xác định thành phần động của tải trọng gió dựa trên phân tích động lực học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
------

HOÀNG TRỌNG KHẢM

XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN ĐỘNG
CỦA TẢI TRỌNG GIÓ
DỰA TRÊN PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC

LUẬN VĂN THẠC SỸ
XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Thành Phố Hồ Chí Minh. tháng 03 năm 2016


NHẬN XÉT VỀ VIỆC HOÀN THÀNH LUẬN VĂN

Xác nhận Học Viên: Hoàng Trọng Khảm, LỚP: XD3, Khóa 2013-2016
Tên đề tài luận văn: Xác Định Thành Phần Động Của Tải Trọng Gió Dựa Trên Phân Tích
Động Lực Học.
Đủ điều kiện ra bảo vệ luận văn.

TPHCM, Ngày 6 tháng 1 năm 2016

TS. NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn này do tôi tìm hiểu và phát triển dựa vào các tài
liệu tham khảo đã được trích dẫn.

Các thông tin, kết quả nghiên cứu của người khác sử dụng trong luận văn
này điều được trích dẫn đúng quy định. Kết quả trong Luận văn hoàn toàn trung
thực và chưa được công bố ở nghiên cứu khác.
Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về công việc thực hiện của mình.
Tác giả luận văn

Hoàng Trọng Khảm

i


LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp của
trường Đại Học Mở TPHCM nằm trong hệ thống bài luận cuối khóa nhằm trang
bị cho học viên có một đề tài nghiên cứu khoa học bổ ích, thực tiễn và những
kiến thức chuyên sâu trước khi ra trường.
Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng tôi đã nhận được rất nhiều
sự giúp đỡ từ thầy hướng dẫn, bạn bè và người thân. Tôi chân thành cảm ơn
những sự giúp đỡ và quan tâm đó.
Đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy hướng dẫn TS. Nguyễn Trọng
Phước đã giúp tôi định hướng và có cái nhìn tổng quát về đề tài. Trong quá
trình làm luận văn Thầy hướng dẫn rất nhiệt tình và cung cấp những tài liệu quý
báu giúp tôi hoàn thành luận văn trong thời gian sớm nhất.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy trưởng khoa Xây Dựng trường Đại Học
Mở TPHCM đó là TS. Trần Tuấn Anh đã quan tâm và định hướng tôi những đề
tài có ứng dụng thực tiễn.
Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự cố gắng
của bản thân nhưng cũng không thể tránh được những sai sót. Kính mong các
quý thầy cô đưa ra những nhận xét giúp tôi có những kiến thức và cái nhìn đúng
đắn hơn.

Xin trân trọng cảm ơn!

ii


TÓM TẮT
Trong tính toán thiết kế khung nhà cao tầng cao trên 40m phải xét đến
thành phần động của tải trọng gió. Hiện nay tại Việt Nam để tính toán thành
phần gió động này người thiết kế căn cứ vào các tiêu chuẩn Việt Nam là TCVN
229:1999 và TCVN 2737:1995.
Tuy nhiên các tiêu chuẩn này hướng dẫn sử dụng những công thức tính
toán tĩnh học tương đương gần đúng để xác định lực do thành phần động của tải
trọng gió gây ra mà không xét đến yếu tố xung của vận tốc gió thay đổi theo
thời gian ảnh hưởng đến sự làm việc của khung nhà. Vì vậy có thể có nhiều
trường hợp xung lực gió tác động lên hệ khung nhà cao tầng nguy hiểm hơn so
với phương pháp tính toán theo TCVN.
Do đó việc tính toán và nghiên cứu thành phần gió động theo lý thuyết
Động lực học là một việc làm cần thiết, cũng là một tài liệu tham khảo cho
người thiết kế có cái nhìn sâu hơn về vấn đề này.
Luận văn này đưa ra các giả thiết và các chuỗi số liệu về áp lực gió tác
dụng lên hệ kết cấu khung nhà nhiều tầng. Kết quả tính toán cho thấy trong một
vài trường hợp phương pháp tính toán thành phần động của tải trọng gió theo
TCVN chưa phải là thiên về an toàn.

iii


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU...................................................................................... 1

1.1 Đặt vấn đề ..................................................................................................... 1
1.2 Mục tiêu của luận văn ................................................................................... 3
1.3 Phương pháp thực hiện ................................................................................. 4
1.4 Phạm vi luận văn .......................................................................................... 5
1.5 Cấu trúc luận văn .......................................................................................... 5
CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN .................................................................................... 6

2.1 Giới thiệu ...................................................................................................... 6
2.2 Khái niệm gió .............................................................................................. 6
2.3 Cách xác định tải trọng gió theo TCVN........................................................ 8
2.4 Thực nghiệm Hầm gió ................................................................................ 10
2.5 Tình hình nghiên cứu liên quan luận văn ................................................... 12
2.6 Kết luận....................................................................................................... 19
CHƯƠNG 3

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...................................................................... 20

3.1 Giới thiệu .................................................................................................... 20
3.2 Thiết lập sơ đồ tính toán và các đặc trưng động lực học ........................... 20
3.3 Mô tả gió bằng các tải trọng dạng xung ..................................................... 26
3.4 Mô tả gió bằng các tải trọng theo chuỗi thời gian ...................................... 29
3.5 Phương pháp số giải bài toán ...................................................................... 32
3.6 Phương trình chuyển động .......................................................................... 32
3.7 Thuật toán Newmark .................................................................................. 35
3.8 Xây dựng phổ phản ứng ............................................................................. 37
3.9 Lưu đồ tính toán.......................................................................................... 39

3.10 Kết luận chương.......................................................................................... 40
CHƯƠNG 4

