Nghiên cứu xác định tải trọng gió lên nhà cao tầng có kết cấu khung giằng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
***********

BÙI THIÊN LAM

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG GIÓ
LÊN NHÀ CAO TẦNG CÓ KẾT CẤU KHUNG GIẰNG
Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật
Mã số: 62 52 01 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng / 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
***********

BÙI THIÊN LAM

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG GIÓ
LÊN NHÀ CAO TẦNG CÓ KẾT CẤU KHUNG GIẰNG
Chuyên ngành : Cơ kỹ thuật
Mã số: 62 52 01 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:
1. GS.TS. PHAN QUANG MINH

2. PGS.TS. LÊ CUNG

Đà Nẵng / 2018


i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan Luận án tiến sĩ này là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu và kết quả trong Luận án là trung thực và chưa được các tác giả nào
công bố trong các nghiên cứu khoa học khác.

Đà Nẵng, ngày 18 tháng 01 năm 2018

Nghiên cứu sinh

Bùi Thiên Lam


ii

MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan

i

Mục lục

ii

Danh mục các bảng biểu

v

Danh mục các hình vẽ và đồ thị

iix

Danh mục các chữ viết tắt

xii

MỞ ĐẦU

1

1. Mục tiêu nghiên cứu

3

2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3

3. Nội dung nghiên cứu

3

4. Phương pháp nghiên cứu

4

5. Những kết quả đạt được của luận án

4

6. Cấu trúc luận án

5

Chương 1

6

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. Gió và tác động của gió lên công trình

6

1.1.1. Khái niệm về gió, bão, lốc xoáy

6

1.1.2. Tác dụng của gió lên công trình

7

1.1.3. Cấu trúc và các tham số đặc trưng ảnh hưởng đến tác dụng của tải trọng gió

9

1.1.3.1. Cấu trúc của gió

9

1.1.3.2. Phân loại các tham số đặc trưng ảnh hưởng đến tác dụng của gió

10

1.1.4. Khảo sát các tham số ảnh hưởng đến việc tính toán tác dụng của

10

tải trọng gió lên công trình
1.1.4.1. Khái niệm chung về vận tốc gió

10

1.1.4.2. Vận tốc gió cơ sở

11

1.1.4.3. Quy đổi vận tốc gió cơ sở

13

iii

1.1.4.4. Hệ số độ cao

15

1.1.4.5. Hệ số xung áp lực động 

17

1.1.4.6. Hệ số tương quan không gian

19

1.1.4.7. Hệ số khí động C

20

1.1.4.8. Dạng địa hình

20

1.2. Tổng quan các nghiên cứu về tải trọng gió

21

1.2.1. Các nghiên cứu ở nước ngoài

22

1.2.2. Các nghiên cứu ở trong nước

35

1.3. Xác định tải trọng gió theo một số một số tiêu chuẩn

38

1.3.1. Theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ ASCE/SEI 7-2010

38

1.3.1.1. Áp lực gió đơn vị

38

1.3.3.2. Áp lực gió thiết kế

38

1.3.2. Theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1991-1.4 (2005)

39

1.3.2.1. Vận tốc gió cơ sở Vb

39

1.3.2.2. Vận tốc gió hiệu dụng theo độ cao Vm(z)

40

1.3.2.3. Áp lực gió theo độ cao qp(z)

40

1.3.2.4. Áp lực gió lên bề mặt công trình

41

1.3.2.5. Tải trọng gió

41

1.3.3. Xác định tải trọng gió theo TCVN 2737:1995

42

1.3.3.1. Thành phần gió tĩnh

43

1.3.3.2. Thành phần gió động

43

1.4. Nhận xét chương 1

45

Chương 2

THÀNH PHẦN GIÓ ĐỘNG CHO NHÀ
CÓ SƠ ĐỒ KHUNG GIẰNG BỐ TRÍ ĐỐI XỨNG

47

2.1. Sự làm việc của hệ kết cấu khung giằng

47

2.1.1 Sự tương tác trong hệ kết cấu khung giằng chịu tải trọng phân bố

49

2.1.2. Phân tích hệ khung giằng

52


iv

2.1.2.1. Phương trình vi phân cơ bản của kết cấu khung giằng chịu tải trọng ngang 52
2.1.2.2. Trường hợp chịu tải trọng ngang phân bố đều

54

2.1.2.3. Trường hợp chịu tải trọng ngang phân bố tam giác

58

2.1.2.4. Nhận xét

60

2.2. Xác định thành phần gió động cho nhà có sơ đồ khung giằng kết cấu

60

đối xứng
2.2.1. Đánh giá sai số của công thức gần đúng (1.52)

