Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu tác động của tải trọng gió theo miền thời gian lên nhà cao tầng có xét phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu

Chia sẻ: ViJiji ViJiji | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:165

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn được nghiên cứu với mục tiêu nhằm nghiên cứu tác động của tải trọng gió theo miền thời gian lên nhà cao tầng có xét đến phi tuyến hình học và vật liệu. Đánh giá so sánh ảnh hưởng của phi tuyến hình học và vật liệu lên phản ứng của nhà cao tầng chịu tải trọng gió theo miền thời gian. Nghiên cứu phản ứng của nhà cao tầng dưới tác dụng của các hàm tải trọng gió khác nhau (hình sin, hình tam giác…).

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu tác động của tải trọng gió theo miền thời gian lên nhà cao tầng có xét phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu tác động của tải trọng gió theo miền thời gian lên nhà cao tầng có xét phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu” này là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực, khách quan và chưa từng được công bố trong bất cứ công trình nghiên cứu nào khác từ trước tới nay./. Tác giả (Ký và ghi rõ họ tên) Nguyễn Quốc Thái
ii LỜI CẢM ƠN Để thực hiện được luận văn này, tác giả xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo, các cán bộ trong Khoa Sau Đại Học, Khoa Xây Dựng – Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An đã quan tâm, giúp đỡ và tạo điều kiện cho tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện luận văn. Đặc biệt, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến Thầy TS. Nguyễn Hồng Ân - người Thầy đã tận tâm hướng dẫn, chỉ bảo và truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quý giá cho tác giả trong quá trình làm luận văn. Do thời gian và trình độ còn hạn chế nên không tránh khỏi sai sót. Rất mong nhận được những nhận xét và ý kiến đóng góp của quý thầy cô và bạn bè để luận văn được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! Tác giả (Ký và ghi rõ họ tên) Nguyễn Quốc Thái
iii NỘI DUNG TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài: Nghiên cứu tác động của tải trọng gió theo miền thời gian lên nhà cao tầng có xét phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu Tác giả luận văn: Nguyễn Quốc Thái Khoá: 04 Mã số học viên: 1682080043 Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Hồng Ân Nội dung tóm tắt: * Lý do chọn đề tài - Trên thế giới, nhà cao tầng, siêu cao tầng và nhà chọc trời đã được xây dựng rất nhiều trong đô thị các nước đã và đang phát triển, Việt Nam cũng là một đất nước phát triển mạnh nhà cao tầng. Trong khoảng vài năm gần đây, loại hình nhà cao tầng được xây dựng nhiều và ngày càng nhiều hơn. Đặc trưng chủ yếu của nhà cao tầng là số tầng nhiều, độ cao lớn, trọng lượng nặng, chịu tác động của tải trọng ngang. Khi chiều cao của công trình càng tăng thì mức độ phức tạp khi tính toán thiết kế cũng tăng theo. Đặc biệt là việc xác định phản ứng của công trình trước các yếu tố tác động của điều kiện bên ngoài như tải trọng gió, động đất… Với các tác động này, các cấu kiện chịu lực thường bị nứt ở các cấp độ khác nhau nên việc thiết kế các hệ kết cấu để chúng chỉ làm việc trong miền đàn hồi hoàn toàn không hiệu quả kinh tế và có thể được xem là không thực tế ngoại trừ kết cấu giòn có độ cứng ngang lớn. - Năm 2017 là năm kỷ lục về số lượng các cơn bão và áp thấp nhiệt đới (16 cơn bão và 4 áp thấp nhiệt đới) ảnh hưởng đến Việt Nam. 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. Đó là lý do tôi chọn đề tài “Nghiên cứu tác động của tải trọng gió theo miền thời gian lên nhà cao tầng có xét phi tuyến hình học và vật liệu”.
iv * Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu tác động của tải trọng gió theo miền thời gian lên nhà cao tầng có xét đến phi tuyến hình học và vật liệu. - Đánh giá so sánh ảnh hưởng của phi tuyến hình học và vật liệu lên phản ứng của nhà cao tầng chịu tải trọng gió theo miền thời gian. - Nghiên cứu phản ứng của nhà cao tầng dưới tác dụng của các hàm tải trọng gió khác nhau (hình sin, hình tam giác…). - Sử dụng chương trình phần mềm Etabs để phân tích ứng xử phi tuyến hình học và vật liệu của kết cấu nhà cao tầng chịu tải trọng gió theo miền thời gian. * Đối tượng nghiên cứu: Chung cư Four Aces tọa lạc tại Quận 10, TP. HCM. * Phạm vi nghiên cứu: Nhà cao tầng bê tông cốt thép. * Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lí thuyết thông qua phân tích, tổng hợp các tài liệu trong và ngoài nước kết hợp với các công cụ toán học, ứng dụng phần mềm Etabs để giải quyết bài toán. * Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Đánh giá một cách chính xác phản ứng của công trình nhà cao tầng trước tác động của tải trọng gió theo miền thời gian. * Dự kiến cấu trúc luận văn: Ngoài các phần Mở đầu, Kết luận và kiến nghị, Tài liệu tham khảo, nội dung chính của Luận văn “Nghiên cứu tác động của tải trọng gió theo miền thời gian lên nhà cao tầng có xét phi tuyến hình học và vật liệu” gồm có ba chương: - Chương 1: Tổng quan về đề tài. - Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán tác động của tải trọng gió theo miền thời gian lên nhà cao tầng có xét phi tuyến hình học và vật liệu.
