Tính toán tải trọng và nội lực trong kết cấu nhà cao tầng do tác động của gió theo tiêu chuẩn việt nam, hoa kỳ và ống thổi khí động (tt)

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

TRẦN HOÀNG VIỆT

TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG VÀ NỘI LỰC
TRONG KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG DO TÁC ĐỘNG CỦA GIÓ
THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM, HOA KỲ VÀ ỐNG THỔI KHÍ ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG
CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Hà Nội - 2015


BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

TRẦN HOÀNG VIỆT
KHÓA: 2013-2015

TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG VÀ NỘI LỰC
TRONG KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG DO TÁC ĐỘNG CỦA GIÓ
THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM, HOA KỲ VÀ ỐNG THỔI KHÍ ĐỘNG
Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số : 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG
CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. TS.CHU THỊ BÌNH
2. TS. VŨ THÀNH TRUNG

Hà Nội - 2015


LỜI CẢM ƠN
Sau hai năm theo học tại lớp Cao học chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình
Dân dụng và Công nghiệp – Khoa Sau Đại học – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, tôi
đã được phân công làm luận văn tốt nghiệp với đề tài :
“ Tính toán tải trọng và nội lực trong kết cấu Nhà cao tầng do tác động của gió
theo tiêu chuẩn Việt Nam, Hoa Kỳ và Ống thổi khí động “
Đối với một kỹ sư thiết kế, việc tìm hiểu vận dụng tiêu chuẩn vào tính toán là một
việc rất khó khăn, đặc biệt là vận dụng và nghiêm cứu tiêu chuẩn nước ngoài. Tuy
nhiên, trong suốt thời gian thực hiện luận văn, tôi đã luôn nhận được sự giúp đỡ , quan
tâm và chỉ bảo tận tình của các thầy ,cô giáo, các chuyên gia của Viện Khoa học Công
nghệ Xây dựng, các bạn bè đồng nghiệp. Vì vậy tôi đã có tinh thần và kiến thức để
hoàn thành tốt và đúng thời hạn luận văn của mình.
Có được kết quả này, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy, cô hướng dẫn
TS. Chu Thị Bình, TS. Vũ Thành Trung – những người đã tận tình hướng dẫn tôi
trong suốt thời gian thực hiện luận văn, đồng thời tôi cũng xin chân thành cảm ơn Khoa
Sau đại học – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng
– Bộ Xây dựng cùng các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ, đóng góp nhiều ý kiến trong quá
trình thực hiện luận văn này.

Do năng lực và thời gian nghiên cứu có hạn nên luận văn không thể tránh khỏi sai
sót, tác giả mong muốn nhận được sự góp ý, chỉ bảo của thầy cô và đồng nghiệp để
luận văn được hoàn thiện hơn.
Hà Nội, ngày 08 tháng 06 năm 2015
Tác giả luận văn

Trần Hoàng Việt


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

Trần Hoàng Việt


MỤC LỤC
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các bảng, biểu
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài…………………………………………………………………..……1
Mục đích nghiên cứu………………………………………………………………..…..1
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu………………………………………………..……..1
Phương pháp nghiên cứu…………………………………………………………..……2
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài…………………………………..…………...2

NỘI DUNG
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG GIÓ LÊN NHÀ CAO
TẦNG…………………………………………..……………...……………………......3
1.1. Vai trò của tải trọng gió tác động lên nhà cao tầng……………………..……….....3
1.1.1..Khái niệm gió……………………………………………………….............…....3
1.1.2. Tác động của gió vào công trình………………………………………….....…...3
1.1.3. Vai trò của tải trọng gió đối với Nhà cao tầng……………………...……………4
1.2. Các tiêu chuẩn tính toán tải trọng gió…………………………………….....……..5
1.2.1. Xác định tải trọng gió theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 2737:1995)………......5
1.2.2. Xác định tải trọng gió theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ (ASCE 7-2010)……………........6
1.2.3. Xác định tải trọng gió theo tiêu chuẩn Trung Quốc…………...……………........7
1.2.4. Xác định tải trọng gió theo tiêu chuẩn EUROCODE………….....…………........8
1.3. Phương pháp xác định tải trọng gió bằng Thí nghiệm ống thổi khí động……….....9


