Phân tích đáp ứng động lực học ngẫu nhiên của kết cấu nhà cao tầng chịu tải trọng gió

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

LÊ MINH TRUNG

PHÂN TÍCH ĐÁP ỨNG ĐỘNG LỰC HỌC NGẪU NHIÊN
CỦA KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG GIÓ

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN
Mã số: 60.58.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2017


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS. ĐẶNG CÔNG THUẬT

Phản biện 1: TS. NGUYỄN QUANG TÙNG
Phản biện 2: GS.TS PHẠM VĂN HỘI

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng
và công nghiệp họp tại Trường Đại học Bách Khoa vào ngày 07
tháng 7 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa
- Thư viện Khoa Kỹ thuật xây dựng công trình Dân dụng & Công
nghiệp, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng.


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Tải trọng gió tác dụng lên công trình thường được sử dụng giá
trị trung bình. Giá trị lực trung bình này được bắt nguồn từ tốc độ gió
trung bình và các lực gió biến thiên được tạo ra bởi các trường dòng
chảy biến thiên. Các hiệu ứng của lực gió biến thiên trên các công
trình không chỉ phụ thuộc vào đặc điểm của lực này mà còn phụ
thuộc vào kích thước và đặc trưng dao động của công trình.
Các yếu tố sau đây thường được xem xét trong việc xác định
lực gió biến thiên:
• Gió rối (biến động theo thời gian và không gian của gió)
• Sự hình thành gió xoáy khi va chạm với công trình
• Sự tương tác giữa quá trình dao động của tòa nhà với dòng
không khí xung quanh.
Khi đó, phân bố áp lực gió trên bề mặt của một tòa nhà có tiết
diện hình chữ nhật là bất đối xứng, ngay cả khi có gió thổi vuông góc
với bề mặt tòa nhà. Vì vậy, lực gió ở hướng ngang (across-wind) và
hướng xoắn (torsion) sẽ không bằng không ngay cả khi lực gió theo
hướng dọc (along-wind) đạt giá trị tối đa.
Chiều cao tham khảo thường là chiều cao mái trung bình của
các tòa nhà. Các tải trọng gió được tính toán từ các áp lực vận tốc
trên chiều cao này. Sự phân bố thẳng đứng của tải trọng gió được
phản ánh trong các hệ số lực gió và hệ số áp lực gió. Tuy nhiên, tải
trọng gió cho một cấu trúc kiểu mạng tinh thể được tính từ áp lực

vận tốc tại mỗi chiều cao.
Các hiệu ứng tải trọng tối đa lên tòa nhà có thể được ước tính
bằng cách phân tích đáp ứng động lực học. Tải trọng gió tĩnh tương
đương, ví dụ trong tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737-1995 được lấy
từ hiệu ứng tải trọng tối đa được cho là tải trọng thiết kế gió. Đối với
phản ứng của các tòa nhà chống lại cơn gió mạnh, mode dao động
đầu tiên (tần số nhỏ) là chiếm ưu thế và khi tần số càng cao thì sẽ


2
giảm dần đối với hầu hết các tòa nhà. Điều này không phản ánh hết
đáp ứng của kết cấu theo thời gian tác động của tải trọng, để từ đó
kiểm soát tốt hơn mức độ dao động của kết cấu.
Mặt khác, việc phân tích đáp ứng động lực học của các kết cấu
khi kể đến các yếu tố ngẫu nhiên như tính chất vật liệu làm kết cấu,
kích thước tiết diện, tải trọng tác dụng… là một trong những nhiệm
vụ được quan tâm trong các nghiên cứu hiện nay. Hiện có 03 cách
thức tiếp cận vấn đề này. Thứ nhất là phương pháp mô phỏng Monte
Carlo. Phương pháp này bền vững và mạnh mẽ ở khía cạnh phân tích
kết cấu nhưng thời gian tính toán rất tốn kém. Phương pháp thứ hai
là phương pháp phần tử hữu hạn ngẫu nhiên. Mặc dầu những vấn đề
về phân tích tĩnh và ổn định kết cấu có thể được giải quyết hiệu quả
với phương pháp này. Tuy nhiên, phương pháp này rất hạn chế trong
trong phân tích đáp ứng động lực ngẫu nhiên của kết cấu. Phương
pháp thứ ba là khai triển chuỗi trực giao, hiện nay cũng đang được áp
dụng nhiều, tuy nhiên trong trường hợp tăng số lượng biến ngẫu
nhiên thì chi phí tính toán trở nên quá lớn để đạt được sự xấp xỉ cần
thiết trong không gian ngẫu nhiên.
Chính vì vậy, cần phải biết chính xác đáp ứng của kết cấu theo
thời gian tác dụng của tải trọng gió để kiểm soát tốt sự dao động của