v - Chương 3: Khảo sát ví dụ tính toán Chung cư Four Aces tọa lạc Quận 10, TP. HCM chịu tác động của tải trọng gió theo miền thời gian có kể đến phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu bằng phần mềm Etabs. Phân tích và đánh giá kết quả của bài toán.
vi ABSTRACT Topic: Research on the effect of wind load upon tall building uses time-domain approach, considers nonlinear geometry and nonlinear materials. Author: Thai Nguyen Quoc Intake: 04 Student’s ID: 1682080043 Instructor: PhD. An Nguyen Hong Outline: *Statement of reasons for choosing this project Tall buildings, hyper-tall buildings and skyscrapers have been built in megacities of developed and developing countries including Vietnam. In recent years, more and more tall buildings have been constructed in Vietnam. The main features of tall buildings are multi-stories, sky-high, massive weight, being effected by lateral loads. Higher the building rises, more complex the design process will be, especially the determination of building responses when subjected to wind load, earthquake... These factors lead to cracks of structural elements that varies in range, so that the design uses elastic method is not economic, practical except for the brittle structural elements which have enormous lateral stiffness. The year 2017 experienced the record number of storms and tropical depression (16 storms and 4 tropical depression) that effected Vietnam. These storms damaged significantly constructions and would be unpredictable in the future. The amount of storms have been intensifying, as a consequence, the damage will be bigger if there is no approaches to deal with situation. That is why I choose topic ”Research on the effect of wind load upon tall building uses time-domain approach, considers nonlinear geometry and nonlinear materials”.
vii *Research aims - To conduct research on the effect of wind load upon tall building uses time-domain approach, considers nonlinear geometry and nonlinear materials. - To assess the effects of nonlinear geometry and nonlinear materials upon tall buildings responses use time-domain approach - To conduct research on responses of tall buildings subjected to various wind load functions (sin pattern, triangle pattern... ) - Using ETABS software to analyse nonlinear geometry and nonlinear materials responses of tall buildings under wind-induced using time-domain approach. *Research object Four Aces apartment located in District 10, Ho Chi Minh City. *Scope of study Reinforced concrete tall buildings. *Methodological approach Conducting research by analysing, sumarising both domestic and foreign materials in concur with caculation tools, ETABS software to solve problem. *Scientific and practical application of topic Assessing approximately responses of tall buildings subjected to wind load using time-domain approach. *Proposal thesis structure In addtion to Introduction, Conclusion and Recommendations, References, main content of Thesis “Research on the effect of wind load upon tall building uses time- domain approach, considers nonlinear geometry and nonlinear materials” consists of: - Chapter 1: Introduction and general information of topic. - Chapter 2: Main theories that are used to calculate the effect of wind load upon tall building uses time-domain approach, considers nonlinear geometry and nonlinear materials.
viii - Chapter 3: Surveying example of Four Aces apartment located in District 10, Ho Chi Minh City, subjected to wind load using time-domain approach, considers nonlinear geometry and nonlinear materials, aided by ETABS software. Analysing and assessing the result of example.
