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

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:

W pj 

M j . j .WTj . j . j 

 M

j

. 2j



.. j

(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:

W

pj



 M

j

. j WTj . j . j 
.

 M

j

. 2j



.. j

(2)

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

W

pj



  W . . ..
.
  
j

Tj
2
j

KetcauSoft - Phát triển phần mềm thiết kế kết cấu Việt Nam
http://www.ketcausoft.com

j

j

j

(3)

1


HỒ VIỆT HÙNG

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: W o = 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

2


HỒ VIỆT HÙNG

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


3


HỒ VIỆT HÙNG

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.

4


HỒ VIỆT HÙNG

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 27371995, 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

5


HỒ VIỆT HÙNG

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.


6

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

Recommended

Recommended

More Related Content

Viewers also liked

Viewers also liked (17)

More from Hồ Việt Hùng

More from Hồ Việt Hùng (20)

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