So sánh giá trị thành phần tĩnh và thành phần động của tải trọng Gió

KetcauSoft - Phát triển phần mềm thiết kế kết cấu Việt Nam

http://www.ketcausoft.com

1

So sánh giá trị thành phần Tĩnh và thành phần Động của tải trọng Gió

Hồ Việt Hùng

Bài viết này tiến hành một số ví dụ tính toán để đánh giá tỉ lệ giữa thành phần động và thành phần tĩnh của

tải trọng Gió trong nhà cao tầng. Các ví dụ cũng tiến hành khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố tới tỉ trọng của

thành phần động. Kết quả cho thấy đối với các điều kiện thường gặp trong thiết kế, thì tỉ trọng của thành

phần động nằm trong một khoảng nhất định, do đó trong thiết kế, khi cần tính toán nhanh để kiểm tra sơ bộ,

có thể sử dụng một tỉ trọng giả thiết để xác định giá trị của thành phần động của tải trọng Gió.

1. Cơ sở lý thuyết

Phương pháp xác định thành phần tĩnh và thành phần động của tải trọng Gió theo tiêu

chuẩn Việt Nam được đề cập đến trong các tiêu chuẩn TCVN 2737-1995 (Tải trọng và tác

động) và TCXD 229-1999 (Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng Gió). Theo

TCVN 2737-1995 mục 6.2, đối với các công trình bê tông cốt thép cao trên 40m thì cần

phải tính toán thành phần động của tải trọng Gió.

Giá trị thành phần động của tải trọng Gió tác dụng lên tầng thứ j trong dạng dao động riêng

thứ nhất đối với công trình có tần số f1 < fL có thể được xác định như sau:

j

jj

jjTjjj

pjM

WMW

..

.

....2

(1)

Trong đó:

Mj và j: khối lượng và chuyển vị tỉ đối của tầng thứ j

WTj: giá trị thành phần tĩnh của tải trọng Gió tác dụng tập trung lên tầng thứ j

j: hệ số áp lực động tại cao độ tầng thứ j, phụ thuộc độ cao và dạng địa hình.

: hệ số tương quan không gian, phụ thuộc kích thước công trình

1: hệ số động lực ứng với dạng dao động thứ 1, phụ thuộc tần số dao động và áp

lực gió

Tổng giá trị thành phần động của tải trọng Gió tác dụng lên công trình (Lực cắt đáy) được

xác định như sau:

j

jj

jjTjjj

pjM

WMW

..

.

....2

(2)

Trong trường hợp khối lượng của tất cả các tầng bằng nhau, công thức số (2) có thể viết

lại thành:

j

j

jjTjj

pj

WW

..

...2

(3)

So sánh giá trị thành phần Tĩnh và thành phần Động của tải trọng Gió HỒ VIỆT HÙNG



2

Từ công thức số (1) có thể thấy rằng giá trị của thành phần động phụ thuộc khá nhiều yếu

tố, bao gồm: độ cứng của công trình; tỉ lệ H/B (chiều cao / bề rộng đón gió); dạng địa hình;

và dạng của dạng dao động (hay quy luật của chuyển vị tỉ đối). Ví dụ trong mục 2 sẽ tiến

hành so sánh giá trị của thành phần động và thành phần tĩnh của tải trọng gió, đồng thời

khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố kể trên tới tỉ lệ giữa hai thành phần.

2. Ví dụ tính toán.

Ví dụ so sánh lực cắt đáy của thành phần động trong dạng dao động thứ nhất và thành

phần tĩnh của tải trọng gió. Các giả thiết sử dụng bao gồm:

Hệ số an toàn đối với các tải trọng: = 1.2

Giá trị tiêu chuẩn của áp lực gió: Wo = 95 kG/m2

Dạng địa hình: B

Chiều cao các tầng: hj = 3.3m

Bề rộng đón gió của công trình: B = 40m

Chu kỳ dao động xác định theo công thức: T = n / 9, trong đó n là số tầng.

Chuyển vị tỉ đối của tầng thứ j được xác định theo công thức: j = j / n

Chiều cao công trình: H = n . hj

Lực cắt đáy của thành phần động được xác định theo công thức số (3) tại mục 1.

Tiến hành khảo sát cho công trình từ 15 tầng đến 60 tầng.

Giá trị lực cắt đáy do thành phần động và thành phần tĩnh trong các trường hợp chiều cao

tầng khác nhau được thể hiện trong Hình 1

Hình 1. Giá trị thành phần động và thành phần tĩnh của tải trọng Gió




3

Tỉ lệ tính theo phần trăm giữa thành phần động thành phần tĩnh được thể hiện trong Hình 2

Hình 2. Tỉ lệ giữa thành phần động và thành phần tĩnh

Có thể thấy, trong trường hợp đang xét, thì tỉ lệ giữa thành phần động trên thành phần Tĩnh

xấp xỉ khoảng 40%. Khi số tầng tăng lên, trong giai đoạn đầu thì tỉ trọng của thành phần

động tăng lên, đó là do trong giai đoạn này hệ số động lực tăng đều (cho đến khi đạt 0.15

– tham khảo thêm biểu đồ quan hệ giữa hệ số động lực và trong mục 4.2 tiêu chuẩn

TCXD 229-1999); sau đó khi > 0.15 thì hệ số động lưc không tăng nữa, trong khi hệ số áp

lực động tiếp tục giảm theo chiều cao, do đó tỉ trọng của thành phần động trong giai đoạn

này có xu hướng giảm dần.