ix MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN............................................................................................ 6 1.1. Giới thiệu .................................................................................................................. 6 1.2. Khái niệm ................................................................................................................. 6 1.2.1. Nhà cao tầng .......................................................................................................... 6 1.2.2. Gió ......................................................................................................................... 6 1.3. Tác động của tải trọng gió ......................................................................................... 9 1.4. Phân tích phi tuyến kết cấu ..................................................................................... 15 1.4.1. Phi tuyến hình học ............................................................................................... 15 1.4.2. Phi tuyến vật liệu ................................................................................................. 15 1.5. Tình hình nghiên cứu liên quan luận văn ................................................................. 16 1.5.1. Các đề tài nghiên cứu trong nước ......................................................................... 16 1.5.2. Các đề tài nghiên cứu ở nước ngoài...................................................................... 19 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................... 21 2.1. Giới thiệu ................................................................................................................ 21 2.2. Thiết lập sơ đồ tính toán và các đặc trưng động lực học. ......................................... 21 2.2.1. Sơ đồ thanh công xôn có hữu hạn điểm tập trung khối lượng ............................... 21 2.2.2. Lựa chọn các ma trận tính chất của kết cấu .......................................................... 21 2.3. Mô tả gió bằng các tải trọng dạng xung................................................................... 26 2.3.1. Tải trọng xung đôi, xung ba nửa hình sin. ............................................................ 27 2.3.2. Tải trọng xung chữ nhật ....................................................................................... 28 2.3.3. Tải trọng xung tam giác. ...................................................................................... 29 2.4. Mô tả gió bằng các tải trọng theo chuỗi thời gian .................................................... 29 2.5. Phương pháp số giải bài toán .................................................................................. 32 2.6. Phương trình chuyển động ...................................................................................... 33 2.7. Thuật toán Newmark............................................................................................... 35 2.8. Xây dựng phổ phản ứng .......................................................................................... 37 2.9. Lý thuyết tt khung bê tông cốt thép có kể đến phi tuyến hình học và vật liệu .......... 39 2.9.1. Tổng quát ............................................................................................................. 39 2.9.2. Lý thuyết tính toán khung bê tông cốt thép có kể đến phi tuyến hình học ............. 40 2.9.3. Lý thuyết tính toán phi tuyến vật liệu ................................................................... 42 2.10. Kết luận chương .................................................................................................... 43 CHƯƠNG 3: VÍ DỤ TÍNH TOÁN ................................................................................ 44 3.1. Thông tin công trình................................................................................................ 44 3.2. Khai báo thông số đầu vào ...................................................................................... 48
x 3.3. Kết quả phân tích .................................................................................................... 58 3.3.1. Kết quả phân tích khi công trình chịu tải trọng gió theo phương X ....................... 58 3.3.1.1. Ứng xử của kết cấu ........................................................................................... 58 3.3.1.2. Tổng hợp số liệu và so sánh, đánh giá ............................................................... 73 3.3.2. Kết quả phân tích khi công trình chịu tải trọng gió theo phương Y ..................... 104 3.3.2.1. Ứng xử của kết cấu ......................................................................................... 104 3.3.2.2. Tổng hợp số liệu và so sánh, đánh giá ............................................................. 119 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................... 146 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................ 148