1.3.1. Ống thổi khí động hở…………………………………………………………...10
1.3.2. Ống thổi khí động kín…………………………………………………………..11
1.3.3. Ống thổi khí động của Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng…………………..12
CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ TÁC ĐỘNG LÊN NHÀ CAO TẦNG
THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN VÀ THÍ NGHIỆM ỐNG THỔI KHÍ ĐỘNG.......….14
2.1. Tính toán tải trọng gió theo tiêu chuẩn Việt Nam………………………………...14
2.1.1. Thành phần tĩnh…………………………………………………………………14
2.1.2. Thành phần động………………………………………………………………..15
2.2. Tính toán tải trọng gió theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ (ASCE 7-2010)…………………17
2.3. Xác định tải trọng gió bằng thí nghiệm ống thổi khí động…………….…………26
2.3.1. Đặt vấn đề………………………………………………………………..……..26
2.3.2. Mục tiêu của các thí nghiệm trong ống thổi khí động…………………………..27
2.3.3. Các điều kiện cần thiết cho thí nghiệm trong ống thổi khí động……………….28
2.3.4. Phân loại mô hình thí nghiệm…………………………………………………..30
2.3.5. Các quy luật mô hình hóa…………………………………………….…………30

2.4. Kết luận Chương II……………….……………………………………………….37
CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG VÀ NỘI LỰC KẾT CẤU NHÀ CAO
TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG GIÓ……………………………………………………...39
3.1. Tính toán tải trọng gió cho công trình Vinafor…………………………………...39
3.1.1. Giới thiệu công trình tính toán………………………………………………….39
3.1.2. Tính toán tải trọng gió theo tiêu chuẩn Việt Nam………………………………42
3.1.3. Tính toán tải trọng gió theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ (ASCE 7-2010)……………….59
3.1.4. Kết quả tải trọng gió theo thí nghiệm ống thổi khí động………...……………..71
3.1.5. So sánh kết quả tính toán tải trọng gió………………………………………….74
3.2. Tính toán nội lực cho công trình Vinafor do tác động của tải trọng gió…...……..75


3.3. Nhận xét và đánh giá……………………………………………………………...77
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ…………………………………………………………78
Kết luận………………………………………………………………………………..78
Kiến nghị………………………………………………………………………………79
TÀI LIỆU THAM KHẢO


DANH MỤC CÁC BẢNG , BIỂU
Số hiệu bảng,biểu

Tên bảng, biểu

Bảng 2.1

Hệ số β

Bảng 2.2

Bảng tra Hệ số áp lực theo dạng đón gió

Bảng 2.3

Các hệ số dạng địa hình

Bảng 2.4

Các thông số xác định tăng tốc gió qua đồi, vách núi

Bảng 2.5

Bảng xác định hệ số hướng gió, Kd

Bảng 2.6

Bảng xác định hệ số áp lực ngoài Cp

Bảng 2.7

Bảng xác định hệ số áp lực trong (GCpi)

Bảng 2.8

Các tham số phi thứ nguyên trong thí nghiệm ống thổi khí động

Bảng 3.1

Giá trị lực cắt đáy, Moment đáy tính theo tiêu chuẩn
TCVN 2737:1995, Hoa Kỳ, Ống thổi khí động

Bảng 3.2

Giá trị nội lực do tải trọng gió theo phương X

Bảng 3.3

Giá trị nội lực do tải trọng gió theo phương Y


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ , ĐỒ THỊ
Số hiệu hình

Tên hình

Hình 1.1

Vai trò của tải trọng gió đối với Nhà cao tầng

Hình 1.2

Một số hình ảnh về ống thổi khí động hở

Hình 1.2a

Học viện nghiên cứu Xây dựng – Trung Quốc

Hình 1.2b

Trường Đại học Michigan – Mỹ

Hình 1.3

Một số hình ảnh về ống thổi khí động kín

Hình 1.3a

Đại học Tekniske - Danmarks

Hình 1.3b

Đại học Texas Tech

Hình 1.4

Hình ảnh ống thổi khí động và các thiết bị sử dụng trong ống thổi của
Viện Khoa học Công nghệ Xây Dựng