kết cấu khi công trình cao tầng có gió lớn tác động.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu tổng quát của đề tài là nghiên cứu đáp ứng động lực
học ngẫu nhiên và độ tin cậy của kết cấu nhà cao tầng khi chịu tải
trọng gió ngẫu nhiên.
Trên cơ sở mục tiêu nghiên cứu chung, đề tài cụ thể hóa một
số mục tiêu chi tiết sau:
• Xây dựng được mô hình tạo ra tải trọng gió từ hàm phổ phù
hợp với tiêu chuẩn Eurocode EN 1991-1-4. Trong đó, biên độ phổ sẽ
liên quan đến chiều cao công trình, vận tốc gió trung bình và vận tốc
ma sát.


3
• Phân tích được đáp ứng của kết cấu nhà cao tầng và các hiệu
ứng tải trọng như lực cắt, moment tai các vị trí quan trọng của công
trình khiu chịu tải trọng gió tác động.
• Nhận diện được phân phối xác suất của các đáp ứng kết cấu
theo thời gian và các đặc trưng thống kê như giá trị trung bình
(mean) và độ lệch chuẩn (standard deviation) của đáp ứng.
• Phân tích kết quả thu được và rút ra được những kết luận có
thể sử dụng được trong thực tế tính toán, thiết kế.
3. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp lí thuyết:
+ Nghiên cứu các phương pháp chung tính toán kết cấu chịu
tải trọng gió
+ Nghiên cứu các phương pháp phân tích đáp ứng kết cấu chịu
tải trọng động ngẫu nhiên.
- Phương pháp số:
+ Lập phương trình dao động, mô phỏng số, tính toán kết quả

+ Tính toán đáp ứng của kết cấu
- Nhận xét và đánh giá kết quả.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Động lực học công trình, ứng xử của
kết cấu khi chịu tải trọng gió ngẫu nhiên.
- Phạm vi nghiên cứu: Tải trọng gió tác dụng lên kết cấu
khung nhà nhiều tầng tầng.
5. Kết quả cần đạt được
- Xây dựng cơ sở lý thuyết tạo ra tải trọng gió ngẫu nhiên và
phân tích đáp ứng động lực học của kết cấu nhà cao tầng.
- Phát triển được một chương trình máy tính (Matlab) chuyên
cho việc phân tích đáp ứng động lực học ngẫu nhiên của kết cấu.
6. Kết cấu của luận văn
Mở đầu


4
Chương 1: Tổng quan về gió, tải trọng gió và một số tiêu
chuẩn về tính toán tải trọng gió.
Chương 2: Cơ sở khoa học của phương pháp tính toán đáp ứng
của kết cấu chịu tải trọng gió ngẫu nhiên.
Chương 3: Ví dụ tính toán
Kết luận và kiến nghị
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ GIÓ, TẢI TRỌNG GIÓ, MỘT SỐ TIÊU
CHUẨN VỀ TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ
1.1. Tổng quan về gió
1.1.1. Khái niệm, nguyên nhân hình thành, phân loại.
Gió là một hiện tượng trong tự nhiên hình thành do sự chuyển
động của không khí.

Gió đặc trưng bởi hướng và vận tốc. Chiều di chuyển của dòng
khí tạo thành hướng gió: gọi theo tên nơi xuất phát có 16 hướng gió
tương ứng với 16 phương vị địa lý.
1.1.2. Tính chất, đặc điểm của gió
Gió có một đặc điểm rất quan trọng là ảnh hưởng đến các vật
xung quanh: Gió tác động đến sự vận động của biển như: hiện tượng
tạo sóng (sóng là một trong sự vận động của biển)
Thời điểm xuất hiện và tốc độ gió là không tuân theo quy luật,
gió có thể xuất hiện tại một thời điểm với hướng bất kỳ với tốc độ
mạnh yếu khác nhau.
1.2. Tác động của gió vào công trình và các biện pháp giảm
thiểu:
1.2.1. Tác động của gió vào công trình :
Gió thổi gây áp lực lên mọi vật cản trên đường đi của nó , gọi
là áp lực gió. Áp lực này tỷ lệ với bình phương vận tốc gió . Theo
thời gian, vận tốc gió luôn luôn thay đổi gây nên sự mạch động của


