Kiểm tra gia tốc đỉnh nhà cao tầng do tác dụng của tải trọng gió

Theo Phụ lục E (tham khảo) – TCVN 5574:2018, mục E.1.1. Tính toán các hệ kết cấu chịu lực bao gồm:

• xác định nội lực trong các cấu kiện của hệ kết cấu và nội lực tác dụng lên nền móng
• xác định chuyển vị của hệ kết cấu về tổng thể và của các cấu kiện riêng lẻ của hệ kết cấu, cũng như gia tốc dao động của sàn các tầng trên cùng (gia tốc đỉnh)
• tính toán ổn định hệ kết cấu
• đánh giá khả năng chịu lực và biến dạng của nền

Download file Excel kiểm tra gia tốc đỉnh nhà cao tầng – Price: 50K

Để xác định giá trị gia tốc đỉnh nhà cao tầng, bài viết này dựa theo phương pháp nêu ở phụ lục B, EN 1991-1-4

Tính toán gia tốc dao động tại mức sàn cần xét

Để tính toán và kiểm tra gia tốc dao động do gió ta sử dụng giá trị vận tốc gió lấy trung bình trong 10 phút ở độ cao 10m, địa hình dạng II (B), chu kỳ lặp 1 năm.

Theo QCVN 02:2022/BXD cung cấp giá trị vận tốc gió cơ bản với chu kỳ lặp 50 năm (v_b0). Cần chuyển đổi về vận tốc gió cơ bản với chu kỳ lặp 1 năm (v_b1) theo công thức:

v_b1 = v_b0.K_m,T

với K_m,T = 0.75 (theo bảng 5.3, QCVN 02:2022/BXD)

Giá trị gia tốc đỉnh đặc trưng của công trình được xác định theo công thức:

a_peak = σ_a,x(z).k_p ≤ a_allow

+ a_allow: gia tốc đỉnh giới hạn cho văn phòng và nhà ở được biểu thị dưới dạng biểu đồ tương quan giữa gia tốc giới hạn và chu kỳ dao động, được trích dẫn từ hình D.1 của tiêu chuẩn ISO 10137:2007

• 1- đường giới hạn cho văn phòng
• 2- đường giới hạn cho nhà ở
• A- gia tốc đỉnh, (m/s²)
• f₀– chu kỳ dao động tự nhiên đầu tiên của công trình theo phương tính toán, (s)

+ σ_a,x(z): độ lệch chuẩn tại độ cao đang xét. Theo công thức (B.10):

σ_a,x(z) = c_f.ρ.b.I_v(z_s).v²_m(z_s).R.K_x.Ф_1,x(z) / m_1,x

+ c_f: hệ số lực (xem mục 7, EN 1991-1-4). Đối với kết cấu có mặt cắt ngang dạng chữ nhật thì hệ số lực c_f được xác định theo công thức (7.9):

c_f = c_f,0.ψ_r.ψ_λ

+ c_f,0: hệ số lực của mặt cắt ngang hình chữ nhật, có góc vuông thành sắc cạnh

+ ψ_r: hệ số giảm đối với công trình có các góc được uốn cong, phụ thuộc vào tỉ số giữa bán kính góc uốn và bề rộng của mặt cắt (r/b). Lấy:

• ψ_r = 0.5 khi r/b = 0.2
• ψ_r = 1.0 khi r/b = 0
• nội suy tuyến tính trong khoảng giá trị của r/b từ 0.2 đến 0

+ ψ_λ: hệ số tác động cuối, xét đến sự giảm sức kháng của kết cấu do luồng gió ở phía sau công trình theo hướng tác động, phụ thuộc vào độ mảnh hiệu dụng λ và tỷ số đặc φ (tỷ số giữa diện tích chắn gió và diện tích bao của kết cấu, đối với kết cấu nhà không có khoảng rỗng ở giữa thì có thể lấy φ = 1). Xác định độ mảnh hiệu dụng λ có thể xem bảng 7.16, EN 1991-1-4 hoặc TCVN 2737:2023, phụ lục F.18, bảng F.15

Đối với nhà có mặt bằng hình chữ nhật, ta có thể xác định bằng công thức đơn giản hơn theo bảng NA.10, phụ lục quốc gia UK: λ = 4h / (b. c_f,0)

+ I_v(z_s): cường độ rối tại độ cao z = z_s so với mặt đất

• I_v(z_s) = k₁ / (c₀(z).ln(z/z₀)) , khi z_min ≤ z ≤ z_max = 200m
• I_v(z_s) = I_v(z_min) , khi z < z_min
• k₁ =1: hệ số rối

+ c₀(z): hệ số đồi núi, xét tới trường hợp công trình đặt trên đồi, núi tạo ra hiệu ứng tạo làm tăng vận tốc gió lên công trình. Có thể lấy hệ số này bằng 1 nếu độ dốc trung bình của địa hình trong phạm vi 10 lần chiều cao công trình không quá 3⁰. Trường hợp độ dốc cao hơn cần tính hệ số này theo phụ lục A, EN 1991-1-4 hoặc phụ lục quốc gia phù hợp.

