Tài liệu Tính toán tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng theo phương pháp hệ số giật g da venport (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI --------------------------- NGUYỄN TRƯỜNG THAO TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ TÁC DỤNG LÊN NHÀ CAO TẦNG THEO PHƯƠNG PHÁP HỆ SỐ GIẬT GDAVENPORT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DD&CN Hà Nội – 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI --------------------------- NGUYỄN TRƯỜNG THAO KHÓA 2012-2014 TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ TÁC DỤNG LÊN NHÀ CAO TẦNG THEO PHƯƠNG PHÁP HỆ SỐ GIẬT GDAVENPORT Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DD&CN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. NGUYỄN ĐẠI MINH Hà Nội – 2014 LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập và nghiên cứu tại lớp Cao học Xây dựng khóa 2012, Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội, Em đã hoàn thành Luận văn Thạc sỹ với đề tài: “Tính toán tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng theo phương pháp hệ số gió giật G-DAVENPORT”. Em xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô giáo Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội, Ban chủ nhiệm Khoa Xây dựng và Khoa Sau đại học đã giảng dạy và giúp đỡ Em trong suốt quá trình học tập nghiên cứu tại trường. Em xin chân thành cảm ơn Thầy: Nguyễn Đại Minh. Thầy đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ Em hoàn thành tốt luận văn này. Tác giả cũng gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã động viên và giúp đỡ tác giả trong quá trình thực hiện luận văn này. Mặc dù đã cố gắng để hoàn thiện luận văn, nhưng không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quý báu của quý Thầy Cô và các bạn. Thái Nguyên, ngày 24 tháng 7 năm 2014. Học viên Nguyễn Trường Thao LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn Thạc sĩ này là công trình 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 LUẬN VĂN Nguyễn Trường Thao MỤC LỤC Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt Danh mục các bảng, biểu Danh mục các hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài 1 Mục đích nghiên cứu 2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2 Phương pháp nghiên cứu 2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2 Cấu trúc luận văn 3 NỘI DUNG Chương I: Tổng quan về Nhà cao tầng và phương pháp xác định tải trọng 4 gió lên nhà cao tầng. 1.1 Khái niệm nhà cao tầng. 4 1.2 Tác động của gió lên công trình. 5 1.2.1Tác động của gió lên công trình nói chung. 5 1.2.2Tác động của gió lên nhà cao tầng. 16 1.2.3Các biện pháp giảm thiểu tác động của giáo lên công trình. 19 1.3 Ý nghĩa của việc xác định tải trọng gió lên công trình. 25 1.4 Giới thiệu phương pháp hệ số giật G- Davenport áp dụng trong tiêu 25 chuẩn của các nước trên thế giới để xác đinh tải tải trọng gió lên nhà cao tầng. Chương 2: Nội dung phương pháp hệ số giật G xác định tải trọng gió lên 27 nhà cao tầng. 2.1 Cơ sở nghiên cứu của phương pháp xác định tải trọng gió theo hệ số 27 G- Davenport. (chuyển từ bài toán thống kê động sang bài tóan tĩnh ngang tương đường thông qua biểu diễn phổ và hàm lọc) 2.2 Nội dung phương pháp xác định tải trọng gió tác động lên công trình 27 theo hệ số G- Davenport. Chương 3: Ví dụ tính toán xác định tải trọng gió lên công trình theo 37 phương pháp hệ số gió giật G- Davenport trong tiêu chuẩn ASCE/SEI 705 và theo TCVN 2737: 1995 3.1 Thống số đầu vào của ví dụ và quy đổi thông số đầu vào theo phương 37 pháp hệ số giật G- Davenport và theo TCVN 2737:1995 3.1.1 Vận tốc gió. 37 3.1.2 Vận tốc gió cơ sở. 38 3.1.3 Quy đổi vận tốc gió cơ sở. 39 3.1.4Dạng địa hình. 41 3.2 Phương pháp xác định tải trọng gió theo Tiếu chuẩn TCVN 43 2737:1995 và tiêu chuẩn ASCE/SEI 7-05. 