LUẬN VĂN THẠC SĨ XÂY DỰNG ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC BỐ TRÍ KẾT CẤU ĐẾN TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG GIÓ LÊN NHÀ CAO TẦNG

ảnh hởng của việc bố trí kết cấu đến tác động của tải trọng gió lên nhà cao tầng
Mục lục
Phần mở đầu
4
Chơng I
Tổng quan về tải trọng gió và phơng pháp xác định tác động của tải trọng
gió lên công trình theo một số tiêu chuẩn thiết kế
1. Khái niệm về gió và tác động của tải trọng gió 5
2. Cấu trúc và các tham số đặc trng ảnh hởng đến tác dụng của tải
trọng gió
7
2.1. Cấu trúc 7
2.2. Các tham số đặc trng ảnh hởng đến tác dụng của gió 7
2.2.1. Vận tốc gió trung bình V(z) 8
2.2.2. Hệ số độ cao 9
2.2.3. Hệ số xung áp lực động 11
2.2.4. Hệ số tơng quan không gian 13
3. Cơ sở lý thuyết về tính toán tác động tải trọng gió của một số tiêu
chuẩn thiết kế
13
3.1. Tiêu chuẩn Australia AS 1170 2 - 1989 13
3.2. Tiêu chuẩn BS 6028 1988 15
3.3. Tiêu chuẩn Mỹ ASCE 7 88 16
3.4. Tiêu chuẩn Trung Quốc GBJ 9 1987 17
3.5. Tiêu chuẩn Liên Xô cũ CHu II- 07- 85
17
4. Tình hình tính toán tác động của tải trọng gió lên công trình theo
các tiêu chuẩn thiết kế ở Việt Nam
18
Chơng II
Phơng pháp xác định tác dụng tải trọng gió lên công trình

1. Thành phần tĩnh 19
2. Thành phần động của tải trọng gió 21
2.1. Công thức xác định thành phần động 21
2.2. Các chú ý cần thiết khi xác định thành phần động 26
2.3. Việc chấp nhận sơ đồ tính và qui luật phân bố khối lợng trong
bài toán dao động riêng
27
2.4. Việc xác định hệ số tơng quan không gian

27
2.5. Cách tính gần đúng giá trị thành phần động 30
3. Xác định nội lực, chuyển vị của phần tử kết cấu khi xét đến nhiều
dao động
31
Chơng III
Nguyên lý tính toán và một số giải pháp kết cấu nhà cao tầng chịu tác
dụng của tải trọng gió
Học viên: Lơng Xuân Việt Trang 1
ảnh hởng của việc bố trí kết cấu đến tác động của tải trọng gió lên nhà cao tầng
1. Các phơng pháp và giả thuyết tính toán 32
2. Một số giải pháp kết cấu nhà cao tầng 32
3. Trình tự tính toán nhà cao tầng chịu tải trọng ngang 33
3.1. Thành phần động của tải trọng gió theo TCVN 2737 : 1995
trong hệ kết cấu không gian
35
3.2 Thành phần động của tải trọng gió theo các phơng trong hệ toạ
độ xyz
35
4. Quy trình xác định thành phần động của tải trọng gió 36
4.1. Xác định f

i
và các chuyển vị ngang của f
i
37
4.2. Xác định các hệ số và thông số tính toán 37
4.2.1. Hệ số động lực
i
37
4.2.2 Hệ số tơng quan không gian áp lực động
37
4.2.3 Hệ số mạch động
j
và thành phần động W
pj
khi chỉ xét đến
mạch động
38
4.2.4. Xác định hệ số
i

38
4.3. Xác định các thành phần động của tải trọng gió W
pji
(kể đến hệ
số động lực

i
phát sinh lực quán tính)
39
4.3.1. Khi gió dọc nhà (gió theo trục x)

40
4.3.2. Khi gió ngang nhà (gió theo trục y)
40
5. Nội lực của kết cấu do tải trọng gió 41
5.1. Khi công trình có f
1
f
L
41
5.1.1. Trờng hợp gió theo trục x 41
5.1.2. Trờng hợp gió theo trục y 41
5.2 Khi công trình có f
s
f
L
< f
s+1
, ( s > 1)
41
5.2.1. Trờng hợp gió theo trục x 42
5.2.2. Trờng hợp gió theo trục y 42
Chơng IV
Một số ví dụ khảo sát ảnh hởng của việc bố trí kết cấu đến tác động của
tải trọng gió lên nhà cao tầng
4.1. Tiêu chí khảo sát và các giả thiết tính toán 43
4.2. Các số liệu chung 43
4.3.Ví dụ 1 46
4.3.1. Xác định tải trọng gió 46
1. Khi gió theo phơng OX 46
2. Khi gió theo phơng OY 49

Học viên: Lơng Xuân Việt Trang 2
ảnh hởng của việc bố trí kết cấu đến tác động của tải trọng gió lên nhà cao tầng
4.3.2. ảnh hởng của chiều cao tầng qua các phơng án F, G, K, E 53
4.3.3. ảnh hởng của việc bố trí vách trên mặt bằng 58
4.4. Ví dụ 2 60
4.4.1. Xác định tải trọng gió cho phơng án B1.12 60
1. Khi gió theo phơng Ox. 60
2. Khi gió theo phơng Oy 62
4.4.2. ảnh hởng của chiều cao tầng qua các phơng án B, C, D, A 64
4.4.3. ảnh bằng hởng của việc bố trí vách cứng trên mặt bằng qua
các phơng án B, C, D, A
68
Phần Kết luận và kiến nghị
72
Tài liệu tham khảo
74

Phần mở đầu
Sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế quốc dân cũng nh sự gia tăng dân số thành
thị là động lực chủ yếu đẩy nhanh nhịp độ xây dựng công trình; ở nớc ta hiện các
công trình cao (nhà cao tầng, tháp ăng ten thông tin, cột tải điện ) đợc xây dựng
ngày càng nhiều. Các công trình này có độ thanh mảnh lớn, chịu tác dụng chủ yếu
của tải trọng gió. Tác dụng của gió lên công trình thay đổi theo cả không gian, thời
gian và phụ thuộc vào khá nhiều thông số phức tạp liên quan đến môi trờng và cả các
đặc điểm của bản thân công trình.
Hiện nay chúng ta đang xác định tác dụng của tải trọng gió lên công trình theo
Tiêu chuẩn Viêt nam TCVN 2737 : 1995. Theo qui định của tiêu chuẩn này thì tác
dụng của gió lên công trình đợc tách thành hai thành phần: Tĩnh và động.Trong đó
thành phần tĩnh đã đợc xác định một cách tơng đối chính xác. Việc tính toán thành
phần động đã đợc đề cập đến trong Tiêu chuẩn Việt nam TCVN 2737 : 1995, và

trong nhiều tài liệu khác nhau nhng cha đợc hớng dẫn thật cụ thể. Trong cùng một
cơn gió nhng tác động của nó lên các công trình có cấu tạo khác nhau sẽ khác
nhau
Khảo sát đợc đầy đủ ảnh hởng của các tham số này, là một công việc khó và quá
sức. Luận văn này giới hạn việc khảo sát các thành phần tác động của tải trọng gió
trong hai trờng hợp:
Học viên: Lơng Xuân Việt Trang 3
ảnh hởng của việc bố trí kết cấu đến tác động của tải trọng gió lên nhà cao tầng
Khi không đổi chiều cao nhà mà chỉ thay đổi chiều cao tầng (để số lợng tầng tăng
hoặc giảm).
Khi thay đổi cách bố trí cấu tạo mặt bằng (vị trí các khung các vách) mà không
đổi chiều cao nhà, không đổi số lợng tầng.
Việc cập kiến thức về tải trọng và tác động lên công trình cao và khảo sát các
tham số ảnh hởng đến nó là thực sự cần thiết. Hy vọng rằng tài liệu này sẽ góp các
kỹ s thiết kế xây dựng công trình và sinh viên xây dựng có cách nhìn nhận thấu đáo
và khách quan hơn về tác động của tải trọng này.