xi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Bảng áp lực gió theo bản đồ phân vùng áp lực gió lãnh thổ Việt Nam ......... 10 Bảng 1.2: Hệ số K kể đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao và dạng địa hình ............ 10 Bảng 1.3: Bảng giá trị giới hạn của tần số dao động riêng fL ....................................... 11 Bảng 1.4: Bảng hệ số áp lực động của tải trọng gió ζ ................................................... 12 Bảng 1.5: Bảng hệ số tương quan không gian áp lực động của tải trọng gió ................. 13 Bảng 3.1: Chu kỳ dao động công trình ......................................................................... 45 Bảng 3.2: So sánh chênh lệch chuyển vị ngang (%) ..................................................... 73 Bảng 3.3: So sánh chênh lệch độ lệch tầng (%) ............................................................ 74 Bảng 3.4: So sánh chênh lệch lực dọc vách P1 (%) ...................................................... 76 Bảng 3.5: So sánh chênh lệch lực cắt vách P1 (%) ....................................................... 78 Bảng 3.6: So sánh chênh lệch moment vách P1 (%) ..................................................... 79 Bảng 3.7: So sánh chênh lệch lực dọc vách P2 (%) ...................................................... 80 Bảng 3.8: So sánh chênh lệch lực cắt vách P2 (%) ....................................................... 82 Bảng 3.9: So sánh chênh lệch moment vách P2 (%) ..................................................... 83 Bảng 3.10: So sánh chênh lệch lực dọc cột C9 (%) ...................................................... 85 Bảng 3.11: So sánh chênh lệch lực cắt cột C9 (%) ....................................................... 86 Bảng 3.12: So sánh chênh lệch moment cột C9 (%) ..................................................... 88 Bảng 3.13: So sánh chênh lệch lực dọc cột C31 (%) .................................................... 89 Bảng 3.14: So sánh chênh lệch lực cắt cột C31 (%) ..................................................... 91 Bảng 3.15: So sánh chênh lệch moment cột C31 (%) ................................................... 93 Bảng 3.16: So sánh chênh lệch lực cắt dầm B36 (%) ................................................... 94 Bảng 3.17: So sánh chênh lệch moment dầm B36 (%) ................................................. 96 Bảng 3.18: So sánh chênh lệch lực cắt dầm B54 (%) ................................................... 97 Bảng 3.19: So sánh chênh lệch moment dầm B54 (%) ................................................. 99 Bảng 3.20: So sánh chênh lệch lực cắt dầm B116 (%) ............................................... 100 Bảng 3.21: So sánh chênh lệch moment dầm B116 (%) ............................................. 102 Bảng 3.22: So sánh chênh lệch chuyển vị ngang (%) ................................................. 119 Bảng 3.23: So sánh chênh lệch chuyển vị ngang (%) ................................................. 120 Bảng 3.24: So sánh chênh lệch lực dọc vách P3 (%) .................................................. 122 Bảng 3.25: So sánh chênh lệch lực cắt vách P3 (%) ................................................... 123
xii Bảng 3.26: So sánh chênh lệch moment vách P3 (%) ................................................. 124 Bảng 3.27: So sánh chênh lệch lực dọc vách P4 (%) .................................................. 126 Bảng 3.28: So sánh chênh lệch lực cắt vách P4 (%) ................................................... 127 Bảng 3.29: So sánh chênh lệch moment vách P4 (%) ................................................. 129 Bảng 3.30: So sánh chênh lệch lực dọc cột C9 (%) .................................................... 130 Bảng 3.31: So sánh chênh lệch lực cắt cột C9 (%) ..................................................... 132 Bảng 3.32: So sánh chênh lệch moment cột C9 (%) ................................................... 134 Bảng 3.33: So sánh chênh lệch lực dọc cột C31 (%) .................................................. 135 Bảng 3.34: So sánh chênh lệch lực cắt cột C31 (%) ................................................... 136 Bảng 3.35: So sánh chênh lệch moment cột C31 (%) ................................................. 138 Bảng 3.36: So sánh chênh lệch lực cắt dầm B29 (%) ................................................. 139 Bảng 3.37: So sánh chênh lệch moment dầm B29 (%) ............................................... 141 Bảng 3.38: So sánh chênh lệch lực cắt dầm B123 (%) ............................................... 142 Bảng 3.39: So sánh chênh lệch moment dầm B123 (%) ............................................. 144
