Tài liệu Tính toán tải trọng gió cho nhà cao tầng có mặt bằng hình tròn theo tiêu chuẩn việt nam và tiêu chuẩn eurocode (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRUỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI P ẠM N TU ẾT TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ CHO NHÀ CAO TẦNG CÓ MẶT BẰNG HÌNH TRÒN THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM VÀ TIÊU CHUẨN EUROCODE LUẬN VĂN T ẠC SỸ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Hà Nội - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRUỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI HẠ H H TUY T : -2017 TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ CHO NHÀ CAO TẦNG CÓ MẶT BẰNG HÌNH TRÒN THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM VÀ TIÊU CHUẨN EUROCODE Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN Mã số: 60.58.02.08 LUẬ VĂ THẠC SỸ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP GƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS H G TH HOÀI HƯ Hà Nội - 2017 G LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được luận văn này, ngoài sự nỗ lực của bản thân không thể không kể đến sự giúp đỡ của thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp. Tác giả xin trân trọng cảm ơn TS hùng Thị Hoài Hương đã hướng dẫn, giúp đỡ tận t nh và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình hoàn thành luận văn Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo, các cán bộ khoa đào tạo Sau Đại Học thuộc trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội, bộ môn Kết cấu bê tông cốt thép, các bạn bè đã góp ý và tạo mọi điều kiện trong quá trình học tập và nghiên cứu. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, nhưng những thiếu sót trong luận văn là điều khó tránh khỏi. Một lần nữa, tác giả rất mong được sự đóng góp ý kiến của thầy cô, bạn bè. Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, 03.2017 Phạm Ánh Tuyết LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ này là công tr nh nghiên cứu khoa học độc lập của tôi. Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của Luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng. TÁC GIẢ LUẬ VĂ Phạm Ánh Tuyết MỤC LỤC Lời cảm ơn Lời cam đoan Danh mục các bảng, biểu Danh mục các hình Trang MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài…………………………………………………………… 1 ục đích nghiên cứu………………………………………………………… 2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu…………………………………………… 2 hương pháp nghiên cứu…………………………………………………… 2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài…………………………………… 3 NỘI DUNG C ƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG VÀ TẢI TRỌNG GIÓ ĐỐI VỚI NHÀ CAO TẦNG CÓ MẶT BẰNG HÌNH TRÒN………4 1.1 Tổng quan về nhà cao tầng…………………………………………… 4 1.1.1 Giới thiệu về nhà cao tầng…………………………………………… 4 1.1.2 Giới thiệu về nhà cao tầng có mặt bằng hình tròn……………………21 1.2 Tải trọng gió đối với nhà cao tầng…………………………………… 23 1.2.1 Khái niệm gió……………………………………………………… ...23 1.2.2 Tác động của gió vào công trình…………………………………… 23 1.2.3 Vai trò của tải trọng gió tác động lên nhà cao tầng………………… 25 1.3 Tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng có mặt bằng hình tròn……… 25 1.3.1 Tải