Chơng I: Tổng quan về tải trọng gió và phơng
pháp xác định tác động của tải trọng gió lên công
trình theo một số tiêu chuẩn thiết kế.
1. Khái niệm về gió và tác động của tải trọng gió:
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. Đặc tính chủ yếu của gió là sự thay đổi tốc độ liên tục và không đều theo cả
không gian và thời gian. Tuỳ theo điều kiện hình thành ngời ta phân loại: Gió thành
bão hoặc lốc.
Bão xuất hiện khi nớc bốc hơi mạnh (thờng nhiệt độ 27
0
C trở lên và ở ngoài

biển, nơi có nhiều nớc); sự bốc hơi này hình thành dòng khí bốc ngợc thẳng đứng,
cộng với chuyển động xoay của trái đất quanh trục bản thân để tạo thành dòng xoáy
ngang. Cơn bão đợc hình thành nh vậy: Tâm xoáy gọi là mắt bão. Vận tốc tiếp tuyến
của dòng xoáy ngang chính là vận tốc gió bão (có thể đạt đến 150km/h hoặc lớn
hơn), chuyển động tịnh tiến của tâm xoay tạo thành hớng đi của bão.
Lốc là một hiện tợng khí tợng đặc biệt. Một vùng gió mạnh có đờng kính từ
vài chục mét đến vài kilômét di chuyển ngang trong khoảng vài chục kilômét. Sức
gió ở vùng xa tâm thì nhỏ nhng càng trong càng mạnh lên và ở giữa hình thành một
cái lõi. Phạm vi hoạt động của lốc nhỏ hơn bão nhng sức gió thì mạnh hơn rõ rệt
(250 290km/h). Lốc thờng xuất hiện bất ngờ và có thể xuất hiện ở bất cứ nơi nào
( đồng bằng, trung du, miền núi) chứ không nhất thiết là biển nh bão.
Khác với tác động của gió thông thờng trong những điều kiện khí hậu thuận
lợi, đã đợc khảo sát nghiên cứu kỹ càng và có những số liệu khá chuẩn xác; những
nghiên cứu về bão, lốc trên thế giới còn quá ít ỏi. Con ngời cha khả năng dập tắt,
chặn đứng hoặc điều khiển chúng. Vì vậy bão luôn là vấn đề cấp bách muôn thuở
Học viên: Lơng Xuân Việt Trang 4
ảnh hởng của việc bố trí kết cấu đến tác động của tải trọng gió lên nhà cao tầng
của nhiều quốc gia mà các nghiên cứu chỉ là tiệm cận đợc, nhằm chấp nhận những
số liệu nội suy trên cơ sở của một số kinh nghiệm để đa vào tính toán công trình.
Tác dụng của gió lên công trình là do sự va đập của luồng không khí khi gặp
vật cản trên đờng đi của nó. Theo thời gian tốc độ của gió luôn luôn thay đổi;
nguyên nhân gây nên sự mạch động của luồng gió là dòng thổi và trạng thái biến đổi
của dòng thổi.
Dòng thổi: Khi gió thổi vợt qua một ngôi nhà (hoặc công trình) thì tất
cả các vùng của ngôi nhà đó đều chịu một áp lực nhất định. Vị trí của
các vùng và đờng định biên của các giá trị tác dụng tuân theo những
quy luật và có thể xác định đợc bằng lý thuyết hoặc thực nghiệm. Chân
công trình phía đón gió xuất hiện áp lực trội trong vùng xoáy hiện t-
ợng hút gió; ở sau công trình, phía khuất gió xuất hiện áp lực âm do gió
hút.

Trạng thái biến đổi của dòng thổi qua ngôi nhà phụ thuộc chủ yếu vào
tỷ lệ các kích thớc của các mặt ( để tạo thành hình khối ngôi nhà, vào
hình dạng mái và loại kết cấu bao che. Ví dụ với những nhà mái dốc:
khi góc dốc rất nhỏ thì toàn bộ mái phía trớc chịu áp lực dơng, toàn bộ
mái phía sau chịu áp lực âm.
Trạng thái dòng thổi còn phụ thuộc vị trí tơng đối của ngôi nhà so với các
công trình lân cận và cảnh quan khu vực (bờ ao, sờn dốc, núi đồi, thung lũng). Góc
tới của dòng thổi có thể bị biến đổi và ảnh hởng tới cả định tính, định lợng của áp lực
gió lên công trình.
áp lực gió và phân bố tải trọng
Tải trọng gió đợc phân loại và xác định tuỳ theo trạng thái dòng thổi tác động
lên công trình. Với tờng và mái có độ dốc lớn, ở phía đón gió chịu tác dụng của áp
lực trội ép vào bề mặt đón, các phần còn lại chịu áp lực hút. Giá trị của áp lực hút
có thể bằng hoặc lớn hơn nhiều lần so với giá trị ép vào, đặc biệt là ở vùng biên tiếp
giáp giữa mặt cản đón gió với vùng thoát gió (hoặc hút gió). Tại các vùng này, gió có
thể đến từ mọi phía với thời gian và góc chuyên hớng bất kỳ tạo thành các dải cục
bộ, đột biến rất lớn.
áp lực trong tác dụng lên tất cả các tấm tờng và mái nh nhau. áp lực ngoài do
gió tác động lên công trình bao gồm áp lực ép, hút vuông góc lên bề mặt và áp lực
tiếp tuyến. Giá trị của áp lực tiếp tuyến phụ thuộc vào độ đậm đặc của mật độ không
khí. Bề mặt càng gồ ghề , thô ráp thì lớp biên càng rối và ứng suất tiếp càng lớn.
Trong khá nhiều trờng hợp ứng suất tiếp là không đáng kể, thờng đợc bỏ qua; nhng
khi dùng tấm mái, tấm tờng bằng tôn múi tạo thành dạng mái gồ ghề hoặc khi ghép
nhiều nhịp ( nhiều mái ) để tạo thành không gian lớn thì không thể bỏ qua.
Tải trọng gió tác động lên công trình đợc xác định bằng tổng các tải trọng tác
động lên tất cả các bề mặt của nó. Khi công trình đợc coi là hoàn toàn kín thì chỉ có
gió mặt ngoài, khi công trình hở hoàn toàn thì chỉ có gió lên mái; còn khi công trình
chỉ có hở một phần thì tỷ lệ giữa áp lực trong và áp lực ngoài cho toàn bộ sẽ giảm
nhng sẽ làm tăng cục bộ ở 1 số bộ phận và nhanh chóng dẫn đến nguyên nhân phá
hoại cục bộ công trình. Thông thờng, cá tác động này đợc phân tích theo các trục,

Học viên: Lơng Xuân Việt Trang 5
ảnh hởng của việc bố trí kết cấu đến tác động của tải trọng gió lên nhà cao tầng
các hớng và thông qua các thí nghiệm khí động học để xác định các hệ số, các tham
số ảnh hởng tơng ứng với các hờng này.
Dới tác dụng của tải trọng gió, các công trình cao, mềm, độ thanh mảnh lớn sẽ
có dao động. Tuỳ theo hình dáng và phân bố độ cứng của công trình mà dao động
này có thể theo phơng bất kỳ trong không gian, thông thờng chúng đợc phân tích
thành hai phơng chính: Phơng dọc và phơng ngang luồng gió, trong đó dao động
theo phơng dọc luồng gió là chủ yếu . Với các công trình thấp, dao động này là
không đáng kể, nhng với các công trình cao khi dao động sẽ phát sinh lực quán tính
làm tăng thêm tác dụng bình thờng của tải trọng gió.
Nh vậy, tác dụng theo phơng luồng gió của tải trọng gió lên công trình cao bao
gồm hai thành phần: thành phần tĩnh gây nên bởi áp lực gió lên công trình có bề mặt
cản gió và thành phần động tạo thành bởi xung mạch động của tải trọng gió và lực
quán tính sinh ra khi công trình có khối lợng và bị dao động do gió thổi .
2. Cấu trúc và các tham số đặc trng ảnh hởng đến tác dụng của tải trọng
gió.
2.1. Cấu trúc:
Gió đợc hình thành bởi hai yếu tố :
+ Sự chênh áp suất tạo nên sự chuyển động của luồng khí tạo thành gió Grandient.
+ Sự thay đổi địa hình bề mặt trái đất trên đờng đi của dòng khí ( độ cao, độ nhám )
làm thay đổi vận tốc, hớng gió .
Hai yếu tố trên đây gây nên sự biến đổi liên tục vận tốc luồng gió theo không
gian và thời gian nhng ở các mức độ khác nhau. Có thể coi vận tốc gió là tổng của
hai thành phần:
- Thành phần trung bình của vận tốc gió, chỉ phụ thuộc tọa độ không gian:
V(x,y,z,t)
- Thành phần xung của vận tốc gió, trị số phụ thuộc vào cả không gian và thời
gian : V'(x,y,z)
Nếu chỉ xét sự thay đổi không gian theo chiều cao công trình z, ta có :