xiii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Mô hình song tuyến tính của thép (Nguồn: Chopra, 1995) ........................... 16 Hình 2.1: Sơ đồ tính toán thanh công xôn .................................................................... 21 Hình 2.2: Ma trận khối lượng thu gọn .......................................................................... 22 Hình 2.3: Độ cứng tầng 1 (Chopra, 1980) .................................................................... 23 Hình 2.4: Độ cứng tầng 2 (Chopra, 1980) .................................................................... 23 Hình 2.5: Tải trọng xung hình sin ................................................................................ 26 Hình 2.6: Tải trọng gió xung đôi nửa hình sin .............................................................. 27 Hình 2.7: Tải trọng gió xung ba nửa hình sin ............................................................... 28 Hình 2.8: Tải trọng xung hình chữ nhật ....................................................................... 28 Hình 2.9: Tải trọng xung hình tam giác........................................................................ 29 Hình 2.10: Mô phỏng vận tốc gió cấp 9-10 theo thời thời gian (Hoan. 2008) ............... 30 Hình 2.11: Vận tốc gió ở các độ cao 13; 33; 70; 160 feel (Ewing, 2005) ...................... 32 Hình 2.12: Sơ đồ thiết lập phương trình chuyển động (Chopra, 1980).......................... 33 Hình 2.13: Kết cấu chịu tải trọng gió thay đổi theo thồi gian........................................ 33 Hình 2.14: Sơ đồ lực tác dụng lên mỗi bậc tự do .......................................................... 34 Hình 2.15: Hê kết cấu chịu tải trọng nửa hình sin......................................................... 37 Hình 3.1: Mô hình tính toán kết cấu công trình ............................................................ 44 Hình 3.2: Dao động thứ nhất theo Phương Y (Mode 1) ................................................ 46 Hình 3.3: Dao động thứ hai xoắn (Mode 2) .................................................................. 46 Hình 3.4: Dao động thứ ba Phương X (Mode 3)........................................................... 47 Hình 3.5: Mặt bằng kết cấu tầng điển hình ................................................................... 47 Hình 3.6: Biểu đồ hàm xung tải trọng gió hình SINE ................................................... 48 Hình 3.7: Khai báo xung tải trọng gió vào mô hình tính toán ....................................... 48 Hình 3.8: Trường hợp phân tích bài toán đàn hồi tuyến tính......................................... 50 Hình 3.9: Trường hợp phân tích bài toán phi tuyến hình học P-Delta ........................... 50 Hình 3.10: Trường hợp phân tích bài toán phi tuyến vật liệu ........................................ 51 Hình 3.11: Trường hợp phân tích bài toán phi tuyến vật liệu + phi tuyến hình học....... 51 Hình 3.12: Khai báo tính toán P-Delta ......................................................................... 52 Hình 3.13: Khai báo khớp dẻo cho dầm ....................................................................... 52 Hình 3.14: Khai báo khớp dẻo cho cột ......................................................................... 53
xiv Hình 3.15: Gán khớp dẻo plastic hinge cho dầm, cột công trình ................................... 54 Hình 3.16: Khai báo tính toán hệ số tỷ lệ độ cứng và khối lượng ................................. 54 Hình 3.17: Sử dụng phương pháp giải Newmark ......................................................... 55 Hình 3.18: Vị trí cột C9, C31 được lựa chọn để phân tích nội lực ................................ 55 Hình 3.19: Vị trí vách P1, P2 được lựa chọn để phân tích nội lực ................................ 56 Hình 3.20: Vị trí vách dầm B36, B54, B116 được lựa chọn để phân tích nội lực .......... 56 Hình 3.21: Vị trí vách P3, P4 được lựa chọn để phân tích nội lực ................................ 57 Hình 3.22: Vị trí vách dầm B29, B106, B123 được lựa chọn để phân tích nội lực........ 57 Hình 3.23: Biểu đồ chuyển vị đỉnh công trình theo thời gian (X-DH) .......................... 58 Hình 3.24: Biểu đồ lực cắt đáy công trình theo thời gian (X-DH) ................................ 58 Hình 3.25: Biểu đồ lực cắt cột C9 – Tầng 7 theo thời gian (X-DH) .............................. 59 Hình 3.26: Biểu đồ moment cột C9 – Tầng 7 theo thời gian (X-DH)............................ 59 Hình 3.27: Biểu đồ lực cắt cột C9 – Tầng 14 theo thời gian (X-DH) ............................ 60 Hình 3.28: Biểu đồ moment cột C9 – Tầng 14 theo thời gian (X-DH).......................... 60 Hình 3.29: Biểu đồ lực cắt dầm B54 – Tầng 7 theo thời gian (X-DH) .......................... 61 Hình 3.30: Biểu đồ moment dầm B54 – Tầng 7 theo thời gian (X-DH)........................ 61 Hình 3.31: Biểu đồ lực cắt dầm B54 – Tầng 14 theo thời gian (X-DH) ........................ 62 Hình 3.32: Biểu đồ moment dầm B54 – Tầng 14 theo thời gian (X-DH)...................... 