Phương pháp hệ số gió giật G và tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng

 Phương pháp hệ số gió giậtG vàtảitrọng
 gió tác dụng lên nhà cao tầng
 TS Nguyễn Đại Minh (IBST)
 HộithảoHộiKếtcấuxâydựng, Hà Nội 9-2011 1
 1. MỞ ĐẦU
Các đặctrưng củagiócầnbiếtkhithiếtkế nhà cao tầng:
• Đầuvàovề vậntốc/áp lực gió (mean) ở cao trình chuẩn 10m, 
 profile gió (sự thay đổivậntốc (mean) hay áp lực gió (mean) 
 theo chiều cao), hệ số vượttải, chu kỳ lặp
•Giật và nhiễu động củagió
•Hiệntượng gió xoắn và rung lắc vuông góc vớiluồng gió thổi
 (vortex-shedding phenomenon)
•Bảnchất động họctương tác giữagióvàkếtcấu
• Tác động của gió lên kếtcấu bao che (vách kích)
• Tính toán gió theo TIÊU CHUẨN như thế nào?
• Thí nghiệm trong ống thổikhíđộng
•Tiện nghi đốivớingườisử dụng
• Đogióở hiệntrường, ngay chính trên các nhà cao tầng
• So sánh giữaTiêuchuẩn và thí nghiệm trong ống thổi
 2
 1 Báo cáo này chỉ tập trung vào các vấn đề sau:
 • Đầuvàovề vậntốcgió, hệ số vượttải, chu kỳ lặpxác
 định như thế nào trong thiếtkế nhà cao tầng
 •Phương pháp hệ số gió giậtGLF của Davenport (1967)
 •Phương pháp GLF sử dụng trong các tiêu chuẩnMỹ và
 châu Âu
 •Tiêuchuản Nga SNiP 2.01.07-85* (2011)
 •Kiếnnghị cho TCVN
 3
 2. ĐẦU VÀO VẬN TỐC GIÓ
Tiêu chuẩn các nướctrênthế giới đềuxácđịnh đầu vào
 khi tính tảitrọng gió là:
•Vậntốccơ sở (tiếng Anh là basic wind speed), hay áp
 lực gió trung bình trong khoảng thời gian 3s, 10 phút
 (600s) hay 1h (3600s), tại độ cao 10 m, địahìnhtương
 đương dạng B của TCVN 2737:1995, chu kỳ lặp 5, 10, 
 20, 30, 50, 100 năm (thông thường là 50 năm).
• TCVN 2737:1990: vậntốc gió 2 phút, chu kỳ lặp 20 năm, 
 địahìnhdạng B
• TCVN 2737:1995: vậntốcgió3s, chukỳ lặp 20 năm, địa
 hình dạng B
 4
 2 • SNiP 2.01.07-85 (cũ): vậntốc gió 2 phút, chu kỳ lặp5 
 năm, địahìnhdạng A (của Nga)
• SNiP 2.01.07-85*: vậntốc gió 10 phút (chuyểntừ 2 phút
 sang 10 phút, người Nga không lậplạibản đồ gió mà sử
 dụng hệ số chuyển đổi 0.91), chu kỳ lặp5 năm, địahình
 dạng A (của Nga)
• SNiP 2.01.07-85* (2011): vậntốc gió 10 phút, chu kỳ lặp
 50 năm(thựcchấtlà5 năm=> 50 năm), địahìnhdạng A 
 (của Nga)
•TiêuchuẩnMỹ ASCE 7-05: vậntốcgió3s, chukỳ lặp50 
 năm, địahìnhdạng C (theo Mỹ)
•Tiêuchuẩn EN 1991-1-4:2005: vậntốc gió 10 phút, chu
 kỳ lặp 50 năm, địahìnhdạng II
• BS 6399: Part 2:1997, vậntốc gió 1h, kỳ lặp 50 năm, địa
 hình nông thôn mởđặctrưng củaAnh
 5
 1) So sánh về dạng địa hình giữa TCVN 2737:1995 và SNiP 2.01.07-85* (hoặc STO) 
 Dạng địa hình theo A B C 
 TCVN 2737:1995 Thoáng 1.5m<H<10m 10m<H (a) 
 H<1.5m 
 Dạng địa hình theo A B C 
 SNiP 2.01.07-85* Thoáng, H<10m 10m<H<25m 25m<H 
 Dạng địa hình theo D C B 
 ASCE 7-05 (b) thoáng, mở, bờ nông thôn thành thị 
 biển thoáng 
 H<9.1m 
 Ghi chú: ĐịahìnhB –chuẩn
 -ÁplựcvàvậntốcgiócủaNgalàlấy ởđộcao 10 m, địahình
 dạng A của Nga. Vì vậy, khi chuyển đổinếu thiên về an toàn phải
 lấyáplựcgiócủa VN * 1.18 để sang địahìnhdạng A, sau đómới
 chuyển sang hệ SNiP. 
