Sự sai khác trong tính toán tải trọng gió tác dụng lên khung thép tiền chế theo tiêu chuẩn Việt Nam và hoa kỳ

Nội dung text: Sự sai khác trong tính toán tải trọng gió tác dụng lên khung thép tiền chế theo tiêu chuẩn Việt Nam và hoa kỳ

1. QUY CHUẨN – TIÊU CHUẨN SỰ SAI KHÁC TRONG TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ TÁC DỤNG LÊN KHUNG THÉP TIỀN CHẾ THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM VÀ HOA KỲ ThS. PHẠM THỊ NGỌC THU Trường Đại học Xây dựng Tóm tắt: Ở Việt Nam hiện nay, trong khi các kỹ sư vấn đề cần lưu ý khi áp dụng ASCE trong điều kiện trong nước vẫn chú trọng sử dụng tiêu chuẩn Việt xây dựng nhà thép tiền chế ở Việt Nam. Nam để thiết kế kết cấu khung thép tiền chế nhà công 2. Nguyên tắc xác định tải trọng gió tác dụng theo nghiệp thì các công ty đến từ nước ngoài như Zamil ASCE 7-2010 và so sánh với TCVN 2737-1995 Steel, PEB Steel, Kirby Steel, lại ưu tiên sử dụng 2.1 Áp lực gió đơn vị tiêu chuẩn Mỹ (ASCE). Điều này sẽ dẫn đến những sai khác nhất định trong kết quả tính toán. Bài báo ASCE dựa trên phân tích động lượng của trường phân tích những sai khác trong quy trình tính tải trọng gió để đưa ra công thức xác định áp lực gió đơn vị q: 2 2 gió tác dụng lên khung và nêu lên một số vấn đề cần q = 0.0613 Kz Kzt Kd V (daN/m ) (1) lưu ý khi áp dụng ASCE trong điều kiện xây dựng nhà trong đó: thép tiền chế ở Việt Nam. - Kz là hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió theo độ Từ khóa: Tải trọng gió, khung thép tiền chế, cao cũng như theo mức độ luồng gió tiếp xúc với địa TCVN 2737-1995, ASCE 7-2010. hình. Để xác định hệ số này, ASCE 7-10 chia các 1. Mở đầu dạng địa hình xây dựng ra làm 3 loại B, C, D. Khung thép tiền chế nhà công nghiệp là hệ kết Hệ số Kz được xác định theo công thức sau: cấu được sử dụng rất rộng rãi khi nhu cầu về xây 2/α Kz = 2.01(z/zg) nếu 15ft (4.6m) z zg dựng các công trình công nghiệp, các khu công 2.01(15/z )2/α nếu z < 15ft (4.6m) (2) nghiệp đang phát triển mạnh mẽ ở Việt Nam. Đi kèm g theo đó, các quy trình thiết kế kết cấu và thi công lắp với z là chiều cao tính toán (ft), zg (ft) và α là các hệ dựng khung thép tiền chế cũng đòi hỏi độ tin cậy cao. số tra bảng 1 phụ thuộc dạng địa hình. Về mặt thiết kế, bên cạnh hệ thống tiêu chuẩn Việt Bảng 1. Giá trị các hệ số zg và α [6] Nam (TCVN), các kỹ sư kết cấu vẫn có thể sử dụng các bộ tiêu chuẩn nước ngoài như tiêu chuẩn Châu Dạng địa hình α zg (ft) Âu (EC), tiêu chuẩn Anh (BS), đặc biệt là tiêu chuẩn B 7.0 1200 (366m) Hoa Kỳ (ASCE). Hầu hết các công ty liên doanh thiết C 9.5 900 (274m) kế và sản xuất kết cấu thép nhà tiền chế đều ưu tiên D 11.5 700 (213m) ASCE vì nội dung của tiêu chuẩn đề cập rất đầy đủ Ngoài ra cũng có thể tra hệ số Kz theo