trọng gió dọc hướng gió………………………………………… 26 1.3.2 Tải trọng gió ngang hướng gió……………………………………… 26 1.4 . Nhận xét……………………………………………………………… 28 C ƢƠNG 2: TÍN TO N TẢI TRỌNG GIÓ CHO NHÀ CAO TẦNG CÓ MẶT BẰNG HÌNH TRÒN THEO TIÊU CHUẦN VIỆT NAM TCVN 2737:1995, TCXD 229-1999 VÀ EUROCODE EN 1991-1-4.2005 2.1 Tính toán tải trọng gió theo tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 & TCXD 229- 999………………………………………………………29 2.1.1 Dạng địa hình………………………………………………………… 29 2.1.2 Tải trọng gió dọc………………………………………………… .....29 2.1.2.1 Thành phần tĩnh…………………………………………………… 30 2.1.2.2 Thành phần động…………………………………………………… 35 2.1.3 Tải trọng gió ngang……………………………………………………42 2.1.3.1 Đặt vấn đề……………………………………………………….......43 2.1.3.2 ất ổn định khí động do kích động xoáy đối với kết cấu và công tr nh dạng lăng trụ…………………………………………………………………43 Thành phần lực ngang hướng gió……………………………………49 2.1.4 Tổ hợp tải trọng gió dọc và gió ngang……………………………… 50 2.1.4.1 Giá trị tính toán của tải trọng gió……………………………………50 2.1.4.2 Tổ hợp tải trọng gió dọc và ngang hướng gió……………………… 51 2.2 Tính toán tải trọng gió theo tiêu chuẩn EN 1991-1-4.2005…………… 51 2.2.1 ô h nh hoá các tác động của gió…………………………………… 51 2.2.1.1 Tính chất của gió……………………………………………………51 2.2.1.2 Đặc trưng tác động của gió………………………………………… 52 2.2.1.3 Giá trị đặc trưng………………………………………………… .52 2.2.1.4 Các mô hình……………………………………………………… 52 2.2.2 Vận tốc và áp lực gió…………………………………………………53 2.2.2.1 Cơ sở tính toán…………………………………………………… 53 2.2.2.2 Giá trị vận tốc gió cơ bản………………………………………… 53 2.2.2.3 Vận tốc gió hiệu dụng theo độ cao…………………………………56 2.2.2.4 Hệ số thay đổi vận tốc gió theo độ cao và dạng địa h nh………… 56 2.2.2.5 Hệ số áp lực theo độ cao………………………………………… 61 2.2.3 Tác động của gió…………………………………………………… 63 2.2.3.1 p lực gió lên bề mặt công tr nh………………………………… 63 2.2.3.2 Tải trọng gió……………………………………………………… 64 2.2.4 Các hệ số kết cấu…………………………………………………… 65 2.2.4.1 hái niệm chung………………………………………………… .65 2.2.4.2 ột số trường hợp xác định nhanh CsCd……………………………66 2.2.4.3 Tr nh tự tính toán…………………………………………………… 68 2.2.5 p lực và hệ số khí động…………………………………………… 72 2.2.5.1 Lựa chọn các hệ số khí động học………………………………… 72 2.2.5.2 Tính toán các bộ phận kết cấu h nh trụ…………………………… 72 2.3 Nhận xét……………………………………………………………… 79 C ƢƠNG 3: P DỤNG TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ TÁC DỤNG LÊN NHÀ CAO TẦNG CÓ MẶT BẰNG HÌNH TRÒN THEO TIÊU CHUẦN VIỆT NAM TCVN 2737:1995 VÀ EUROCODE EN 1991-14.2005………………………………………………………………………..80 3.1 Giới thiệu công trình………………………………………………… 80 3.2 Tính toán tải trọng gió tác dụng vào công trình theo TCVN 2737:1995 3.2.1 Tải trọng gió dọc…………………………………………………… 82 3.2.1.1 Thành phần tĩnh…………………………………………………… 82 3.2.1.2 Thành phần động………………………………………………… .89 3.2.2 Tải trọng gió ngang………………………………………………… 96 3.3 Tính toán tải trọng gió tác dụng vào công trình theo EN 1991-1-4.2005 3.3.1 Tính toán tải trọng gió……………………………………………… 3.3.2 Tính chuyển vị……………………………………………………… 104 3.4 So sánh kết quả tính toán…………………………………………… 107 3.4.1 So sánh tải trọng gió tác dụng vào công trình……………………… 107 3.4.2 So sánh chuyển vị ngang của công tr nh do tác động của gió……… 108 3.5 Nhận xét và đánh giá………………………………………………….110 