60

2.2.1.1. Công trình 20 tầng

61

2.2.1.2. Công trình 30 tầng

64

2.2.2. Hoàn thiện công thức tính gần đúng thành phần gió động

66

2.2.2.1. Đề xuất công thức biểu diễn hàm K1

66

2.2.2.2. Thiết lập công thức tính thành phần gió động theo biểu thức

68

đề xuất (2.25)
2.3. Đánh giá sai số của công thức đề xuất

71

2.3.1. Nhà có mặt bằng kết cấu dạng 1

71

2.3.2. Nhà có mặt bằng dạng 2

76

2.3.3. Nhà có mặt bằng dạng 3

78

2.3.4. Nhà có mặt bằng dạng 4

80

2.3.5. Nhận xét, so sánh

83

2.4. Nhận xét chương 2

86

Chương 3

87

XÁC ĐỊNH HỆ SỐ GIÓ GIẬT CHO HỆ KẾT CẤU
KHUNG GIẰNG NHÀ CAO TẦNG Ở TP ĐÀ NẴNG

3.1. Phương pháp hệ số gió giật Davenport

86

3.2. Đề xuất công thức tính hệ số gió giật theo TCVN 2737:1995

90
(

) 90

3.2.2. Khi công trình có mặt bằng đối xứng, khối lượng và bề rộng mặt đón gió

91

3.2.1. Đối với công trình và các bộ phận kết cấu có tần số dao động cơ bản
lớn hơn tần số dao động riêng

(

)


v

không đổi theo chiều cao.
3.2.2.1. Trường hợp αH = 2 ÷ 6

91

3.2.2.2. Trường hợp αH ≤ 2

92

3.3.3.3. Xây dựng công thức gần đúng tính hệ số gió giật

93

3.3. Đánh giá sai số công thức đề xuất tính thành phần gió động

99

3.3.1. Nhà có mặt bằng dạng 1

99

3.3.2. Nhà có mặt bằng dạng 2

102

3.3.3. Nhà có mặt bằng dạng 3

103

3.3.4. Khảo sát các nhà dạng 1a, 2a và 3a

106

3.3.5. Khảo sát các dạng nhà 4, 5 và 6

111

3.3.6. Khảo sát công trình Đà Nẵng Plaza và Cục Hải Quan TP Đà Nẵng

116

3.4. Nhận xét chương 3

120

KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ

122

Những đóng góp mới của luận án

124

Danh mục các công trình đã công bố liên quan đến luận án

125

Tài liệu tham khảo

126

Phụ lục

133


vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Số hiệu

Tên bảng biểu

Trang

Bảng 1.1.

Thời gian lấy vận tốc trung bình của một số Tiêu chuẩn thiết kế

12

Bảng 1.2.

Các dạng địa hình gió theo một số tiêu chuẩn

13

Bảng 1.3.

Hệ số chuyển đổi gió 3s từ chu kì 20 năm sang các chu kỳ khác

14

Bảng 1.4.

Chiều cao gradient zg; số mũ m và thời gian lấy trung bình vận tốc

16

gió của một số Tiêu chuẩn thiết kế
Bảng 2.1.

Kích thước các bộ phận kết cấu công trình 20 tầng

61

Bảng 2.2.

Giá trị αH ứng với các nhà

63

Bảng 2.3.

So sánh thành phần gió động theo công thức (1.52) và (1.50)

63

với công trình 20 tầng
Bảng 2.4.

Kích thước các bộ phận kết cấu công trình 30 tầng

65

Bảng 2.5.

Giá trị αH ứng với các mô hình

65

Bảng 2.6.

So sánh thành phần gió động theo công thức (1.52) và (1.50)

65

với công trình 30 tầng
Bảng 2.7.

Giá trị K1 tính theo công thức (2.24) và (2.25)

67

Bảng 2.8.

Số liệu nhà dạng 1, cao 20 tầng

72

Bảng 2.9. Số liệu nhà dạng 1, cao 30 tầng

72

Bảng 2.10.

Số liệu nhà dạng 2, cao 20 tầng

76

Bảng 2.12.

Số liệu nhà dạng 2, cao 30 tầng

77

Bảng 2.12.

Số liệu nhà dạng 3, cao 20 tầng

79

Bảng 2.13.

Số liệu nhà dạng 3, cao 30 tầng

79

Bảng 2.14.

Số liệu nhà dạng 4, cao 20 tầng

81

Bảng 2.15.

Số liệu nhà dạng 4, cao 30 tầng

81

Bảng 2.16. So sánh lực cắt đáy thành phần gió động theo các công thức
tính của 4 dạng nhà cao 20 tầng.

84


vii

Bảng 2.17.

So sánh lực cắt đáy thành phần gió động theo các công thức

85

tính của 4 dạng nhà cao 30 tầng

Bảng 3.1.

Độ cao Gradient zβ và hệ số α

92

Bảng 3.2.

Chu kỳ dao động riêng cơ bản của công trình theo kiến nghị

95

của một số tác giả
Bảng 3.3.

Các hệ số f , ε , ξ

Bảng 3.4

So sánh lực cắt đáy tính theo TCVN và theo công thức đề xuất,

97
104

nhà cao 20 tầng.
Bảng 3.5

So sánh lực cắt đáy tính theo TCVN và theo công thức đề xuất,

105

nhà cao 30 tầng.
Bảng 3.6.

Số liệu nhà dạng 1a, cao 20 tầng, vách dày 200, 250 và 300

106

Bảng 3.7.