bảng 28.3- quy trình tính toán từ hệ khung chính, hệ khung đầu 1 [6] phụ thuộc vào chiều cao z và dạng địa hình. hồi, hệ mái đến hệ kết cấu phụ như mái đua, kết cấu - Kzt là hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió khi gió bao che “trườn” lên hoặc đập vào các dạng địa hình khác Vấn đề đặt ra là khi vận dụng ASCE vào quy trình nhau, ví dụ như sườn đồi, chóp núi hay vách dốc thiết kế nhà tiền chế ở Việt Nam, bắt đầu từ tính toán đứng, Kzt được tính toán cụ thể trong mục 26.8 tải trọng, tính toán nội lực đến kiểm tính các cấu kiện [6].Trong điều kiện địa hình thông thường, Kzt = 1; chịu lực chính, các kỹ sư kết cấu sẽ gặp khá nhiều - Kd là hệ số kể đến tác động của luồng gió theo điểm khác biệt so với TCVN. Riêng đối với tải trọng hướng chính lên công trình. Kd được trình bày cụ thể gió, sự khác biệt là rất rõ rệt. Bài báo trình bày cụ thể trong bảng 26.6-1 [6]. Khi tính toán hệ khung chịu lực nguyên tắc xác định tải trọng gió tác dụng lên khung chính, Kd = 0.85; thép nhà tiền chế theo Minimum design loads for buildings and other structures ASCE 7-10 và so sánh - V là vận tốc gió (m/s) trong điều kiện tiêu chuẩn với kết quả đạt được với Tiêu chuẩn thiết kế tải trọng luồng gió thổi trong thời gian 3s tại cao độ 10m so với và tác động TCVN 2737-1995, từ đó kiến nghị một số mặt đất tự nhiên, xét ở dạng địa hình C. Giá trị V được trình bày trong bảng 26.5 [6]. 64 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015
2. QUY CHUẨN – TIÊU CHUẨN 2.2 Áp lực gió tác dụng lên hệ kết cấu khung thép 0.4h) và không được nhỏ hơn (4% kích thước cạnh nhà công nghiệp nhỏ mặt bằng công trình và 3ft (0.9m)). Đối với các công trình nhà công nghiệp thấp tầng dạng kín hoặc có bố trí ô mở, áp lực gió tác dụng được xác định theo công thức: 2 p = qh (GCpf - GCpi) (daN/m ) (3) trong đó: qh là giá trị áp lực gió tại cao độ mái h (cao độ trung bình của mái dốc) so với mặt đất tự nhiên; G là hệ số hiệu ứng giật (Gust effect factor), xét đến ảnh hưởng độ rối của gió; GCpf là hệ số áp lực bên ngoài; Hình 1. Phân vùng áp lực gió lên hệ kết cấu, GCpi là hệ số áp lực bên trong. nhà 2 mái dốc, gió thổi theo phương ngang nhà [6] Giá trị của GCpf được xác định từ thí nghiệm trong hầm gió với các mô phỏng tương đối chính xác về đặc điểm tự nhiên của luồng gió như vận tốc, tính chất dòng chuyển động, về đặc điểm hình học và đặc tính bề mặt của công trình thí nghiệm và các công trình lân cận. Giá trị áp lực gió được xem là áp lực tĩnh, giả định theo hướng vuông góc với bề mặt công trình, nếu hướng vào bề mặt thì GCpf mang dấu dương còn hướng ra khỏi bề mặt thì GCpf mang dấu âm. Dưới đây trình bày các bảng tra hệ số GCpf, phụ thuộc góc dốc  của mái, áp dụng cho dạng nhà điển hình của