KẾT QUẢ SỐ .................................................................................. 41

4.1 Giới thiệu .................................................................................................... 41
4.2 Bài toán lý thuyết cho hệ kết cấu khi chịu tải trọng gió dạng xung ........... 46
4.3 Bài toán thực tế cho hệ kết cấu khi chịu tải trọng gió dạng xung............... 55
4.4 Bài toán lý thuyết cho hệ kết cấu với tải trọng gió dạng chuỗi thời gian ... 62
iv


4.5 Bài toán thực tế cho hệ kết cấu với tải trọng gió dạng chuỗi thời gian ...... 65
4.6 Kết luận....................................................................................................... 70
CHƯƠNG 5

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..................................... 71

5.1 Kết luận....................................................................................................... 71
5.2 Hướng phát triển ......................................................................................... 72
Tài liệu tham khảo ....................................................................................................... 73
Phụ lục ....................................................................................................................... 76

v


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1 Lực gió tĩnh theo TCVN ...................................................................... 8
Hình 2.2 Chi tiết cánh quạt của mô hình thực nghiệm Hầm gió ....................... 10
Hình 2.3 Mô hình máy bay A380 được thực nghiệm trong Hầm gió................ 11

Hình 3.1.Sơ đồ tính toán hệ thanh công xôn .......................................................... 21
Hình 3.2 Ma trận khối lượng thu gọn.................................................................... 22
Hình 3.3 Độ cứng tầng 1 ...................................................................................... 23
Hình 3.4 Độ cứng tầng 2 ...................................................................................... 23
Hình 3.5 Tải trọng xung hình sin .......................................................................... 26
Hình 3.6 Tải trọng gió xung đôi nửa hình sin ........................................................ 27
Hình 3.7 Tải trọng gió xung ba nửa hình sin ......................................................... 27
Hình 3.8 Tải trọng xung hình chữ nhật ................................................................. 28
Hình 3.9 Tải trọng xung hình tam giác ................................................................. 29
Hình 3.10 Mô phỏng vận tốc gió cấp 9-10 theo thời gian ....................................... 30
Hình 3.11 Vận tốc gió theo thời gian ở các độ cao 13; 33; 70; 160 feet .................. 31
Hình 3.12 Sơ đồ thiết lập phương trình chuyển động ............................................. 33
Hình 3.13 Kết cấu chịu tải trọng gió thay đổi theo thời gian .................................. 33
Hình 3.14 Sơ đồ lực tác dụng lên mỗi bậc tự do .................................................... 34
Hình 3.15 Hệ kết cấu chịu tải trọng nửa hình sin ................................................... 37
Hình 3.16 Phổ phản ứng ...................................................................................... 38
Hình 4.1 Mô hình thanh công xôn tòa nhà 20 tầng ........................................... 41
Hình 4.2 Sơ đồ tính toán độ cứng ...................................................................... 42
Hình 4.3 Sơ đồ mặt bằng cao ốc văn phòng ...................................................... 45
Hình 4.4 Mô hình khung không gian ................................................................. 45
Hình 4.5 Biểu đồ hệ số Kd tải trọng gió nửa hình sin ........................................ 49
Hình 4.6 Tải trọng gió xung đôi nửa hình sin.................................................... 50
vi


Hình 4.7 Biểu đồ hệ số Kd tải trọng gió nửa hình sin ........................................ 50
Hình 4.8 Tải trọng gió xung ba nửa hình sin ..................................................... 51
Hình 4.9 Biểu đồ hệ số Kd tải trọng gió nửa hình sin ........................................ 51
Hình 4.10 Xung hình chữ nhật........................................................................... 51
Hình 4.11 Biểu đồ hệ số Kd xung hình chữ nhật ............................................... 52

Hình 4.12 Tải trọng xung hình tam giác ............................................................ 53
Hình 4.13 Biểu đồ hệ số Kd xung hình tam giác ............................................... 55
Hình 4.14 Phổ phản ứng hệ kết cấu ................................................................... 55
Hình 4.15 Mặt bằng chung cư ........................................................................... 56
Hình 4.16 Chuyển vị do thành phần tĩnh gây ra ................................................ 58
Hình 4.17 Chuyển vị do thành phần tĩnh và động gây ra ................................. 60
Hình 4.18 Biểu đồ môment tại chân cột C1....................................................... 60
Hình 4.19 Biểu đồ chuyển vị tại vị trí là chân Cột C1....................................... 61
Hình 4.20 Biểu đồ môment tại vị trí là chân cột C1 .......................................... 40
Hình 4.21 Chuyển vị tại đỉnh cột C1 ................................................................. 65
Hình 4.22 Chuyển vị tại đỉnh cột C1 ................................................................. 66

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Giá trị áp lực gió W0 ............................................................................ 8
Bảng 2.2. Hệ số k ................................................................................................. 9
Bảng 4.1. Tải trọng gió tĩnh ............................................................................... 48
Bảng 4.2. Thành phần động tải trọng gió........................................................... 48
Bảng 4.3 Bảng so sánh hệ số động..................................................................... 56
Bảng 4.4 Thành phần tĩnh của tải trọng gió công trình chung cư ..................... 57
Bảng 4.5 Chu kì và tần số .................................................................................. 58
Bảng 4.6 Bảng so sánh chuyển vị, môment, hệ số động .................................... 62
Bảng 4.7 Tổng lực gió tĩnh theo phương X ....................................................... 62
Bảng 4.8 Thành phần tĩnh tải trọng gió ............................................................. 63
Bảng 4.9 Thành phần động tải trọng gió............................................................ 63
Bảng 4.10 So sánh hệ số động ........................................................................... 64
Bảng 4.11 Thành phần tĩnh tải trọng gió công trình chung cư .......................... 65
Bảng 4.12 So sánh chuyển vị, môment, hệ số động .......................................... 68

viii


MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
TPHCM

: Thành Phố Hồ Chí Minh

TCVN

:Tiêu chuẩn Việt Nam

TCXD 229:1999

:Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió theo tiêu chuẩn

TCVN 2737:1995 :Tải trọng và tác động tiêu chuẩn thiết kế TCVN 2737-1995
ASCE 7-10

:Tiêu chuẩn Mỹ ASCE7-10

Ký hiệu
M

Ma trận khối lượng

M eff

Ma trận khối lượng hiệu dụng

K

Ma trận độ cứng

P

Ma trận tải trọng

Peff

Ma trận tải trọng hiệu dụng


u

Vectơ gia tốc của các bậc tự do

u

Vectơ vận tốc của các bậc tự do

u

Vectơ chuyển vị của các bậc tự do

t

Bước thời gian tính lặp



,

Tần số tự nhiên của hệ và tần số dao động của gió

ix


Chương 1 Giới thiệu

CHƯƠNG 1.