Số liệu nhà dạng 1a, cao 30 tầng, vách dày 250, 300 và 350

106

Bảng 3.8.

Số liệu nhà dạng 2a, cao 20 tầng vách dày 200, 250 và 300

107

Bảng 3.9.

Số liệu nhà dạng 2a, cao 30 tầng, vách dày 250, 300 và 350

107

Bảng 3.10. Số liệu nhà dạng 3a, cao 20 tầng, vách dày 200, 250 và 300

107

Bảng 3.11. Số liệu nhà dạng 3a, cao 30 tầng, vách dày 250, 300 và 350

108

Bảng 3.12. So sánh lực cắt đáy tính theo TCVN và theo công thức đề xuất,

109

nhà cao 20 tầng, dạng 1a, 2a, 3a
Bảng 3.13. So sánh lực cắt đáy tính theo TCVN và theo công thức đề xuất,

110

nhà cao 30 tầng, dạng 1a, 2a, 3a
Bảng 3.14.

Số liệu các dạng nhà 4, 5 và 6

Bảng 3.15. Thành phần gió động nhà dạng 4 tính theo TCVN và theo

112
113

hệ số đề xuất, 20 tầng
Bảng 3.16. Thành phần gió động nhà dạng 5 tính theo TCVN và theo

114

hệ số đề xuất, 25 tầng
Bảng 3.17. Thành phần gió động nhà dạng 6 tính theo TCVN và theo

hệ số đề xuất, 30 tầng

115


viii

Bảng 3.18. So sánh tải trọng gió tính theo TCVN (1.50) và theo hệ

116

số đề xuất (3.27) nhà dạng 4, 5, 6.
Bảng 3.19.

Số liệu công trình Đà Nẵng Plaza và Cục Hải Quan TP Đà Nẵng

117

Bảng 3.20.

Thành phần gió động công trình Đà Nẵng Plaza tính theo TCVN

118

và theo công thức đề xuất.
Bảng 3.21. Thành phần gió động công trình Cục Hải Quan TP Đà Nẵng

119

tính theo TCVN và theo công thức đề xuất.

Bảng 3.22.

So sánh tải trọng gió tính theo TCVN (1.50) và theo hệ số
đề xuất (3.27)

120


ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Số hiệu

Tên hình vẽ

Trang

Hình 1.1.

Quan hệ vận tốc gió theo thời gian

9

Hình 1.2.

Vận tốc gió tại cao trình z

11

Hình 1.3.

Tỷ số giữa vận tốc gió trung bình trong t giây (Vt) với vận tốc gió

14

trung bình trong 1 giờ (ASCE/SEI 7-10)
Hình 2.1.

Hệ kết cấu khung giằng

46

Hình 2.2

(a) Vách chịu tải trọng ngang phân bố đều

49

(b) Khung chịu tải trọng ngang
(c) Sự tương tác khung-vách.
Hình 2.3.

Hình dạng chuyển vị ngang, momen, lực cắt điển hình của kết cấu

50

khung-vách chịu tải trọng ngang.
Hình 2.4. (a) Kết cấu khung-vách phẳng

52

(b) Phân tích liên tục cho kết cấu khung-vách
(c) Sơ đồ tự do cho khung và vách
Hình 2.5.

Thanh công xôn chịu tải trọng ngang

56

Hình 2.6.

Hệ số K1, khi chịu tải trọng ngang phân bố đều

57

Hình 2.7.

Hệ số K1, khi chịu tải trọng ngang phân bố tam giác

58

Hình 2.8.

Mặt bằng kết cấu công trình 20 tầng

60

Hình 2.9.

Mặt bằng kết cấu công trình 30 tầng

63

Hình 2.10. Biểu đồ K1 tính theo công thức (2.24) và (2.25)

67

Hình 2.11.

Mặt bằng kết cấu nhà dạng 1

70

Hình 2.12.

Thành phần gió động, nhà dạng 1, cao 20 tầng, vách dày 200

72

Hình 2.13.

Thành phần gió động, nhà dạng 1, cao 20 tầng, vách dày 250

72

Hình 2.14.

Thành phần gió động, nhà dạng 1, cao 20 tầng, vách dày 300

73

Hình 2.15.

Thành phần gió động, nhà dạng 1, cao 30 tầng, vách dày 250

73


x

Hình 2.16.

Thành phần gió động, nhà dạng 1, cao 30 tầng, vách dày 300

74

Hình 2.17.

Thành phần gió động, nhà dạng 1, cao 30 tầng, vách dày 350

74

Hình 2.18.

Mặt bằng kết cấu nhà dạng 2

75

Hình 2.19.

Thành phần gió động, nhà dạng 2, cao 20 tầng, vách dày 200

76

Hình 2.20.

Thành phần gió động, nhà dạng 2, cao 30 tầng, vách dày 300

77

Hình 2.21.

Mặt bằng kết cấu nhà dạng 3

77

Hình 2.22.

Thành phần gió động, nhà dạng 3, cao 20 tầng, vách dày 200

79

Hình 2.23.