V(z,t) = V(z) + V'(z,t) (1.1)
Khi đó, áp lực gió tác dụng lên công trình ở độ cao z :
W(z,t) = W(z) + W'(z,t) (1.2)
Trong đó : W(z,t) - áp lực do thành phần dọc của luồng gió gây ra
W(z) - áp lực do thành phần trung bình V(z) gây ra
W'(z,t) - áp lực do thành phần xung V'(z,t) gây ra.
2.2. Các tham số đặc trng ảnh hởng đến tác dụng của gió
Tác dụng của gió lên công trình bị chi phối chủ yếu bởi vận tốc và hớng của
nó; Vì vậy mọi tham số làm biến đổi hai yếu tố này sẽ làm ảnh hởng đến trị số và h-
ớng của tác dụng. Các thông số ảnh hởng này có thể chia làm 3 nhóm chính sau
đây :
+ Nhóm các thông số đặc trng cho tính ngẫu nhiên của tải trọng : vận tốc, độ
cao, xung
+ Nhóm các thông số đặc trng cho địa hình : Độ nhám môi trờng mà gió đi
qua (loại địa hình, mức độ che chắn).
Học viên: Lơng Xuân Việt Trang 6
ảnh hởng của việc bố trí kết cấu đến tác động của tải trọng gió lên nhà cao tầng
+ Nhóm thông số đặc trng cho tính chất động lực của bản thân công trình : các
yếu tố về chu kỳ, tần số của dao động riêng, khối lợng và cách phân bố khối lợng,
dạng dao động, độ tắt dần của dao động, hình khối công trình và hình dạng bề mặt
đón gió.
2.2.1. Vận tốc gió trung bình V(z)
Vận tốc gió thay đổi theo độ cao lấy vận tốc và phụ thuộc thời gian lấy
trung bình . Tuỳ theo độ nhậy của thiết bị đo và yêu cầu của việc thu nhận số liệu
mà thời gian lấy trung bình vận tốc ở các tiêu chuẩn khác nhau cũng khác nhau.
Với các công trình thấp, nặng nề thì thời gian lấy vận tốc có thể dài ( đủ để
cơn gió bao trùm toàn bộ công trình); Nhng với công trình cao, mềm do chúng
khá nhạy cảm, chỉ cần một khoảng thời gian rất ngắn, các cơn gió giật đã bao
trùm và nhanh chóng vợt qua công trình nên thời gian lấy trung bình thờng ngắn.
Bảng I.1. giới thiệu thời gian lấy trung bình vận tốc gió của một số tiêu chuẩn .

Bảng I.1. Thời gian lấy vận tốc trung bình của một số Tiêu chuẩn thiết kế
Số TT Tên tiêu chuẩn Nớc Thời gian lấy TB vận tốc(s)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
QP.01-61
TCVN 2737 - 78
TCVN 2737 - 90
TCVN 2737 - 95
CHu II- A-11-62
CHu II- 6-74
CHu II- 01- 07- 85
GBJ-9-87
AS1170.2-1983
AS1170.2-1989
BS6028-1988
ASCE7-88
Việt Nam
-
-
-

SNG
-
-
Trung Quốc
Australia
Australia
Anh
Mỹ
3600
120
120
3
3600
120
600
600
3
3
3
3
2.2.2. Hệ số độ cao
Do ảnh hởng độ nhám của bề mặt trái đất làm vận tốc gió bị thay đổi theo
độ cao. Có thể biểu diễn quy luật thay đổi này dới dạng hàm logarit:
V
z
= alogz + b (1.3)
Hoặc dới dạng hàm mũ :
Vz = Vo (
Zo
Z

)
m
(1.4)
Tiêu chuẩn của một số nớc nh Liên Xô, Trung Quốc, Anh, Mỹ, úc đều sử
dụng hàm số mũ để biểu diễn quy luật thay đổi vận tốc gió theo độ cao. Các tiêu
chuẩn của nớc ta TCVN 2737 : 1990, TCVN 2737 : 1995 cũng chọn quy luật
này .
Trong đó : Vz vận tốc gió trung bình ở độ cao z .
a,b các hằng số, phụ thuộc độ gồ ghề của mặt đất và biến thiên
nhiệt độ .
Vo vận tốc gió trung bình ở độ cao z
o
- độ cao đặt máy đo vận tốc lấy số
liệu, thông thờng chọn z
o
= 10 m.
Học viên: Lơng Xuân Việt Trang 7
ảnh hởng của việc bố trí kết cấu đến tác động của tải trọng gió lên nhà cao tầng
Z - độ cao xác định vận tốc gió Vz
m hệ số, xác định từ số liệu đo đạc vận tốc gió ở lớp biên, m phụ thuộc
dạng địa hình, cấu trúc khí quyển, nhiệt độ và thời gian lấy trung bình vận tốc
gió.
Gọi Z
g
là độ cao mà tại đó vận tốc gió không còn chịu ảnh hởng của mặt
đệm; ở các địa hình khác nhau, giá trị Z
g
sẽ khác nhau .
Vận tốc gió ở độ cao z có thể biểu diễn theo luật hàm số mũ:
V

z
= V
g
(
Zg
Z
)
m
(1.5)
Trong đó : V
g
V
z
vận tốc gió ở độ cao gradien và độ cao z
m hệ số ( nh đã nói trên ).
Để xác định đợc V
z
cần phải biết 3 tham số m, Z
g
và V
g
. Các tham số này
đều phải xác định bằng thực nghiệm trên hệ thống tháp đo gió chuẩn và xử lý kết
quả đo theo thống kê. ở nớc ta, cha đủ các số liệu này, do vậy phải sử dụng kết
quả nghiên cứu của nớc ngoài ( TCVN 2737 : 1995 chọn các giá trị Z
g
và m của
tiêu chuẩn úc AS 1170.2 để sử dụng, còn V
g
đợc tính thông qua V

10
với thời gian
lấy TB liệu là 3s ) Gía trị Zg và m của một số tiêu chuần cho theo bảng I.2 sau
đây .
Bảng I.2 . Chiều cao gradien Zg; số mũ m và thời gian lấy trung bình vận tốc
gió của một số Tiêu chuẩn thiết kế
Số
TT Tiêu chuẩn
z
g
(m) Số mũ m Th. Gian
lấy TB
(giây)
A B C A B C
1
CHu II- 01- 07- 85
300 350 480 0,15 0,21 0,25 600
2 GBJ 9-87 300 350 400 0,12 0,16 0,20 600
3 Carton (Anh) 250 300 400 0,08 0,085 0,09 3
- 250 300 400 0,09 0,095 0,1 5
- 250 300 400 0,10 0,105 0,11 15
- 250 300 400 0,14 0,17 0,22 3600
4 AS1170.2-1983 250 300 400 0,07 0,09 0,14 3
- 250 300 400 0,11 0,15 0,25 3600
5 TCVN 2737 90 250 300 400 0,107 0,127 0,184 120
TCVN 2737 95 250 300 400 0,07 0,09 0,14 3
** Cách thành lập hệ số độ cao ( hệ số địa hình ) :
áp dụng công thức dùng hàm số mũ để tính vận tốc gió; Lấy vận tốc gió V
10
(tơng

ứng với độ cao z = 10m ) ở địa hình B làm chuẩn ( giá trị có thể đo đợc thông qua
các máy đo ); cần tính vận tốc gió V
g
tại độ cao gradien z
g
= 300 m (ứng với địa
hình B ):
10
09,0
10
.358,1)
10
300
( VVV
B
g
==
(1.6)
Mặt khác áp lực gió đợc xác định theo công thức :
2
1010
.0613,0 VW =
(1.7)
Học viên: Lơng Xuân Việt Trang 8
ảnh hởng của việc bố trí kết cấu đến tác động của tải trọng gió lên nhà cao tầng
2
.0613,0
z
VWz =
(1.8)

Từ đó suy ra công thức xác định hệ số độ cao :
2
1010








==
V
V
W
W
K
zz
z
(1.9)
Với z= z
g
ta có : K
zg
=
2
10

V
V
g
(1.10)
Kết hợp với (2.30) ta có :
844,1.358,1
2
==
B
zg
K
Từ các công thức trên, rút ra công thức để xác định hệ số độ cao ứng với các dạng
địa hình khác nhau ( ký hiệu là t ) là :
22
10
2
10
.

