NGHIEN CU NG DNG CU DM THEP LIEN h

1

TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ THEO CÁC
TIÊU CHUẨN KHÁC NHAU
1. Đỗ Đức Tín
Công ty TNHH ĐT & XD Trường Thành Phát
Địa chỉ: 88A/4 Đường 5 - KCN Biên Hòa - P. An Bình - TP. Biên Hòa - T. Đồng Nai
Mail:
2. Trần Đình Lợi
Địa chỉ: 88A/4 Đường 5 - KCN Biên Hòa - P. An Bình - TP. Biên Hòa - T. Đồng Nai
Mail:
TÓM TẮT:
Khi thiết kế nhà cao tầng bên cạnh việc thiết kế kiến trúc người kỹ sư cần lưu ý việc thiết kế kết
cấu cho công trình, nó giữ vai trò quyết định đến khả năng chịu lực, bền vững và ổn định cho công
trình. Một trong những vấn đề mà người thiết kế cần quan tâm đó là việc xác định tải trọng ngang,
đặc biệt là tải trọng gió, nó giữ vai trò quyết định đến nội lực và chuyển vị của công trình.
Nhóm nghiên cứu lựa chọn đề tài “Tính toán tải trọng gió theo các tiêu chuẩn khác nhau” để
khảo sát cách tính toán và tổ hợp tải trọng gió giữa các tiêu chuẩn, giúp người thiết kế có thể lựa chọn
phương pháp tính phù hợp với điều kiện ở Việt Nam.

1. Đặt vấn đề:
Đối với nhà cao tầng, khi tính toán và thiết kế cần quan tâm đến ảnh hưởng của tải trọng
ngang, đặc biệt là tải trọng gió. Trước tiên ta cần hiểu rõ một số khái niệm về tải trọng gió:
Tải trọng gió tác động lên công trình là lực đẩy ngang của gió tác động vào công trình.

Hình 1 Một số hình ảnh về tải trọng gió
Dao động công trình: Dao động của kết cấu có thể phân ra 2 loại: dao động tự do (còn
gọi là dao động riêng) và dao động cưỡng bức. Dao động riêng (tức dao động tự do) là: khi
kết cấu chịu tác động của một loại nhiễu động nào đó mà sinh ra dao động rồi khi không còn
ngoại lực nữa mà chỉ dao động dưới tác động của lực hồi phục đàn hồi của bản thân hệ mà
thôi. Dao động cưỡng bức là chỉ dao động của kết cấu sinh ra do tác động được duy trì của

một lực cưỡng bức bên ngoài biến thiên theo một quy luật nhất định.
Tần số dao động riêng là số lần dao động hoàn chỉnh trong một giây không kể đến lực
tác động bên ngoài hệ.
Dạng dao động ứng với các tần số dao dộng riêng: hệ có hai bậc tự do thì sẽ tồn tại 2
dạng dao động. Khái quát hóa: hệ có n bậc tự do thì có n dạng dao động riêng.


2

Hình 2 Mô hình dao động uốn của dầm có 2 bậc tự do
Mục tiêu của nhóm nghiên cứu là trình bày cách tính toán tải trọng gió theo ba tiêu
chuẩn để thấy được phương pháp tổ hợp tải trọng gió khác nhau như thế nào? Làm cơ sở để so
sánh và đánh giá cách ứng xử của kết cấu dưới tác động của tải trọng gió thông qua diện tích
cốt thép.
2. Phương pháp nghiên cứu:
2.1 Đối tượng nghiên cứu
Tải trọng gió tác động vào công trình nhà cao tầng ở Việt Nam.
2.2 Phương pháp phân tích dữ liệu
Việc tính toán và thiết kế chính theo tiêu chuẩn TCVN 2737: 1995 , TCXD 229: 1999
và các tiêu chuẩn nước ngoài như: tiêu chuẩn Anh BS 6399 Part 2: 1995, tiêu chuẩn Mỹ
ASCE7-98 tính toán tải trọng gió cho nhà cao tầng.
Bước đầu phải quy đổi các thông số đầu vào cho phù hợp với điều kiện tính toán ở Việt
Nam, tiếp tục tổ hợp tải trọng. Cuối cùng sử dụng phần mềm etabs để tính toán nội lực và cốt
thép.
2.2.1 Tính toán tải trọng gió theo TCVN (Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam 27371995)

2.2.1.1. Tính toán thành phần gió tĩnh
Giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của tải trọng gió W ở độ cao Z so với mốc chuẩn
được xác định theo công thức:
W = W0 × k × c