+ v_m(z_s): vận tốc gió trung bình ở độ cao z = z_s. Với z_s = 200m: độ cao tham chiếu

Theo công thức (4.3): v_m(z_s) = c_r(z).c₀(z).v_b1

+ c_r(z): hệ số nhám, được tính theo công thức sau:

• c_r(z) = k_r.ln(z/z₀), khi z_min ≤ z ≤ z_max
• c_r(z) = c_r(z_min), khi z < z_min

+ z₀ (chiều dài nhám) và z_min (chiều cao tối thiểu) phụ thuộc dạng địa hình cho trong Bảng 4.1, EN 1991-1-4.

• dạng địa hình 0, I tương ứng với dạng địa hình A của TCVN
• dạng địa hình II, III tương ứng với dạng địa hình B
• dạng địa hình IV tương ứng với dạng địa hình C

+ k_r: hệ số địa hình, tính theo công thức (4.5): k_r = 0.19 (z₀/0.05)^0.07

+ R: hệ số phản ứng cộng hưởng R² kể đến cộng hưởng của dòng rối với dạng dao động được xét của kết cấu, được xác định theo công thức B.6:

R² = (π² / 2.δ).S_L(z_s,n_1,x).R_h(η_h).R_b(η_b)

+ các hàm dẫn xuất áp lực R_h và R_b cho dạng dao động cơ bản có thể được xác định gần đúng theo các công thức (B.7) và (B.8):

trong đó:

+ δ = δ_s + δ_a + δ_d: tổng độ giảm lôga

+ δ_s: độ giảm lôga do cản kết cấu

• kết cấu nhà BTCT: δ_s = 0.1
• kết cấu nhà thép: δ_s = 0.05
• các loại kết cấu và công trình khác xem bảng F.2, EN 1991-1-4

+ δ_a: độ giảm lô ga do lực cản khí động đối với dạng dao động cơ bản. Đối với nhà cao tầng có thể tính theo công thức đơn giản hoá (F.18):

δ_a = c_f.ρ.b.v_m(z_s) / (2.n₁.m_e)

+ n₁: tần số dao động cơ bản của kết cấu theo hướng gió

+ đại lượng m_e tương tự như m_1,x: khối lượng tương đương cơ bản theo hướng gió (T/m). Đối với kết cấu dạng công xôn như nhà cao tầng thì có thể lấy bằng giá trị trung bình khối lượng của 1/3 phía trên tính cho một đơn vị chiều cao. Do các tầng ở 1/3 chiều cao phía trên thường là các tầng điển hình nên chỉ cần tính tổng khối lượng của một tầng đang xét. Bao gồm khối lượng của tổ hợp tải trọng của các tải trọng thẳng đứng (tải trọng thường xuyên + tải trọng tạm thời dài hạn + giá trị giảm của tải trọng tạm thời ngắn hạn) rồi chia cho chiều cao tầng.

+ K_x: hệ số không thứ nguyên. Đối với dạng địa hình bằng phẳng có c₀(z) = 1. Hệ số K_x được xác định theo công thức:

Trường hợp địa hình phức tạp cần sử dụng hàm tích phân theo công thức (B.11). Phụ lục B, EN 1991-1-4

+ ζ: hệ số mũ của dạng dao động

• ζ = 0.6: đối với kết cấu khung mảnh có tường bao che không tham gia chịu lực
• ζ = 1.0: đối với nhà có lõi ở giữa kết hợp với các cột xung quanh hoặc các cột lớn và giằng chịu cắt
• ζ = 1.5: đối với nhà cao và mảnh có lõi BTCT trung tâm chịu lực

+ Ф_1,x(z) = (z / h)^ζ  ≤ 1.0: dạng dao động cơ bản dọc theo hướng gió

+ S_L(z_s,n_1,x): hàm mật độ phổ năng lượng không thứ nguyên. Được tính theo công thức (B.2):

+ f_L(z,n) = n.L(z) / v_m(z): tần số không thứ nguyên được xác định bởi tần số n = n_1,x, tần số riêng của kết cấu tính theo (Hz)

+ L(z): tỷ lệ chiều dài rối biểu thị độ lớn sức giật trung bình của các cơn gió tự nhiên. Với chiều cao z < 200m, L(z) có thể được tính toán theo công thức (B.1):

• khi z ≥ z_min: L(z) = L_t.(z / z_t)^α
• khi z < z_min: L(z) = L(z_min)
• α = 0,67 + 0,05.ln(z₀)
• chiều cao tham chiếu z_t = 200m
• tỉ lệ chiều dài tham chiếu L_t = 300m

+ k_p: hệ số đỉnh, được xác định theo công thức (B.4):

+ T: thời gian để tính vận tốc gió trung bình, T = 600 giây.

+ ν: tần số vượt ngưỡng, xác định theo công thức (B.5):

thoả mãn: ν ≥ 0,08 Hz

+ B: hệ số nền B² kể đến mối tương quan áp lực chưa được xét tới trên bề mặt kết cấu. Được tính toán theo công thức (B.3):

+ h, b: chiều cao và chiều rộng kết cấu công trình (xét với chiều rộng vuông góc với hướng gió). xem thêm tại Hình 6.1, EN 1991-1-4

Tài liệu tham khảo: Bài báo “Phương pháp kiểm tra gia tốc đỉnh nhà cao tầng do gió gây ra” – TS. Nguyễn Ngọc Bá