Thành phần gió động, nhà dạng 3, cao 30 tầng, vách dày 300

79

Hình 2.24.

Mặt bằng kết cấu nhà dạng 4

81

Hình 2.25.

Thành phần gió động, nhà dạng 4, cao 20 tầng, vách dày 200

81

Hình 2.26.

Thành phần gió động, nhà dạng 4, cao 30 tầng, vách dày 300

82

Hình 3.1.

Xác định hệ số gió giật

87

Hình 3.2.

Vận tốc gió trung bình ở các độ cao

88

Hình 3.3.

Biểu đồ xác định hệ số động lực 

93

Hình 3.4.

Hệ tọa độ khi xác định hệ số tương quan 

95

Hình 3.5.

Thành phần gió động, nhà dạng 1, cao 20 tầng, vách dày 200

98

Hình 3.6.

Thành phần gió động, nhà dạng 1, cao 20 tầng, vách dày 250

99

Hình 3.7.

Thành phần gió động, nhà dạng 1, cao 20 tầng, vách dày 300

99

Hình 3.8.

Thành phần gió động, nhà dạng 1, cao 30 tầng, vách dày 250

100

Hình 3.9.

Thành phần gió động, nhà dạng 1, cao 30 tầng, vách dày 300

100

Hình 3.10.

Thành phần gió động, nhà dạng 1, cao 30 tầng, vách dày 350

101

Hình 3.11.

Thành phần gió động, nhà dạng 2, cao 20 tầng, vách dày 200

101

Hình 3.12.

Thành phần gió động, nhà dạng 2, cao 30 tầng, vách dày 300

102

Hình 3.13.

Thành phần gió động, nhà dạng 3, cao 20 tầng, vách dày 200

102

Hình 3.14.

Thành phần gió động, nhà dạng 3, cao 30 tầng, vách dày 300

103

Hình 3.15.

Nhà dạng 1a

105

Hình 3.16.

Nhà dạng 2a

106


xi

Hình 3.17.

Nhà dạng 3a

107

Hình 3.18.

Nhà dạng 4: a- Mặt bằng. b- Sơ đồ 3D

110

Hình 3.19.

Nhà dạng 5: a- Mặt bằng. b- Sơ đồ 3D

110

Hình 3.20.

Nhà dạng 6: a- Mặt bằng. b- Sơ đồ 3D

111

Hình 3.21.

Sơ đồ kết cấu công trình Đà Nẵng Plaza

115

Hình 3.22.

Sơ đồ kết cấu công trình Cục hải quan TP ĐN

116

xii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
VIẾT TẮT

GIẢI THÍCH

ABL

Asmospheric Boundary Layer – Lớp biên không khí

AIJ

Architectural Institute of Japan – Viện kiến trúc Nhật Bản

ANCOVA

Analysis of Covariance – Phân tích hiệp biến

AR

Autoregressive – Tự động hồi qui

ASP

Average Speed Profile – Biên dạng vận tốc trung bình

AS/NZS

Australian and New Zealand Standard - Tiêu chuẩn Úc và Niu Di Lân

ASCE

American Society of Civil Engineers – Hiệp hội kỹ sư dân dụng Hoa
Kỳ

BS

British Standard - Tiêu chuẩn Anh

BXD

Bộ Xây dựng

EAM

Elastic Asmospheric Model – Mô hình khí đàn hồi

EN

Eropean Standard – Tiêu chuẩn Châu Âu

ESWL

Equivalent static wind load – Lực gió tĩnh tương đương

GLF

Gust Loading Factor – Hệ số tải trọng giật

HFFB

High Frefrence Force Balance – Cân bằng lực tầng số cao

QCVN

Qui chuẩn Việt Nam

RMS

Root Mean Square – Trung bình quân phương

SPAN

Synchronous Pressure Acquisition Network – Hệ thống thu nhận áp
lực đồng bộ.