khung thép tiền chế nhà công nghiệp là nhà Hình 2. Phân vùng áp lực gió lên hệ kết cấu, nhà 2 mái dốc, gió thổi theo phương dọc nhà [6] 1 nhịp 2 mái dốc. Trong hình 1 và 2, phạm vi của vùng biên được xác định thông qua trị số a = min (10% kích thước cạnh nhỏ mặt bằng công trình và Bảng 2. Giá trị hệ số áp lực bên ngoài, trường hợp gió thổi theo phương ngang nhà [6] Góc nghiêng  Giá trị GCpf tại các vùng (độ) 1 2 3 4 1E 2E 3E 4E 0-5 0.4 -0.69 -0.37 -0.29 0.61 -1.07 -0.53 -0.43 20 0.53 -0.69 -0.48 -0.43 0.80 -1.07 -0.69 -0.64 30-45 0.56 0.21 -0.43 -0.37 0.69 0.27 -0.53 -0.48 90 0.56 0.56 -0.37 -0.37 0.69 0.69 -0.48 -0.48 Bảng 3. Giá trị hệ số áp lực bên ngoài, trường hợp gió thổi theo phương dọc nhà [6] Góc nghiêng  Giá trị GCpf tại các vùng (độ) 1 2 3 4 5 6 1E 2E 3E 4E 5E 6E 0-90 -0.45 -0.69 -0.37 -0.45 0.40 -0.29 -0.48 -1.07 -0.53 -0.48 0.61 -0.43 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015 65
3. QUY CHUẨN – TIÊU CHUẨN Hình 3 mô tả ảnh hưởng của vị trí ô mở so với nếu ô mở trên bức tường hút gió hoặc vuông góc với hướng gió, gây ra hiệu ứng “phình, xẹp” cho công hướng gió, gió sẽ làm công trình xẹp xuống và GCpi trình: Nếu ô mở trên bức tường đón gió, gió sẽ làm mang dấu âm. cho công trình phình to và GCpi mang dấu dương, Hình 3. Ảnh hưởng của vị trí ô mở đến hệ số áp lực bên trong [7] Hệ số áp lực bên trong phụ thuộc chủ yếu vào tính - Tùy thuộc vào vị trí ô mở so với hướng gió mà kín của công trình. ASCE đã chia các công trình xây lựa chọn hệ số áp lực tổng theo hệ số áp lực trong dựng ra làm 3 loại: nhà kín, nhà kín một phần và nhà âm hoặc dương. Trong thực tế thiết kế sẽ tính luôn cả hở thông qua tỷ số giữa diện tích các ô mở với diện hai trường hợp này và xét chọn trường hợp nguy tích của toàn bộ các bề mặt bao che (xem mục 26.2 hiểm hơn. [6]). Giá trị GC được thể hiện trong bảng 4 dưới đây. pi - Cho phép sử dụng phép nội suy tuyến tính với Bảng 4. Giá trị hệ số áp lực bên trong [6] góc dốc , phép nội suy phải được thực hiện với hệ số áp lực ngoài sau đó kết hợp với hệ số áp lực trong Loại công trình Giá trị GCpi thích hợp để ra hệ số áp lực tổng. Nhà kín +0.18 -0.18 2.3 So sánh với TCVN 2737-1995 Nhà kín một phần +0.55 Khi tiến hành phân tích so sánh với TCVN 2737- -0.55 1995 [4], có một số vấn đề khác biệt cần lưu ý sau: Nhà hở 0.00 Một số điều cần lưu ý khi áp dụng các bảng tra - Cả ASCE 7-10 và TCVN 2737-1995 đều có 3 loại của ASCE: địa hình, cách phân loại địa hình chủ yếu phụ thuộc vào độ nhám bề mặt (thông qua chiều dài độ nhám - Tại những vùng biên của nhà, do tác động tương zo) và quy luật hàm số mũ mô phỏng vận tốc gió [2]. tác của các tấm tường bao che, hệ số áp lực gió có Có thể tham khảo sự khác nhau giữa hai tiêu chuẩn thay đổi. Vì