Hình 1.5

Một số công trình ở Việt Nam đã tiến hành ống thổi khí động

Hình 2.1

Đồ thị xác định hệ số động lực

Hình 2.2

Hình xác định hệ số địa hình K1,K2,K3

Hình 2.3

Profile vận tốc gió

Hình 2.4

Phổ năng lượng của vận tốc gió

Hình 2.5

Sơ đồ các loại mô hình thí nghiệm trong ống thổi khí động

Hình 2.6

Mô hình cứng dùng để đo lực , moment và dao động

Hình 2.7

Mô hình thí nghiệm cho nhà cao tầng trong ống thổi khí động

Hình 3.1

Mặt bằng kết cấu tầng điển hình

Hình 3.2

Mô hình công trình

Hình 3.3

Mô hình thí nghiệm công trình Vinafor

Hình 3.4

Hệ tọa độ hướng gió công trình Vinafor

Hình 3.5

Mặt bằng bố trí cột tầng 1


1

MỞ ĐẦU
* Lý do chọn đề tài
Với sự tiến bộ không ngừng của khoa học công nghệ, các công trình xây
dựng trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đang phát triển với cấp tiến
về chiều cao cũng như độ phức tạp.Khi chiều cao công trình càng tăng thì mức
độ ảnh hưởng của tải trọng ngang càng lớn. Việc nghiên cứu tính toán chính xác
hóa tải trọng ngang với nhà cao tầng có ý nghĩa quan trọng, góp phần thiết kế
công trình đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật mà tránh thiết kế thừa, lãng phí.
Theo quyết định số 09/2005/QĐ-BXD ngày 07 tháng 04 năm 2005 của
Bộ Xây dựng, việc tính toán tải trọng gió cho các công trình xây dựng ở nước ta
có thể thực hiện theo tiêu chuẩn của nhiều nước. Thực tế cho thấy các tiêu chuẩn
tính toán tải trọng gió thường được sử dụng là tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 của
Việt Nam, tiêu chuẩn ASCE 7-10 của Hoa Kỳ, phương pháp thí nghiệm dựa
trên kết quả thí nghiệm ống thổi khí động.
Các câu hỏi đặt ra là: Các kết quả tính toán tải trọng gió tác động lên nhà cao
tầng theo tiêu chuẩn khác nhau có kết quả khác nhau nhiều hay ít? Phương pháp
nào tính ra kết quả gần kết quả thí nghiệm hơn? Những vấn đề nêu trên sẽ được

nghiên cứu và làm rõ trong luận văn này. Một công trình cụ thể với đủ số liệu để
phân tích kết cấu và đã có kết quả thí nghiệm ống thổi khí động được đưa vào
tính toán cụ thể tải trọng gió và nội lực một số cấu kiện chính (Cột,vách) theo
một số tiêu chuẩn, qua đó rút ra các nhận xét
* Mục đích nghiên cứu
Tính toán tải trọng và nội lực trong kết cấu nhà cao tầng do tác động của gió
theo tiêu chuẩn Việt Nam, Hoa Kỳ và Ống thổi khí động
* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
-

Đối tượng nghiên cứu : Tải trọng và nội lực trong kết cấu nhà cao tầng

-

Phạm vi nghiên cứu : Tải trọng và nội lực trong kết cấu nhà cao tầng cho một
công trình cụ thể dưới tác động của gió theo tiêu chuẩn Việt Nam, Hoa Kỳ
và Ống thổi khí động


2

* Phương pháp nghiên cứu
Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết.
* Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Các nhận xét rút ra từ kết quả tính toán giúp kỹ sư kết cấu có hiểu biết thêm về
ứng xử của nhà cao tầng dưới tác dụng của tải trọng gió. Các phương pháp tính
toán tải trọng gió theo một số tiêu chuẩn cũng được rõ hơn qua luận văn này.


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:

TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN


78

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
* Kết luận :
- Luận văn đã tổng quan được các phương pháp tính toán tải trọng gió theo các
tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 2737:1995) , Hoa Kỳ (ASCE 7-10) và phương
pháp thí nghiệm Ống thổi khí động. So với tiêu chuẩn Việt Nam TCVN
2737:1995, tiêu chuẩn ASCE 7-10 có một số khác biệt lớn cần đặc biệt lưu ý khi
tính toán như sau :
+ Khi tính toán theo ASCE 7-10, vận tốc gió cơ bản và áp lực gió cơ bản tra từ
phụ lục quốc gia Việt Nam cần phải chuyển đổi từ vận tốc gió trung bình trong 3
giây với chu kỳ lặp là 20 năm thành vận tốc gió trung bình trong 3 giây với chu
kỳ lặp là 50 năm nhưng do quy định về xác suất vượt là khác nhau với các cấp
công trình khác nhau nên cần chuyển đổi tiếp vận tốc gió:
-

Đối với các công trình và kết cấu có cấp rủi ro loại II chuyển tiếp chu kỳ lặp
từ 50 năm sang 700 năm ;

-

Đối với các công trình và kết cấu có cấp rủi ro loại III và IV chuyển tiếp chu
kỳ lặp từ 50 năm sang 1700 năm ;

-

Đối với các công trình và kết cấu có cấp rủi ro loại I chuyển tiếp chu kỳ lặp
từ 50 năm sang 300 năm ;