2.1. Khảo sát ảnh hưởng của độ cứng

Độ cứng ảnh hưởng đến chu kỳ hay tần số dao động riêng của công trình. Trong công thức

tính toán thành phần động của tải trọng gió, thì tần số được sử dụng để xác định hệ số

động lực thông qua .

Ví dụ trên sử dụng giả thiết chu kỳ dao động được xác định theo công thức T = n / 9.

Để xét ảnh hưởng của độ cứng tới tỉ trọng của thành phần động, ta giả thiết vai trò của độ

cứng thông qua hệ số k và xác định chu kỳ theo công thức T = n / k. Khi k càng lớn nghĩa

là độ cứng của công trình càng lớn. Trong các tài liệu tham khảo, k thường được chọn

bằng 10. Tuy nhiên tính toán thực tế cho thấy k thường có giá trị bằng 9.

Để xét ảnh hưởng của độ cứng, lần lượt xét các giá trị của k bằng 7, 9, và 11.

Tỉ trọng của thành phần động trong các trường hợp độ cứng khác nhau được thể hiện

trong Hình 3




4

Hình 3. Khảo sát ảnh hưởng của độ cứng

Hình 3 cho thấy công trình có độ cứng càng bé thì thành phần động chiếm tỉ lệ càng lớn.

2.2. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ H/B

Xét hệ số k = 9, lần lượt cho bề rộng B thay đổi trong các giá trị 30, 40, 60 và 80m, tỉ trọng

của thành phần Động trong các trường hợp được thể hiện như trong hình 4.

Hình 4. Khảo sát ảnh hưởng của bề rộng B

Sự thay đổi của bề rộng B dẫn đến sự thay đổi của hệ số tương quan không gian, ảnh

hưởng của nó tới tỉ trọng của thành phần Động được thể hiện rất rõ ràng và có quy luật ở

Hình 4. Có thể thấy công trình càng mảnh (diện đón gió càng bé) thì tỉ trọng của thành

phần động càng lớn.

2.3. Khảo sát ảnh hưởng của dạng địa hình.

Xét hệ số k = 9 và bề rộng B = 40m, lần lượt tính toán với các dạng địa hình A, B, và C; tỉ

trọng của thành phần động trong các trường hợp được thể hiện trong Hình 5.




5

Hình 5. Khảo sát ảnh hưởng của dạng địa hình

Hình 5 cho thấy dạng địa hình ảnh hưởng rõ rệt tới tỉ trọng của thành phần động. Nếu địa

hình A có tỉ trọng thành phần động chỉ khoảng 26% thì địa hình B là 42% và địa hình C là

54%. Điều này là do hệ số áp lực động thay đổi rõ rệt giữa các dạng địa hình.

Việc phân loại dạng địa hình được đề cập với tiêu chí cụ thể tại mục 6.5 của TCVN 2737-

1995, cũng cần để ý rằng các công trình cao tầng thường được xây dựng tại các vùng

thuộc dạng địa hình B.

2.4. Khảo sát ảnh hưởng của dạng dao động

Dạng của dạng dao động có ảnh hưởng tới tỉ trọng của thành phần động.

Trong các tính toán phía trên, các chuyển vị tỉ đối j được giả thiết là thay đổi tuyến tính

theo chiều cao công trình. Tuy nhiên trên thực tế, các chuyển vị này thường không tuyến

tính. Hình 6 là so sánh giữa chuyển vị tỉ đối theo giả thiết tuyến tính và chuyển vị tỉ đối theo

kết quả phân tích của phần mềm Etabs đối với một công trình 19 tầng.

Hình 6. Chuyển vị tỉ đối theo giả thiết tuyến tính và theo phân tích Etabs




6

Với k = 9, B = 40m, địa hình B, số tầng n = 9, khi sử dụng giả thiết tuyến tính thì tỉ trọng của

thành phần động là 41%; khi sử dụng kết quả phân tích từ Etabs, thì tỉ trọng của thành

phần động là 38%.

Một số tính toán cho thấy công trình càng cao thì quy luật của chuyển vị tỉ đối trong dạng

dao động thứ nhất càng gần với quy luật bậc nhất.

3. Tổng kết

Các tính toán trên đây chỉ xét tỉ trọng của thành phần động trong dạng dao động thứ nhất,

công trình thông thường có thể cần phải tính toán với 2 dạng dao động, tuy nhiên lực cắt

đáy trong dạng dao động thứ 2 chỉ bằng khoảng 10% ~ 20% so với dạng thứ nhất. Bên

cạnh đó, các nghiên cứu gần đây cũng đề xuất chỉ nên xét dạng dao động thứ nhất khi tính

toán thành phần động của tải trọng gió.

Trong thiết kế, chúng ta thường bắt gặp các công trình thuộc trường hợp có dạng địa hình

B, và hệ số độ cứng k = 9; từ các kết quả tính toán kể trên cho thấy tỉ lệ giữa thành phần

động và thành phần tĩnh nằm trong khoảng 30% ~ 45%. Khi cần kiểm tra nhanh, có thể sử

dụng tỉ lệ 40% để xác định sơ bộ giá trị thành phần động của tải trọng gió.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. TCVN 2737-1995, Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết kế.

2. TCXD 229-1999, Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió theo tiêu chuẩn

TCVN 2737-1995.

Documents

So sánh giá trị thành phần tĩnh và thành phần động của tải trọng Gió