62 Hình 3.33: Biểu đồ chuyển vị đỉnh công trình theo thời gian (X-HHVL) ..................... 63 Hình 3.34: Biểu đồ lực cắt đáy công trình theo thời gian (X-HHVL) ........................... 63 Hình 3.35: Biểu đồ lực cắt cột C9 – Tầng 7 theo thời gian (X-HHVL)......................... 64 Hình 3.36: Biểu đồ moment cột C9 – Tầng 7 theo thời gian (X-HHVL) ...................... 64 Hình 3.37: Biểu đồ lực cắt cột C9 – Tầng 14 theo thời gian (X-HHVL) ....................... 65 Hình 3.38: Biểu đồ moment cột C9 – Tầng 14 theo thời gian (X-HHVL) .................... 65 Hình 3.39: Biểu đồ lực cắt dầm B54 – Tầng 7 theo thời gian (X-HHVL) ..................... 66 Hình 3.40: Biểu đồ moment dầm B54 – Tầng 7 theo thời gian (X-HHVL) .................. 66 Hình 3.41: Biểu đồ lực cắt dầm B54 – Tầng 14 theo thời gian (X-HHVL) ................... 67 Hình 3.42: Biểu đồ moment dầm B54 – Tầng 14 theo thời gian (X-HHVL)................. 67 Hình 3.43: Tình trạng hình thành khớp dẻo cột C9 (X-HHVL) .................................... 68 Hình 3.44: Tình trạng hình thành khớp dẻo cột C31 (X-HHVL) .................................. 69 Hình 3.45: Tình trạng hình thành khớp dẻo dầm B36 (X-HHVL) ................................ 70 Hình 3.46: Tình trạng hình thành khớp dẻo dầm B54 (X-HHVL) ................................ 71
xv Hình 3.47: Tình trạng hình thành khớp dẻo dầm B116 (X-HHVL) .............................. 72 Hình 3.48: Biểu đồ so sánh chênh lệch chuyển vị ngang .............................................. 74 Hình 3.49: Biểu đồ so sánh chênh lệch độ lệch tầng..................................................... 75 Hình 3.50: Biểu đồ so sánh chênh lệch lực cắt đáy....................................................... 76 Hình 3.51: Biểu đồ so sánh chênh lệch lực dọc vách P1 ............................................... 77 Hình 3.52: Biểu đồ so sánh chênh lệch lực cắt vách P1 ................................................ 79 Hình 3.53: Biểu đồ so sánh chênh lệch moment vách P1.............................................. 80 Hình 3.54: Biểu đồ so sánh chênh lệch lực dọc vách P2 ............................................... 82 Hình 3.55: Biểu đồ so sánh chênh lệch lực cắt vách P2 ................................................ 83 Hình 3.56: Biểu đồ so sánh chênh lệch moment vách P2.............................................. 85 Hình 3.57: Biểu đồ so sánh chênh lệch lực dọc cột C9 ................................................. 86 Hình 3.58: Biểu đồ so sánh chênh lệch lực cắt cột C9 .................................................. 88 Hình 3.59: Biểu đồ so sánh chênh lệch moment cột C9 ................................................ 89 Hình 3.60: Biểu đồ so sánh chênh lệch lực dọc cột C31 ............................................... 91 Hình 3.61: Biểu đồ so sánh chênh lệch lực cắt cột C31 (%) ......................................... 92 Hình 3.62: Biểu đồ so sánh chênh lệch moment cột C31 (%) ....................................... 94 Hình 3.63: Biểu đồ so sánh chênh lệch lực cắt dầm B36 .............................................. 95 Hình 3.64: Biểu đồ so sánh chênh lệch moment dầm B36 ............................................ 97 Hình 3.65: Biểu đồ so sánh chênh lệch lực cắt dầm B54 .............................................. 99 Hình 3.66: Biểu đồ so sánh chênh lệch moment dầm B54 .......................................... 100 Hình 3.67: Biểu đồ so sánh chênh lệch lực cắt dầm B116 .......................................... 102 Hình 3.68: Biểu đồ so sánh chênh lệch moment dầm B116 ........................................ 103 Hình 3.69: Biểu đồ chuyển vị đỉnh công trình theo thời gian (Y-DH) ........................ 104 Hình 3.70: Biểu đồ lực cắt đáy công trình theo thời gian (Y-DH) .............................. 104 Hình 3.71: Biểu đồ lực cắt cột C9 – Tầng 7 theo thời gian (Y-DH) ............................ 105 Hình 3.72: Biểu đồ moment cột C9 – Tầng 7 theo thời gian (Y-DH).......................... 105 Hình 3.73: Biểu đồ lực cắt cột C9 – Tầng 14 theo thời gian (Y-DH) .......................... 106 Hình 3.74: Biểu đồ moment cột C9 – Tầng 14 theo thời gian (Y-DH)........................ 106 Hình 3.75: Biểu đồ lực cắt dầm B29 – Tầng 7 theo thời gian (Y-DH) ........................ 107 Hình 3.76: Biểu đồ moment dầm B29 – Tầng 7 theo thời gian (Y-DH)...................... 107 Hình 3.77: Biểu đồ lực cắt dầm B29 – Tầng 14 theo thời gian (Y-DH) ...................... 108 Hình 3.78: Biểu đồ moment dầm B29 – Tầng 14 theo thời gian (Y-DH).................... 108