Trong đó:
 W0: giá trị của áp lực gió theo bản đồ phân vùng
 k: hệ số tính đến sự thay đổi của áp lực gió theo độ cao
 c: hệ số khí động
 Hệ số độ tin cậy của tải trọng gió lấy bằng 1,2
2.2.1.2. Tính toán thành phần động
Tính gió động khi chiều cao công trình H > 40m.
Mô hình tính gió động là thanh conson, có n điểm tập trung khối lượng M tại các cao
trình sàn tầng.
Chia công trình thành n phần sao cho mỗi phần có vùng áp lực gió lên bề mặt công trình
có thể coi như không thay đổi.
Vị trí tập trung các khối lượng m tại tâm khối lượng của từng sàn.
Khối lượng tiêu chuẩn của từng sàn m được tính toán từ các tải trọng bao gồm: toàn bộ
tĩnh tải và 50% hoạt tải.
Độ cứng của thanh conson lấy bằng độ cứng tương đương của công trình thật.
Xác định các tần số dao động riêng của công trình, xếp theo thứ tự tăng dần và các dạng
dao động riêng ứng với các tần số dao động riêng tương ứng.
So sánh tần số dao động thứ 1 ( f1 ) với tần số giới hạn fL (theo TCXD 229 -1999)
Nếu f1 > fL thì giá trị tiêu chuẩn của thành phần động của gió lên các phần tính toán của
công trình chỉ kể đến xung vận tốc gió.
Nếu f1 < fL thì giá trị tiêu chuẩn của thành phần động của gió lên các phần tính toán của
công trình phải kể đến ảnh hưởng của cả xung vận tốc gió và lực quán tính của công trình.
2.2.1.3. Giá trị tính toán thành phần động của tải trọng gió
Được xác định theo công thức:


3
W tt  W . .
Trong đó:


W tt : là giá trị tính toán thành phần động của tải trọng gió.
 W : là giá trị tiêu chuẩn thành phần động của tải trọng gió hoặc áp lực gió.
  : là hệ số độ tin cậy đối với tải trọng gió,  lấy bằng 1,2.
  :là hệ số điều chỉnh tải trọng gió theo thời gian sử dụng giả định của công
trình.
2.2.1.4 Tổ hợp nội lực của tải trọng gió ( gió tĩnh + gió động )
Nội lực và chuyển vị gây ra do thành phần tĩnh và động của tải trọng gió được xác định
như sau:

X  Xt 

s

(X
i 1

d 2
i

)

Trong đó:
 X: moment uốn (xoắn), lực dọc, lực cắt hoặc chuyển vị.
 Xt: moment uốn (xoắn), lực dọc, lực cắt hoặc chuyển vị do thành phần tĩnh của
tải trọng gió gây ra.
 Xdi: moment uốn (xoắn), lực dọc, lực cắt hoặc chuyển vị do thành phần động của
tải trọng gió gây ra.
 S: số dạng dao động tính toán.
2.2.2 Tính toán tải trọng gió theo TC Anh (BS 6399: 1995)
2.2.2.1 Áp lực động

Giá trị của áp lực động qs được xác định bỡi công thức:

qs  0,613 Ve2 ( N / m2 )
Trong đó:
 qS: là áp lực động ( N/m2 )
 Ve: tốc độ gió hiệu quả (m/s)
2.2.2.2 Tải trọng gió toàn phần

P  0,85( Pfront   Prear )(1  Cr )
Trong đó:




P
P

front

: Thành phần tải gió tác dụng lên mặt đón gió.

rear

: Thành phần tải gió tác dụng lên mặt khuất gió.

Cr : hệ số tăng động năng.
2.2.2.3 Tốc độ gió hiện trường
Vs  Vb  Sa  Sd  Ss  S p

Trong đó:

 Vb: tốc độ gió cơ bản
 Sa: hệ số độ cao
 Sd: hệ số hướng
 Ss: hệ số thay đổi theo mùa
 Sp: hệ số xác suất
2.2.2.4 Tốc độ gió hiệu quả
Ve  Vs  Sb
Trong đó:
+ Vs: tốc độ gió hiện trường


4
+ Sb: hệ thay đổi phụ thuộc vào chiều cao và dạng địa hình
2.2.2.5 Áp lực lên mặt ngoài công trình
pe  qs  C pe  Ca
Trong đó:
 Ca: yếu tố ảnh hưởng kích cỡ đối với áp lực ngoài
 Cpe: hệ số áp lực ngoài đối với bề mặt của công trình
2.2.2.6 Áp lực lên mặt trong công trình
pi  qs  C pi  Ca
Trong đó:
 Cpi: hệ số áp lực trong đối với bề mặt của công trình
 Ca: yếu tố ảnh hưởng kích cỡ đối với áp lực trong
2.2.2.7 Áp lực ròng tác dụng lên bề mặt công trình
Áp lực ròng p làm xuyên qua một bề mặt được xác định như sau:
 Đối với những công trình xây dựng: p  pe  pi
 Đối với những mái che đứng tự do: p  qs  C p  Ca
Với: Cp: hệ số áp lực thực cho bề mặt mái che.
2.2.2.8 Tải trọng gió tác dụng lên bề mặt công trình
P  p A