=








=
t
zg
t
z
t
zg
t
z
t
z
V

V
V
V
V
V
K
(1.11)
Tại z=z
g
có
t
zg
C
zg
B
zg
A
zg
VVVW ===
Vì vậy :
844,1
2
10
2
10
=

=








V
V
V
V
B
zg
t
zg
(1.12)
Lại có theo (2.29)
m
g
zg
t
z
Z
Z

VV








=
(1.13)
Thay vào biểu thức
t
z
K
ta có :
tt
m
t
g
m
t
g
zg
zgzg
t
z
t
z
Z

Z
Z
Z
V
VV
V
K
2
2
2
.844,1
1
844,1.844,1








=

=








=
(1.14)
Với t = A; B; C
Sau khi chọn độ cao gradien Z
g
và hệ số m
t
, lập đợc bảng hệ số độ cao tơng ứng
với từng loại địa hình ( xem ở phần 3.1 sau đây )
2.2.3. Hệ số xung áp lực động (mạch động):
Nhằm kể đến ảnh hởng của việc thay đổi vận tốc gió theo thời gian đến
phản ứng của công trình . Mức độ ảnh hởng của thành phần xung dọc theo luồng
gió đợc đặc trng bởi cờng độ dòng rối :

( )
( )
( )
zV
Z
zV '


=
(1.15)
Trong đó :
( )
Z

- Cờng độ dòng rối
( )
Z
V
.
'

- Trung bình bình phơng thành phần xung dọc vận tốc gió ở độ cao z
V(z) Vận tốc trung bình của luồng gió ở độ cao z.
áp lực gió trung bình ở độ cao z là :
( ) ( )
),)(), tzQzQtzQ +=
(1.16)
Học viên: Lơng Xuân Việt Trang 9
ảnh hởng của việc bố trí kết cấu đến tác động của tải trọng gió lên nhà cao tầng
Trong đó: Q(z,t)- áp lực do thành phần dọc luồng gió .

Q(z) - áp lực do thành phần trung bình của vận tốc gió .
Q(z) = 0,0613V(z) (1.17)
Q(z,t) - áp lực do thành phần xung của vận tốc gió ở cùng độ cao , đợc
xác định theo công thức :
( ) ( )
( )
zV
tzV
zQtzQ
),('
2,' =
(1.18)
Thành phần xung của vận tốc gió V(z,t) bằng tích của 1 hàm ngẫu nhiên
theo thời gian và 1 hàm của tọa độ z:
( )
( )
( )
ttzV
zV

.,'
'
=
(1.19)
Trong đó trung bình bình phơng của hàm thời gian
( )
t

bằng 1 ; nghĩa là
1=

Từ đó suy ra :
( ) ( ) ( )
( )
tQQ
zztz

2'
,
=
(1.20)
Với phổ năng lợng Davenport, cờng độ dòng rối xác định theo công thức :
( )
( )
( )
t
m
t
z
rz







=
10

45,2
2
1

(1.21)
Trong đó: t Dạng địa hình A,B,C
t
r
- Độ nhám của mặt đệm
Z - độ cao tính toán
t
m
- Hệ số thực nghiệm ( đã nói ở các phần trên )
Hệ số xung áp lực động
t

xác định trên cơ sở của cờng độ dòng rối
( )
z
t

, CHu II- 6- 74 và TCVN 2737 : 95 xác định
t

theo công thức:
( )
z
tct

2

=
(1.22)
Trong đó :
( )
z
t

- Cờng độ dòng rối
c

- Hệ số an toàn
t Dạng địa hình A,B,C
Dựa vào các số liệu thực nghiệm ngời ta đã xây dựng đồ thị quan hệ phụ
thuộc giữa hệ số xung áp lực động và thời gian lấy trung bình vận tốc gió ; nếu
thời gian lấy trung bình càng nhỏ thì hệ số an toàn
c

cũng càng nhỏ . TCVN
2737 : 95 lấy thời gian trung bình 3 giây,
c

= 1,395 ;
002,0=
A
r
;
005,0=
B
r
;

01,0=
C
r
; và ta có :
07,0
10
303,0







=
z
A

09,0
10
486,0







=
z

B

(1.23)
Học viên: Lơng Xuân Việt Trang 10
ảnh hởng của việc bố trí kết cấu đến tác động của tải trọng gió lên nhà cao tầng
14,0
10
684,0







=
z
C

Sử dụng các công thức trên, theo độ cao z, tơng ứng với mỗi dạng địa hình,
ta thành lập đợc bảng hệ số mạch động (xem bảng II.3 phần chơng II2.1).
2.2.4. Hệ số tơng quan không gian
Hình khối và các đặc điểm về vật liệu, về cấu tạo công trình làm thay đổi
các đặc trng dao động và cuối cùng là làm thay đổi xung vận tốc gió tác dụng lên
công trình . ảnh hởng đó, đợc biểu thị bằng hệ số tơng quan không gian ; xác định
theo công thức :
2
0
2
2

i
i
i
P
P
v =
(1.24)
Trong đó :
2
i
P
,
2
io
P
là phản ứng của công trình ( bình phơng giá trị trung bình
kỳ vọng ) khi dao động ở dạng thứ i ở điều kiện khảo sát và ở điều kiện chuẩn .
Các giá trị
2
i
P
,
2
io
P
tìm đợc nhờ kết quả của việc giải bài toán dao động riêng
ở các dạng dao động, theo các điều kiện tác động khác nhau . Tiêu chuẩn TCVN
2737 : 1995 thành lập bảng để tính hệ số tơng quan không gian trên cơ sở xét
công trình có khối lợng phân bố đều theo chiều cao và đờng cong parabôn là dạng
chuẩn của dao động thứ nhất. Trờng hợp công trình có mặt đón gió khá mảnh

(B/H<0,2) thì hệ số
v
ngoài việc phụ thuộc vào hệ số đặc trng cho dao động
1

chỉ
phụ thuộc chiều cao ; nhng khi 0,2<B/H<0,5 thì hệ số này còn phụ thuộc cả vào
chiều rộng mặt đón gió ( hoặc hút gió ).
ở cùng 1 thời điểm, mọi mặt (trớc, sau, hồi trái, hồi phải và đỉnh ) công
trình đều bị tác dụng của tải trọng gió. Để tổng quát , TCVN đã lập bảng chung
cho tất cả các hớng thông qua các hệ số


; khi xác định tác dụng của gió trên
mặt nào thì cần xác định các hệ số


tơng ứng với mặt ấy.
3. Cơ sở lý thuyết về tính toán tác động tải trọng gió của một số tiêu chuẩn thiết
kế.
3.1. Tiêu chuẩn Australia AS 1170-2-1989
- Điều kiện tính toán động lực : khi tần số dao động riêng f
1
< 1 H
z
và khi tỷ
lệ giữa chiều cao / chiều rộng công trình H/B > 5
- Giá trị thành phần động của tải trọng gió :
W
Đ

(z) = G W
T
(z) (1.25)
Trong đó : G - là hệ số gió mạnh.
( )

vEg
wBgrG
f
v
+
++=
2
2
1
(1.26)
r - Hệ số độ nhám mặt đệm:
( )
t
v
K
zV
r

2
=
(1.27)
Học viên: Lơng Xuân Việt Trang 11
ảnh hởng của việc bố trí kết cấu đến tác động của tải trọng gió lên nhà cao tầng

V
- Độ lệch bình phơng trung bình của vận tốc gió V
z
V
z
Vận tốc gió ở độ cao z, lấy trung bình trong 3 giây.
g
v
- Hệ số = 3,7.
h
L
bh
B
22
6436
1
1
+
+
=
(1.28)
h- Độ cao công trình
b- Chiều rộng công trình theo phơng vuông góc với hớng gió
25,0
10
1000

=
h
L
h
(1.29)
4
Brg
w
f
=
(1.30)
G
f
hệ số cực đại, chính là tỷ số giữa giá trị cực đại dự tính có thể xuất hiện một
lần/giờ và độ lệch bình phơng trung bình của phần cộng hởng trong phản ứng dao
động:
( ) ( )
1
3600ln2
~
f
XX
xg
x
f
=