GIỚI THIỆU

1.1

Đặt vấn đề
Gió là một hiện tượng trong tự nhiên được hình thành do sự chuyển động của

không khí. Gió tác động lên công trình xây dựng có thể được phân loại tùy theo vận
tốc gió và địa hình. Những nơi có gió thổi mạnh (gió bão) đi qua có thể gây tác hại
rất lớn cho những vật nằm trên đường đi của nó. Một trong những đối tượng bị gió
gây tác hại là những công trình xây dựng do con người tạo ra. Ngày nay hiện tượng
biến đổi khí hậu có diễn biến phức tạp do đó tác động của gió lên công trình cũng
ngày càng nguy hiểm hơn.
Trong bài toán thiết kế kết cấu công trình, gió là một tải trọng có tác động
quan trọng và ảnh hưởng trực tiếp đến sự bền vững của công trình xây dựng. Vì sự
tác động nguy hiểm và mật độ xuất hiện nên thường tải trọng này quyết định đến
việc lựa chọn kết cấu cho công trình. Hàng năm tại Việt Nam đặc biệt là các tỉnh

phía Bắc và Miền Trung chịu khá nhiều thiệt hại do một vài cơn gió bão. Gần đây,
trên thế giới cũng đã xuất hiện nhiều cơn bão có tốc độ gió lên đến một vài trăm
km/h. Những cơn bão này gây ra những thiệt hại có thể là đáng kể với các công
trình xây dựng và trở nên khó lường hơn trong tương lai. Với mật độ bão càng ngày
càng dày hơn thì những tác hại do nó gây ra sẽ càng tăng nếu không được con người
quan tâm đúng mực.
Tác hại của gió lên kết cấu xây dựng là khá nhiều và sau đây là một số liệt kê
cụ thể. Điển hình của gió bão lớn là gây sụp công trình tháp truyền hình Nam Định
sụp đổ năm 2012 và công trình tháp truyền hình Uông Bí bị phá hoại năm 2013…
Xác định thành phần động của tải trọng gió dựa trên phân tích Động lực học

1


Chương 1 Giới thiệu

Ngoài ra còn có rất nhiều công trình như nhà công nghiệp, công trình dàn khoan
trên biển… cần con người quan tâm nhiều hơn nữa bởi những thiệt hại không chỉ về
kinh tế mà nguy hiểm cả đến tính mạng con người khi những công trình này bị gió
bão tàn phá. Trên thế giới, vấn đề tác hại của gió cũng được quan tâm rất nhiều.
Một trường hợp tương đối hy hữu hơn dù gió không lớn nhưng cũng gây nguy hiểm
do tính chất tác dụng động theo thời gian như Cầu dây văng Tacoma Narrows bị
phá hoại năm 1940 là một thí dụ về sức tàn phá do tác dụng động lực học gây ra.
Như vậy có thể thấy rằng không những chỉ các cơn bão lớn mới gây nguy hiểm
công trình xây dựng mà đôi khi tác dụng động của cơn gió không lớn cũng có khả
năng gây nguy hiểm thật sự cho công trình. Sự nguy hiểm này không những do bão
lớn mà còn do tính chất tác dụng động của gió lặp đi lặp lại dù không thật sự lớn.
Qua minh họa trên, những đề tài nghiên cứu về gió tác động lên kết cấu nhà cao
tầng thu hút được rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trên thế giới và
trong nước.

Trong điều kiện Việt Nam, với công trình xây dựng dân dụng như nhà văn
phòng và chung cư cao tầng (khoảng 20 tầng) có rất nhiều người sinh hoạt hoặc làm
việc bên trong nó nên sự an toàn của kết cấu luôn được đặt lên hàng đầu. Hiện nay
các kĩ sư kết cấu khi thiết kế kết cấu loại này với những tòa nhà cao trên 40m thì
TCVN qui định phải xét đến thành phần động của tải trọng gió. Người thiết kế có
thể căn cứ vào các tiêu chuẩn Việt nam là TCVN 229:1999 và TCVN 2737:1995.
Những tiêu chuẩn này hướng dẫn tính toán tải trọng gió gồm 2 phần. Thành phần
tĩnh của tải trọng gió được tính toán bằng công thức đơn giản phần lớn phụ thuộc áp
lực gió (hay vận tốc của cơn bão) và có xét đến sự thay đổi áp lực này theo chiều
cao; thành phần này khá rõ ràng và gần như hoàn chỉnh trong tiêu chuẩn ngành và
được áp dụng phổ biến. Ngoài ra, thành phần động của tải trọng gió được tính toán
bằng cách qui về lực tĩnh tương đương dựa vào thành phần gió tĩnh và đặc trưng
động lực học (tần số, dạng dao động) của kết cấu theo công thức gần đúng và được
cho là phụ thuộc vào lực quán tính và xung vận tốc gió.
Tính toán tải trọng gió theo TCVN khá thuận lợi cho người thiết kế bởi vì đó
là những công thức rõ ràng và có thể áp dụng để tính toán. Những chỉ dẫn trong
TCVN này cũng ra đời từ rất lâu và có nhiều ý nghĩa thực tiễn bởi những đóng góp
Xác định thành phần động của tải trọng gió dựa trên phân tích Động lực học