 -dạng địahìnhcủaViệtNam, Mỹ và Eurocode gầnnhư nhau
 6
 3 2) Chuyển đổivậntốc gió (ASCE 7-05)
 3s
 120s
 600s
 1h
 7
•Vídụ: 
 v2phút = 0.77*v3s W2phút = 0.59*W0
 v10phút = 0.70*v3s W10phút = 0.49*W0
 v1h = 0.66*v3s W1h = 0.44*W0
 quan hệ giữa
 v10phút = 0.91*v2phút W10phút =0.83*W2phút
 W0 –áplực gió chuẩn 3s củaViệt Nam theo TCVN 
 2737:1995
 8
 4 •Hệ số chuyển đổichukỳ lặp QCVN 02-2009/BXD:
Chú ý: tính theo TCVN 2737:1995, nhà 10-20 tầng, tuổithọ 50 
năm, hệ sốđộtin cậy γ = 1.2, nhà > 20 tầng: hệ sốđộtin cậy
γ = 1.37 = 1.2*1.15 (1.15 là hệ số tầm quan trọng)
 2
Chuyển đổi sang ASCE 7-05: gió 3s, Hà Nội, W0 =95daN/m
V0 = 39.37 m/s (20 năm) => V0 = 43.12 m/s (50 năm) 
 9
 QCVN 02-2009/BXD cũng quy định chuyển đổichovậntốc gió 10 phút
 (Bảng 4.4). Tuy nhiên, thông số chuyển đổinàylạidựatrênáplựcgió3s 
 nên cần cân nhắckhisử dụng. 
 Có thể tham khảo công
 thức(1) củaEN hay (1)
 BS cho gió 10 phút hay 
 1h, K = 0.2, n=0.5
 10
 5 Tạisaolại bàn về chuyển đổi 3s hay 10 phút?
Ví dụ theo Việt Nam áp lựcgió3s, từ 5 năm lên 50 nămlà
 1.62
Theo SNiP thì áp lực gió 10 phút, từ 5 năm lên 50 nămlà
 1.4, tính theo EN là 1.37 (lấytrònlà1.4). 
Theo ASCE 7-05, áp lựcgió3s, từ 50 năm lên 500 nămlà
 1.6. Tuy nhiên theo EN áp lực gió 10 phút, từ 50 nămlên
 500 nămlà1.26
(Theo BS: Hệ số vượttải1.4 tương ứng vớichukỳ lặp
 1754 năm. Tính cho nhà máy điệnhạt nhân LF=1.6 
 tương ứng vớichukỳ lặp 10,000 năm)
Công thức(1) gọi là hàm Fisher-Tippett dạng 1.
 11
 Hệ số vượttải/ độ tin cậy: 
 - Theo ASCE 7-05
 Phương pháp ứng suất cho phép: LF =1 tùy theo tầmquantrọng (tuổi
 thọ của công trình), trạng thái cựchạn: LF = 1.6 đốivới công trình có
 tuổithọ 50 năm, LF = 1.6*1.15 = 1.84 đốivới công trình 100 năm.