SWR

Spectral Wind Response – Phổ phản ứng gió

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

TCXDVN

Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam

1

MỞ ĐẦU
Vị trí địa lý nước ta nằm ở vùng gần xích đạo và có bờ biển chạy dọc ở phía
Đông, hàng năm phải đón nhận hàng chục cơn bão lớn nhỏ đổ bộ vào đất liền, nhất
là khu vực Miền Trung, gây nhiều tổn thất về người và của. Đặc biệt, do hiện tượng
biến đổi khí hậu nên gió bão ngày càng mạnh và diễn biến phức tạp hơn, đe dọa trực
tiếp đến an toàn công trình và người sử dụng.
Cùng với sự gia tăng dân số, gia tăng giá đất, xây dựng nhà cao tầng luôn là
mối quan tâm của các nhà qui hoạch, quản lí đô thị. Ở Việt Nam nói chung và ở Đà
Nẵng nói riêng hàng loạt các cao ốc văn phòng, khách sạn, chung cư cao tầng đã và
đang được thiết kế, xây dựng, làm thay đổi đáng kể cảnh quan đô thị. Trong thiết kế
kết cấu nhà cao tầng, ảnh hưởng do tác dụng của tải trọng ngang do gió và động đất
là rất lớn. Khi tính toán tải trọng gió đối với nhà cao tầng cần hiểu và xác định đúng
giá trị các thông số đầu vào để thiết kế vì sự ứng xử của nhà cao tầng với tải trọng
ngang là nổi trội so với tải trọng thẳng đứng. Chi phí cho hệ kết cấu để chịu tải
trọng thẳng đứng (trọng lượng bản thân và hoạt tải sử dụng) tỉ lệ bậc nhất với chiều
cao nhà. Trong khi đó chi phí cho hệ kết cấu để chịu tải trọng ngang tăng nhanh hơn
nhiều khi chiều cao nhà tăng lên.
Theo các tiêu chuẩn thiết kế các nước trên Thế giới, có ba phương pháp xác
định tải trọng gió tác dụng lên công trình: phương pháp đơn giản (simplified
procedure), phương pháp giải tích hay còn gọi phương pháp chi tiết (analytical
procedure) và phương pháp ống thổi khí động (wind tunnel procedure). Tiêu chuẩn
Việt nam TCVN 2737:1995 [13] được biên soạn theo tiêu chuẩn Nga SNiP 2.01.0785* [48] chưa đề cập đến phương pháp ống thổi khí động.
Đối với các công trình nhà cao tầng có mặt bằng đối xứng, ảnh hưởng của
dạng dao động thứ nhất đến giá trị thành phần gió động là chủ yếu, các dạng dao
động cao hơn thường chỉ ảnh hưởng đến giá trị gia tốc đỉnh [14]. Việc sử dụng công
thức gần đúng tính toán thành phần động của tải trọng gió với dạng dao động thứ

2

nhất rất có ý nghĩa thực tiễn nên tiêu chuẩn của hầu hết các nước tiên tiến như Hoa
Kỳ ASCE/SEI 7-16 [16], Úc AS/NZS 1170.2:2011 [56], Châu Âu EN 1991-1-4
[29], Nhật Bản AIJ-2004 [36]... đều đưa ra phương pháp gần đúng để áp dụng cho
các công trình này. Theo đó, tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng theo phương
dọc luồng gió được tính từ thành phần gió tĩnh tương đương nhân với hệ số gió giật
(Gust Loading Factor- GLF). Phương pháp GLF được Alan Garnett Davenport
(Canada) [24] giới thiệu và áp dụng lần đầu tiên trong ngành xây dựng vào năm
1967.
Thành phần gió động theo TCVN 2737:1995 cũng được tính toán trên cơ sở
lấy thành phần gió tĩnh nhân với các hệ số kể đến ảnh hưởng của xung vận tốc gió
và lực quán tính của công trình [13], [14], với quy trình tính toán có thể sử dụng
phương pháp gần đúng hoặc phương pháp giải tích từ kết quả phân tích động học
công trình.
Phương pháp gần đúng để tính toán thành phần động của tải trọng gió theo
TCVN 2737:1995 áp dụng cho nhà cao tầng có độ cứng, khối lượng và bề rộng mặt
đón gió không đổi theo chiều cao cho kết quả thành phần động của tải trọng gió
biến đổi theo quy luật bậc nhất theo cao độ z. Công thức này đơn giản, dễ sử dụng.
Tuy nhiên, công thức này chỉ phù hợp với các công trình có chuyển vị ngang trên
các tầng ở dạng dao động riêng thứ nhất xem gần đúng tuân theo quy luật bậc nhất
theo cao độ z. Trong thực tế số công trình nhà cao tầng đáp ứng được điều kiện này
là rất ít do khống chế từ việc đảm bảo các yêu cầu về kiến trúc và hiệu quả kinh tế.
Việc không quy định rõ phạm vi áp dụng của công thức này có thể dẫn đến các sai
số lớn, nhất là đối với công trình cao tầng có sơ đồ kết cấu khung giằng (khung và
vách cùng chịu tải trọng ngang). Việc hoàn thiện phương pháp gần đúng để tính
toán thành phần động của tải trọng gió theo TCVN 2737:1995 áp dụng cho các công
trình có độ cứng không lớn là có ý nghĩa thực tiễn. Bên cạnh đó, quy trình tính toán

tải trọng gió hiện nay theo TCVN 2737:1995 là khá phức tạp, nên kỹ sư thiết kế khó
tự đánh giá kết quả phân tích, tính toán tải trọng gió.


3

Với ý nghĩa như vậy, việc hoàn thiện quy trình tính toán thành phần gió động
lên công trình cao tầng phù hợp với tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành, tiếp cận theo
tiêu chuẩn các nước tiên tiến là cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn.

1. Mục tiêu nghiên cứu
- Xây dựng công thức gần đúng tính toán thành phần động của tải trọng gió
trong TCVN 2737:1995 [13] để tính toán thành phần gió động tác dụng lên nhà cao
tầng có mặt bằng kết cấu đối xứng, sử dụng hệ kết cấu khung giằng với các dạng địa
hình khác nhau.
- Đề xuất công thức đơn giản tính toán thành phần động của tải trọng gió
theo phương pháp hệ số gió giật (GLF) cho các công trình bê tông cốt thép cao đến
35 tầng, có mặt bằng kết cấu đối xứng và sử dụng hệ kết cấu khung giằng.