=

(1.31)
v
- Hệ số tơng quan không gian




















+
=
hh
V
bf
V

hf
v
11
4
.
5,3
1
1
(1.32)
f1- Tần số dao động riêng thứ nhất của công trình
E- Phổ năng lợng
( )
6/5
2
2
47,0
N
N
E
+
=
(1.33)
N- tần số quy đổi
h
h
V
Lf
N
1
=

(1.34)

- Độ giảm rung của kết cấu
K
t
- Hệ số địa hình
Nhận thấy rằng : hệ số mạnh G phụ thuộc vào độ nhám mặt đệm r, độ giảm
rung kết cấu

, tần số dao động riêng thứ nhất f
1
, tơng quan không gian v, hệ số
Học viên: Lơng Xuân Việt Trang 12
ảnh hởng của việc bố trí kết cấu đến tác động của tải trọng gió lên nhà cao tầng
xung áp lực gió L
h
, kích thớc mặt đón gió b, h, vận tốc gió trung bình V
z
và 1 hệ số
khác .
3.2. Tiêu chuẩn Anh BS 6028 - 1988
- Điều kiện tính toán động lực : Khi tần số dao động riêng f
1
< 1 Hz
Đại lợng khảo sát Y
MAX
nào đó do thành phần động của tải trọng gió gây ra
xác định theo :
YMAXMAX
YGY

== .
(1.35)
Y
MAX
- Giá trị trung bình lớn nhất của đại lợng khảo sát, do thành phần tĩnh
của tải trọng gió gây ra.
G- Hệ số gió mạnh
RBr
Y
G
MAX
Y
+==



(1.36)
Tỷ số
MAX
Y
Y

xác định bằng thực nghiệm

- Hệ số cực đại :
( )
( )
Tf
Tf

1
1
ln2
57,0
ln2 +=

(1.37)
Y

- Độ lệch bình phơng trung bình của giá trị
MAX
Y
r- Độ nhám bề mặt
B- Hệ số ảnh hởng của thành phần tĩnh của tải trọng gió
R- Hệ số ảnh hởng của thành phần động của tải trọng gió :

Fv
R
.
=
(1.38)
v
- Hệ số tơng quan không gian
F- Hệ số tỷ lệ năng lợng gió

- Độ giảm rung tới hạn của kết cấu
T
- Thời gian lấy trung bình ứng với
MAX
Y

Các hệ số

,r ,B ,R đợc tra trên đồ thị lập sẵn .
- Nh vậy hệ số gió mạnh G phụ thuộc vào độ nhám mặt đệm r, tần số dao động
riêng f
1
, độ giảm rung kết cấu

, thời gian để lấy trung bình vận tốc gió
T
, hệ
số tơng quan không gian
v
và các thông số tham gia vào tỷ lệ năng lợng gió
mạnh F.
3.3. Tiêu chuẩn Mỹ ASCE 7 - 88
- Điều kiện tính toán động lực : khi tần số dao động riêng f
1
< 1 Hz và tỷ số
chiều cao/ chiều rộng ngôi nhà H/B > 5
- Giá trị thành phần động của tải trọng gió:
Q
Đ
(Z) = G.Q
T
(z) (1.39)
Trong đó : Q
T
(z) - giá trị thành phần tĩnh của tải trọng gió
G- Hệ số gió mạnh

Học viên: Lơng Xuân Việt Trang 13
ảnh hởng của việc bố trí kết cấu đến tác động của tải trọng gió lên nhà cao tầng
( )
2/1
2
001,01
.32,3
.
65,0








+
++=
BC
vM
pA
G
t

(1.40)
A- Hệ số = 1,25 cho công trình bằng khung thép
= 1,0 cho nhà và các công trình khác
C - Hệ số = 1,0 cho công trình bằng khung thép
= 2,0 cho nhà và các công trình khác

- Độ giảm rung của kết cấu
B - Độ rộng nhà
t
M
- Hệ số địa hình
r- Hệ số độ nhám mặt đệm
p- Xác xuất bị vợt của tốc độ gió thiết kế
p =
n
.J.Y (1.41)
0
1
.
.5,10
Vv
Hf
n =
(1.42)
Y- hệ số cộng hởng
J- hệ số phụ thuộc chiều cao công trình
H- Chiều cao công trình
V
o
-Vận tốc gió trung bình ở độ cao 10 m
v
- Hệ số tơng quan không gian .
f
1
- Tần số dao động riêng thứ nhất của công trình

3.4. Tiêu chuẩn Trung Quốc GBJ 9 - 1987
- Điều kiện tính toán động lực : khi tần số f
1
< 1H
Z
và tỷ lệ chiều cao / chiều
rộng mặt đón gió của công trình H/B > 5
- Giá trị thành phần động :
Q
Đ
(z) =
z

Q
T
(z) (1.43)
z

- Là hệ số phong chấn ( mạch động của tải trọng gió )
Z
Z
Z
v
à


.
=
(1.44)

- Hệ số gia tăng mạch động ( hệ số động lực )
v
- Hệ số ảnh hởng của mạch động ( xung của áp lực động )
z

- Hệ số hình dạng ( tơng quan không gian )
z
à
- Hệ số thay đổi áp lực gió theo chiều cao
- Nh vậy, giá trị thành phần động của tải trọng gió phụ thuộc vào hệ số động lực

,hệ số mạch động v, hệ số tơng quan không gian
z

và hệ số độ cao
z
à
.
3.5. Tiêu chuẩn Liên Xô cũ CHu

II- 07- 85
- Điều kiện tính toán động lực : chia làm 3 trờng hợp
+ Khi tần số dao động riêng f1 > f
Học viên: Lơng Xuân Việt Trang 14
ảnh hởng của việc bố trí kết cấu đến tác động của tải trọng gió lên nhà cao tầng
Q
Đ
= Q
T

v
(1.45)
Trong đó : Q
Đ
,Q
T
gía trị thành phần động, thành phần tĩnh của tải trọng gió

- Hệ số mạch động của tải trọng gió
v
- Hệ số tơng quan không gian
+ Khi tần số dao động riêng
[ ]
ff <
1
vQQ
TD

=
(1.46)
Trong đó : Q
Đ
,Q
T

,
v
- có ý nghĩa nh công thức trên .

- Hệ số động lực , xác định bằng đồ thị, phụ thuộc vào thông số

1
0
940 f
Q
t


=
(1.47)
t

- Hệ số độ tin cậy của tải trọng
Q
o
- áp lực gió tiêu chuẩn (N/m
2
)
+ Với công trình có mặt bằng đối xứng khi
[ ]
ff <
1
và mọi công trình có f1 < f < f2 ; (f2 là tần số dao động riêng thứ 2 của công trình )
Q
Đ
(z) = m(z)


y(z) (1.48)
Trong đó : m(z) - khối lợng công trình đặt ở mức z

- Hệ số động lực
y(z) - Chuyển vị ngang của công trình ở mức z

- Hệ số xác định theo công thức :
kk
r
k
Dkk
r
k
My
Qy
2
1
1
=
=


=

(1.49)
Q
ĐK
- Gía trị thành phần động của tải trọng gió lên phần thứ k; xác định theo
Q
Đ
= Q
T

(1.50)
M
k
- Khối lợng phần thứ k của công trình
y
k
- Chuyển vị ngang của trọng tâm phần thứ k của công trình
- Với công trình có f
s
< f <f
s+1
thì phải tính với s dạng dao động riêng
- Nh vậy, giá trị thành phần động của tải trọng gió phụ thuộc vào giá trị của thành
phần tĩnh Q
T
, tần số dao động riêng f1, f2 , khối lợng m, dạng dao động riêng y
k
,
hệ số mạch động