2


Chương 1 Giới thiệu

quan trọng của nó cho sự tồn tại của các công trình hiện nay. Tuy nhiên trong các
công thức hướng dẫn của TCVN ngoài những yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc của
kết cấu như dạng địa hình, chiều cao, hình dạng nhà… thì các tiêu chuẩn ngành chủ
yếu quan tâm đến độ lớn xung vận tốc gió tác động lên khung nhà cao tầng mà chưa
quan tâm tới yếu tố biến thiên của vận tốc gió theo thời gian. Ngoài ra cơ sở lý
thuyết về phụ thuộc vào xung vận tốc gió và lực quán tính của TCVN chưa thật sự

rõ ràng. Các công thức sơ bộ xác định đặc trưng động lực học như chu kỳ nhà, tần
số dao động, biên độ các dạng dao động, hệ số động lực học… được tính toán bằng
các công thức toán học gần đúng hoặc dựa vào kinh nghiệm. Xung vận tốc gió biến
thiên như thế nào chắc chắn có ảnh hưởng đến nghiệm của bài toán, lực quán tính
do dao động của kết cấu khi chịu tải gió tác dụng động thay đổi ra sao và tất nhiên
chúng sẽ ảnh hưởng đến thành phần động này của gió đều chưa được thể hiện rõ.
Tiêu chuẩn ASCE 7-10 của Mỹ tính toán tải trọng gió có kể đến rất nhiều các
hệ số ảnh hưởng khác nhau như hệ số địa hình, hệ số gió giật, hệ số độ nhạy, hệ số
áp suất bên trong…và có phần hướng dẫn các mô hình thực nghiệm Hầm gió. Tuy
nhiên trong tiêu chuẩn tính toán này không tính toán thành động của tải trọng gió
như trong tiêu chuẩn Việt Nam và cơ sở lý thuyết để có thể tính thành phần động
này cũng không thật sự rõ ràng. Các hệ số để xác định cũng không thật sự phù hợp
với tải trọng gió ở Việt nam do nhiều sự khác biệt về địa lý, vùng miền, qui luật
phân phối gió nên tương đối khó áp dụng vào thiết kế ở Việt nam.
Qua những phân tích trên, có thể thấy rằng việc phân tích đầy đủ tính chất
tác dụng động của gió lên kết cấu nhà dân dụng dạng chung cư hay cao ốc văn
phòng trong điều kiện Việt nam là chưa thật sự rõ ràng về bản chất; Luận văn này
muốn đi tìm hiểu về vấn đề trên đây bằng lý thuyết Động lực học kết cấu để đưa ra
những đánh giá làm cơ sở giúp người làm thiết kế tham khảo và nhìn nhận sâu hơn
về vấn đề này.
1.2

Mục tiêu của luận văn
Luận văn này phân tích định lượng thành phần động của tải trọng gió tác

động lên kết cấu nhà dân dụng có số tầng khoảng 20 tầng. Để thực hiện được vấn đề
trên luận văn phân tích ứng xử cho kết cấu dưới tác động của tải trọng gió theo thời
Xác định thành phần động của tải trọng gió dựa trên phân tích Động lực học

3

Chương 1 Giới thiệu

gian bằng lý thuyết động lực học kết cấu. Hàm tải trọng gió theo thời gian được mô
tả ở nhiều dạng khác nhau như một số dạng xung với thời gian thay đổi, tác động
theo chuỗi thời gian từ kết quả mô phỏng của hầm gió của tài liệu tham khảo Ewing
(2005). Từ đó, phổ phản ứng được xác định tương ứng với từng dạng tải trọng và
xác định được thành phần động tương ứng. Ngoài ra, luận văn cũng thực hiện tính
toán thành phần động (hệ số động) của tải trọng gió theo TCVN lên kết cấu tương
ứng để so sánh với nghiệm của bài toán phân tích động lực học ở trên. Hiện nay ở
Việt Nam đang thiết kế và thi công rất nhiều tòa nhà chung cư và cao ốc có qui mô
như trên do đó đây là một đề tài có nhiều ý nghĩa thực tiễn.
1.3

Phương pháp thực hiện
Để thực hiện được mục tiêu trên đây, phương pháp nghiên cứu được áp dụng

trong luận văn này là nghiên cứu lý thuyết và khảo sát số trên máy tính. Các nội
dung được thực hiện được sơ lược trình bày như sau:
- Tìm hiểu lý thuyết động lực học của hệ nhiều bậc tự do, phản ứng của hệ
này với các trường hợp tải trọng dạng xung, tải trọng chu kỳ và tải trọng tổng quát;
Phân tích các số liệu thu thập được bao gồm chu kỳ, tần số tòa nhà, qui luật tải
trọng tác dụng… làm cơ sở thực hiện các bài toán cụ thể.
- Thiết lập phương trình động lực học cho khung nhà cao 20 tầng với mô
hình 20 bậc tự do tương ứng bao gồm tính toán ma trận khối lượng, ma trận độ
cứng, ma trận cản, vectơ tải trọng; tải trọng gió được mô tả dưới dạng xung khác
nhau với thời gian khác nhau và dùng một qui luật biến thiên dựa vào kết quả thực
nghiệm của hầm gió từ nghiên cứu khác để phân tích động lực học kết cấu.
- Lập trình bằng phần mềm Matlab trên máy tính để giải quyết bài toán và

đánh giá kết quả hệ số động từ TCVN và từ lời giải bài toán động lực học.
- Ngoài ra, luận văn cũng sử dụng phần mềm ETABS hỗ trợ tính toán cho
một thí dụ số phức tạp hơn, một khung nhà không gian đầy đủ các thành phần kết
cấu sàn, dầm, cột, vách. Phần mềm này giúp việc mô hình khung nhà, gán tải trọng
động của gió theo thời gian, thực hiện các bước tính toán tự động hóa bằng phương
pháp phần tử hữu hạn. Từ đó đánh giá kết quả thành phần động của tải gió.