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ…………………………………………….112 TÀI LIỆU TH HẢO DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tên đầy đủ BTCT Bê tông cốt thép TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam EN Tiêu chuẩn Eurocode DANH MỤC C C Số hiệu hình N ẢN Tên hình Trang 8 8 Hình 1.1 6 6 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 6 6 8 9 68 ộ 7 Tòa nhà 50 9 Hình 1.5 Ứng xử của khung cứng khi chịu t i trọng ngang 10 Hình 1.6 Kết cấu khung-thanh giằng chéo của tòa nhà Empire State 11 Hình 1.7 Bố trí hệ tường chịu lực 12 Hình 1.8 Tường đặc mảnh chịu tải trọng gió 12 Hình 1.9 Tường có lỗ cửa mảnh chịu tải trọng gió 13 Hình 1.10 Dạng lõi đơn hở trong nhà cao tầng 14 Hình 1.11 Lõi bị xoắn 15 Mặt bằng kết cấu ống trong ống tòa nhà Hình 1.12 17 The Brunswick Building, Mỹ, xây dựng từ 1962-1966 Hình 1.13 Kết cấu bó ống tòa nhà Willis Tower, Mỹ 17 Hình 1.14 Hiện tượng “Shear lag” trong kết cấu bó ống 18 Hình 1.15 Tương tác khung-tường khi chịu tải trọng ngang 19 Hình 1.16 Ảnh hưởng của sự tương tác khung-tường 20 Hình 1.17 Hệ kết cấu bằng bê tông cốt thép vs. số tầng 21 Hình 1.18 Công trình Azrieli Towers ở Tel Aviv thuộ c Israel 22 Hình 1.19 Tòa nhà Trung tâm hành chính thành ph Đ ẵng 23 Hình 1.20 V Hình 1.21 ủ ọ đ 25 Các thành ph n áp lực gió tác dụng lên nhà cao t ng 26 có mặt bằng hình tròn Hình 2.1 X định mặt cao trình Z0 khi 0,3 < i < 2 32 Hình 2.2 X định mặt cao trình Z0 32 Hình 2.3 X định hệ s hình tròn Hình 2.4 X định hệ s C 35 Hình 2.5 Hệ s động lực  40 Hình 2.6 Quan hệ thực nghiệm Re và L của kết cấu ng tròn 45 Hình 2.7 Các ph m vi tác dụng của lự công trình 47 Hình 2.8 Đ ị gian Hình 2.9 Minh họa các d Hình 2.10 Đ ≥ động cho công trình có mặt bằng ng gió lên 34 55 m vi địa hình 58 ởng củ địa hình Hình 2.11 Giá trị của Ce(z) theo chiều cao và d địa hình 60 63 Hình 2.12 CsCd cho kết cấu d ng trụ tròn bằng bê tông c t thép không có l đệm 66 Hình 2.13 Các thông s hình học của kết cấu d ng trụ tròn 68 Hình 2.14 Bi đ phân ph i áp lực trên các vị trí trụ tròn 73 Hình 2.15 Bi đ hệ s lực cho kết cấu d ng trụ 75 Hình 2.16 Bi đ nội suy giá trị λ 77 Hình 2.17 Sơ đ kh i quy trình tính toán t i trọng gió lên công trình 78 Hình 3.1 81 ụ Hình 3.2 ọ Hình 3.3 ọ 5 ở 5 ở 5 Vệ 85 106 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Số hiệu bảng, biểu Tên bảng, biểu Trang đ phân vùng áp lực gió lãnh B ng 2.1 Áp lực gió theo b thổ Việt Nam B ng 2.2 B ng hệ s k k đến sự cao và d địa hình B ng 2.3 Xác định hệ s k1 khi C < 0 B ng 2.4 Giá trị gi i h B ng 2.5 Hệ s áp lự động của t i trọng gió  37 B ng 2.6 Các tham s  và  38 B ng 2.7 Hệ s ơ q 1 đế ơ quan xung v n t c gió theo chiều cao công trình và bề rộ đ ụ thuộc vào  và  38 B ng 2.8 S Struhal cho một s d ng mặt cắt 46 B ng 2.9 Hệ s β trình 48 B ng 2.10 Giá trị v n t c gió tính trung bình trong 3 giây v i chu kỳ lặ 0 ă đ phân vùng áp lực gió trên lãnh thổ Việt Nam 51 B ng 2.11 Giá trị v n t c gió ơ ơ ứng v i các vùng áp lực gió trên lãnh thổ Việt Nam 54 B ng 2.12 Lo B ng 2.13 Giá trị Cr(z) theo chiều cao và các d địa hình 60 B ng 2.14 Giá trị Ce(z) theo chiều cao và các d địa hình 62 B ng 2.15 Áp lực gió tiêu chu n (qp) theo các vùng áp lực gió trên lãnh thổ Việt Nam đổi áp lự độ 