, hệ số động lực

.
4. Tình hình tính toán tác động của tải trọng gió lên công trình theo các tiêu
chuẩn thiết kế ở Việt nam.
ở Việt nam các nghiên cứu về gió cha đợc tiến hành nhiều . Điều này cũng dễ
hiểu vì trong một thời gian dài chúng ta cha có điều kiện để xây dựng các nhà cao
tầng cũng nh các công trình lớn. TCVN 3737:1990 đã bắt đầu qui định việc tính
toán thành phần động tác dụng của tải trọng gió lên công trình nhng chỉ xét một

dạng dao động đầu tiên với qui định và các phép tính khá đơn giản.
TCVN 3737:1995 đã qui định cụ thể hơn về việc xác định thành phần động,
đã có tài liệu hớng dẫn cho một số loại công trình. Tuy nhiên, các qui định này
Học viên: Lơng Xuân Việt Trang 15
ảnh hởng của việc bố trí kết cấu đến tác động của tải trọng gió lên nhà cao tầng
còn thiếu chi tiết. ảnh hởng của việc bố trí xắp xếp kết cấu trong công trình đặc
biệt là trong nhà cao tầng thành phần động còn cha đợc quan tâm đúng mức.
Cùng với sự phát triển kinh tế xã hội, các công trình lớn sẽ đợc xây dựng ngày
càng nhiều. Điều này đòi hỏi các kỹ s thiết kế phải có kiến thức sâu rộng hơn về
gió và ảnh hởng của nó đến kết cấu.
Chơng II: Phơng pháp xác định tác dụng tải trọng gió
lên công trình
Theo tiêu chuẩn hiện hành TCVN 2737 : 1995 tác động của gió lên công
trình bao gồm 2 thành phần: Tĩnh và động .
1. Thành phần tĩnh :
Thành phần tĩnh thực chất là tác động của gió lên công trình cứng ( coi nh
không dao động). Thành phần tĩnh phải đợc xác định ở mọi công trình có diện
chắn gió .
Giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của tải trọng gió w ở độ cao z xác định
theo công thức :
xo
CKww =
; daN/m
2
(2.1)
Trong đó w
o
giá trị áp lực gió tiêu chuẩn lấy theo bản đồ phân vùng áp
lực gió ( tơng ứng với địa điểm xây dựng công trình ). Theo sự phân vùng này thì
lãnh thổ Việt Nam chia thành 5 vùng áp lực gió I, II, III, IV, V; trong mỗi vùng,

tuỳ theo mức độ ảnh hởng của bão mà lại chia nhỏ thành 2 phân vùng: có ảnh h-
ởng mạnh của gió bão ( IB, IIB, IIIB, IVB, VB) và ít ảnh hởng của gió bão
( IA,IIA,IIIA ). Giá trị w
o
[ ]
2
/ mdaN
tơng ứng với mỗi phân vùng này cho trong
bảng II.1 sau :
Bảng II.1. áp lực gió tiêu chuẩn (daN/m
2
)
Theo bản đồ phân vùng gió của TCVN 2737 :1995
Vùng I Vùng II Vùng III Vùng
IVB
Vùng
VB
IB IA IIB IIA IIIB IIIA
65 55 95 83 125 110 155 185
Với các công trình xây dựng trong các vùng có địa hình phức tạp (rừng sâu, núi
cao ) mà địa điểm xây dựng nó không có tên trong bảng phân vùng láp lực gió
thì bằng cách đo vận tốc gió, có thể sử dụng công thức sau đây để xác định áp lực
gió tiêu chuẩn .:
2
.0613,0
oo
vw =
; daN/m
2
(2.2)

v
o
Vận tốc gió ở độ cao 10 m so với mốc chuẩn, lấy trung bình trong
khoảng thời gian 3 giây, bị vợt trung bình 1 lần trong 20 năm (m/s).
Học viên: Lơng Xuân Việt Trang 16
ảnh hởng của việc bố trí kết cấu đến tác động của tải trọng gió lên nhà cao tầng
K là hệ số địa hình ( theo các định dạng A,B,C) xác định theo bảng II.1
sau đây ( bảng 5 của TCVN 2737 : 1995 ); phụ thuộc vào địa điểm xây dựng
công trình và chiều cao tính từ mốc chuẩn đến địa điểm cần tính áp lực gió). Mốc
chuẩn là mốc quy ớc để xác định hệ số độ cao K , xét đến độ dốc của mặt đất
chân công trình , xác định theo phụ lục G của TCVN 2737 : 95 .
Bảng II.2 Hệ số địa hình K ( hệ số độ cao ) theo TCVN 2737 : 1995
Độ cao z (m)
Dạng địa hình
A B C
3
5
10
15
20
30
40
50
60
80
100
150
200
250
300

350
>=400
1,00
1,07
1,18
1,245
1,29
1,37
1,43
1,45
1,51
1,57
1,62
1,72
1,79
1,84
1,84
1,84
1,84
0,80
0,88
1,00
1,08
1,13
1,22
1,28
1,34
1,38
1,45
1,51

1,62
1,71
1,78
1,84
1,84
1,84
0,47
0,54
0,66
0,74
0,8
0,89
0,97
1,03
1,08
1,18
1,25
1,4
1,52
1,62
1,7
1,78
1,84
Cx Hệ số khí động , lấy theo chỉ dẫn của bảng 6 TCVN 2737 : 95, phụ
thuộc vào bản thân công trình ( hình khối, hình dạng bề mặt đón gió) . Lu ý
rằng : hệ số khí động Cx không chỉ có ở mặt đón gió mà ở mọi bề mặt của công
trình .
- Với công trình kín ( hoặc phần thứ k ) của công trình có diện tích đón gió
Ak tơng ứng với hệ số khí động Cx, hệ số địa hình K thì giá trị tiêu chuẩn thành
phần tĩnh của tải trọng gió lên mỗi mặt trớc ( sau hoặc mặt bên ) của phần thứ k

xác định theo công thức :
W
tk
= K.C
x
w
o
A
k
(2.3)
- Lực gió tiêu chuẩn tác động lên một thanh thép ở độ cao z
k
là :
W
tk
= K.C
x
w
o
A
k
(2.4)
Trong đó A
k
Diện tích hình chiếu của thanh lên mặt phẳng vuông góc với hớng
gió .
Cx Hệ số khí động của thanh ( gồm cả mặt đón gió và mặt khuất gió),
còn gọi là hệ số cản chính diện :
Cx = 1,4 với thép hình mặt đón gió của thanh vuông góc với hờng gió ;
Cx = 1,2 với dây cáp và dây dẫn điện ;

Cx =

xo
Ck
với thép tròn, thép ống khi trục thanh vuông góc với phơng
gió .
Học viên: Lơng Xuân Việt Trang 17
ảnh hởng của việc bố trí kết cấu đến tác động của tải trọng gió lên nhà cao tầng
ở đây hệ số

x
C
xác định theo chỉ dẫn ở bảng 6 của TCVN 2737 : 95 ; hệ số ko
xác định theo hệ số k ở bảng 6.1 thuộc sơ đồ 34 của bảng 6; phụ thuộc vào hệ số
Raynolds Re và độ nhám bề mặt đón gió của thanh ống
d/

( với kết cấu gỗ
m.005,0
=
; với dây dẫn và dây cáp đờng kính d thì

= 0,01d)
5
10.88,0Re

Kwd
v
vd
o

==
Trong đó :
w
o
- áp lực gió tiêu chuẩn ; N/m
2
v Vận tốc tính toán của gió ; m/s
d - Đờng kính của thanh tròn , ống ; m
v - Độ nhớt động của không khí, ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn
smv /10.145,0
24
=

- Hệ số độ tin cậy ( hệ số vợt tải ) của tải trọng gió ,
2,1=

2. Thành phần động của tải trọng gió:
2.1. Công tức xác định thành phần động:
Thực chất của thành phần động của tải trọng gió lên công trình tiến hành
theo các công thức khác nhau dựa trên cơ sở so sánh tần số của các dạng dao
động cơ bản đầu tiên f
i
.(Thực chất , f
L
là tần số giới hạn cho phép không cần kể
đến lực quán tính phát sinh khi công trình dao động ); Giá trị tần số giới hạn f
L
theo TCVN 2737 : 95, giới thiệu ở bảng II.3. sau, phụ thuộc vùng áp lực gió và độ
giảm loga

của công trình .
*
3,0=

với công trình bê tông cốt thép, gạch đá (hoặc khung thép có kết cấu bao
che bằng bê tông cốt thép)
*
15,0=

với công trình dạng tháp bằng thép có bệ móng BTCT ( tháp, trụ, cột
điện ống khói bằng thép ).
Bảng II.3. Tần số quy định f
L
cho các loại công trình, tơng ứng với vùng áp lực
gió
Vùng áp lực gió
Tần số dao động riêng f
L
; S
-1
3,0=

15,0=

I
II
III
IV
V
1,1

1,3
1.6
1,7
1,9
3,4
4,1
5,0
5,6
5,9
Cụ thể là : - Với công trình có độ cứng khá lớn, tần số dao động riêng đầu tiên f
1
>
f
L
thì thành phần động chỉ là sự tăng thêm của thành phần tĩnh do kể đến sự mạch
Học viên: Lơng Xuân Việt Trang 18
ảnh hởng của việc bố trí kết cấu đến tác động của tải trọng gió lên nhà cao tầng
động của tải trọng gió thông qua hệ số mạch động

. Trên mỗi phần chia thứ k của
công trình, thành phần động xác định theo công thức :
( )
kkoktkpk
AKCwWW

==
(2.5)
Trong đó :
tk
W

- giá trị thành phần tĩnh của tải trọng gió lên phần thứ k, đã
xác định trên đây (công thức 2.3).