Xác định thành phần động của tải trọng gió dựa trên phân tích Động lực học

4


Chương 1 Giới thiệu

1.4

Phạm vi luận văn
Luận văn này tập trung nghiên thành phần động của tải trọng gió. Đối tượng

của nghiên cứu là khung các tòa nhà cao từ 15 đến 25 tầng vì hiện nay những kết
cấu khung nhà này đang được thiết kế và thi công rất phổ biến ở Việt Nam. Những
tòa nhà cao hơn 25 tầng rất ít gặp hơn trong thiết kế, vì vậy luận văn giới hạn phạm
vi nghiên cứu. Tuy vậy, cơ sở lý thuyết này có thể khảo sát cho các kết cấu cao tầng
hơn nữa.
Các khung nhà cao tầng chịu ảnh hưởng của gió bão tác động khá phức tạp.
Các trận lốc xoáy, vòi rồng, gió giật… diễn biến rất đa dạng và phức tạp nên việc
nghiên cứu gặp nhiều khó khăn. Trong phạm vi của đề tài nghiên cứu này không
xem xét đến các vấn đề đó.
Nội dung của luận văn cũng không mô phỏng tải trọng gió trong thực tế theo
thời gian vì có rất nhiều tác giả trong và ngoài nước đã thực hiện điều này. Luận

văn chỉ trích dẫn và sử dụng các biểu đồ tải trọng gió đã được mô phỏng.
1.5

Cấu trúc luận văn
Luận văn này được trình bày trong 5 chương như sau. Sau chương giới thiệu,

chương 2 sẽ trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu; chương này gồm có giới
thiệu về hiện tượng gió, cách tính toán áp lực gió, tính toán thành phần tĩnh và thành
phần động theo TCVN, sơ lược tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. Chương
3 trình bày toàn bộ cơ sở lý thuyết luận văn bao gồm lý thuyết hệ nhiều bậc tự do,
thiết lập phương trình chuyển động và phương pháp giải bài toán. Các kết quả số
được trình bày trong chương 4 gồm các kết quả của bài toán khung phẳng và bài
toán khung không gian. Và các kết luận sơ lược được trình bày trong chương 5.

Xác định thành phần động của tải trọng gió dựa trên phân tích Động lực học

5


Chương 2 Tổng quan

CHƯƠNG 2.

TỔNG QUAN

2.1

Giới thiệu
Chương này trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu liên quan đến luận

văn này. Các phần sau đây được quan tâm.
2.2

Khái niệm gió
Gió là một hiện tượng trong tự nhiên hình thành do sự chuyển động của

không khí trên một quy mô lớn. Gió được phân loại theo quy mô, tốc độ, nguồn
gốc hình thành, vị trí và ảnh hưởng. Không khí luôn luôn chuyển động từ nơi khí
áp cao về nơi khí áp thấp. Sự chuyển động của không khí sinh ra gió. Gió có nhiều
cường độ khác nhau, từ mạnh đến yếu. Nó có thể có vận tốc từ trên 1 km/h cho
đến gió trong tâm các cơn bão có vận tốc khoảng 300 km/h.
Gió được hình thành do sự chuyển động ngang của không khí so với mặt
đất. Trong khí quyển trái đất không khí có thể chuyển động theo nhiều hướng bất
kì, nhưng duy nhất chỉ có hướng chuyển động theo chiều thẳng đứng là ở thế cân
bằng, còn trong các hướng khác đều bị tác dụng của sự chênh lện khí áp.
Nguyên nhân trực tiếp hình thành gió là sự phân bố không đều của khí áp
trên bề mặt đất. Không khí ở vùng áp suất cao hơn, tức là khối lượng lớn hơn sẽ
chuyển về vùng mà áp suất ở đó thấp hơn, tức là khối lượng nhỏ hơn. Còn nguyên
nhân cơ bản dẫn đến sự phân bố không đồng đều của khí áp là sự phân bố không
đồng đều của nhiệt độ không khí. Nơi có nhiệt độ không khí cao, mật độ không khí
sẽ thấp và theo đó khí áp cũng thấp và ngược lại. Như vậy sự chênh lệch nhiệt độ
không khí tạo nên sự chênh lệch khí áp.