3.2.1 Nội dung phương pháp xác định tải trọng gió theo TCVN 43 2737:1995. 3.2.2 Nội dung phương pháp xác định tải trọng gió theo tiêu chuẩn 54 ASCE/SEI 7-05. 3.3 Ví dụ tính toán xác định tải trọng gió lên nhà cao tầng theo phương 61 pháp hệ số giật G- Davenport trong tiêu chuẩn ASCE/SEI 7-05 và tiêu chuẩn TCVN 2737-1995. 3.3.1 Ví dụ tính toán xác định tải trọng gió lên nhà cao tầng theo phương pháp hệ số giật G- Davenport trong tiêu chuẩn ASCE/SEI 7-05. 61 3.3.2 Ví dụ tính toán xác định tải trọng gió lên nhà cao tầng theo phương 65 pháp hệ số giật G- Davenport trong tiêu chuẩn ASCE/SEI 7-05. Chương 4: Kết luận và kiến nghị. 75 DANH MỤC HÌNH, SƠ ĐỒ, ĐỒ THỊ Số hiệu hình Hình 1.1 Tác động của gió Hình 1.2 Hai loại gió tác động lên công trình Hình 1.3 Phản ứng của gió ngang Hình 1.4 Thành phần của gió Hình 1.5 Vùng gió quẩn sau lưng tường chắn Hình 1.6 Lưu lượng không khí trên mặt cắt đứng công trình Hình 1.7 Phân bố hệ số khí động K trên hình hộp Hình 1.8 Biểu diễn vùng gió quẩn khi gió thổi vuông góc với 1 cạnh hộp Hình 1.9 Biểu diễn vùng gió quẩn khi gió thổi xiên góc α Hình 1.10 Phân tích dòng khí động đi qua nhóm các tòa nhà cao tầng. Hình 1.11 Phân tích áp lực gió lên bề mặt tòa nhà đặt trong nhóm các tòa Tên hình nhà cao tầng. Hình 1.12 Lợi dụng địa hình để giảm bớt tác hại gió, làm thay đổi tốc độ và hướng gió Hình 1.13 Trồng cây và rào giậu để giảm bớt tốc độ gió Hình 1.14 Hình dáng công trình đơn giản để bớt cản gió Hình 1.15 Mái nghiêng 300 – 450 để giảm bớt tốc mái do áp lực âm Hình 1.16 Mái hiên rời giảm sự chìa ra của mái Hình 1.17 Kích thước các lỗ cửa ở các tường đối diện xấp xỉ bằng nhau Hình 1.18 Đảm bảo cánh cửa đóng vừa lỗ cửa. Hình 2.1 Cơ sở nghiên cứu của phương pháp hệ số giật G Hình 2.2 Vận tốc gió tại cao trình z Hình 2.3 Quan hệ vận tốc gió tại cao trình z theo thời gian t Hình 2.4 Biểu đồ xác định hệ số đỉnh [10] Hình 2.5 Biểu đồ xác định hệ số nhám Hình 2.6 Biểu đồ xác định hệ số kích động gốc Hình 2.7 Biểu đồ xác định hệ số giảm do kích thước Hình 2.8 Biểu đồ xác định hệ số năng lượng giật Hình 3.1 Quan hệ vận tốc gió theo thời gian. Hình 3.2 Tỷ số Vt/V3600 giữa vận tốc gió trung bình trong t giây (Vt) với vận tốc gió trung bình trong1 giờ (V3600) (ASCE/SEI 7-05 Hình 3.3 Hệ tọa độ khi xác định hệ số tương quan n Hình 3.4 Biểu đồ xác định hệ số động lực x HÌnh 3.5 Mô hình ví dụ tính toán của Bungale theo ASCE/SEI 7-05 Hình 3.6 Biểu đồ so sánh giá trị tiêu chuẩn tải trọng gió tác dụng lên công trình theo TCVN 2737:1995 và ASCE/SEI 7-05 DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu Tên bảng, biểu bảng Bảng 1.1 Độ cao khởi đầu nhà cao tầng của một số nước Bảng 3.1 Hệ số chuyển đổi gió 3s từ chu kì 20 năm sang các chu kỳ khác Bảng 3.2 Áp lực gió tiêu chuẩn theo bản đồ phân vùng áp lực gió Bảng 3.3 Giá trị thông số k10, z10, a Hệ số k kể đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao và dạng địa Bảng 3.4 hình Bảng 3.5 Giá trị giới hạn dao động của tần số riêng fL Bảng 3.6 Hệ số tương quan không gian áp lực động của tải trọng gió n Bảng 3.7 