- hệ số mạch động, xác định theo chiều cao điểm tính gió và tơng ứng
với dạng địa hình ( địa điểm xây dựng công trình ), lấy theo bảng II.4 sau :
Bảng II.4. Hệ số mạch động của tải trọng gió lên công trình
Độ cao (m)
Hệ số mạch động

tơng ứng với địa hình dạng
A B C
<= 5
10
20
40
60
80
100
150
200
250
300
350
>=480
0,318
0,303
0,289
0,275
0,267
0,262

0,258
0,251
0,246
0,242
0,239
0,236
0,231
0,517
0,486
0,457
0,429
0,414
0,403
0,395
0,381
0,371
0,364
0,358
0,353
0,343
0,754
0,684
0,621
0,563
0,532
0,511
0,496
0,468
0,450
0,436

0,425
0,416
0,398
k
v
- Hệ số tơng quan không gian, ảnh hởng của hình dạng và hình khối
công trình tại nơi cần xác định thành phần động của tác dụng của tải trọng gió,
phụ thuộc vào mặt phẳng cần tính toán tải trọng so với hớng gió thổi, thông qua
các thông số trung gian

và

, tra theo các bảng II.5 và II.6 sau đây.
Khi chọn hớng gió trùng với trục oy, và bề mặt tính toán có dạng hình chữ
nhật đợc định hớng song song với mặt phẳng toạ độ cơ bản, hệ số

và

xác định
theo bảng II.5

Học viên: Lơng Xuân Việt Trang 19
ảnh hởng của việc bố trí kết cấu đến tác động của tải trọng gió lên nhà cao tầng

z
y
x

H
u

ơ
n
g

g
i
ó
Bảng II.5. Cách xác định hệ số tọa độ

,

Khi bề mặt tính toán song
song với mặt phẳng toạ độ


zOx b h
zOy 0,4a h
xOy b a
Bảng II.6. Hệ số tơng quan không gian v của tải trọng gió
Tham
số

m
Hệ số tơng quan không gian v khi

= ; m
5 10 20 40 80 160 350
1
5
10

20
40
80
160
0,95
0,89
0,85
0,80
0,72
0,63
0,53
0,92
0,87
0,84
0,78
0,72
0,63
0,53
0,88
0,84
0,81
0,76
0,70
0,61
0,52
0,83
0,80
0,77
0,73
0,67

0,59
0,50
0,76
0,73
0,71
0,68
0,63
0,56
0,47
0,67
0,65
0,64
0,61
0,57
0,51
0,44
0,56
0,54
0,53
0,51
0,48
0,44
0,38
Khi bề rộng mặt đón gió không đổi, có thể xác định thành phần động theo
luật phân bố trên chiều cao :
kTkpk
wW

=
daN/m cao (2.6)

Học viên: Lơng Xuân Việt Trang 20
ảnh hởng của việc bố trí kết cấu đến tác động của tải trọng gió lên nhà cao tầng
- Với công trình có hữu hạn n bậc tự do, khối lợng phân bố bất kỳ, tần số
dao động riêng f
1
< f
2
< < f
s
< f
L
< f
s+1
( kể cả khi f
1
< f
L
< f
2
) thì phải xét đến s
dạng dao động đầu tiên. Việc xác định thành phần động tiến hành riêng biệt cho
từng dạng . ở mỗi dạng dao động
si

, thành phần động ứng với mỗi phần chia
thứ k của công trình xác định theo công thức :
( )
ikiik
i
pk

yMW

=
(2.7)
Với :
i

- Hệ số ứng với dạng dao động thứ i của công trình,
( )
2
1
1
ijj
r
j
ijpj
r
j
i
yM
yW
=
=


=

(2.8)
i

- Hệ số động lực ứng với dạng dao động thứ i của công trình,
i

là hàm số, phụ
thuộc vào vật liệu xây dựng công trình ( độ nhám loga

của dạng dao động ) và
hệ số
i

; giá trị của nó đợc tra theo biểu đồ sau


W
pj
giá trị thành phần động, ý nghĩa và cách xác định nh công thức (2.5), tơng
ứng với phần thứ j ( thay ký hiệu k thành j ) :
( )
jjojTjpj
AKCwWW

==
(2.10)
i
o
i
f
w
.940
.

=
(2.9)
Trong đó : f
i
- Tần số dao động riêng ở dạng thứ i của công trình .
w
o
- áp lực gió tiêu chuẩn của khu vực xây dựng, tính bằng N/m
2
Đờng cong 1(
3,0=

) tơng ứng với công trình BTCT, gạch đá (khung thép
hoặc có bao che).
Đờng cong 2(
15,0=

) tơng ứng với công trình tháp, trụ, ống khói, các thiết
bị dạng cột có bệ móng bằng BTCT.
- Các trờng hợp đặc biệt :
+ Với công trình có 1 bậc tự do, toàn bộ khối lợng công trình coi nh tập
trung tại đỉnh ( ví dụ tháp nớc, khung nhà công nghiệp 1 tầng ) mà tần số f
1
< f
L
;
Học viên: Lơng Xuân Việt Trang 21
ảnh hởng của việc bố trí kết cấu đến tác động của tải trọng gió lên nhà cao tầng

chỉ xét đến 1 dạng dao động i=1.Thành phần động là sự tăng thêm đều đặn của
thành phần tĩnh thông qua hệ số mạch động

và hệ số động lực
1

:








==
1
111
940
;
f
W
F
o


( 2.11)
Trên mỗi phần chia thứ k, thành phần động xác định theo công thức :
kTkpk
WW

1
=
, daN (2.12)
Nếu bề rộng mặt đón gió không đổi trên suốt chiều cao công trình thì:

===
jk

; có thể xác định thành phần động dới dạng phân bố trên chiều cao
theo luật của thành phần tĩnh:

1Tkpk
ww =
, daN/m cao (2.13)
+ Với nhà nhiều tầng có độ cứng, khối lợng và bề rộng mặt đón đón gió ( hút
gió ) không đổi theo chiều cao, có thể xác định thành phần động lên phần thứ k,
khi công trình dao động ở dạng i theo công thức :
( )
phi
k
i
pk
W
h
Z
W

4,1=
, daN/m cao ( 2.14)

Với
ph
W
- là thành phần động tập trung lên phần đỉnh nhà ( tơng ứng với hệ số địa
hình K
h
và diện tích A
h
) :
( )

hohThph
ACwKWW ==
( 2.15)
Do bề mặt đón gió không đổi, có thể xác định thành phần động ở cao độ z khi
công trình dao động ở dạng thứ i, theo cách phân bố trên chiều cao phù hợp với
luật của thành phần tĩnh :
( )
mcaodaNw
h
z
w
phi
i
pz
/4,1

=
daN/m cao (2.16)
Với :

( )

ohThph
CwKww ==
(2.17)
2.2 Các chú ý cần thiết khi xác định thành phần động:
Phần lớn các công trình nhà và tháp trong thực tế, khi xác định thành phần
động của tải trọng gió đều sử dụng công thức (2.9) trên đây, cần lu ý rằng :
+ Hệ số động lực
1

phụ thuộc tần số dao động riêng thứ i (f
i
) , chứ không
phải chỉ phụ thuộc tần số dao động riêng thứ nhất ( f
1
) .
+ ở dạng dao động thứ i, giá trị thành phần động lên phần chia thứ k của
công trình phụ thuộc vào độ lớn của khối lợng M
k
và biên độ dao động riêng dạng
thứ i tại mức đặt khối lợng có phơng trùng với hớng gió, lấy dấu dơng khi chuyển
vị cùng chiều với hớng gió và dấu âm trong trờng hợp ngựơc lại. Vì vậy ở dạng
dao động i = 1 các thành phần động W
pk
cùng chiều với thành phần tĩnh W
Tk
; nh-
ng ở các dạng dao động cao hơn ( i=2,3,4,) ở 1 số phần chia, sẽ có thành phần
động W

pk
ngợc chiều với thành phần tĩnh W
Tk
.
+ Sự mạch động của tải trọng gió, ảnh hởng tơng quan không gian của các
phần đối với phần động của tải trọng gió lên phần thứ k đã đợc kể đến thông qua
hệ số
i