2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Thành phần động của tải trọng gió tác dụng lên nhà
cao tầng.
- Phạm vi nghiên cứu: Nhà cao tầng bê tông cốt thép đến 35 tầng có mặt
bằng kết cấu đối xứng và sử dụng hệ kết cấu khung giằng.

3. Nội dung nghiên cứu
- Tìm hiểu lý thuyết xác định chuyển vị ngang kết cấu nhà cao tầng có sơ đồ
khung giằng.
- Đánh giá sai số và làm rõ phạm vi áp dụng của công thức gần đúng xác
định thành phần gió động trong TCVN 2737:1995.

- Xây dựng công thức gần đúng tính toán thành phần gió động cho kết cấu
nhà cao tầng. Công thức có cấu trúc đơn giản tương tự như công thức gần đúng của
TCVN 2737:1995 với độ sai số cho phép khi áp dụng cho hệ kết cấu có sơ đồ khung
giằng với các dạng địa hình khác nhau.
- Trên cơ sở của TCVN 2737:1995, hệ thống hoá các công thức của tiêu
chuẩn để xác định hệ số gió giật G theo Davenport tương ứng với các hệ kết cấu có
độ cứng khác nhau, từ đó có các kiến nghị ứng dụng.


4

- Đề xuất công thức tính toán tải trọng gió đơn giản theo phương pháp GLF
cho các công trình cao đến 35 tầng ở vùng gió IIB, có mặt bằng kết cấu đối xứng và
sử dụng hệ kết cấu khung giằng.
- Khảo sát số một số công trình từ 15 đến 35 tầng chịu tải trọng gió ở Đà
Nẵng và các khu vực có vùng gió tương tự để đánh giá độ tin cậy của các công thức
đề xuất.

4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu mô hình tính toán lý thuyết tải trọng gió và khảo sát số bằng các
phần mềm ứng dụng để so sánh, đánh giá kết quả.

5. Những kết quả đạt được của luận án
- Đánh giá sai số và làm rõ được phạm vi áp dụng của công thức gần đúng
tính toán thành phần gió động trong TCVN 2737:1995.
- Đề xuất được công thức gần đúng tính toán thành phần gió động phù hợp
với công trình cao tầng có sơ đồ khung giằng theo TCVN 2737:1995 với các dạng
địa hình khác nhau.
- Trên cơ sở của TCVN 2737:1995 và kết quả nghiên cứu, đã hệ thống hoá
các công thức của tiêu chuẩn để xác định hệ số gió giật G theo Davenport tương

ứng với các hệ kết cấu chịu tải trọng ngang khác nhau.
- Đề xuất được công thức tính toán thành phần gió động theo hệ số gió giật
G với độ chính xác xấp xỉ phương pháp giải tích của TCVN 2737:1995 cho các
công trình cao đến 35 tầng, có mặt bằng đối xứng với bề rộng mặt đón gió không
quá 50m, xây dựng trên địa bàn Thành phố Đà Nẵng và các địa hình tương tự. Công
thức gần đúng xác định hệ số gió giật G có cấu trúc khá đơn giản, dễ sử dụng.

6. Cấu trúc của luận án
Ngoài các phần mục lục, danh mục các tài liệu tham khảo, các công trình
khoa học đã công bố, các phụ lục, hình vẽ, bảng biểu, luận án trình bày 123 trang,
bố cục như sau:
Mở đầu (5 trang).


5

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu (41 trang).
Chương 2: Tính toán thành phần gió động cho nhà có sơ đồ khung giằng bố
trí đối xứng (40 trang).
Chương 3: Xác định hệ số gió giật cho nhà cao tầng có sơ đồ kết cấu khung
giằng bố trí đối xứng theo Tiêu chuẩn Việt Nam (35 trang).
Kết luận - Kiến nghị (2 trang).


6

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Gió và tác động của gió lên công trình
1.1.1. Khái niệm về gió, bão, lốc xoáy