Các tham số r và c Bảng 3.8 Hệ số áp lực động của tải trọng gió z Bảng 3.9 Giá trị các tham số của ASCE/SEI 7-05 Bảng 3.10 Xác định các tham số kể đến sự gia tăng vận tốc gió của các điều kiện địa hình của ASCE/SEI 7-05 Bảng 3.11 Hệ số hướng Kd Bảng 3.12 Hệ số tầm quan trọng I Số liệu đầu vào và tính toán các thông số đầu vào do Bungale Bảng 3.13 thực hiện. Bảng 3.14 Giá trị tiêu chuẩn thành phần gió tĩnh theo TCVN 2737:1995 Bảng 3.15 Giá trị tiêu chuẩn thành phần gió động theo TCVN 2737:1995 Bảng 3.16 Giá trị tiêu chuẩn của tải trọng gió lên công trình tính theo ASCE/SEI 7-05 và TCVN 2737-1995 Bảng 3.17 So sánh giá trị lực cắt đáy do tải trọng gió tác động 1 PHẦN MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài. Nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa và hiện đại hóa, để đáp ứng nhu cầu phát triển, nhiều dự án xây dựng đã và đang được thực hiện trong đó có nhiều công trình có chiều cao lớn. Các công trình càng cao thì ảnh hưởng của tải trọng ngang càng lớn và nổi trội. Vì vậy, yêu cầu đầu tiên đối người kỹ sư thiết kế là phải xác định được tải trọng ngang tác dụng lên công trình. Tải trọng ngang tác dụng lên công trình bao gồm: Tải trọng động đất và tải trọng gió. Đặc biệt Việt Nam là nước nhiệt đới, có bờ biển kéo dài tới hơn 3.000 km và nằm trong vùng ảnh hưởng trực tiếp bão Tây Bắc Thái Bình Dương. Do vậy việc xác định đúng tác động của tải trọng gió lên công trình ở Việt Nam càng trở lên quan trọng. Chính vì thế luận văn này tập trung nghiên cứu về tải trọng gió và quy trình xác định tải trọng gió tác dụng lên kết cấu cao tầng theo phương pháp hệ số giật G- Davenport (đã được áp dụng trong các tiêu chuẩn của nhiều nước Châu Âu).Từ đó so sánh với cách xác định tải trọng gió lên công trình trong tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam để đưa ra kiến nghị. Cách tính toán tải trọng gió có đặc điểm là phải lấy số liệu về gió ở khu vực xây dựng công trình, trong khi việc qui định và xử lý các số liệu này trong các tiêu chuẩn thiết kế của các nước có thể không giống nhau, mặt khác còn xét đến tương tác giữa gió và kết cấu, từ đó hình thành phương pháp tĩnh lực ngang tương đương áp dụng trong các tiêu chuẩn thiết kế (một số nước trên thế giới còn gọi đây là phương pháp hệ số gió giật). Theo TCVN 2737:1995 xác định tải trọng gió với các thông số đầu vào là áp lực gió có thời gian lấy trung bình vận tốc gió là 3s, chu kỳ lặp 20 năm trong khi đó số liệu theo phương pháp hê số gió giật G- Davenport là vận tốc gió V trong thời gian T (thời gian tương tác gió- kết cấu). Luận văn tập trung tìm hiểu và tính toán xác định tải trọng gió theo phương pháp hệ số giật G- 2 Davenport và theo TCVN 2737-1995. So sánh kết quả tính toán thu được và làm cơ sở đưa ra kiến nghị xác định tải trọng gió chính xác hơn. Mục đích nghiên cứu. Xác định tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng theo phương pháp hệ số giật G- Davenport, làm rõ việc sử dụng phương pháp này trong hầu hết các tiêu chuẩn xác định tải trọng gió trên thế giới. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Nghiên cứu về phương pháp hệ số gió giật G (Gust Loading Factor) do Davenport đề xuất năm 1967 đang được áp dụng trong các tiêu chuẩn thiết kế của các nước trên thế giới như Mỹ, Anh, Canada, Australia, Châu Âu, Nhật Bản v.v. để xác định tải trọng gió tác dụng dọc theo phương theo luồng gió và hiệu ứng của nó lên các công trình cao tầng. Nghiên cứu sự tác động động học của gió lên công trình, tìm hiểu phương pháp xác định tải trọng gió theo phương pháp hệ số giật GDavenport chuyển từ bài toán động lực học thống kê sang bài toán tĩnh học sử dụng phương pháp tĩnh lực ngang tương đương đối với tải trọng gió. Tìm hiểu cơ sở của phương pháp hệ số gió giật khi tính toán tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng theo phương dọc theo luồng gió. Xem xét bài toán động học gió - kết cấu đặt trong mối quan hệ với các biểu đồ vận tốc gió được xét đến trong suốt quá trình tuổi thọ công trình. Phương pháp nghiên cứu. Phương pháp giải tích – lý thuyết kết hợp với chương trình máy tính. Áp dụng lý thuyết vào thực tế để tính toán ví dụ để xác định tải trọng gió theo phương pháp hệ số Giật- Davenport và theo TCVN 2737-1995, từ đó đưa ra giải pháp kiến nghị. Ý nghĩa khoa học và đóng góp của đề tài. 3 Sau khi nghiên cứu phương pháp hê số giât G để tính toán tải trong gió tác dụng lên nhà cao tầng, so sánh giữa 2 kết quả tính toán tải trọng gió theo phương pháp hệ số giật G- Davenport và TCVN 2737-1995 để làm cơ sở xác định tải trọng gió chính xác hơn. Cấu trúc của luận văn: Chương I: Tổng quan về Nhà cao tầng và phương pháp xác định tải trọng gió lên nhà cao tầng. Chương 2: Nội dung phương pháp hệ số giật G xác định tải trọng gió lên nhà cao tầng. Chương 3: Ví dụ tính toán xác định tải trọng gió lên công trình theo phương pháp hệ số gió giật G- Davenport trong tiêu chuẩn ASCE/SEI 7-05 và theo TCVN 2737: 1995. Chương 4: Kết luận và kiến nghị. 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 75 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Luận văn đã đạt được một số kết quả sau đây: Gió tác dụng lên công trình là một loại tải trọng ngang bắt buộc phải xét đến trong thiết kế. Để tính toán được tải trọng gió theo các tiêu chuẩn thiết kế, cần phải nắm rõ các đặc trưng của thông số đầu vào của tải trọng này: Vận tốc gió: vận tốc gió gồm 2 thành phần là thành phần trung bình (lấy trung bình trong thời gian T) và thành phần gió giật. Thành phần trung bình phụ thuộc vào thời gian lấy trung bình và chu kì lặp quy định trong các tiêu chuẩn thiết kế. Dạng địa hình: Dạng địa hình sẽ ảnh hưởng sự thay đổi tải trọng gió theo chiều cao công trình thông qua hệ số thay đổi tải trọng gió theo chiều cao Kz được quy định trong các tiêu chuẩn thiết kế. Việc quy ước các dạng địa hình và công thức xác định hệ số Kz ở trong các tiêu chuẩn thiết kế là khác nhau (trường phái 3s, 10 phút và 1 giờ). Hệ số vượt tải của tải trọng gió: đây là hệ số xét đến tương quan giữa chu kì lặp của gió và tuổi thọ giả định hoặc xác xuất xuất hiện gió mạnh trong suốt tuổi thọ của công trình được quy định trong các tiêu chuẩn thiết kế. Đã nghiên cứu quy trình tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình theo TCVN 2737:1995 và ASCE/SEI 7-05. Qua đó hiểu được 2 phương pháp xác định thành phần giật và động của tải trọng gió ở trong 2 tiêu chuẩn là khác nhau: Trong TCVN 2737:1995 đã đưa ra công thức độc lập để xác định thành phần động của tải trọng gió trong khi trong ASCE/SEI 7-05 đã kể đến thành phần giật của tải trọng gió thông qua hệ số giật G. Đã nghiên cứu về phương pháp xác định hệ số giật G của Giáo sư Davenport để hiểu rõ hơn công thức tính toán sự tương tác của tải trọng gió 76 lên kết cấu nhà cao tầng. Phương pháp mà hầu hết các tiêu chuẩn gió trên thế giới đều sử