5
gió . Vì thế gió bão gây áp lực lớn lên công trình, rất nguy hiểm vì có
sức phá hoại rất lớn.
Khi gió thổi vượt qua một công trình thì tất cả các vùng của
công trình đó đều chịu một áp lực nhất định. Phía đón gió xuất hiện
áp lực trội đập trực tiếp vào mặt đón; ở phía sau công trình, phía
khuất gió và ở bên hông (mặt bên) công trình xuất hiện áp lực âm do
gió hút.
Trạng thái biến đổi của dòng thổi qua công trình phụ thuộc
chủ yếu vào tỷ lệ các kích thước của các mặt để tạo thành hình khối,
vào thể loại và trạng thái bề mặt công trình. Trạng thái dòng thổi còn
phụ thuộc vị trí tương đối của công trình so với các công trình lân

cận và cảnh quan khu vực (bờ cao, sườn dốc, núi đồi, thung lũng ).
Trạng thái này ảnh hưởng đến góc tới của dòng thổi, làm thay đổi cả
định tính, định lượng của áp lực gió lên công trình.
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 ch úng 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 của tải trọng 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. Các thông
số này có thể chia làm 3 nhóm chính sau đây:
1.2.2. Tác động của gió lên nhà cao tầng:
Khác với nhà thấp tầng, nhà cao tầng chịu tác động của tải
trọng gió rất lớn vì càng lên cao tốc độ gió càng mạnh. Do càng lên
cao càng ít vật cản nên nhà cao tầng sẽ chịu hầu như hoàn toàn tác
động của gió. Ngoài ra tác động của gió lên nhà cao tầng khác với


6
nhà thấp tầng đó là ảnh hưởng lớn của mômen xoắn gây lên. Momen
xoắn xuất hiện do áp lực không đều, mặt cắt ngang công trình không
đối xứng hoặc do tâm hình học và tâm cứng không trùng nhau.
Nhà cao tầng không chỉ có tải trọng đứng lớn hơn mà điều
khác biệt lớn nhất chính là tải trọng ngang ở nhà cao tầng (tải trọng
ngang trong đó có tải trọng gió). Nhà cao tầng chịu tải trọng gió lớn,
mức độ phức tạp trong tính toán càng tăng lên. Tải trọng gió cũng

làm xuất hiện nội lực đổi chiều, do vậy cần cảnh giác khi thiết kế cấu
kiện ngang. Thành phần động của tải trọng gió cũng rất phức tạp và
thường tập trung vào các bộ chịu lực của công trình, do đó đối với
công trình nhà cao tầng cần ưu tiên giải pháp kết cấu mạch lạc, rõ
ràng.
1.2.3. Các biện pháp giảm thiểu tác động của gió vào công
trình
a) Các giải pháp quy hoạch
b) Các giải pháp kiến trúc
c) Các giải pháp kết cấu công trình
1.3. Tổng quan hệ thống tiêu chuẩn về tính toán tải trọng
gió
1.3.1. Tiêu chuẩn Việt Nam
TCVN 2737:1995 - Tiêu chuẩn tải trọng và tác động do Viện
Khoa học Công nghệ Xây dựng – Bộ Xây dựng biên soạn, Bộ Xây
dựng đề nghị, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng thẩm định,
Bộ Khoa học và Công nghệ công bố. Tiêu chuẩn này cũng là tiêu
chuẩn đang được sử dụng hiện hành trong quá trình chờ ban hành
tiêu chuẩn mới có điều chỉnh.
1.3.2. Tiêu chuẩn Châu Âu EN EUROCODES 1991-1-4
Hệ thống tiêu chuẩn EN ngày nay đã được ứng dụng rộng rãi
không chỉ trong phạm vi các nước thành viên Ủy ban cộng đồng
Châu Âu mà còn được chuyển dịch vào áp dụng ở nhiều nước thuộc
Châu Âu và các châu lục khác trên thế giới.


7
Phạm vi áp dụng của EN 1991-1-4 là áp dụng cho tính toán
với các công trình có chiều cao dưới 200m và với kết cấu cầu có nhịp
không lớn hơn 200m.