+ Về phân chia dạng địa hình , tiêu chuẩn ASCE 7-10 phân chia địa hình ra làm
03 dạng ký hiệu từ B đến D, tiêu chuẩn Việt Nam cũng phân chia địa hình làm
03 dạng ký hiệu từ A đến C. Trong đó dạng địa hình C của tiêu chuẩn ASCE 710 tương đương với dạng địa hình B của tiêu chuẩn Việt Nam ;
+ Tiêu chuẩn Việt Nam tách biệt riêng thành phần tĩnh và thành phần động của
tải trọng gió. Tiêu chuẩn ASCE 7-10 , ảnh hưởng của thành phần động được xác
định cùng với thành phần tĩnh bằng cách đưa vào công thức tính toán hệ số ảnh
hưởng động phụ thuộc vào dạng địa hình và đặc trưng phản ứng động của kết
cấu ;


79

- Kết quả tải trọng gió theo thí nghiệm ống thổi khí động cho thấy tải trọng gió
tác dụng lên công trình luôn tồn tại ba thành phần chính : lực gió dọc, lực gió
ngang và moment xoắn. .Trong khi đó các tiêu chuẩn ASCE 7-10 và TCVN
2737:1995 mới chỉ xét đến lực gió dọc mà chưa xét đến hai thành phần lực gió
ngang và moment xoắn ;
- Luận văn đã so sánh tương quan khi tính toán công trình cụ thể tại Việt Nam
với các tiêu chuẩn khác nhau cho thấy sự chệnh lệch lớn về tải trọng gió và nội
lực. Kết quả áp lực gió và nội lực theo tiêu chuẩn Việt Nam khá lớn, trong khi
đó kết quả theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ ASCE 7-10 có giá trị sát với thực nghiệm..

* Kiến nghị :
- Việc áp dụng tiêu chuẩn nước ngoài vào tính toán tải trọng gió, thiết kế cấu kiện
cần phải được nghiên cứu, cân nhắc kỹ để đảm bảo tính đồng bộ của hệ thống các
tiêu chuẩn ;
- Đối với các công trình quan trọng, có chiều cao lớn, hình dạng nhà phức tạp, địa
hình xung quanh nhà phức tạp, độ mảnh lớn thì cần quy định phương pháp xác định
tải trọng gió bằng ống thổi khí động là bắt buộc khi thiết kế ;
- Để có đánh giá cụ thể và chi tiết hơn, tác giả kiến nghị nên tính toán chi tiết cho ví
dụ khác nhau để so sánh kết quả tính toán thu được; cùng với đó nên tìm hiểu thêm
về tiêu chuẩn để vận dụng tính toán đến ảnh hưởng của tải trọng do gió tác dụng
vào công trình theo phương vuông góc với hướng gió thổi và moment xoắn.


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 Xây dựng 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 (2009), Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 02:2009: Số liệu
điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng.
4. Bộ Xây dựng (2013), Thông tư số: 10/2013/TT-BXD: Quy định chi tiết một
số nội dung về quản lý chất lượng công trình xây dựng.
5. Đỗ Hoàng Lâm (2013), Nghiên cứu sự làm việc và tính toán hệ vách dựng
kính áp dụng trong nhà cao tầng chịu tải trọng gió ở Việt Nam, Luận văn
thạc sĩ kỹ thuật , Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội.
6. Vũ Thành Trung (2006), Mô hình hóa các công trình trong ống thổi khí

động, Viện Khoa học công nghệ xây dựng.
7. Vũ Thành Trung (2011), Tải trọng gió lên Nhà cao tầng – Thí nghiệm trong
ống thổi khí động, Viện khoa học công nghệ xây dựng.
8. Nguyễn Đại Minh (2011), Phương pháp hệ số gió giật G và tải trọng gió tác
dụng lên Nhà cao tầng, Viện khoa học công nghệ xây dựng.

Tiếng Anh :
9. American Society of Civil Engineer (2006), ASCE 7-10, Minimum Design
Loads for buildings and other structures, Reston, VA, 2010.
10. Azlan Adnan, Suhana Suradi (2008),

Comparison on the effect of

earthquake and wind loads on the performance of reinforced concrete
buildings, the 14th World Conference on Earthquake Engineering, Beijing,
China.


11. Khaled M. Heiza, Magdy A. Tayel (2012), Comparative Study of The Effects
of Wind and Earthquake Loads on High-rise Buildings, Concrete Research
Letters, Vol. 3(1).
12. GB 50009-2001 : Load code for the design of building structures (phiên bản
tiếng Anh).
13. Eurocode1: Actions on structures – General Actions – Part 1-4 :Wind
Actions.
14. TE Solution (2011), Report on the Wind Tunnel Test for VINAFOR Tower,
Hanoi, Vietnam.