Trong đó:
 p: áp lực ròng tác dụng lên bề mặt
 A: diện tích truyền tải
2.2.3 Tính toán tải trọng gió theo TC Mỹ (ASCE – 78, 2003)
2.2.3.1 Áp lực gió
qz  0,613K z K zt KdV 2 I ( N / m2 )
Trong đó:
 V: Vận tốc gió cơ bản
 Kd: Hệ số hướng
 I: Hệ số quan trọng
 Kz: Hệ số tiếp xúc
 Kzt: Hệ số địa hình
2.2.3.2 Xác định hệ số tác động theo từng cơn G và Gf
Đối với các kết cấu cứng, hệ số tác động theo từng cơn G = 0,85 hoặc tính theo công
thức:

 (1  1, 7 gQ I z Q) 
G f  0,925 
 1  1, 7 g I 
v z


Đối với các kết cấu đàn hồi thì hệ số tác động theo từng cơn Gf được xác định theo công
thức sau:
 (1  1, 7 g 2 Q 2  g 2 R 2 ) 
Q
R

G f  0,925 



1  1, 7 g v I z


2.2.3.3 Tải trọng gió thiết kế
 Đối với các công trình có kết cấu cứng cho tất cả các chiều cao:
p  qGC p  qi (GC pi );( N / m2 )
 Đối với các công trình có kết cấu đàn hồi:
p  qG f C p  qi (GC pi );( N / m2 )


5
Trong đó:
 q = qz : đối với tường đón gió ở độ cao z so với mặt đất.
 q = qh : đối với tường khuất gió, tường thu hồi và mái được xác định với chiều cao mái
trung bình h.
 qi = qh : đối với tất cả tường và mái cho công trình bao che.
 G, Gf : hệ số tác động theo từng cơn.
 Cp: hệ số áp lực ngoài
 (GCPi) : hệ số áp lực trong
3. Kết quả:
3.1 Ví dụ tính toán và áp dụng phần mềm Etabs để tính nội lực
Tính tải trọng gió tác dụng lên công trình tại thành phố Hồ Chí Minh có chiều dài công
trình L = 40 m, chiều rộng B = 38 m, chiều cao công trình H = 46,8 m.
Mặt bằng công trình hình chữ nhật đối xứng.
Sử dụng phần mềm Etabs để mô hình công trình, tính toán nội lực cho các kết cấu
trong khung.
Công trình có qui mô 13 tầng, chiều cao tầng trệt là 3,9m; chiều cao tầng điển hình là
3,6m , tầng mái là 3,3m được xây dựng tại thành phố Hồ Chí Minh.
Sơ bộ chọn chiều sâu chôn móng là 2m. Dùng vật liệu bê tông B25, cốt thép dọc AII,

cốt thép đai AI . Hoạt tải tiêu chuẩn toàn phần Ptp = 200 kG/m2 , hoạt tải mái Pmái = 75 kG/m2
( np = 1,2 ), tĩnh tải tính toán các lớp cấu tạo sàn g = 120 kG/m2, tường 20 cm được xây trên
tất cả các dầm.

Hình 3 Mặt bằng công trình


6

Hình 4 Mô hình tính toán
3.2 So sánh giá trị tải trọng gió theo TCVN, TC Anh, TC Mỹ:
Bảng 1 Giá trị tải trọng gió theo các tiêu chuẩn
Theo TCVN 2737-1995
Tầng

Theo TC Anh

Theo TC Mỹ

Phương X

Phương Y

Phương X

Phương Y

Phương X

Phương Y

(KN)

(KN)

(KN)

(KN)

(KN)

(KN)