vậy giá trị áp lực gió tác động lên các trong bảng 5. khung biên khác so với các khung giữa. Bảng 5. So sánh phân loại dạng địa hình theo TCVN 2737-1995 và ASCE 7-10 [2] TCVN 2737-1995 ASCE 7-10 Dạng A: Địa hình trống trải, không có hoặc có ít vật Dạng D: Khu vực phẳng và bề mặt biển hồ, zo = cản quá 1.5m (theo profile vận tốc gió mà TCVN 2737- 0.0039m, = 0.1 1995 sử dụng: zo = 0.002m, số mũ của quy luật mô phỏng vận tốc gió = 0.1) Dạng B: Khu vực tương đối trống trải , có một số vật Dạng C: Khu vực thoáng với ít vật cản có chiều cao cản thưa thớt cao không quá 10m (theo profile vận tốc nhỏ hơn 30ft (9.1m), zo = 0.048m, = 0.15 gió mà TCVN 2737-1995 sử dụng: zo = 0.04m, = 0.15) Dạng C: Khu vực bị che chắn mạnh, có nhiều vật cản Dạng B: Khu vực đô thị, zo = 0.5m, = 0.24 sát nhau cao từ 10m trở lên (theo profile vận tốc gió mà TCVN 2737-1995 sử dụng: zo = 2m, = 0.36) 66 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015
4. QUY CHUẨN – TIÊU CHUẨN Như vậy, một cách gần đúng các dạng địa hình A, B, C theo tiêu chuẩn TCVN 2737-1995 được xem là tương đương với các dạng địa hình D, C, B theo tiêu chuẩn ASCE 7-10. - TCVN 2737-1995 phân tích vận tốc gió trong khoảng thời gian 3s tại cao độ 10m so với mặt đất tự nhiên nhưng có chu kỳ lặp 20 năm và không phụ thuộc vào loại công trình. Trong khi đó chu kỳ lặp của ASCE 7-10 với dạng nhà công nghiệp khung tiền chế (công trình loại II) là 700 năm. Ta có thể áp dụng công thức của Peterka và Shahid [6] để quy đổi: Hình 4. Các vùng chịu áp lực cục bộ [4] Vùng 1: Có bề rộng a tính từ bờ mái, bờ nóc, chân VT/V50 = 0.36+0.1ln (12T) (4) mái và góc tường. trong đó: Vùng 2: Có bề rộng a tiếp giáp với vùng 1. D: hệ số áp lực cục bộ, được nhân thêm vào hệ số VT là vận tốc gió có chu kỳ lặp T năm; áp lực gió trong công thức tính. a = min (10% kích thước cạnh nhỏ nhất công trình V50 là vận tốc gió có chu kỳ lặp 50 năm. và 1.5m). Khi đó, ta có V700 = 1.391V20 (5) 3. Ví dụ minh họa - TCVN 2737-1995 không kể đến sự thay đổi áp Tính tải trọng gió tác dụng lên khung nhà thép tiền lực gió cho các dạng địa hình khác nhau và tác động chế 1 tầng 1 nhịp 2 mái dốc, dạng nhà kín, nhịp của luồng gió theo hướng chính lên công trình. L=20m, chiều dài nhà 15B = 15*7m = 105m, chiều cao đỉnh cột H = 10m, độ dốc mái  = 10o. - TCVN 2737-1995 chỉ xét hệ số áp lực gió bên Tốc độ gió V = 200km/h, dạng địa hình C theo ngoài tức là tải trọng gió chỉ có xu hướng gây nên tác ASCE 7-10. động lên bề mặt bao che chứ không tạo được hiệu 3.1 Theo tiêu chuẩn ASCE-7-10 ứng cho toàn không gian trong nhà. Các công trình được chia thành loại nhà kín và nhà hở, không xét a. Tính áp lực gió đơn vị theo công thức (1), quy đổi đến ảnh hưởng của sự tồn tại các ô mở. ASCE 7-10 về