Xác định thành phần động của tải trọng gió dựa trên phân tích Động lực học

6


Chương 2 Tổng quan

Bề mặt mà trên đó khí áp bằng nhau ở tất cả mọi điểm gọi là đẳng áp. Giao
tuyến của mặt đẳng áp với mặt ngang nào đó là đường đẳng áp, tức là đường cùng
áp suất. Khí áp từ đường đẳng áp này đến đường đẳng áp khác trên cùng một mặt
phẳng có thể hạ xuống và có thể tăng lên, tạo nên hiệu áp suất, sự cân bằng khí áp
ngang bị phá vỡ, không khí bắt đầu dịch chuyển từ vùng áp suất cao hơn đến vùng
áp suất thấp hơn.
Gió được đặc trưng bằng vectơ tốc độ. Trong thực tế, tốc độ gió chỉ biểu thị
đại lượng trị số tốc độ, chính trị số này gọi là tốc độ gió, còn hướng của vectơ tốc
độ là hướng gió. Tốc độ gió có đơn vị là m/s hoặc km/h. Ngoài ra còn có bảng tốc
độ gió tính bằng cấp theo bảng Bôpho. Theo bảng này toàn bộ tốc độ gió có thể
chia làm 12 cấp. Bảng Bôpho liên hệ lực của gió với những hiệu ứng khác nhau
của gió như mức độ gây sóng trên biển, sự lay động của cành và thân cây, sự lan
truyền của khói…Mỗi cấp của bảng đều mang một tên nhất định. Ví dụ, cấp không
của bản Bôpho tương ứng với gió lặng, nghĩa là hoàn toàn không có gió. Gió cấp 4
theo bảng Bôpho gọi là gió vừa và tương ứng với tốc độ 5-7m/s; gió cấp 7 là gió
mạnh với tốc độ 12-15m/s; gió cấp 9 là gió với tốc độ 18-21m/s; gió cấp 12 là gió
trong bão với tốc độ lớn hơn 29m/s.
Người ta thường phân biệt tốc độ gió trung bình qua thời gian quan trắc
ngắn và tốc độ gió tức thời, dao động rất mạnh và có khi lớn hơn hay nhỏ hơn tốc
độ gió trung bình rất nhiều. Ở mặt đất thường thấy tốc độ gió trung bình 4-8m/s,
rất ít khi vượt qua 12-15m/s. Khi có gió giật và cuồng phong tốc độ gió có thể vượt
quá 30m/s và trong từng cơn gió giật đạt 65m/s, có những cơn gió giật đạt 100m/s.
Trong các cơn xoáy cỡ nhỏ tốc độ có thể đạt hơn 100m/s.
Tốc độ gió phụ thuộc vào sự chênh lệch khí áp hay còn gọi là gradient áp.
Khi gradient áp lớn thì tốc độ gió lớn và ngược lại. Trong trường hợp gradient quá
lớn sẽ tạo ra các trận bão, gió giật, lốc xoáy…Tốc độ gió sẽ bị giảm đi đáng kể do
sự ma sát giữa không khí và mặt đất. Khi tính toán lực gió trong TCVN 2737:1995
có xét đến yếu tố địa hình.

Xác định thành phần động của tải trọng gió dựa trên phân tích Động lực học

7


Chương 2 Tổng quan

2.3

Cách xác định tải trọng gió theo TCVN
- Áp lực gió được kí hiệu là W0. Phân vùng gió W0 trên lãnh thổ Việt Nam

theo địa danh hành chính được thành lập trong bảng 4 TCVN 2737:1995 dựa vào
bản đồ phân vùng áp lực gió tỷ lệ 1:1.000.000 do Viện Khí tượng Thuỷ văn Quốc
gia cấp.

Bảng 2.1. Giá trị áp lực gió W0
Nếu công trình được xây dựng tại các vùng có địa hình hiểm trở và gần các
trạm quan trắc khí tượng thì có thể tính giá trị áp lực gió W0 theo công thức được
nêu trong mục 6.4.4 TCVN 2737:1995 với v0 là vận tốc gió đo ở độ cao 10m so
với mốc chuẩn.
W0  0.0613  v02

(2.1)

- Giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của tải trọng gió được kí hiệu là Wt được
tính toán thông qua giá trị áp lực gió W0 có kể đến hệ số thay đổi theo chiều cao và
hệ số khí động. Giá trị này được tính bằng công thức trong mục 6.3 TCVN 2737.
W  W0  k  c

(2.2)

Hình 2.1 Lực gió tĩnh theo TCVN

Xác định thành phần động của tải trọng gió dựa trên phân tích Động lực học

8


Chương 2 Tổng quan

Hệ số thay đổi theo độ cao được kí hiệu k. Các giá trị của hệ số k có kể đến
sự thay đổi áp lực gió theo độ cao so với mốc chuẩn và dạng địa hình. Hệ số này
tra cứu trong bảng 5 TCVN 2737:1995.

Bảng 2.2 Hệ số k
- Thành phần động của tải trọng gió trong TCVN 229:1999 được tính toán
phụ thuộc vào tần số dao động thứ nhất f1 của công trình và tần số giới hạn fL. Nếu
giá trị của f1 > fL thành phần động của tải trọng gió được tính toán theo mục 4.2
TCVN 229:1999. Trong trường hợp này thành phần động của tải trọng gió chỉ cần
xét đến xung của vận tốc gió phụ thuộc vào giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh có kể
đến hệ số áp lực động và hệ số tương quan không gian; được tính bằng công thức
sau đây.
Wpj  W j  j

(2.3)

Đối với các công trình có tần số dao động riêng cơ bản fs < fL thì thành
phần động của tải trọng gió được tính toán theo mục 4.5 TCVN 229:1999. Trong
trường hợp này công thức tính toán thành phần động phụ thuộc vào khối lượng tập
trung từng phần công trình có kể đến hệ số động lực học, biên độ dao động của

mode và hệ số không thứ nguyên được tính bằng công thức sau đây.
WP ji   M j .i . i . y ji

Xác định thành phần động của tải trọng gió dựa trên phân tích Động lực học

(2.4)

9


Chương 2 Tổng quan

2.4

Thực nghiệm Hầm gió

Hầm gió là một thiết bị mô phỏng có cấu trúc hình ống hoặc đường dẫn và
có thể tạo ra gió bởi một cánh quạt lớn. Sau đây là 2 hình ảnh cánh quạt của mô
hình hầm gió.

Hình 2.2a Chi tiết cánh quạt của mô hình thực nghiệm Hầm gió, (tienphong, 2010).

Hình 2.2b Chi tiết cánh quạt của mô hình thực nghiệm Hầm gió, (tienphong, 2010).

Xác định thành phần động của tải trọng gió dựa trên phân tích Động lực học

10


Chương 2 Tổng quan

Tòa nhà hoặc các đối tượng cần thí nghiệm được đặt vào khu vực của hầm
gió và kết nối với các máy đo đạc, thu nhận ảnh hưởng của các luồng khí xung
quanh vật thể và các lực khí động lực học tác động lên chúng. Với các số liệu thu
được, các nhà thiết kế sẽ xác định trạng thái mô hình và các thành phần mô hình
trong quá trình hoạt động ngoài thực tế. Ngoài ra hầm gió còn xác định rõ hiệu
năng và loại trừ các lỗi kĩ thuật trên một thiết kế mới nhằm giảm thiểu rủi ro trong
quá trình sử dụng và giá thành của sản phẩm. Từ các thực nghiệm này sẽ cho ra
các thiết kế tối ưu đưa vào thiết kế và sử dụng. Dưới đây là một mô hình thực
nghiệm của máy bay A380 trong hầm gió.