xvi Hình 3.79: Biểu đồ chuyển vị đỉnh công trình theo thời gian (Y-HHVL) ................... 109 Hình 3.80: Biểu đồ lực cắt đáy công trình theo thời gian (Y-HHVL) ......................... 109 Hình 3.81: Biểu đồ lực cắt cột C9 – Tầng 7 theo thời gian (Y-HHVL)....................... 110 Hình 3.82: Biểu đồ moment cột C9 – Tầng 7 theo thời gian (Y-HHVL) .................... 110 Hình 3.83: Biểu đồ lực cắt cột C9 – Tầng 14 theo thời gian (Y-HHVL) ..................... 111 Hình 3.84: Biểu đồ moment cột C9 – Tầng 14 theo thời gian (Y-HHVL) .................. 111 Hình 3.85: Biểu đồ lực cắt dầm B29 – Tầng 7 theo thời gian (Y-HHVL) ................... 112 Hình 3.86: Biểu đồ moment dầm B29 – Tầng 7 theo thời gian (Y-HHVL) ................ 112 Hình 3.87: Biểu đồ lực cắt dầm B29 – Tầng 14 theo thời gian (Y-HHVL) ................. 113 Hình 3.88: Biểu đồ moment dầm B29 – Tầng 14 theo thời gian (Y-HHVL)............... 113 Hình 3.89: Tình trạng hình thành khớp dẻo cột C9 (Y-HHVL) .................................. 114 Hình 3.90: Tình trạng hình thành khớp dẻo cột C31 (Y-HHVL) ................................ 115 Hình 3.91: Tình trạng hình thành khớp dẻo dầm B29 (Y-HHVL) .............................. 116 Hình 3.92: Tình trạng hình thành khớp dẻo dầm B106 (Y-HHVL) ............................ 117 Hình 3.93: Tình trạng hình thành khớp dẻo dầm B123 (Y-HHVL) ............................ 118 Hình 3.94: Biểu đồ so sánh chênh lệch chuyển vị ngang ............................................ 120 Hình 3.95: So sánh chênh lệch chuyển vị ngang ........................................................ 121 Hình 3.96: Biểu đồ so sánh lực cắt đáy FY ................................................................ 121 Hình 3.97: Biểu đồ so sánh chênh lệch lực dọc vách P3 ............................................. 123 Hình 3.98: Biểu đồ so sánh chênh lệch lực cắt vách P3 .............................................. 124 Hình 3.99: Biểu đồ so sánh chênh lệch moment vách P3............................................ 126 Hình 3.100: Biểu đồ so sánh chênh lệch lực dọc vách P4 ........................................... 127 Hình 3.101: Biểu đồ so sánh chênh lệch lực cắt vách P4 ............................................ 129 Hình 3.102: Biểu đồ so sánh chênh lệch moment vách P4.......................................... 130 Hình 3.103: Biểu đồ so sánh chênh lệch lực dọc cột C9 ............................................. 132 Hình 3.104: Biểu đồ so sánh chênh lệch lực cắt cột C9 .............................................. 133 Hình 3.105: Biểu đồ so sánh chênh lệch moment cột C9 ............................................ 135 Hình 3.106: Biểu đồ so sánh chênh lệch lực dọc cột C31 ........................................... 136 Hình 3.107: Biểu đồ so sánh chênh lệch lực cắt cột C31 ............................................ 138 Hình 3.108: Biểu đồ so sánh chênh lệch moment cột C31 .......................................... 139 Hình 3.109: Biểu đồ so sánh chênh lệch lực cắt dầm B29 .......................................... 141 Hình 3.110: Biểu đồ so sánh chênh lệch moment dầm B29 ........................................ 142
xvii Hình 3.111: Biểu đồ so sánh chênh lệch lực cắt dầm B123 ........................................ 144 Hình 3.112: Biểu đồ so sánh chênh lệch lực cắt dầm B123 ........................................ 145
1 PHẦN MỞ ĐẦU Đặt vấn đề: Gió là một hiện tượng trong tự nhiên hình thành do sự chuyển động của không khí. Nó sinh ra do nhiệt độ trên bề mặt trái đất không đều. Do bề mặt của trái đất bao gồm bề mặt đất và biển và nghiêng theo một trục nên nó hấp thụ nhiệt độ từ mặt trời không đều. Gió còn là những luồng không khí chuyển động trên quy mô rất lớn.Trên bề mặt vũ trụ, gió bao gồ một khối lớn không khí chuyển động. Gió thường được phân lọai theo quy mô về thời gian, tốc độ, lực tạo ra gió, các khu vực gió xảy ra và tác động của chúng. Đặc tính chủ yếu của gió là sự thay đổi tốc độ liên tục và không đều theo cả không gian và thời gian. Tùy theo điều kiện hình thành phân loại: gió mạnh, bão, lốc. Trong khí tượng học, cơn gió thường được gọi theo sức mạnh của nó, và hướng gió thổi. Sự tăng tốc đột ngột của gió được gọi là cơn gió mạnh. Sự tăng tốc kéo dài (khoảng một phút) của các cơn gió mạnh được gọi là gió động. Gió với khoảng thời gian kéo dài hơn có những cái tên khác nhau kết hợp với tốc độ trung bình của gió, chẳng hạn như gió nhẹ (breeze), gió mạnh (gale), bão (storm), cơn bão (hurricane), và cơn bão lớn (typhoon). Gió xảy ra trên các phạm vi khác nhau, từ cơn bão kéo dài hàng chục phút, cho đến gió địa phương được hình thành do sự nung nóng của bề mặt đất liền kéo dài khoảng vài giờ, cho đến gió toàn cầu do sự khác biệt trong sự hấp thụ năng lượng mặt trời giữa các vùng khí hậu trên trái đất. Hai nguyên nhân chính của gió hoàn lưu khí quyển quy mô lớn là sự khác biệt nhiệt độ giữa xích đạo và các cực, và vòng quay của Trái đất (hiệu ứng Coriolis). Gió được tạo ra bởi sự khác biệt trong áp suất khí quyển. Khi có những sự khác biệt trong áp suất khí quyển tồn tại, không khí sẽ di chuyển từ vùng áp suất cao hơn đến các vùng áp suất thấp hơn, dẫn đến những cơn gió có tốc độ khác nhau.Hai yếu tố thúc đẩy chính của mô hình gió quy mô lớn là nhiệt độ khác biệt giữa xích đạo và các cực, sự quay của hành tinh.Tuy nhiên tác động của gió cũng có rất nhiều các tác hại như những nơi gió thổi mạnh, gió bão đi qua có thể gây tác hại rất lớn cho những vật nằm trên đường đi của nó. Và một trong những đối tượng dễ bị tác động của gió đó là những công trình do con người tạo ra cụ thể là những nhà cao tầng chịu ảnh hưởng rất