tải trọng phân bố đều trên khung ta có: 2 mô tả sự thay đổi rõ rệt hệ số áp lực trong đối với nhà q = 0.0613 Kz Kzt Kd V B (daN/m) kín và nhà kín một phần (bảng 4), điều này dẫn đến trong đó: sai khác lớn so với TCVN 2737-1995. V = V700 = 200 km/h = 55.56 (m/s); - TCVN 2737-1995 có xét đến áp lực cục bộ tại Kz tính theo công thức (2) và bảng 1 với dạng địa các vùng biên khi hệ số áp lực bên ngoài có giá trị âm hình C; (tại vị trí tiếp giáp tường ngang, tường dọc, vùng lân Cao trình đỉnh cột H = 10m Kz (H = 10m) = 1. o cận bờ mái, bờ nóc và chân mái), tuy nhiên áp lực Cao trình đỉnh mái Hm = 10*(1+tg10 ) = 11.76m cục bộ này phân phối đều lên các khung chịu lực và Kz (H = 11.76m) = 1.036. o chỉ áp dụng cho các công trình có góc dốc mái  > 10 Kz = 0.85; (hình 4). Kzt = 1; Bước khung B = 7m - Trong các công thức tính toán, TCVN 2737-1995 2 lấy hệ số độ tin cậy của tải trọng gió  = 1.2 còn ASCE qh = 0.0613*1.036*1*0.85*55.56 .7 = 1166.41 (daN/m) 7-10 lấy hệ số độ tin cậy WLF = 1. b. Tính áp lực gió tác dụng lên hệ kết cấu b1. Tra bảng 2, 4 để tìm ra các hệ số áp lực ngoài GCpf và GCpi cho 2 trường hợp khung giữa và khung biên (dạng nhà kín) khi gió thổi ngang nhà: 66 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015
5. QUY CHUẨN – TIÊU CHUẨN Giá trị GCpf tại các vùng 1 2 3 4 1E 2E 3E 4E 0.443 -0.69 -0.407 -0.337 0.673 -1.07 -0.583 -0.5 Giá trị GCpi tại các vùng ±0.18 Áp dụng công thức (3), ta có kết quả tải trọng tác dụng lên khung giữa như sau (đơn vị daN/m): Khung giữa (GCpi > 0) Khung biên (GCpi > 0) -1014.78 -684.68 -729 -444.99 306.77 -603.03 287.52 -396.58 Khung giữa (GCpi 0) Khung biên (GCpi > 0) -1014.78 -641.53 -729 -414.08 -734.84 -734.84 -384.92 -384.92 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015 69
6. QUY CHUẨN – TIÊU CHUẨN Khung giữa (GCpi < 0) Khung biên (GCpi < 0) -594.97 -519.06 -221.62 -204.12 -314.93 -314.93 -174.96 -174.96 2 2 3.2 Theo tiêu chuẩn TCVN 2737-1995 Wo = 0.0613*39.94 = 97.79 (daN/m ) Vì góc dốc  = 10o nên không phải xét đến hệ số - Chiều cao đỉnh cột H = 10m k(H = 10m) = 1 áp lực cục bộ. Vì vậy hệ số khí động của khung giữa (bảng 5 [4]) theo dạng địa hình B. và khung biên là như nhau. Chiều cao đỉnh mái Hm = 11.76m k(Hm = Công thức tính tải trọng gió tác dụng lên khung 11.76m) = 1.03. xác định như sau: - Hệ số độ tin cậy của tải trọng gió  = 1.2. q = W *k*C**B (daN/m) o - Bước khung B = 7m. trong đó: - Hệ số khí động C tra theo sơ đồ 2 bảng 6 [4]. 