Hình 2.3 Mô hình máy bay A380 thực nghiệm trong Hầm gió, (kenh14, 2011)
Đối với phương pháp nghiên cứu thí nghiệm trên mô hình trong Hầm gió có
nhiều ưu điểm như có thể chủ động trong quá trình nghiên cứu, chi phí chế tạo mô
hình ít hơn so nghiên cứu thực nghiệm tại hiện trường, thời gian tiến hành thí
nghiệm nhanh hơn, có thể tiến hành thí nghiệm bất kỳ lúc nào, có thể nghiên cứu
được nhiều vấn đề cùng một lần làm thí nghiệm,…Từ những ưu điểm của phương
pháp này có thể thấy phương pháp nghiên cứu thí nghiệm bằng mô Hầm gió giúp
chúng ta chủ động trong việc nghiên cứu tác động gió lên công trình.
Nguyễn Hoài Nam và Nguyễn Võ Thông (2014) đã nghiên cứu tác động
của gió lên mái công trình thấp tầng bằng thí nghiệm mô hình trong ống thổi khí
động. Đây là luận văn tiến sĩ của trường Đại Học Kiến Trúc Hà Nội. Đề tài nghiên

Xác định thành phần động của tải trọng gió dựa trên phân tích Động lực học

11


Chương 2 Tổng quan

cứu này trình bày quan điểm thiệt hại do gió mạnh, gồm bão, tố, lốc là thiệt hại lớn
nhất trong các loại thiên tai. Do tần suất xuất hiện lớn, tác hại gián tiếp nhiều,
phạm vi ảnh hưởng rộng nên gió mạnh thường gây ra các tổn thất to lớn về kinh tế
cũng như tính mạng con người. Hiện nay mặc dù công tác dự báo bão đã có nhiều
tiến bộ, nhưng thiệt hại do bão gây ra vẫn vô cùng lớn. Tác dụng của tải trọng gió
lên công trình có đặc trưng rất phức tạp, bản thân nó chứa các đặc trưng ngẫu
nhiên và thay đổi theo thời gian, không gian. Tải trọng gió chịu ảnh hưởng của
nhiều yếu tố: Vị trí, địa hình, độ cao, hướng gió, hình dạng công trình,… nên việc
tính toán gặp nhiều khó khăn. Để giải quyết vấn đề này ta có thể sử dụng các
phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để tìm ra những khu vực, vị trí của công
trình chịu ảnh hưởng nhiều nhất áp lực gió, từ đó có thể đưa ra những biện pháp
làm giảm áp lực này tránh gây hư hại cho công trình. Cùng với việc khảo sát và
phân tích trên đề tài nghiên cứu đã đưa ra giải pháp thí nghiệm mô hình nhà thấp
tầng trong ống thổi khí động giúp ta có thể xác định được những vị trí bị ảnh
hưởng nhiều nhất của áp lực gió; những vị trí bị hư hại trước kéo theo sự hư hại
cho kết cấu hoặc công trình, từ đó có biện pháp chủ động làm giảm áp lực tại
những vị trí này, giảm hư hỏng do gió gây ra cho công trình.
Viện Khoa học công nghệ Xây dựng Bộ Xây dựng (2008) đã thực hiện đề
tài nghiên cứu: Xác định hệ số khí động cho một số dạng nhà công nghiệp thấp
tầng bằng thí nghiệm trong ống thổi khí động. Các nhà nghiên cứu trên thế giới đã
tiến hành hàng loạt các thí nghiệm trong hầm gió, các thí nghiệm này chủ yếu liên
quan đến 4 vấn đề chính sau: Sự phân bố áp lực gió lên các dạng mái khác nhau;
đánh giá ảnh hưởng của cấu tạo mái và vật liệu mái đến sự phân bố áp lực; đánh
giá ảnh hưởng giữa các công trình và đánh giá áp lực lớn nhất lên mái và sự biến
thiên của áp lực này. Đề tài này đã chọn công trình nhà công nghiệp 1 tầng có cửa
trời là đối tượng nghiên cứu trong hầm gió. Đây cũng là loại công trình hay bị hư
hỏng mái do gió mạnh ở nước ta. Bằng các số liệu thực nghiệm thu được bài báo
đã tính toán được hệ số khí động cho kết cấu nhà công nghiệp.
Ở Việt Nam hiện nay không có những Hầm gió đủ lớn và hiện đại để làm
thí nghiệm cho các nhà cao tầng, ngoài ra chi phí thí nghiệm rất tốn kém vì vậy mô

hình này rất ít được sử dụng ở Việt Nam.
2.5

Tình hình nghiên cứu liên quan luận văn
Các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước đã trình bày nhiều đề tài về gió

liên quan đến luận văn. Các đề tài sau đây được quan tâm.
Xác định thành phần động của tải trọng gió dựa trên phân tích Động lực học