30 33 34 động của t n s riêng fL i gian sử dụng gi định của công địa hình và các thông s địa hình 36 57 63 B ng 2.16 ị i áp lực trên các vị trí trụ tròn ệ 74 B ng 2.17 Hệ s độ B ng 2.18 Giá trị độ m nh v i các công trình có mặt bằng hình trụ đ ấu trúc m ng tinh th 76 B ng 3.1 B ng giá trị ự khi chọn góc chia mặt bằ 83 ứng v i các bề mặt ọ B ng 3.2 B ng 3.3 ơ 74 ủ 0 độ ứ 86 ụ Giá trị WFj 91 n B ng 3.4 Giá trị (y W ji j 1 Fj ) 91 n B ng 3.5 B ng 3.6 Giá trị (y 2 j 1 ji M j) Giá trị t i trọ ặ 92 động tác dụ ằ (theo TCVN 94 2737 : 1995) B ng 3.7 Giá trị t i trọng gió dọ ng gió tác dụ ặ ằ 95 TCVN 2737 : 1995 l2 B ng 3.8 B ng 3.9 Giá trị V k l1 *2 k .Dk . Lk .ki Giá trị 98 ng gió tác dụng lên ặ ằ V 99 2737 : 1995 B ng 3.10 ọ EN 1991-1-4-2005 103 B ng 3.11 Giá trị ự góc chia mặt bằ ủ ọn B ng 3.12 Tổng h p giá trị lực cắ đ trọng gió tác dụ V 7 7 : 995 B ng 3.13 S ị EN 1991-1-4-2005 0 độ V đ ủa t i ặ ằ 7 7 : 995 104 107 110 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Với sự phát triển không ngừng của Khoa học kỹ thuật và công nghệ, các công trình nhà cao tầng được xây dựng ngày càng nhiều trên Thế giới và ở Việt Nam. Các công trình phát triển cả về chiều cao, đa dạng về mặt bằng, phong phú về kiến trúc. Thiết kế hiện đại không chỉ giới hạn các công trình thuần túy chỉ có mặt bằng hình chữ nhật hay vuông mà thêm vào đó là các mặt bằng đa giác, mặt bằng hình tròn, mặt bằng hình elipe, hay mặt bằng kết hợp các dạng cơ bản nói trên. Khi chiều cao công tr nh càng tăng th mức độ ảnh hưởng của tải trọng ngang vào công trình càng lớn Đặc biệt là ảnh hưởng của tải trọng gió. Việc tính toán chính xác các tải trọng này cho nhà cao tầng rất quan trọng, từ đó đảm bảo cho công tr nh được thiết kế hợp lý cả về kinh tế và kỹ thuật. Tải trọng gió tác động vào công trình rất khác nhau, nó phụ thuộc nhiều yếu tố ví dụ như phụ thuộc vào địa hình công trình, vào vùng lãnh thổ, vào chiều cao công trình, hình dạng mặt bằng công tr nh, v v… Với những công trình có mặt bằng khác nhau tính toán khác nhau. Tải trọng gió có thể được xác định bằng phương pháp ống thổi khí động, tuy nhiên chi phí cho thí nghiệm ống thổi khí động khá đắt đỏ nên nó chỉ thường áp dụng cho các công tr nh đặc biệt như có h nh dạng rất phức tạp, và chiều cao công trình lớn. Phần lớn các công trình vẫn được tính toán dựa trên các tiêu chuẩn tải trọng của các nước. Công trình cao tầng có mặt bằng h nh tròn được xây dựng nhiều trên thế giới còn ở Việt nam thể loại công trình này là rất hiếm. Tuy nhiên, với tốc độ xây dựng như hiện nay thì các công trình có mặt bằng này sẽ có thể được xây dựng nhiều trong tương lai gần Cho đến nay chúng ta vẫn tính tải trọng 2 gió cho các công trình ở Việt Nam theo tiêu chuẩn TCVN 2737:1995, mà chưa có tiêu chuẩn mới thay thế. Tiêu chuẩn này chỉ giới thiệu cách tính tải trọng gió cho các công trình có mặt bằng hình trụ tròn như bể chứa, tháp làm nguội, ống khói mà không thấy nói kỹ nhà cao tầng có mặt bằng tròn. Nên không ít kỹ sư lúng túng trong việc tính toán tải trọng gió cho công trình nhà cao tầng có mặt bằng hình tròn theo tiêu chuẩn này. Vì vậy, tác giả chọn đề tài luận văn “Tính toán tải trọng gió cho nhà cao tầng có mặt bằng hình tròn theo tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn EUROCODE” là cần thiết và có giá trị thực tiễn trong thiết kế và xây dựng công trình có mặt bằng hình tròn ở nước ta. 2. Mục đích nghiên cứu - Tìm hiểu việc tính toán tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng có mặt bằng hình tròn theo các tiêu chuẩn: TCVN 2737:1995, TCXD 229-1999; và EN 1991-1-4.2005 - Tính toán tải trọng gió và nội lực trong kết cấu nhà cao tầng có mặt bằng hình tròn và so sánh tải kết quả tính toán theo một số tiêu chuẩn nói trên. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu -Đ ng nghiên cứu: Tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng có mặt bằng hình tròn. - Ph m vi nghiên cứu: Tính toán tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng có mặt bằng hình tròn theo các tiêu chuần TCVN 2737:1995, TCXD 2291999; và EN 1991-1-4.2005. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp sử dụng mô hình phần tử hữu hạn 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Lập quy trình tính toán nhà cao tầng có mặt bằng hình tròn chịu tải 3 trọng gió theo các tiêu chuẩn TCVN 2737:1995, TCXD 229-1999; và EN 1991-1-4 , sau đó so sánh kết quả tính toán theo các tiêu chuẩn này cho công trình có mặt bằng tròn. - Ngoài ra, các kết quả đạt được của đề tài có thể giúp đỡ trong công tác thiết kế, thẩm tra thiết kế đảm bảo an toàn cho các công trình nhà cao tầng có mặt bằng hình tròn trong các dự án xây dựng ở nước ta mặc dù được thiết kế theo các tiêu chuẩn Việt Nam hay nước ngoài. THÔNG BÁO Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội. Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội. Email: [email protected] TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN 112 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NG Ị 1. Kết luận Luận văn đã tổng quan được về sự phát triển nhà cao tầng ở trên Thế giới và ở Việt nam trong đó có các công tr nh với mặt bằng h nh tròn Đồng thời, luận văn đã tr nh bày về phương pháp tính toán tải trọng gió và ví dụ áp dụng cho công tr nh có mặt bằng h nh tròn theo tiêu chuẩn Việt 2737:1995, TCXD 229-1999 và tiêu chuẩn Eurocode E am TCV 99 -1-4-2005. Khi tính toán tải trọng gió cho công tr nh có mặt bằng tròn theo hai tiêu chuẩn trên cần lưu ý như sau: Hiện tại Việt am vẫn chưa có tiêu chuẩn riêng thiết kế cho nhà cao tầng có mặt bằng h nh tròn, do đó việc tính toán thường dựa trên các tiêu chuẩn nước ngoài V vậy, khi tính toán tải trọng gió cho nhà cao tầng có mặt bằng h nh tròn theo các tiêu chuẩn, việc xác định hệ số khí động, hệ số Reynolds và vận tốc gió cơ sở theo các tiêu chuẩn là rất quan trọng Cách xác định hệ số áp lực (hệ số lực) theo tiêu chuẩn EUROCODE có phần tỷ mỉ và chi tiết hơn Tiêu chuẩn Việt am xác định chủ yếu dựa theo dạng h nh học công tr nh, tiêu chuẩn EUROCODE còn chú trọng đến tỷ lệ kích thước của công tr nh nên phù hợp hơn với kết cấu nhà cao tầng Tuy nhiên, việc áp dụng tiêu chuẩn EUROCODE vào tính toán tải trọng gió tác dụng vào công tr nh (đặc biệt với công tr nh có mặt bằng h nh tròn) để phục vụ tính toán các cấu kiện và bộ phận kết cấu công tr nh cùng với các tiêu chuẩn Việt am hiện hành cần phải được nghiên cứu, cân nhắc kỹ để đảm bảo tính đồng bộ của hệ thống các tiêu chuẩn