1.4. Kết luận
Trong chương này, luận văn đã trình bày tổng quan về tải
trọng gió và một số tiêu chuẩn để xác định tải trọng gió lên công
trình. Trong đó, chúng ta nhận thấy rằng, gió có ảnh hưởng lớn đến
kết cấu công trình xây dựng, đặc biệt là các công trình nhà cao tầng.
Bên cạnh các giải pháp về quy hoạch và kiến trúc, thì giải pháp về
kết cấu là một vấn đề quan trọng cần phải quan tâm khi thiết kế,
nhằm giảm thiểu các tác động của gió lên công trình nhà cao tầng.
Với TCVN 2737-1995 tải trọng gió được chia thành hai thành phần
tĩnh và động, tuy nhiên áp lực gió tác động lên công trình coi như là
áp lực tĩnh, không thay đổi theo thời gian, điều này chưa phản ánh
đúng bản chất của tải trọng gió. Chính vì vậy, tính biến thiên của gió
theo thời gian sẽ được luận văn sẽ đề cập trong chương 2.
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐÁP
ỨNG CỦA KẾT CẤU CHỊU TẢI TRỌNG GIÓ NGẪU NHIÊN
2.1. Xác định tải trọng gió theo tiêu chuẩn Việt Nam
TCVN 2737-1995
2.1.1. Phân chia dạng địa hình
Theo TCVN 2737:1995, lãnh thổ Việt Nam được chia ra làm
3 dạng địa hình như sau:
Địa hình dạng A
Địa hình dạng B
Địa hình dạng C
2.1.2. Thành phần tĩnh
Giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của tải trọng gió ở độ cao z
so với mốc chuẩn được xác định theo công thức :


8

W  n.W0 .k.c (kN / m2 )
Trong đó :
- Wo: giá trị áp lực gió theo bản đồ phân vùng.
- k: hệ số tính đến sự thay đổi của áp lực gió theo độ cao và
dạng địa hình
- c: hệ số khí động
- n: Hệ số tin cậy của tải trọng gió lấy bằng 1.2
Giá trị áp lực gió Wo, theo đó lãnh thổ Việt Nam được phân ra
làm 05 vùng áp lực gió.
2.1.3. Thành phần động
Theo TCVN 2737-1995, khi xác định áp lực mặt trong Wi
cũng như khi tính toán nhà nhiều tầng có chiều cao dưới 40m, hoặc
nhà công nghiệp 1 tầng cao dưới 3.6m với tỷ số độ cao trên nhịp nhỏ
hơn 1.5, xây dựng ở địa hình dạng A và B (địa hình trống trải và
tương đối trống trải) thì không cần tính đến thành phần động của tải
trọng gió.
Thành phần động của tải trọng gió được xác định theo các
phương tương ứng với phương tính toán thành phần tĩnh của tải trọng
gió. Thành phần động của tải trọng gió tác dụng lên công trình là do
lực xung của vận tốc gió và quán tính công trình gây ra. Giá trị của
lực này được xác định trên cơ sở thành phần tĩnh của tải trọng gió
nhân với các hệ số có kể đến ảnh hưởng lực do xung của vận tốc gió
và quán tính của công trình.
2.2. Xác định tải trọng gió theo tiêu chuẩn Châu Âu
(Eurode EN 1991-1-4)
2.2.1. Các tính huống thiết kế đặc biệt
2.2.2. Mô hình hoá các tác động của gió
2.2.2.1. Tính chất của gió
Các tác động có liên quan do gió được xác định cho từng tình

huống thiết kế cụ thể được xác định theo EN 1990-3-2.


9
Theo EN 1990-3-2 các tác động kể đến khác (như: tải trọng do
tuyết, tải trọng do giao thông, băng) sẽ được điều chỉnh các hiệu ứng
do gió nên được đưa vào các chỉ dẫn riêng. Xem thêm EN 1991-1-3,
EN 1991-2 và ISO FDIS12494.
Ảnh hưởng mỏi do tác động của gió cần được xem xét cho các
cấu trúc nhạy cảm (số chu kỳ tải có thể được lấy từ phụ lục B, C và E
của EN 1991-1-4).
2.2.2.2. Đặc trưng tác động của gió
Các tác động của gió được đặc trưng bởi một tập hợp của các
áp lực đơn hoặc lực tương đương với lực tác động cực hạn của gió
hỗn loạn.
Ngoại trừ trường hợp có ghi chú riêng, tác động của gió nên
được phân loại là các tác động thay đổi.
2.2.2.3. Giá trị đặc trưng
Những tác động do gió khi tính bằng cách sử dụng EN 1991-14 là những giá trị đặc trưng được xác định từ các giá trị cơ bản của
vận tốc gió, áp suất vận tốc. Theo EN 1990-4-1.2 các giá trị cơ bản là
những giá trị đặc trưng có xác suất hàng năm (exceedence) 0.02,
tương đương với một thời gian trở lại (chu kỳ lặp) là 50 năm.
2.2.2.4. Các mô hình
Các tác động của gió lên kết cấu (tức là phản ứng của cấu
trúc), phụ thuộc vào hình dạng, kích thước và tính chất động của cấu
trúc. Phần này bao gồm các phản ứng động do gió chuyển động hỗn
loạn cộng hưởng với một hình thức rung động cơ bản cùng gió. Các
phản ứng của các cấu trúc nên được tính từ áp lực vận tốc cao điểm.
2.2.3. Vận tốc và áp lực gió
2.2.3.1. Cơ sở tính toán