1

333,9

317,03

281,97

267,87

221,106

232,744

2

239,12

226,86

217,07

206,21

146,132

153,823

3

261,68

248,22

248,17

235,76

151,677

159,660

4

280,48

265,7

267,56

254,19

155,890

164,094

5

299,14

283,41

282,54

268,41

159,321

167,706

6

316,86

300,58

293,87

279,18

162,232

170,771

7

334,14

317,34

302,51

287,38

164,772

173,444

8

351,75

334,74

311,34

295,78

167,031

175,822

9

367,4

350,58

317,58

301,70

169,070

177,968

10

382,31

365,71

322,86

306,72

170,931

179,927

11

397,0

381,28

328,24

311,83

172,645

181,732

12

397,55

383,38

319,71

303,73

166,976

175,765

13

193,73

187,4

155,11

147,35

80,484

84,720


7
Nhận xét :
+ Giá trị các thông số đầu vào của bài toán thiết kế là như nhau.
+ Dựa vào bảng 3.1 ta thấy, giá trị tải trọng gió theo TCVN là lớn hơn giá trị tải trọng gió
theo TC Anh và Mỹ vì:
 Cụ thể là TC Anh và Mỹ sử dụng vận tốc gió hay áp lực gió cơ sở lấy trung bình trong
khoảng thời gian: 1 giờ (Anh), 3 giây (Mỹ) tại độ cao 33ft ≈ 10m , chu kỳ lặp thông
thường là 50 năm.
 Do sự sai khác về các hệ số ảnh hưởng của độ cao, dạng địa hình.
3.3 So sánh diện tích cốt thép dầm
Bảng 2 Giá trị cốt thép theo các tiêu chuẩn

Cốt thép chịu

M


max

Cốt thép chịu

M


max

Theo TCVN 2737-1995

Theo TC Anh

Theo TC Mỹ

6,209 cm2

6,548 cm2

7,603 cm2

12,958 cm2

13,499 cm2

14,849 cm2

Nhận xét:
+ Diện tích cốt thép dầm trục C/ nhịp 10-11 theo 3 tiêu chuẩn chênh lệch nhau không
nhiều.
+ Diện tích cốt thép chịu moment dương nhỏ hơn nhiều so với diện tích cốt thép chịu
moment âm.
+ Giá trị tải trọng gió theo TCVN lớn hơn giá trị tải trọng gió theo TC Anh và Mỹ nhưng
diện tích cốt thép lại nhỏ hơn vì:
 Có sự khác biệt về cách tổ hợp tải trọng giữa các tiêu chuẩn
 Cách tính toán cốt thép giữa các tiêu chuẩn là khác nhau
 Hệ số giảm độ bền của vật liệu theo tiêu chuẩn Anh và Mỹ
4. Bàn luận:
Qua quá trình tính toán, thiết kế và so sánh nhóm nghiên cứu đưa ra một số lưu ý khi
tính toán tải trọng gió cho nhà cao tầng:
Khi tính toán tải trọng gió đối với nhà cao tầng cần hiểu và xác định đúng các giá trị đầu
vào để thiết kế vì nhà cao tầng khác với nhà thấp tầng là sự ứng xử của tải trọng ngang nổi
trội so với tải trọng đứng.
Khi sử dụng các tiêu chuẩn nước ngoài (TC Anh, TC Mỹ…) để thiết kế cần chuyển đổi
số liệu đầu vào cho phù hợp với đặc trưng tính toán của các tiêu chuẩn đó so với các đặc trưng
tính toán của tiêu chuẩn việt Nam.
Khi tiến hành nghiên cứu đề tài “ Tính toán tải trọng gió theo các tiêu chuẩn khác
nhau ” với kiến thức còn hạn chế, tài liệu tham khảo còn ít, vì vậy nội dung đề tài còn hạn chế,
chưa đi sâu giải quyết hết được những vấn đề quan tâm của các kỹ sư thiết kế nhưng chúng
Tôi hy vọng mở ra một hướng mới trong quá trình thiết kế nhà cao tầng, đề tài sớm được ứng
dụng vào thực tế.
5. Lời cảm ơn:
Lời đầu tiên chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Th.S Nguyễn Quốc Thông đã trực
tiếp hướng dẫn chúng em thực hiện đề tài. Thầy đã nhiệt tình chỉ dẫn và giúp chúng em hoàn
thành đề tài đồng thời chúng em học tập thêm được rất nhiều về kiến thức chuyên môn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy, cô trong khoa Kỹ Thuật Công Trình
đã tận tình giúp đỡ chúng em trong quá trình thực hiện đề tài.

8
Qua đây chúng em cũng rất biết ơn đến những lời động viên khích lệ tinh thần từ phía
bạn bè và nhất là những người thân trong gia đình đã giúp chúng em vững bước để hoàn
thành tốt đề tài nghiên cứu.

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam 2737-1995, Tải trọng và tác động – tiêu chuẩn thiết kế.
Tiêu chuẩn xây dựng 229-1999, Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió theo
TCVN 2737-1995, Nxb Xây dựng.
ASCE – 78: Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, published by
American Society of Civil Engineers, 1801 Alexander Bell Drive Reston, Virginia 20191 –
4400, 2003.
BS 6399: 1995 Loading for buildings: Part 2. Code of practice for wind loads.