dụng. Theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737:1995 trong quy trình tính tải trọng gió động tác dụng lên công trình đã sử dụng biểu đồ để xác định hệ số động lực  tùy theo giá trị thông số , tuy nhiên giới hạn của thông số  là 0,2. Do đó với các công trình mềm: nhà cao tầng có chiều cao lớn, tháp thép… và khu vực có vận tốc gió cơ sở lớn sẽ khó xác định được hệ số động lực . Trong trường hợp này cần biên soạn tài liệu chuyên sâu về vấn đề này hoặc phải sử dụng các tiêu chuẩn gió nước ngoài để tính toán. Tải trọng gió ảnh hưởng rất lớn đến kết cấu cao tầng, đặc biệt với công trình có độ mảnh lớn và điều đó sẽ ảnh hưởng đến tính an toàn và hiệu quả kinh tế của công trình. Luận văn đã thực hiện các ví dụ tính toán tải trọng gió lên nhà cao tầng theo TCVN 2737:1995 và ASCE/SEI 7-05 để khẳng định việc thực hiện chính xác quy trình tính toán tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng theo 2 tiêu chuẩn này. Từ kết quả đạt được của luận văn cho thấy sự chênh lệch giá trị tải trọng gió tác dụng lên công trình khi tính toán theo quy trình trong TCVN 2737:1995 và ASCE/SEI 7-05, và sự chênh lệch là tương đối lớn. Tác giả khuyến nghị nghiên cứu và rà soát thêm quy trình tính toán tải trọng gió TCVN 2737:1995 và kiểm chứng với kết quả thí nghiệm thổi ống khí động để đưa ra kết luận. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Bộ Xây dựng (1997), Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737-1995: Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết kế, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội. 2. Bộ Xây dựng (1999), Tiêu chuẩn Việt Nam TCXD 229-1999: Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió theo TCVN 2737-1995, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội. 3. Bộ Xây dựng (2006), Tiêu chuẩn Việt Nam TCXD 194-2006: Nhà cao tầng- Công tác khảo sát địa kỹ thuật, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội. 4. Bộ Xây dựng (2012), “Đánh giá Profile vận tốc gió theo một số tiêu chuẩn trên thế giới”, Báo cáo tổng kết công nghệ, (135/HĐKHCN), Hà Nội. 5. Trần Chủng, Vũ Thành Trung (2010), Báo cáo kết quả thí nghiệm tác động của gió lên công trình bằng ống thổi khí động, Vụ KHCN, Viện KHCN, Bộ Xây dựng. 6. Nguyễn Thị Lê (2008), Giáo trình Thông gió, Đại học Bách khoa Đà Nẵng, Nhà xuất bản Đại học Bách khoa Đà Nẵng. 7. Nguyễn Đại Minh (2011), Kết cấu chịu tác động gió bão, Bài giảng chuyên đề, Vụ KHCN, Viện KHCN, Bộ Xây dựng. 8. Nguyễn Hoài Nam (2014), Nghiên cứu giải pháp áp lực gió lên mái dốc nhà thấp tầng bằng thực nghiệm trong ống thổi khí động, Luận văn tiến sĩ, Viện KHCN xây dựng, Bộ Xây dựng. 9. Nguyễn Đại Minh (2011), Phương pháp hệ số gió giật G và tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng, Hội thảo kết cấu Xây dựng, Hà Nội. 10. Ngô Thế Phong (2009), Kết cấu nhà nhiều tầng, Bài giảng chuyên đề, Trường Đại học Xây dựng. Tiếng Anh 11. American Society of Civil Engineers (ASCE), ASCE/SEI 7-05 (2006), Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures - chapter 6, New York. 12. Bungale, (2005), Wind and earthquake resistant buildings-Structural analysis and design, Markcel Dekker, New York. 13. CTBUH (2008) , Recommendations for the seismic design of high rise buildings, Council on Tall Buildings and Urban Habitat , New York. 14. Davenport (1976), Gust loading factors, Journal of the Structural division, Proceedings of the American Society of Civil Engineers, New York.