12


Chương 2 Tổng quan

- Các đề tài nghiên cứu trong nước
Nguyễn Trọng Phước và Đỗ Kiến Quốc (1999) đã tiến hành phân tích động
lực học cho kết cấu nhà cao tầng chịu tác dụng của tải trọng gió. Đó là đề tài được
trình bày tại Hội nghị Khoa học và Công nghệ lần thứ 7 tại ĐHBK TPHCM năm
1999. Trong nghiên cứu này, lý thuyết động lực học kết cấu được áp dụng để phân
tích phản ứng của nhà nhiều tầng khi chịu tác dụng tải trọng gió. Bài báo đã tiến
hành phân tích phản ứng cho công trình Cao ốc văn phòng cao 24 tầng. Nhiều
dạng xung của tải trọng gió như nửa xung hình sin, xung hình chữ nhật, xung hình
tam giác…được áp dụng để phân tích bài toán. Cùng với các kết quả số trong các
bảng tính và đồ thị được thể hiện trong các hình cụ thể qua đó bài báo đưa ra nhiều
kết luận quan trọng. Đó là hệ số động thu được từ các kết quả phân tích phù hợp
với phương pháp tĩnh tương đương theo TCVN. Tiếp theo đối với các mô hình 2
hoặc 3 xung liên tiếp cho kết quả hệ số động lớn hơn qui phạm nhiều, điều này
chứng tỏ tính theo qui phạm kém an toàn hơn so với phân tích bằng lý thuyết động
lực học. Những kết luận của bài nghiên cứu này làm cơ sở để luận văn tiếp tục
nghiên cứu sâu hơn hệ số động của phân tích động lực học so với TCVN.

Nguyễn Ngọc Tình và Nguyễn Văn Lâm (hoinghikhoahoc, 2006) trình bày
Phân tích định tính tác động của lốc xoáy lên công trình xây dựng và quan điểm
phòng chống. Trong phần đầu tiên đề tài này đã đưa ra các khái niệm, nguyên nhân
và tác hại của lốc xoáy. Lốc xoáy là gió có cường độ rất mạnh từ 60 km/h đến 500
km/h. Những nơi lốc xoáy đi qua thường gây tác hại rất lớn, có thể nói lốc xoáy là
một trong những loại hình thiên tai khủng khiếp nhất trên trái đất. Lốc xoáy tác
động lên công trình do hai yếu tố đó là gió mạnh và sự thay đổi áp suất đột ngột.
Vì vậy lực tác động lên công trình do lốc xoáy tại những vị trí khác nhau trên công
trình khác nhau cả về hướng và độ lớn, khác nhau về nguyên nhân. Mức độ phức
tạp của sự tác động phụ thuộc vào kích thước và hình dáng của công trình, công
trình có kích thước càng lớn các lực tác động vào công trình càng phức tạp và
ngược lại. Khi lốc xoáy đi qua áp suất thay đổi đột ngột gây ra áp lực chênh lệch
rất lớn có hướng từ trong ra ngoài tác động lên kết cấu bao che. Mặt khác lực tác
động lên công trình do gió mạnh và do lực hút ngang của lốc xoáy cũng có hướng

Xác định thành phần động của tải trọng gió dựa trên phân tích Động lực học

13


Chương 2 Tổng quan

khác nhau, cụ thể là tại thời điểm xuất hiện áp lực gió lớn nhất thì gần như đồng
thời xuất hiện lực hút lớn nhất tác động lên công trình nhưng có phương vuông góc
với phương áp lực gió và hướng vào tâm lốc xoáy. Các cấu kiện cột, lõi của công
trình là các cấu kiện chịu lực nén và uốn đồng thời theo hai phương với những giá
trị đáng kể như nhau. Cùng với những số liệu lốc xoáy tại Việt Nam và các phân
tích bài báo đã đưa ra các quan điểm phòng chống hữu hiệu cho các công trình. Đó
là nên thiết kế công trình theo hướng giảm tải trọng do lốc xoáy gây ra như tránh
các kết cấu bao che kín cả công trình; tạo thuận lợi cho việc cân bằng áp suất trong

và ngoài công trình như bố trí cửa thông gió. Tiếp theo cần thiết kế đảm bảo sao
cho kết cấu bao che tại tất cả các vị trí trên công trình chịu được áp lực cục bộ do
gió mạnh và do áp suất chênh lệch gây ra. Và cuối cùng tăng cường hệ giằng
không gian đủ cứng cho toàn nhà, đặc biệt là đối với công trình có kích thước lớn.
Những kết luận của nghiên cứu này cho thấy mức độ nguy hiểm của công trình khi
chịu ảnh hưởng gió mạnh mà cụ thể ở đây là lốc xoáy, từ đó cần có nhiều sự quan
tâm hơn nữa của các nhà nghiên cứu nhằm hạn chế tối đa những thiệt hại của gió
gây ra với công trình.
Nguyễn Văn Phó (2002) có một đề tài nghiên cứu Tác động của lốc lên
công trình và phòng chống lốc cho công trình xây dựng. Đề tài này đưa ra nhận
định lốc xoáy ở Việt Nam rất đáng quan tâm do đặc điểm địa hình cũng như thời
tiết ở nước ta có những vùng thường xuyên có lốc xoáy. Hiện nay các phương tiện
thông tin đại chúng thường xuyên đưa tin về lốc xoáy và tác hại thảm khốc của
chúng ở khắp mọi miền đất nước. Luận văn đưa ra nhiều quan điểm hạn chế tác
động lốc xoáy lên công trình như đối với công trình bê tông cốt thép dầm sàn đổ
toàn khối, hệ sàn cứng ngang đem lại sự tối ưu cho hệ giằng cứng cần thiết nói
trên; Đối với những công trình kết cấu thép có kết cấu bao che bằng tôn như nhà
công nghiệp, nhà kho, nhà tạm thì hệ giằng không gian đủ cứng để truyền lực là
hết sức cần thiết. Đề tài này chỉ dừng lại bằng cách đưa ra các quan điểm phòng
chống thiệt hại nhưng chưa thể đưa ra các công thức tính toán cho một loại công
trình cụ thể. Các nhà nghiên cứu sau này có thể phát triển đề tài này bằng cách
nghiên cứu tính toán với các kết cấu thực tế.

Xác định thành phần động của tải trọng gió dựa trên phân tích Động lực học

14