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 của nó. Đặc tính chủ yếu của gió là vận tốc thay đổi liên tục và không đều
theo cả không gian và thời gian.
Bão là một xoáy thuận nhiệt đới có sức gió mạnh nhất từ cấp 8 trở lên và có
thể có gió giật. Bão từ cấp 10 đến cấp 11 được gọi là bão mạnh; từ cấp 12 trở lên
được gọi là bão rất mạnh [12]. Bão xuất hiện khi nước bốc hơi mạnh, thường ở
nhiệt độ từ 27oC trở lên và ở ngoài biển, sự bốc hơi này hình thành dòng khí bốc
ngược thẳng đứng, cộng với chuyển động xoay của trái đất quay quanh trục bản
thân để tạo thành dòng xoáy ngang, từ đó cơn bão được hình thành. Vận tốc tiếp
tuyến của dòng xoáy ngang chính là vận tốc gió bão, có thể đạt đến 150km/h hoặc
lớn hơn.
Lốc xoáy là một hiện tượng khí tượng đặc biệt, là luồng gió xoáy có vận tốc
lớn được hình thành trong phạm vi hẹp và tan đi trong thời gian ngắn [12]. Sức gió
ở vùng xa tâm thì nhỏ nhưng càng vào trong càng mạnh lên và ở giữa thì hình thành
một cái lõi. Phạm vi hoạt động của lốc nhỏ hơn của bão nhưng sức gió thì mạnh hơn
rõ rệt, có thể đến 250 - 290km/h. Lốc thường xuất hiện bất ngờ và có thể xuất hiện
ở mọi nơi.
Tác động của gió thông thường với những điều kiện khí tượng thuận lợi, đã
có nhiều khảo sát, nghiên cứu và thu được những số liệu khá chuẩn xác. Nhưng
những nghiên cứu về bão, lốc trên thế giới còn ít, qui luật và tác động của nó nhiều
diễn biến phức tạp. Vì vậy bão luôn là vấn đề quan tâm của các nhà khoa học, của


7

nhiều quốc gia mà các nghiên cứu chỉ là để tiệm cận được, nhằm chấp nhận những
số liệu nội suy trên cơ sở của một số kinh nghiệm để đưa vào tính toán công trình.

1.1.2. Tác dụng của gió lên công trình
Gió là sự vận động của luồng khí trong không gian, tác dụng của gió lên
công trình là do sự va đập của luồng khí khi gặp vật cản trên đường đi của nó. Mặt
khác, theo thời gian tốc độ của gió luôn luôn thay đổi. Hai nguyên nhân này gây nên
sự mạch động của luồng gió.
Khi dòng thổi của gió vượt qua một công trình thì tất cả các vùng của ngôi
nhà đó đều chiụ một áp lực nhất định. Vị trí của các vùng và đường định biên của
các giá trị tác dụng tuân theo những quy luật và có thể xác định được bằng lý thuyết
hoặc thực nghiệm, mặt trước công trình phía đón gió xuất hiện áp lực dương, gây
gió đẩy; ở sau công trình, phía khuất gió và ở hai mặt bên của công trình 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 thước các mặt của ngôi nhà, vào thể loại ngôi nhà, vào hình dạng mái và
loại kết cấu bao che. Thí dụ với những nhà mái dốc, khi góc dốc tương đối nhỏ thì
đường định biên xuất hiện ở mái dốc phía đón gió, nhưng khi góc dốc rất nhỏ thì
toàn bộ mái xuất hiện áp lực hút, còn khi góc dốc khá lớn thì toàn bộ mái phía trước
chịu áp lực dương, toàn bộ mái phía sau chịu áp lực âm.
Trạng thái dòng thổi còn phụ thuộc vị trí tương đối của ngôi nhà so với các
công trình lân cận và cảnh quan khu vực (bờ cao, sườn dốc, núi đồi, thung lũng...).
Góc tới của dòng thổi có thể bị biến đổi và làm ảnh hưởng tới cả định tính, định
lượng của áp lực gió lên công trình.
Áp lực và phân bố tải trọng
Tải trọng gió được phân loại và xác định tuỳ theo trạng thái dòng thổi tác
động lên công trình. Với tường và mái có độ dốc lớn, ở phía đón gió chịu tác dụng
của áp lực dương - ép vào bề mặt đón gió, các phần còn lại chịu áp lực hút. Giá trị


8

của áp lực hút có thể đạt tới hoặc lớn hơn so với giá trị áp lực 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 chuyển lập hướng bất kỳ
tạo thành các dải hút cục bộ, đột biến rất lớn.
Áp lực trong tác dụng lên tất cả các tấm tường và mái như nhau. Áp lực
ngoài do gió tác động lên công trình bao gồm áp lực ép, áp lực hút vuông góc lên bề
mặt và áp lực tiếp tuyến. Giá trị của áp lực tiếp tuyến phụ thuộc vào mật độ của
không khí và ứng suất tiếp lớp biên. Bề mặt càng gồ ghề, thô nhám thì lớp biên
càng rối và ứng suất tiếp càng lớn.
Tải trọng gió tác động lên công trình được xác định bằng tổng các tải trọng
tác động lên tất cả các bề mặt của nó. Khi công trình được 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 làm giảm tỷ lệ giữa áp lực trong và áp lực ngoài
cho toàn bộ nhưng sẽ làm tăng cục bộ ở một số bộ phận và có thể dẫn đến nguyên
nhân phá hoại cục bộ công trình. Thông thường, các tác động này được phân tích
theo các trục, các hướng và thông qua các thí nghiệm khí động học để xác định các
hệ hố khí động, các tham số ảnh hưởng tương ứng với các hướng này.
Dưới tác dụng của tải trọng gió, các công trình cao, mềm, độ thanh mảnh lớn
sẽ có dao động. Tuỳ theo phân bố độ cứng của công trình mà dao động này có thể
theo phương bất kỳ trong không gian. Thông thường chúng được phân tích thành
hai phương chính: phương dọc và phương ngang luồng gió, trong đó dao động theo
phương dọc luồng gió là chủ yếu. Với các công trình thấp, dao động này là không
đáng kể, nhưng với các công trình cao khi dao động sẽ phát sinh lực quán tính làm
tăng thêm tác dụng bình thường của tải trọng gió. Như vậy, tác dụng theo phương
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 lượng bị dao động do gió thổi.