Gió là hơi hỗn loạn, tức là tốc độ và hướng biến động. Do đó,
trong Eurocode gió được xem xét như một áp lực hoặc lực bán tĩnh.
Việc tính toán tác động do gió bao gồm các bước sau:


10
Lựa chọn tốc độ gió tham chiếu, được xác định trên cơ sở xác
suất của một bản đồ thời tiết. Bảng phân vùng gió của một quốc gia
được xác định bởi chính quyền quốc gia. Vận tốc gió hiệu dụng theo
độ cao vm phải được xác định từ vận tốc gió cơ bản vb phụ thuộc vào
điều kiện thời tiết của khu vực.
2.2.3.2. Giá trị vận tốc gió cơ bản
Giá trị vận tốc gió cơ bản được xác định thông qua giá trị vận
tốc độ gió tiêu chuẩn tham chiếu vb,0, là giá trị vận tốc gió đo được
trung bình trong 10 phút không phân biệt hướng gió và thời gian của
năm với xác suất vượt một lần trong 50 năm ở độ cao 10 kể từ mặt
đất ở khu vực có dạng địa hình trống trải có thảm thực vật thấp như
cỏ và không bị cản bởi nhà cửa, cây cối…
Giá trị vận tốc gió cơ bản được xác định theo công thức:s

vb  Cdir * Cseason * vb ,o
2.2.3.3. Vận tốc gió hiệu dụng theo độ cao
Các vận tốc gió hiệu dụng vm(z) ở độ cao z trên một địa hình
phụ thuộc vào độ nhám (gồ ghề) địa hình và vận tốc gió cơ bản (vb)
được xác định theo biểu thức
vm(z) = Cr(z) * C0(z) * vb
2.2.3.4. Hệ số thay đổi vận tốc gió theo độ cao và dạng địa
hình
Hệ số thay đổi vận tốc gió theo độ cao và dạng địa hình, Cr(z),
là hệ số đặc trưng cho sự thay thổi của vận tốc hiệu dụng gió trên bề

mặt kết cấu do:
- Độ cao trên mặt đất.
- Độ nhám mặt đất phía trước hướng gió theo phương gió
được xem xét.
2.2.3.5. Hệ số áp lực theo độ cao
Áp lực gió theo độ cao qp(z) ở độ cao z được xác định theo
công thức:


11
2 ( z)  C ( z)* q
q p ( z)  [1  7* Iv ( z)] / 2*  * vm
e
p

2.2.4. Tác động của gió
2.2.4.1. Áp lực gió lên bề mặt công trình
Áp lực gió tác dụng vào bề mặt bên ngoài công trình, We,
được xác định theo biểu thức
We = qp(ze) * Cpe
Trong đó :
- qp(ze): là giá trị áp lực gió theo độ cao
- Cpe : là hệ số áp lực gió cho các mặt bên ngoài
- ze: là chiều cao tham chiếu cho áp lực bên ngoài
Áp lực gió tác dụng vào bề mặt bên trong công trình, Wi, được
xác định theo biểu thức
Wi = qp(zi) * Cpi
Trong đó :
- qp(zi): là giá trị áp lực gió theo độ cao
- Cpi : là hệ số áp lực gió cho các mặt bên trong

- zi: là chiều cao tham chiếu cho áp lực bên ngoài xem
2.2.4.2. Tải trọng gió
2.2.5.
Các hệ số kết cấu: CsCd
2.2.5.1. Khái niệm chung
2.2.5.2. Một số trường hợp xác định nhanh CsCd
2.2.5.3. Trình tự tính toán
2.2.5.4. Hệ số B2, R2, kp
2.3. Kết luận
Trong chương 2, phương pháp tính toán tải trọng gió theo
TCVN 2737-1995 và lý thuyết khí động kết hợp Tiêu chuẩn Eurocode
EN 1991-1-4 được trình bày cụ thể. Trong đó, để ứng dụng được lý
thuyết khí động trong tính toán tải trọng gió phải xây dựng được mô
hình tải trọng gió từ phương pháp mô phỏng ngẫu nhiên. Vấn đề này
sẽ được trình bày trong ví dụ tính toán ở chương 3.