. Khi tính hệ số này cần lu ý rằng :
Học viên: Lơng Xuân Việt Trang 22
ảnh hởng của việc bố trí kết cấu đến tác động của tải trọng gió lên nhà cao tầng
* Lấy dấu bản thân của y
ij
trong các số hạng ở tử số.
* Biểu thức ở tử số chỉ tồn tại các số hạng mà đồng thời cả W
Tj
và y
ij
đều
khác 0 , tơng ứng với việc phải có diện đón gió ( hoặc hút gió ) và phải có chuyển
vị . các phần tử nằm bên trong công trình ( nh vách ngăn nội bộ, lõi trung tâm,
cột giữa, dầm sàn, thanh tháp bị che khuất ) không có diện trực tiếp đòn gió
( hoặc hút gió ), tuy có khối lợng, và cũng có chuyển vị nhng không có mặt đón
gió thì các số hạng tơng ứng với nó bằng 0.
* Các số hạng ở mẫu số, tơng ứng với mọi phần chia đều có khối lợng và
chuyển vị nên chúng đều tồn tại . Khi coi công trình ngàm cứng vào móng, nghĩa
là móng không có chuyển vị , thì trừ các phần tử thuộc móng, các phần tử còn lại
tham gia dao động đều có mặt ở các số hạng của tổng ở các mẫu số của hệ số này
. 2.3. Việc chấp nhận sơ đồ tính và quy luật phân bố khối lợng trong bài

toán dao động riêng:
Trong bài toán bài toán dao động riêng , khối lợng phải đợc hiểu là toàn bộ
khối lợng có tham gia dao động. Các đặc trng của dao động riêng sẽ bị chi phối
bởi giá trị và cách phân bố các khối lợng thành phần trên công trình khảo sát .
Giá trị khối lợng tham gia dao động bao gồm :
- Khối lợng của các phần tử đợc coi là kết cấu chịu lực ( cột, dầm, vách, lõi cứng ,
thanh , tấm sàn,)
- Khối lợng của các chi tiết trang trí kiến trúc, bao che ( tờng ngăn, lớp ốp lát,
trần treo,)
- Khối lợng của các thiết bị, vật liệu trên sàn, tờng ở mỗi giai đoạn sử dụng
( đồ gỗ, trang thiết bị sử dụng, nớc trong bể, sách trên giá , hạt trong kho )
- Phần dài hạn của hoạt tải sử dụng ( lấy tuỳ theo công trình vào khoảng 25 -50%
hoạt tải toàn phần ); đợc qui ra khối lợng M=G/g
Tuỳ theo việc chấp nhận sơ đồ tính mà sự phân bố của các thành phần khối
lợng này sẽ khác nhau. Mỗi bài toán dao động sẽ đợc giải trên cơ sở chấp nhận sự
phân bố khối lợng, phân bố độ cứng theo một quy luật nào đó. Với mỗi công
trình cụ thể, việc chấp nhận sơ đồ tính khác nhau sẽ làm sai khác sự phân bố khối
lợng, sai khác độ cứng vốn có của công trình, do vậy kéo theo các kết quả khác
nhau của tần số và biên độ dao động riêng.
2.4. Việc xác định hệ số tơng quan không gian

Hệ số tơng quan không gian

có thể hiểu là hệ số ảnh hởng của hình khối
công trình đến các tham số động học trên một mặt nào đó của công trình (gọi là
bề mặt tính toán hoặc bề mặt khảo sát ) . Về hình thức, hệ số tơng quan không
gian

trong thành phần động cũng tơng tự nh hệ số khí động Cx trong thành
phần tĩnh. Theo 1 hớng gió nhất định, ở các mặt trớc và sau ở các mặt bên và mặt

mái ( đỉnh) của công trình có các hệ số khí động Cx khác nhau ; với các công
trình thanh mảnh có dao động thì trên các mặt này cũng có các tơng quan động
khác nhau và gọi đó là hệ số tơng quan không gian

. Theo quy định của TCVN
2737 : 1995 hệ số

( xem bảng II.5và II.6 trên đây ) đợc tra bảng phụ thuộc vào
2 tham số

Học viên: Lơng Xuân Việt Trang 23
ảnh hởng của việc bố trí kết cấu đến tác động của tải trọng gió lên nhà cao tầng
Và

. Để tránh nhầm lẫn khi tra bảng, nên chọn hớng gió trùng với hớng chuyển
vị khi khảo sát bài toán dao động riêng ( hớng chuyển vị y )
Với những công trình dạng bậc hoặc có mặt đón gió không phải hình chữ
nhật, hệ số tơng quan không gian khi đó sẽ đợc xác định tơng ứng với từng phần -
k

; khi đó, hệ số
k

và

xác định theo hớng dẫn của các bảng II.7 và II. 8 sau :
z
y
x
b

1
a
1
Bảng II.7
Khí bề mặt tính toán song song với
mặt phẳng tọa độ
k


Zox
Cho phần 1
1
b
h
Cho phần 2
2
b
Zoy
Cho phần 1
1
4,0 a
h
Cho phần 2
2
4,0 a
xOy
2
b
2
a

z
y
x
b
2
bt
2
bt
1
a
2
a
t
2
a
t
1
Học viên: Lơng Xuân Việt Trang 24
ảnh hởng của việc bố trí kết cấu đến tác động của tải trọng gió lên nhà cao tầng
Bảng II.8
Khi bề mặt tính toán song song với
mặt độ
k


Zox
Cho phần 1

1t
b
h
Cho phần 2
2t
b
Zoy
Cho phần 1
1
4,0 a
h
Cho phần 2
1
4,0 a
xOy
2
b
2
a
Trong đó :
2t
b
,
2
bt
,.,
1t
a
,
2t

a
bề rộng tính toán song song với trục Ox, Oy lấy ở
mức cao ngang với trọng tâm của mỗi đoạn ( gần đúng có thể lấy là
chiều rộng trung bình của mỗi đoạn )
2.5. Cách tính gần đúng giá trị thành phần động
Trong các bài toán thiết kế sơ bộ ban đầu, để có thể ớc tính giá trí thành
phần động phục vụ cho việc giả thiết tiết diện ban đầu, có thể tiến hành theo trình
tự sau:
- Chỉ xét một hoặc một vài dạng dao động đầu tiên, chu kỳ dao
động( T
1
=1/f
1
), có thể tính theo công thức gần đúng theo bảng sau đây :
Bảng II.9. Chu kỳ dao động riêng cơ bản của công trình theo kiến nghị của
một số tác giả
Tác giả kiến nghị Giá trị chu kỳ dao động
T;s
Ghi chú
Nhật bản
T.Taniguchi
( )
nT 09,0 07,0
1
=
( )( )
5,01,0 06,0
1
+= nT
( )

3
12
4,0 12,0
1
+
=
n
T
Trên cơ sở thực
nghiệm số lớn nhà
ở Tokyo và
Yokohama.
Có giá trị cho tất cả
các loại nhà
M.Takeuchi
60
1
H
T =
Nhà khung thép
Tiêu chuẩn kháng
chấn ( 1968 )
L
H
T .09,0
1
=
L
H
T .10,0

1
=
Công trình BTCT
Công trình thép
G.W.Housner
A.G.Brady
4,05,0
1
= nT
Nhà khung thép
Rumani
Chilê
Tiêu chuẩn kháng
chấn(P.100.78)
nT 05,03,0
1
+=

( )
5n
nT 1,0
1
=

)5( >n
Nhà khung chịu lực
R.Husid
W.Pieber
J.Rono
nT 04,0

1
=
69/
1
nT =
( )
LHT /04,0
1
=
Nhà BTCT bình th-
ờng
Công trình cao tầng
Học viên: Lơng Xuân Việt Trang 25