2 - Wo = 0.0613*V (công thức 6 [4]). + Trường hợp gió thổi ngang nhà: Ce = 0.8; Ce1 = - Ta thực hiện quy đổi vận tốc gió theo công thức 0.5; Ce2 = -0.4; Ce3 = -0.5. Ta có kết quả tải trọng tác (5): V = V20 = V700/1.391 = 55.56/1.391 = 39.94 (m/s). dụng lên khung như sau (đơn vị daN/m): Khung giữa Khung biên -423.07 -211.54 -338.43 -338.43 657.15 -410.72 328.58 -205.36 + Trường hợp gió thổi dọc nhà: hệ số khí động ở các mặt mái Ce = -0.7; hệ số khí động ở các mặt tường Ce3 = -0.4. Ta có kết quả tải trọng tác dụng lên khung như sau (đơn vị daN/m): Khung giữa Khung biên -592.26 -592.26 -296.13 -296.13 -328.57 -328.57 -164.29 -164.29 70 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015
7. QUY CHUẨN – TIÊU CHUẨN 3.3 Nhận xét kết quả thu được TÀI LIỆU THAM KHẢO Dựa trên kết quả ví dụ minh họa, ta nhận thấy [1]. Ths. Nguyễn Mạnh Cường, Ths. Đỗ Hoàng Lâm, nguyên tắc xác định tải trọng gió tác dụng lên khung Ths. Nguyễn Hồng Hải, TS. Đặng Sỹ Lân. (2014), theo ASCE 7-10 xét nhiều trường hợp hơn và giá trị Tính toán tải trọng gió tác dụng lên hệ mặt dựng thu được lớn hơn đáng kể so với TCVN 2737-1995 kính theo tiêu chuẩn Việt Nam, Hoa Kỳ và Châu (kể cả tải trọng tác dụng lên cột và xà mái), điều này Âu, tr60 – 70 Tạp chí Khoa học công nghệ Xây sẽ dẫn đến các sai lệch về kết quả chuyển vị, kết quả dựng, số 4/2014. nội lực trong khung khi tiến hành phân tích kết cấu. [2]. TS. Vũ Thành Trung, KS. Nguyễn Quỳnh Hoa. 4. Kết luận (2013), Đánh giá profile vận tốc gió theo các tiêu - Nguyên tắc tính toán tải trọng gió tác dụng lên hệ chuẩn của một số nước, tr3-11 Tạp chí Khoa học khung thép nhà tiền chế có rất nhiều điểm khác biệt công nghệ Xây dựng, số 2/2013. giữa ASCE 7-10 và TCVN 2737-1995, đặc biệt là ở [3]. PGS.TS. Nguyễn Quang Viên, Ths. Phạm Văn cách tính vận tốc gió và hệ số khí động. Khi áp dụng Tư, Ths. Hoàng Văn Quang, (2011), Kết cấu thép ASCE 7-10, người sử dụng có thể quy đổi tương nhà dân dụng và công nghiệp, Nhà xuất bản Khoa đương số liệu đầu vào của vận tốc gió theo hai hệ học và kỹ thuật. tiêu chuẩn nhưng không thể quy đổi hệ số khí động. [4]. TCVN 2737:1995 Tải trọng và tác động – Tiêu Cách xác định giá trị hệ số khí động theo ASCE 7-10 chuẩn thiết kế. xét cả ảnh hưởng của luồng gió đến toàn bộ không gian trong và ngoài nhà nên kết quả thu được chi tiết [5]. TCVN 5575:2012 Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết và rõ ràng hơn TCVN 2737-1995. kế. - Vì sự sai lệch này nên tác giả khuyến cáo người [6]. ASCE-7-10 Minimum Design Loads for Buildings sử dụng cần áp dụng quy trình thiết kế đồng bộ theo and Other Structures. một hệ thống tiêu chuẩn từ lựa chọn sơ đồ kết cấu, [7]. MBMA 2002 Metal Building Systems Manual, xác định tải trọng, xác định nội lực, kiểm tính khả Metal Building Manufactures Association, 2002. năng chịu lực của các cấu kiện chịu lực để kết quả Ngày nhận bài: 28/10/2015. thu được có độ tin cậy cao. Ngày nhận bài sửa lần cuối: 16/11/2015. 70 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015