2 nặng nề nếu trong quá trình xây dựng không được tính toán kĩ lượng về việc chịu tác động của gió lên các nhà cao tầng sẽ dễ gây ra những hậu quả nghiêm trọng. Gió được xác định do một điểm cân bằng lực lượng vật lý được sử dụng trong phân tích kết cấu gió. Chúng rất có ích cho việc đơn giản hóa các phương trình chuyển động của khí quyển và để làm đối số định lượng về sự phân bố theo chiều ngang và chiều dọc của gió. Các thành phần gió geostrophic là kết quả của sự cân bằng giữa lực Coriolis và lực chênh áp. Nó chảy song song với isobars và xấp xỉ với dòng chảy ở trên lớp biên khí quyển ở vĩ độ trung . Gió nhiệt là sự khác biệt trong gió geostrophic giữa hai mức áp suất trong khí quyển. Nó chỉ tồn tại trong một bầu không khí với gradient nhiệt độ nằm ngang. Các thành phần gió không phải geostrophic là sự khác biệt giữa thực tế và gió geostrophic, chúng chịu trách nhiệm cho việc "làm đầy" không khí bằng các lốc xoáy theo thời gian. Gió gradient tương tự như các gió geostrophic nhưng bao gồm các lực ly tâm (hoặc gia tốc hướng tâm). 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. Với tốc độ phát triển như hiện nay, ngày càng nhiều công trình với các tòa nhà cao tầng/rất cao tầng đã và đang được xây dựng trên các thành phố của Việt nam; Và đặc thù của nhà cao tầng lại thường tập trung ở các khu vực gần kề, các khu trung tâm thành phố hoặc các khu dự án quy hoạch tập trung. Do đó, sự ảnh hưởng của địa hình, của nhóm các tòa nhà cao tầng đối với luồng gió lên các tòa nhà là rất lớn; Đặc biệt với các tòa nhà cao tầng, chịu ảnh hưởng mạnh của gió động, thì việc phân tích chính xác mô hình khí động học của gió lên toàn bộ bề mặt các phía của tòa nhà, đối với các hướng gió khác nhau, có ý nghĩa rất quan trọng khi xác định áp lực gió/tải trọng gió lên kết cấu toàn nhà. Tác dụng của gió lên công trình do sự va đập của luồng không khí khi gặp vật cản trên đường đi của nó. Theo thời gian tốc độ của gió luôn luôn thay đổi và kéo theo là tác động của nó lên nhà cao tầng cũng thay đổi theo. Gió thường yếu đi khi nó va vào một tòa nhà, nhưng có thể tạo ra một cơn gió mạnh đột ngột xung quanh khoảng không hẹp như góc hay giữa hai tòa nhà. Một số
3 người có thể cho rằng tốc độ của gió sẽ giảm ở vùng trũng thấp, nơi những tòa nhà nằm gần nhau, nhưng thật ra, những cơn gió này trở nên nhanh hơn và mạnh hơn khi va phải một tòa nhà. Hiện tượng này khá dễ hiểu theo định lý Bernoulli, một lý thuyết vật lý về áp suất gió giảm và gia tốc tăng lên khi nó di chuyển từ không gian lớn đến không gian chật hẹp. Nó tương tự như dòng nước chảy nhanh hơn ở các thung lũng hẹp so với các con sông rộng lớn. Trong bài toán thiết kế kết cấu nhà cao tầng là một trong những công việc quan trọng không thể thiếu đối với bất kỳ công trình nào; Hiện nay, đối với những tòa nhà có số tầng cao không nhiều, hoặc/và có độ cao dưới 40m, thì việc phân tích áp lực gió lên công trình theo tiêu chuẩn hiện hành TCVN 2737-1995 khá phù hợp, mặc dù mô hình phân tích gió chủ yếu ở dạng tĩnh hoặc tựa tĩnh, và áp lực gió chủ yếu chỉ đặt lên mặt đón gió, hút gió của tòa nhà, mà ít đánh giá ảnh hưởng của gió theo các hướng khác, cũng như ảnh hưởng khí động của các luồng gió trong điều kiện tòa nhà đặt gần kề tòa nhà khác/hoặc cụm các tòa nhà khác. Ở Việt Nam trước đây, miền Bắc có thời tiết phân thành 4 mùa rõ rệt, miền Nam thì có mùa mưa và mùa khô. Do biến đổi khí hậu mà thời tiết ngày nay đã không còn theo quy luật đó nữa. Đã xuất hiện những đợt nắng nóng vào mùa thu, hay những cơn bão mạnh vào mùa đông.Điều kiện tự nhiên thay đổi sẽ tác động trực tiếp đến các công trình xây dựng. Để các công trình có thể tồn tại, phục vụ cho cuộc sống của chúng ta, là người kỹ sư xây dựng cần phải tính toán sao cho công trình đủ khả năng chịu đựng được các tác động đó. Lý do chọn đề tài: Trên thế giới, nhà cao tầng, siêu cao tầng và nhà chọc trời đã được xây dựng rất nhiều trong đô thị các nước đã và đang phát triển. Việt Nam cũng là một đất nước phát triển mạnh nhà cao tầng. Trong khoảng vài năm gần đây, loại hình nhà cao tầng được xây dựng nhiều và ngày càng nhiều hơn. Đặc trưng chủ yếu của nhà cao tầng là số tầng nhiều, độ cao lớn, trọng lượng nặng, chịu tác động của tải trọng ngang. Khi chiều cao của công trình càng tăng thì mức độ phức tạp khi tính toán thiết kế cũng tăng theo. Đặc biệt là việc xác định phản ứng của công trình trước các yếu tố tác động của điều kiện bên ngoài như tải trọng gió, động đất… Với các tác động này, các cấu kiện chịu lực thường bị nứt ở các cấp độ khác nhau nên việc thiết kế các hệ kết cấu để chúng chỉ