 Mỹ lấyxácxuấtxảyragiómạnh 1 lần là 10% trong 50 năm=> chukỳ
 lặp 500 năm
- TCVN 2737:1995: trạng thái giớihạn 1: LF =1.2 (50 
năm), LF = 1.37 (100 năm), khác vớiMỹ là xác xuấtxảyra
gió mạnh là 1 lần trong 50 năm(tuổithọ công trình), trạng
thái giớihạn 2: không rõ là 20 năm hay 5 nămnhư củaNga
 12
 6 Nhận xét: khi tính nhà cao hơn 20 tầng, tuổithọ phảilấylà
 100 năm, hệ số tầm quan trọng đốivớigiólàγI = 1.15 
 (hay hệ sốđộtin cậy là 1.37 = γI *1.2 > 1.2), tương tự
 như hệ số tầm quan trọng đốivới động đất là 1.25. 
 13
 Nếusử dụng số liệucủa TCVN 2737:1990 
 thì như thế nào?
• TCVN 2737:1990: gió 2 phút, 20 năm, 
ví dụởHà Nội: vùng II, có ảnh hưởng của bão, áp lực gió 2 phút
 2
 là 80 daN/m , tương đương vớiáplực gió 3s là W0 = 80/0.59 
 = 135 daN/m2 >> 95 daN/m2
So sánh với bão cấp 12 (thang Beaufort): 
 gió 2 phút (thế giới là 10 phút) thì cấp 12 là từ 119-133 km/h 
 (33-37 m/s), tương đương với gió 3s: 43-48 m/s hoặcáplực
 2
 gió W0 = 113 – 141 daN/m
Như vậysố liệu 135 daN/m2 có thể thích hợpnếuxétđến bão. 
 Cầnphải có nghiên cứuvàphântíchcẩnthậnhơnvề vấn
 đề này!!
Tại sao 95 daN/m2>80daN/m2 vẫnchấpnhận? Vì công thức
 trong TCVN 2737:1995 và TCVN 2737:1990 cơ bảnlànhư
 nhau không phân biệt 3s hay 2 phút (120s). Và tính như vậy
 an toàn.
 14
 7 • Chính vì vậyphải tìm hiểuphương pháp hệ số giật G (Gust 
 Loading Factor = G) của Davenport, biến bài toán động lực
 họctương tác giữagióvàkếtcấu, bài toán thống kê => bài
 toán tĩnh họctương đương thông qua hệ số giậtG!
•Hầuhếttiêuchuẩngiócủacácnướctrênthế giới đềucăncứ
 vào phương pháp hệ số G để xác định tảitrọng gió động theo
 phương dọc theo luồng gió và hiệu ứng củanólêncáckết
 cấucaotầng: Mỹ, Anh, Canada, Australia, Europe, NhậtBản
 v.v. 
•Phương pháp hệ số G do Davenport giớithiệulần đầunăm
 1967.
 15
 3. Phương pháp hệ số
 gió giậtG của Davenport (1967)
 Khi nghiên cứuxâydựng TC gió ở Việt Nam và tính toán
 gió tác dụng lên nhà cao tầng cầntìmhiểuphương pháp
 này và xem các nướcápdụng như thế nào? 
 16
 8 GS Davenport – người Canada, ông đãmấtcáchđây 2-3 năm, con trai ông
 đãlàmviệc ở Hà Nội, phòng thí nghiệm wind-tunnel của GS Davenport đã
 thựchiệnnhiều thí nghiệm trong ống thổikhíđộng đốivới nhà cao tầng
 17
 18
 9 Khoảng thay đổi
 > 600 m củavậntốcgió
 trung bình
 thay đổi
 do giật
Bảnchấtcủaphương pháp hệ số G là từ bày toán động-ngẫu
nhiên, đưavề bài toán tĩnh tương đương. 
 19
 T – observe interval 
 Thời gian quan trắc
 (kéo dài củacơn bão)
 Xung hay giật/động
 Or pulse
 Mean hay 
 trung bình
 Dướitácđộng củaluồng gió như vậy thì phản ứng củakếtcấu
 ra sao. Đưaraphương pháp tĩnh tương đương để có thể áp
 dụng trong thực hành thiếtkế
 20
 10