12
CHƯƠNG 3
VÍ DỤ TÍNH TOÁN MINH HỌA
3.1. Giới thiệu công trình tính toán
Công trình được lựa chọn để tính toán là một công trình giả
định: Công trình dân dụng gồm 21 tầng, chiều cao tầng điển hình
3,6m, tổng chiều cao 76,65m, tường xây gạch 220mm, xây trên tất cả
các dầm. Công trình được xây dựng tại Thành phố Nha Trang với
các thông tin như sau:
Giải pháp kết cấu phần thân:
Giải pháp kết cấu lựa chọn sử dụng cho phần thân là hệ kết
cấu khung bê tông cốt thép (cột, lõi, dầm, sàn) đổ toàn khối, theo mặt
bằng tầng điển hình dưới đây:

Vật liệu sử dụng:
* Bê tông:
Bê tông cọc, đài, giằng móng, giằng tường, lanh tô và thang bộ
sử dụng bê tông cấp độ bền B22,5 (tương đương mác 300) có cường
độ tính toán về nén, Rn = 130 (daN/cm2); cường độ tính toán về kéo,
Rk = 10 (daN/cm2)
Bê tông cột, lõi, dầm sàn sử dụng bê tông cấp độ bền B30
(tương đương mác 400) có cường độ tính toán về nén, Rn = 170
(daN/cm2); cường độ tính toán về kéo, Rk = 12 (daN/cm2)
Bê tông lót sử dụng có cấp độ bền B15 (mác 200)
* Cốt thép:
Với cốt thép  <10 dùng loại AI có cường độ tính toán Ra =
2300 (daN/cm2) Với cốt thép 10    16 dùng loại AII có cường độ
tính toán Ra = 2800 (daN/cm2) Với cốt thép

  18dùng loại AIII có

cườg độ tính toán Ra = 3650 (daN/cm2)
Cốt thép hình sử dụng thép CT3.
* Tường xây:
Sử dụng tường xây gạch, vữa ximăng mác 75.


13
Gạch xây sử dụng loại gạch chỉ và gạch lỗ. Khối xây 110 sử
dụng gạch chỉ; khối xây 220 sử dụng gạch lỗ, hàng quay ngang sử
dụng gạch chỉ.
* Tải trọng
Tĩnh tải:
- Tĩnh tải tác dụng lên bản sàn: 1,4 (KN/m2).

- Tĩnh tải tường 220 mm: 12,65 (KN/m)
Hoạt tải:
- Hoạt tải sàn : 2,4 (KN/m2)
- Hoạt tải mái: 0,9 (KN/m2)
3.1.1. Xác định chu kỳ, tần số dao động của công trình.
Khi tính toán tải trọng gió theo 2 tiêu chuẩn Việt Nam TCVN
2737-1995 và Tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode EN 1991-1-4. Ta đều
phải xác định các thông số về dao động của công trình. Ở đây, xác
định thông qua phần mềm tính toán kết cấu Etabs. Thông số về dao
động của công trình được xác định theo trình tự như sau.
- Xây dựng mô hình, Check model.
- Gán tải trọng sàn gồm: Tĩnh tải, hoạt tải.
- Gán liên kết Restraints ( Support…)
- Khai báo khối lượng tầng Mass Sourse… (TT+0,5HT).
- Khai báo tâm cứng cho từng tầng Diaphrams.
- Chia ảo cho sàn.
- Phân tích mô hình.
Kết quả chu kỳ và tần số dao động
Mode dao động
1
3

Tần số góc
1.6142
1.8254

Chu kỳ (s)
3.893
3.442

Tần số (Hz)
0.257
0.291


14
3.2. Đáp ứng của kết cấu theo tiểu chuẩn TCVN 2737-1995
3.2.1. Giá trị tính toán thành phần tĩnh của tải trọng gió
Công thức tính giá trị tính toán thành phần tĩnh của tải trọng
gió W ở độ cao Z:

w tt  n * W0 * K * C (kN / m2 )
Trong đó:
- Wo: giá trị áp lực gió lấy theo bản đồ phân vùng. Công trình
xây dựng trên TP Nha Trang, thuộc vùng IIA có Wo= 0,95(kN/m2).
- C: hệ số khí động, xác định bằng cách tra bảng 6. TCVN
2737-1995
+ Phía đón gió: C= +0,8.
+ Phía khuất gió: C= -0,6.
- K: hệ số tính đến sự thay đổi của áp lực gió theo độ cao.
- n: hệ số độ tin cậy của tải trọng gió lấy bằng 1,2.
Tải trọng quy về thành các lực tập trung tại tâm hình học của
từng sàn theo các phương xác định theo công thức:
Tj = (WĐ+WH) * Si
Với Si là diện tích mặt đón gió theo phương đang xét.
Tải trọng gió tĩnh tác dụng lên các mức sàn
Z
Kj
Wjtt
SjX

