Xác định thành phần động của tải trọng gió dựa trên phân tích động lực học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ------

HOÀNG TRỌNG KHẢM

XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN ĐỘNG

CỦA TẢI TRỌNG GIÓ

DỰA TRÊN PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC

LUẬN VĂN THẠC SỸ

XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Thành Phố Hồ Chí Minh. tháng 03 năm 2016

NHẬN XÉT VỀ VIỆC HOÀN THÀNH LUẬN VĂN

Xác nhận Học Viên: Hoàng Trọng Khảm, LỚP: XD3, Khóa 2013-2016

Tên đề tài luận văn: Xác Định Thành Phần Động Của Tải Trọng Gió Dựa Trên Phân Tích

Động Lực Học.

Đủ điều kiện ra bảo vệ luận văn.

TPHCM, Ngày 6 tháng 1 năm 2016

TS. NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn này do tôi tìm hiểu và phát triển dựa vào các tài

liệu tham khảo đã được trích dẫn.

Các thông tin, kết quả nghiên cứu của người khác sử dụng trong luận văn

này điều được trích dẫn đúng quy định. Kết quả trong Luận văn hoàn toàn trung

thực và chưa được công bố ở nghiên cứu khác.

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về công việc thực hiện của mình.

Tác giả luận văn

Hoàng Trọng Khảm

ii

LỜI CẢM ƠN

Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp của

trường Đại Học Mở TPHCM nằm trong hệ thống bài luận cuối khóa nhằm trang

bị cho học viên có một đề tài nghiên cứu khoa học bổ ích, thực tiễn và những

kiến thức chuyên sâu trước khi ra trường.

Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng tôi đã nhận được rất nhiều

sự giúp đỡ từ thầy hướng dẫn, bạn bè và người thân. Tôi chân thành cảm ơn

những sự giúp đỡ và quan tâm đó.

Đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy hướng dẫn TS. Nguyễn Trọng

Phước đã giúp tôi định hướng và có cái nhìn tổng quát về đề tài. Trong quá

trình làm luận văn Thầy hướng dẫn rất nhiệt tình và cung cấp những tài liệu quý

báu giúp tôi hoàn thành luận văn trong thời gian sớm nhất.

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy trưởng khoa Xây Dựng trường Đại Học

Mở TPHCM đó là TS. Trần Tuấn Anh đã quan tâm và định hướng tôi những đề

tài có ứng dụng thực tiễn.

Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự cố gắng

của bản thân nhưng cũng không thể tránh được những sai sót. Kính mong các

quý thầy cô đưa ra những nhận xét giúp tôi có những kiến thức và cái nhìn đúng

đắn hơn.

Xin trân trọng cảm ơn!

iii

TÓM TẮT

Trong tính toán thiết kế khung nhà cao tầng cao trên 40m phải xét đến

thành phần động của tải trọng gió. Hiện nay tại Việt Nam để tính toán thành

phần gió động này người thiết kế căn cứ vào các tiêu chuẩn Việt Nam là TCVN

229:1999 và TCVN 2737:1995.

Tuy nhiên các tiêu chuẩn này hướng dẫn sử dụng những công thức tính

toán tĩnh học tương đương gần đúng để xác định lực do thành phần động của tải

trọng gió gây ra mà không xét đến yếu tố xung của vận tốc gió thay đổi theo

thời gian ảnh hưởng đến sự làm việc của khung nhà. Vì vậy có thể có nhiều

trường hợp xung lực gió tác động lên hệ khung nhà cao tầng nguy hiểm hơn so

với phương pháp tính toán theo TCVN.

Do đó việc tính toán và nghiên cứu thành phần gió động theo lý thuyết

Động lực học là một việc làm cần thiết, cũng là một tài liệu tham khảo cho

người thiết kế có cái nhìn sâu hơn về vấn đề này.

Luận văn này đưa ra các giả thiết và các chuỗi số liệu về áp lực gió tác

dụng lên hệ kết cấu khung nhà nhiều tầng. Kết quả tính toán cho thấy trong một

vài trường hợp phương pháp tính toán thành phần động của tải trọng gió theo

TCVN chưa phải là thiên về an toàn.

iv

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ...................................................................................... 1

1.1 Đặt vấn đề ..................................................................................................... 1

1.2 Mục tiêu của luận văn ................................................................................... 3

1.3 Phương pháp thực hiện ................................................................................. 4

1.4 Phạm vi luận văn .......................................................................................... 5

1.5 Cấu trúc luận văn .......................................................................................... 5

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN .................................................................................... 6

2.1 Giới thiệu ...................................................................................................... 6

2.2 Khái niệm gió .............................................................................................. 6

2.3 Cách xác định tải trọng gió theo TCVN ........................................................ 8

2.4 Thực nghiệm Hầm gió ................................................................................ 10

2.5 Tình hình nghiên cứu liên quan luận văn ................................................... 12

2.6 Kết luận ....................................................................................................... 19

CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...................................................................... 20

