng không lớn là có ý nghĩa thực tiễn. Bên cạnh đó, quy trình tính toán tải trọng gió hiện nay theo TCVN 2737:1995 là khá phức tạp, nên kỹ sư thiết kế khó tự đánh giá kết quả phân tích, tính toán tải trọng gió. 3 Với ý nghĩa như vậy, việc hoàn thiện quy trình tính toán thành phần gió động lên công trình cao tầng phù hợp với tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành, tiếp cận theo tiêu chuẩn các nước tiên tiến là cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn. 1. Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng công thức gần đúng tính toán thành phần động của tải trọng gió trong TCVN 2737:1995 [13] để tính toán thành phần gió động tác dụng lên nhà cao tầng có mặt bằng kết cấu đối xứng, sử dụng hệ kết cấu khung giằng với các dạng địa hình khác nhau. - Đề xuất công thức đơn giản tính toán thành phần động của tải trọng gió theo phương pháp hệ số gió giật (GLF) cho các công trình bê tông cốt thép cao đến 35 tầng, có mặt bằng kết cấu đối xứng và sử dụng hệ kết cấu khung giằng. 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: - Đối tượng nghiên cứu: Thành phần động của tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng. - Phạm vi nghiên cứu: Nhà cao tầng bê tông cốt thép đến 35 tầng có mặt bằng kết cấu đối xứng và sử dụng hệ kết cấu khung giằng. 3. Nội dung nghiên cứu - Tìm hiểu lý thuyết xác định chuyển vị ngang kết cấu nhà cao tầng có sơ đồ khung giằng. - Đánh giá sai số và làm rõ phạm vi áp dụng của công thức gần đúng xác định thành phần gió động trong TCVN 2737:1995. - Xây dựng công thức gần đúng tính toán thành phần gió động cho kết cấu nhà cao tầng. Công thức có cấu trúc đơn giản tương tự như công thức gần đúng của TCVN 2737:1995 với độ sai số cho phép khi áp dụng cho hệ kết cấu có sơ đồ khung giằng với các dạng địa hình khác nhau. - Trên cơ sở của TCVN 2737:1995, hệ thống hoá các công thức của tiêu chuẩn để xác định hệ số gió giật G theo Davenport tương ứng với các hệ kết cấu có độ cứng khác nhau, từ đó có các kiến nghị ứng dụng. 4 - Đề xuất công thức tính toán tải trọng gió đơn giản theo phương pháp GLF cho các công trình cao đến 35 tầng ở vùng gió IIB, có mặt bằng kết cấu đối xứng và sử dụng hệ kết cấu khung giằng. - Khảo sát số một số công trình từ 15 đến 35 tầng chịu tải trọng gió ở Đà Nẵng và các khu vực có vùng gió tương tự để đánh giá độ tin cậy của các công thức đề xuất. 4. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu mô hình tính toán lý thuyết tải trọng gió và khảo sát số bằng các phần mềm ứng dụng để so sánh, đánh giá kết quả. 5. Những kết quả đạt được của luận án - Đánh giá sai số và làm rõ được phạm vi áp dụng của công thức gần đúng tính toán thành phần gió động trong TCVN 2737:1995. - Đề xuất được công thức gần đúng tính toán thành phần gió động phù hợp với công trình cao tầng có sơ đồ khung giằng theo TCVN 2737:1995 với các dạng địa hình khác nhau. - Trên cơ sở của TCVN 2737:1995 và kết quả nghiên cứu, đã hệ thống hoá các công thức của tiêu chuẩn để xác định hệ số gió giật G theo Davenport tương ứng với các hệ kết cấu chịu tải trọng ngang khác nhau. - Đề xuất được công thức tính toán thành phần gió động theo hệ số gió giật G với độ chính xác xấp xỉ phương pháp giải tích của TCVN 2737:1995 cho các công trình cao đến 35 tầng, có mặt bằng đối xứng với bề rộng mặt đón gió không quá 50m, xây dựng trên địa bàn Thành phố Đà Nẵng và các địa hình tương tự. Công thức gần đúng xác định hệ số gió giật G có cấu trúc khá đơn giản, dễ sử dụng. 6. Cấu trúc của luận án Ngoài các phần mục lục, danh mục các tài liệu tham khảo, các công trình khoa học đã công bố, các phụ lục, hình vẽ, bảng biểu, luận án trình bày 123 trang, bố cục như sau: Mở đầu (5 trang). 5 Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu (41 trang). Chương 2: Tính toán thành phần gió động cho nhà có sơ đồ khung giằng bố trí đối xứng (40 trang). Chương 3: Xác định hệ số gió giật cho nhà cao tầng có sơ đồ kết cấu khung giằng bố trí đối xứng theo Tiêu chuẩn Việt Nam (35 trang). Kết luận - Kiến nghị (2 trang). 6 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Gió và tác động của gió lên công trình 1.1.1. Khái niệm về gió, bão, lốc xoáy Gió là sự chuyển động của dòng khí chảy rối trong khí quyển từ vùng có áp suất cao về vùng có áp suất thấp. Gió phát sinh chủ yếu do phân bố không đều độ chiếu nắng của mặt trời trên bề mặt trái đất và do sự quay của trái đất quanh trục bản thân của nó. Đặc tính chủ yếu của gió là vận tốc thay đổi liên tục và không đều theo cả không gian và thời gian. Bão là một xoáy thuận nhiệt đới có sức gió mạnh nhất từ cấp 8 trở lên và có thể có gió giật. Bão từ cấp 10 đến cấp 11 được gọi là bão mạnh; từ cấp 12 trở lên được gọi là bão rất mạnh [12]. Bão xuất hiện khi nước bốc hơi mạnh, thường ở nhiệt độ từ 27oC trở lên và ở ngoài biển, sự bốc hơi này hình thành dòng khí bốc ngược thẳng đứng, cộng với chuyển động xoay của trái đất quay quanh trục bản thân để tạo thành dòng xoáy ngang, từ đó cơn bão được hình thành. Vận tốc tiếp tuyến của dòng xoáy ngang chính là vận tốc gió bão, có thể đạt đến 150km/h hoặc lớn hơn. Lốc xoáy là một hiện tượng khí tượng đặc biệt, là luồng gió xoáy có vận tốc lớn được hình thành trong phạm vi hẹp và tan đi trong thời gian ngắn [12]. Sức gió ở vùng xa tâm thì nhỏ nhưng càng vào trong càng mạnh lên và ở giữa thì hình thành một cái lõi. Phạm vi hoạt động của lốc nhỏ hơn của bão nhưng sức gió thì mạnh hơn rõ rệt, có thể đến 250 - 290km/h. Lốc thường xuất hiện bất ngờ và có thể xuất hiện ở mọi nơi. Tác động của gió thông thường với những điều kiện khí tượng thuận lợi, đã có nhiều khảo sát, nghiên cứu và thu được những số liệu khá chuẩn xác. Nhưng những nghiên cứu về bão, lốc trên thế giới còn ít, qui luật và tác động của nó nhiều diễn biến phức tạp. Vì vậy bão luôn là vấn đề quan tâm của các nhà khoa học, của