TjX
SjY
TjY
Tầng
2
2
2
(m)
(KN/m ) (m )
KN
(m )
KN
1
3,45 0,818
1,31
121,5 158,62 216 281,99
2
7,35 0,936
1,49
87,8 131,09 156 233,04
3
11,25 1,020
1,63
84,4 137,36 150 244,19
4
14,85 1,087
1,73
81
140,52 144 249,82
5

18,45 1,115
1,78
81
144,14 144 256,25
6
22,05 1,148
1,83
81
148,41 144 263,84
7
25,65 1,183
1,89
81
152,93 144 271,88
8
29,25 1,213
1,94
81
156,81 144 278,78
9
32,85 1,237
1,97
81
159,91 144 284,29
10
36,45 1,259
2,01
81
162,76 144 289,35
11

40,05 1,280
2,04
81
165,47 144 294,17


15
Z
(m)
43,65
47,25
50,85
54,45
58,05
61,65
65,25
68,85
72,45
76,65

Tầng
12
13
14
15
16
17
18
19
20

21

Kj
1,302
1,324
1,343
1,358
1,372
1,386
1,398
1,411
1,424
1,438

Wjtt
(KN/m2)
2,08
2,11
2,14
2,17
2,19
2,21
2,23
2,25
2,27
2,30

SjX
(m2)
81

81
81
81
81
81
81
81
76,8
37,8

TjX
SjY
KN
(m2)
168,32 144
171,16 144
173,62 144
175,56 144
177,37 144
179,18 144
180,73 144
182,41 144
174,61 156
86,75 28,4

TjY
KN
299,23
304,29
308,65

312,10
315,32
318,54
321,29
324,28
354,54
65,06

3.2.2. Giá trị tính toán thành phần động của tải trọng gió:
- Xác định thành phần động của tải trọng gió (mode 1)

-

Xác định hệ số tương quan không gian với dạng dao
động đầu tiên


16
Kết quả tính toán gió WFj
Tầng
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21

Wjtt
(kN/m2)
1,31
1,49
1,63
1,73
1,78
1,83
1,89
1,94
1,97
2,01
2,04
2,08
2,11
2,14
2,17
2,19

2,21
2,23
2,25
2,27
2,30

Sj
(m2)
121,5
87,8
84,4
81
81
81
81
81
81
81
81
81
81
81
81
81
81
81
81
76,8
37,8

ζj

υ1

0,517
0,502
0,482
0,472
0,461
0,454
0,449
0,444
0,439
0,434
0,429
0,426
0,423
0,421
0,418
0,415
0,413
0,411
0,410
0,408
0,406

0,633

WFji
(kN)

51,91
41,65
41,91
41,98
42,06
42,65
43,47
44,07
44,44
44,71
44,94
45,39
45,83
46,27
46,45
46,59
46,84
47,02
47,34
45,10
22,30


17
- Xác định thành phần động của tải trọng gió (mode 3)

Kết quả tính toán gió WFj
Tầng
1
2

3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14

Wjtt
2)

(kN/m
1.31
1.49
1.63
1.73
1.78
1.83
1.89
1.94
1.97
2.01
2.04
2.08
2.11

2.14

Sj
(m2)
121.5
87.8
84.4
81
81
81
81
81
81
81
81
81
81
81

ζj

υ1

0.517
0.502
0.482
0.472
0.461
0.454
0.449

0.444
0.439
0.434
0.429
0.426
0.423
0.421

0.719

WFji
(kN)
58.96
47.31
47.60
47.69
47.78
48.44
49.37
50.06
50.48
50.79
51.04
51.55
52.06
52.55


18
Tầng

15
16
17
18
19
20
21

Wjtt
(kN/m2)
2.17
2.19
2.21
2.23
2.25
2.27
2.30

Sj
(m2)
81
81
81
81
81
76.8
37.8

ζj

υ1

0.418
0.415
0.413
0.411
0.410
0.408
0.406

3.3. Đáp ứng động ngẫu nhiên của kết cấu
3.3.1. Mô hình tải trọng gió

Minh họa vận tốc gió và cường độ rối

WFji
(kN)
52.76
52.92
53.21
53.41
53.77
51.22
25.32


19
+ Tải trọng gió ngẫu nhiên
Trong nội dung luận văn, tải trọng gió ngẫu nhiên được tạo
ra từ phổ Kaimal (Kaimal spectrum). Mô hình phổ Kaimal biễu diễn

mối quan hệ giữa biên độ phổ và ba tham số liên quan đến tải trọng
gió: chiều cao công trình (z), vận tốc gió trung bình (U) và vận tốc
ma sát (u*).
Hình bên dưới minh họa phổ Kaimal cho trường hợp
z  70(m), U  25(m / s), u*  1(m / s)