3.1 Giới thiệu .................................................................................................... 20

3.2 Thiết lập sơ đồ tính toán và các đặc trưng động lực học ........................... 20

3.3 Mô tả gió bằng các tải trọng dạng xung ..................................................... 26

3.4 Mô tả gió bằng các tải trọng theo chuỗi thời gian ...................................... 29

3.5 Phương pháp số giải bài toán ...................................................................... 32

3.6 Phương trình chuyển động .......................................................................... 32

3.7 Thuật toán Newmark .................................................................................. 35

3.8 Xây dựng phổ phản ứng ............................................................................. 37

3.9 Lưu đồ tính toán .......................................................................................... 39

3.10 Kết luận chương .......................................................................................... 40

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ SỐ .................................................................................. 41

4.1 Giới thiệu .................................................................................................... 41

4.2 Bài toán lý thuyết cho hệ kết cấu khi chịu tải trọng gió dạng xung ........... 46

4.3 Bài toán thực tế cho hệ kết cấu khi chịu tải trọng gió dạng xung ............... 55

4.4 Bài toán lý thuyết cho hệ kết cấu với tải trọng gió dạng chuỗi thời gian ... 62

v

4.5 Bài toán thực tế cho hệ kết cấu với tải trọng gió dạng chuỗi thời gian ...... 65

4.6 Kết luận ....................................................................................................... 70

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..................................... 71

5.1 Kết luận ....................................................................................................... 71

5.2 Hướng phát triển ......................................................................................... 72

Tài liệu tham khảo ....................................................................................................... 73

Phụ lục ....................................................................................................................... 76

vi

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Lực gió tĩnh theo TCVN ...................................................................... 8

Hình 2.2 Chi tiết cánh quạt của mô hình thực nghiệm Hầm gió ....................... 10

Hình 2.3 Mô hình máy bay A380 được thực nghiệm trong Hầm gió ................ 11

Hình 3.1.Sơ đồ tính toán hệ thanh công xôn .......................................................... 21

Hình 3.2 Ma trận khối lượng thu gọn .................................................................... 22

Hình 3.3 Độ cứng tầng 1 ...................................................................................... 23

Hình 3.4 Độ cứng tầng 2 ...................................................................................... 23

Hình 3.5 Tải trọng xung hình sin .......................................................................... 26

Hình 3.6 Tải trọng gió xung đôi nửa hình sin ........................................................ 27

Hình 3.7 Tải trọng gió xung ba nửa hình sin ......................................................... 27

Hình 3.8 Tải trọng xung hình chữ nhật ................................................................. 28

Hình 3.9 Tải trọng xung hình tam giác ................................................................. 29

Hình 3.10 Mô phỏng vận tốc gió cấp 9-10 theo thời gian ....................................... 30

Hình 3.11 Vận tốc gió theo thời gian ở các độ cao 13; 33; 70; 160 feet .................. 31

Hình 3.12 Sơ đồ thiết lập phương trình chuyển động ............................................. 33

Hình 3.13 Kết cấu chịu tải trọng gió thay đổi theo thời gian .................................. 33

Hình 3.14 Sơ đồ lực tác dụng lên mỗi bậc tự do .................................................... 34

Hình 3.15 Hệ kết cấu chịu tải trọng nửa hình sin ................................................... 37

Hình 3.16 Phổ phản ứng ...................................................................................... 38

Hình 4.1 Mô hình thanh công xôn tòa nhà 20 tầng ........................................... 41

Hình 4.2 Sơ đồ tính toán độ cứng ...................................................................... 42

Hình 4.3 Sơ đồ mặt bằng cao ốc văn phòng ...................................................... 45

Hình 4.4 Mô hình khung không gian ................................................................. 45

Hình 4.5 Biểu đồ hệ số Kd tải trọng gió nửa hình sin ........................................ 49

Hình 4.6 Tải trọng gió xung đôi nửa hình sin .................................................... 50

vii

Hình 4.7 Biểu đồ hệ số Kd tải trọng gió nửa hình sin ........................................ 50

Hình 4.8 Tải trọng gió xung ba nửa hình sin ..................................................... 51

Hình 4.9 Biểu đồ hệ số Kd tải trọng gió nửa hình sin ........................................ 51

Hình 4.10 Xung hình chữ nhật ........................................................................... 51

Hình 4.11 Biểu đồ hệ số Kd xung hình chữ nhật ............................................... 52

Hình 4.12 Tải trọng xung hình tam giác ............................................................ 53

Hình 4.13 Biểu đồ hệ số Kd xung hình tam giác ............................................... 55

Hình 4.14 Phổ phản ứng hệ kết cấu ................................................................... 55

Hình 4.15 Mặt bằng chung cư ........................................................................... 56