9

1.1.3. Cấu trúc và các tham số đặc trưng ảnh hưởng đến tác dụng của tải
trọng gió.
1.1.3.1. Cấu trúc
Gió được hình thành bởi hai yếu tố chủ yếu:
- Sự chênh lệch áp suất tạo nên sự chuyển động của luồng khí tạo thành gió.
- Sự thay đổi địa hình bề mặt trái đất trên đường đi của dòng khí (độ cao, độ
nhám) làm thay đổi vận tốc, hướng gió.
Hai yếu tố trên đây gây nên sự biến đổi liên tục vận tốc luồng gió theo không
gian và thời gian nhưng 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 toạ độ không gian
( , , )
- Thành phần xung của vận tốc gió, trị số phụ thuộc vào cả không gian và
thời gian ′( , , , )
Nếu chỉ xét sự thay đổi không gian theo chiều cao z (Hình 1.1), ta có:
( , ) = ( ) + ′( , )

Hình 1.1. Quan hệ vận tốc gió theo thời gian
Khi đó, áp lực gió tác dụng lên công trình ở độ cao z:

(1.1)


10

( , ) =
trong đó:

( )+

′( , )

(1.2)

( , )- tổng áp lực do thành phần dọc của luồng gió gây ra
( )- áp lực do thành phần trung bình ( ) gây ra
′( , )- áp lực do thành phần xung ′( , ) gây ra

1.1.3.2. Phân loại các tham số đặc trưng ảnh hưởng đến tác dụng của gió
Tác dụng của gió lên công trình bị chi phối chủ yếu bởi vận tốc và hướng
thổi của nó. Vì vậy mọi tham số làm biến đổi hai yếu tố này sẽ làm ảnh hưởng đến
trị số và hướng của tác dụng lên công trình. Các thông số ảnh hưởng này có thể chia
làm 3 nhóm chính sau đây:
+ Nhóm các thông số đặc trưng cho tính ngẫu nhiên của tải trọng: Vận tốc,
độ cao, xung áp lực động.
+ Nhóm các thông số đặc trưng cho địa hình: Độ nhám môi trường mà gió đi
qua, loại địa hình, mức độ che chắn.
+ Nhóm thông số đặc trưng cho tính chất động lực của bản thân công trình:
hình khối công trình, hình dạng bề mặt đón gió, khối lượng và cách phân bố khối
lượng, chu kỳ, tần số dao động riêng, dạng dao động …

1.1.4. Khảo sát các tham số ảnh hưởng đến việc tính toán tác dụng của tải
trọng gió lên công trình
Vận tốc gió là yếu tố quyết định đến áp lực của tải trọng gió tác dụng lên
công trình. Xác định vận tốc gió tại một vùng là cở sở để áp dụng các công thức
tính toán trong tiêu chuẩn thiết kế nhằm xác định tải trọng gió tác dụng lên các công
trình xây dựng trong vùng đó.

1.1.4.1. Khái niệm chung về vận tốc gió

Vùng gần mặt đất có sự ảnh hưởng của ma sát làm ảnh hưởng đến vận tốc di
chuyển của gió. Càng lên cao ảnh hưởng của ma sát sẽ giảm, do đó vận tốc gió sẽ


11

tăng lên (Hình 1.2). Chiều cao mà từ đó vận tốc gió không thay đổi gọi (không còn
chịu ảnh hưởng của mặt đệm) là chiều cao gradient. Lớp không khí phía dưới chiều
cao gradient được gọi là lớp biên.

Hình 1.2. Vận tốc gió tại cao trình z
Đối với công trình nhà cửa, các tiêu chuẩn thiết kế trên thế giới (Mỹ, Châu
Âu, Nga, Anh v.v.) thường quy ước vận tốc gió đo ở độ cao 10m trên mặt đất tự
nhiên ở vùng không bị che chắn. Tiêu chuẩn Việt Nam cũng lấy tương tự như vậy.
Vận tốc gió biến đổi liên tục theo thời gian (Hình 1.1). Thời gian lấy trung
bình vận tốc gió và thời gian tính chu kì lặp sẽ ảnh hưởng đến giá trị vận tốc gió
trung bình. Các tiêu chuẩn khác nhau đã quy định thời gian lấy vận tốc gió trung
bình và chu kì lặp khác nhau để xác định vận tốc trung bình của gió, gọi là vận tốc
gió cơ sở.

1.1.4.2. Vận tốc gió cơ sở
Vận tốc gió thay đổi theo độ cao đo vận tốc và phụ thuộc thời gian lấy trung
bình. Tuỳ theo độ nhạy 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 là 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). Nhưng 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