Hình 3.7. Minh họa phổ Kaimal


20

Hình 3.8. Minh họa vận tốc gió
3.3.2. Đáp ứng của kết cấu

Kịch bản tải trọng gió theo tiêu chuẩn Eurocode


21
3.3.3. Kết quả tính toán

Giá trị lực cắt

Giá trị momen


22
3.4. So sánh và nhận xét kết quả tính toán
Bảng 3.5. Kết quả tính toán với mode 1
Tiêu chuẩn

Lực cắt (kN)

Moment (kNm)

TCVN 2737-1995

0,42x10

3

17,46x103

Lý thuyết khí động

0,45 x103

19,17x103

Sai số

8,26%

9,8%

Bảng 3.6. Kết quả tính toán với mode 3
Tiêu chuẩn

Lực cắt (kN)

Moment

(kNm)

TCVN 2737-1995

2,01x10

3

77,01x103

Lý thuyết khí động

2,15 x103

84,25x103

Sai số

7,5%

9,4%

Nhận xét:
Căn cứ vào kết quả của bài toán, chúng ta nhận thấy sai số của
giá trị lực cắt và moment tại chân cột trong hai trường hợp đều nhỏ
hơn 10%. Điều này khẳng định một cách gần đúng rằng có thể sử dụng
phương pháp tải trọng gió ngẫu nhiên theo lý thuyết khí động để phân
tích đáp ứng của kết cấu trong điều kiện địa hình Việt Nam.
3.5. Kết luận
Chương 3 đã thực hiện phân tích đáp ứng của kết cấu nhà

cao tầng chịu tải trọng gió theo phương pháp tải trọng gió tĩnh dựa
vào TCVN 2737-1995 và theo phương pháp tải trọng gió ngẫu nhiên
dựa vào lý thuyết khí động học kết hợp tiêu chuẩn Eurocode En
1991-1-4.
Kết quả tính toán cho một công trình có chiều cao 77m, kích
thước mặt bằng 22x40 (mxm) được thể hiện đầy đủ. Ưu điểm của lý
thuyết khí động là kết hợp tính ngẫu nhiên của tải trọng gió.


23
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. KẾT LUẬN
Gió là một hiện tượng trong tự nhiên hình thành do sự
chuyển động của không khí. Gió bão gây áp lực lớn lên công trình,
rất nguy hiểm và có sức phá hoại rất lớn. Thông thường khi phân tích
đáp ứng của kết cấu, chúng ta xem tải trọng gió tác dụng lên công
trình với giá trị trung bình của gió. Đại lượng trung bình này được
bắt nguồn từ tốc độ gió trung bình và các lực gió biến thiên được tạo
ra bởi các trường dòng chảy biến thiên. Hơn nữa, các hiệu ứng của
lực gió biến thiên trên các công trình không chỉ phụ thuộc vào đặc
điểm của lực này mà còn phụ thuộc vào kích thước và đặc trưng dao
động của tòa nhà.
Chính vì vậy, các hiệu ứng tải trọng tối đa lên tòa nhà cần
phải được phân tích bằng phương pháp ứng động lực học, trong đó
tải trọng gió phải được coi là ngẫu nhiên theo thời gian.
Trong luận văn này, tác giả đã ứng dụng lý thuyết khí động
kết hợp với Tiêu chuẩn Eurocode để phân tích đáp ứng của kết cấu.
Ưu điểm của lý thuyết khí động là kết hợp tính ngẫu nhiên của tải
trọng gió. Kết quả của ví dụ minh họa cho phép chúng ta kết luận
rằng có thể sử dụng phương pháp tải trọng gió ngẫu nhiên theo lý

thuyết khí động để phân tích đáp ứng của kết cấu trong điều kiện địa
hình Việt Nam.
2. KIẾN NGHỊ
Luận văn chưa xét đến điều kiện địa hình cụ thể ở Việt Nam
khi tính theo lý thuyết khí động và tiêu chuẩn Eurocode nên kết quả
của hai phương pháp còn có thể sai khác điều này cần có các nghiên
cứu tiếp theo trong tương lai. Chính vì vậy, khi áp dụng tiêu chuẩn
của Châu Âu vào tính toán thành phần tải trọng gió tác dụng lên các
công trình ở Việt Nam, đòi hỏi cần phải có những điều chỉnh trong