Hình 4.16 Chuyển vị do thành phần tĩnh gây ra ................................................ 58

Hình 4.17 Chuyển vị do thành phần tĩnh và động gây ra ................................. 60

Hình 4.18 Biểu đồ môment tại chân cột C1 ....................................................... 60

Hình 4.19 Biểu đồ chuyển vị tại vị trí là chân Cột C1 ....................................... 61

Hình 4.20 Biểu đồ môment tại vị trí là chân cột C1 .......................................... 40

Hình 4.21 Chuyển vị tại đỉnh cột C1 ................................................................. 65

Hình 4.22 Chuyển vị tại đỉnh cột C1 ................................................................. 66

viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1. Giá trị áp lực gió W0 ............................................................................ 8

Bảng 2.2. Hệ số k ................................................................................................. 9

Bảng 4.1. Tải trọng gió tĩnh ............................................................................... 48

Bảng 4.2. Thành phần động tải trọng gió ........................................................... 48

Bảng 4.3 Bảng so sánh hệ số động ..................................................................... 56

Bảng 4.4 Thành phần tĩnh của tải trọng gió công trình chung cư ..................... 57

Bảng 4.5 Chu kì và tần số .................................................................................. 58

Bảng 4.6 Bảng so sánh chuyển vị, môment, hệ số động .................................... 62

Bảng 4.7 Tổng lực gió tĩnh theo phương X ....................................................... 62

Bảng 4.8 Thành phần tĩnh tải trọng gió ............................................................. 63

Bảng 4.9 Thành phần động tải trọng gió ............................................................ 63

Bảng 4.10 So sánh hệ số động ........................................................................... 64

Bảng 4.11 Thành phần tĩnh tải trọng gió công trình chung cư .......................... 65

Bảng 4.12 So sánh chuyển vị, môment, hệ số động .......................................... 68

ix

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT

Chữ viết tắt

TPHCM : Thành Phố Hồ Chí Minh

TCVN :Tiêu chuẩn Việt Nam

TCXD 229:1999 :Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió theo tiêu chuẩn

TCVN 2737:1995 :Tải trọng và tác động tiêu chuẩn thiết kế TCVN 2737-1995

ASCE 7-10 :Tiêu chuẩn Mỹ ASCE7-10

Ký hiệu

M Ma trận khối lượng

Meff Ma trận khối lượng hiệu dụng

K Ma trận độ cứng

P Ma trận tải trọng

Peff Ma trận tải trọng hiệu dụng

u Vectơ gia tốc của các bậc tự do

u Vectơ vận tốc của các bậc tự do

u Vectơ chuyển vị của các bậc tự do

t Bước thời gian tính lặp

,



Tần số tự nhiên của hệ và tần số dao động của gió

Chương 1 Giới thiệu

Xác định thành phần động của tải trọng gió dựa trên phân tích Động lực học 1

CHƯƠNG 1.

GIỚI THIỆU

1.1 Đặt vấn đề

Gió là một hiện tượng trong tự nhiên được hình thành do sự chuyển động của

không khí. Gió tác động lên công trình xây dựng có thể được phân loại tùy theo vận

tốc gió và địa hình. Những nơi có gió thổi mạnh (gió bão) đi qua có thể gây tác hại

rất lớn cho những vật nằm trên đường đi của nó. Một trong những đối tượng bị gió

gây tác hại là những công trình xây dựng do con người tạo ra. Ngày nay hiện tượng

biến đổi khí hậu có diễn biến phức tạp do đó tác động của gió lên công trình cũng

ngày càng nguy hiểm hơn.

Trong bài toán thiết kế kết cấu công trình, gió là một tải trọng có tác động

quan trọng và ảnh hưởng trực tiếp đến sự bền vững của công trình xây dựng. Vì sự

tác động nguy hiểm và mật độ xuất hiện nên thường tải trọng này quyết định đến

việc lựa chọn kết cấu cho công trình. Hàng năm tại Việt Nam đặc biệt là các tỉnh

phía Bắc và Miền Trung chịu khá nhiều thiệt hại do một vài cơn gió bão. Gần đây,

trên thế giới cũng đã xuất hiện nhiều cơn bão có tốc độ gió lên đến một vài trăm

km/h. Những cơn bão này gây ra những thiệt hại có thể là đáng kể với các công

trình xây dựng và trở nên khó lường hơn trong tương lai. Với mật độ bão càng ngày

càng dày hơn thì những tác hại do nó gây ra sẽ càng tăng nếu không được con người

quan tâm đúng mực.

Tác hại của gió lên kết cấu xây dựng là khá nhiều và sau đây là một số liệt kê

cụ thể. Điển hình của gió bão lớn là gây sụp công trình tháp truyền hình Nam Định

sụp đổ năm 2012 và công trình tháp truyền hình Uông Bí bị phá hoại năm 2013…