Tính toán tải trọng gió tác dụng lên hệ mặt dựng kính theo tiêu chuẩn Việt Nam, Hoa Kỳ và châu Âu

Nội dung text: Tính toán tải trọng gió tác dụng lên hệ mặt dựng kính theo tiêu chuẩn Việt Nam, Hoa Kỳ và châu Âu

1. QUY CHUẨN - TIÊU CHUẨN TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ TÁC DỤNG LÊN HỆ MẶT DỰNG KÍNH THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM, HOA KỲ VÀ CHÂU ÂU ThS. NGUYỄN MẠNH CƯỜNG, ThS. ĐỖ HOÀNG LÂM, ThS. NGUYỄN HỒNG HẢI Viện KHCN Xây dựng TS. Đại úy. ĐẶNG SỸ LÂN Đại học Phòng cháy chữa cháy Tóm tắt: Hiện nay, ở Việt Nam các công trình xây dựng kính cần được thiết kế để đảm bảo khả năng dựng được hoàn thiện mặt ngoài bằng vật liệu kính chịu được các lực gió hút, đặc biệt là tại các vị trí góc đang được thi công ngày một nhiều. Việt Nam là một (phá hoại cục bộ). trong những nước chịu ảnh hưởng lớn bởi gió (bão). Hệ thống tiêu chuẩn của Việt Nam hiện chưa có Vì vậy, tải trọng gió có tính quyết định đến việc lựa hướng dẫn đầy đủ về tính toán áp lực gió lên hệ mặt chọn sử dụng các hệ kết cấu mặt dựng kính. Việc tính dựng kính và thiết kế kết cấu nhôm nên gây ra khó toán thiết kế hệ mặt dựng này ở Việt Nam vẫn chưa khăn nhất định trong việc thiết kế. So với tải trọng gió có tiêu chuẩn cũng như chỉ dẫn cụ thể nên nhiều đơn thì tải trọng do động đất ở Việt Nam có xác suất xảy vị tư vấn thiết kế gặp khó khăn đặc biệt là trong việc ra thấp trong khi trọng lượng bản thân hệ mặt dựng xác định tải trọng tác dụng do gió. Bài báo này sẽ kính là nhỏ nên tải trọng gió sẽ có ảnh hưởng lớn đến trình bày về cách tính và các vấn đề cần lưu ý khi tính việc lựa chọn và thiết kế hệ mặt dựng kính. Để bổ toán tải trọng do gió tác dụng lên hệ mặt dựng kính sung các nội dung chỉ dẫn còn thiếu khi tính toán tải theo tiêu chuẩn Việt Nam, Hoa Kỳ và Châu Âu. trọng gió tác dụng lên hệ mặt dựng kính, chúng ta có Từ khóa: Tải trọng gió, mặt dựng kính, hệ khung thể tham khảo sử dụng tiêu chuẩn Hoa Kỳ (ASCE), xương, hệ lắp ghép kiểu môđun, hệ dạng đỡ điểm, tiêu chuẩn Châu Âu (Eurocode), Tuy nhiên, khi áp 1. Mở đầu dụng để tính toán tải trọng do gió tác dụng lên hệ mặt dựng sẽ có nhiều điểm khác biệt so với tính toán tải Hiện nay, công tác thiết kế kết cấu hệ mặt dựng trọng gió tác dụng lên công trình. Vì vậy, việc tìm hiểu kính chưa được quan tâm đúng với tầm quan trọng tiêu chuẩn để áp dụng cho đúng vào trong tính toán của nó. Hầu hết việc lựa chọn hệ mặt dựng và tính hệ kết cấu mặt dựng kính là cần thiết. toán cấu kiện đều do nhà thầu thi công nhôm kính thực hiện. 2. Tổng quan về kính và hệ mặt dựng kính sử dụng trong công trình xây dựng Qua các nghiên cứu tổng quan cho thấy khi sử dụng hệ mặt dựng kính cho công trình thì đa số các 2.1 Đặc tính cơ lý của vật liệu kính trường hợp phá hoại là phá hoại cục bộ, các tấm kính Kính là một loại vật liệu nhân tạo được sử dụng từ bị thổi bay khỏi mặt dựng và đa số các phá hoại này khoảng 1500 năm trước công nguyên. Kính có các xảy ra tại các góc của công trình. Do đó, hệ thống mặt đặc tính cơ lý cơ bản sau (bảng 1): Bảng 1. Các đặc tính cơ lý của vật liệu kính [20] Đặc trưng Ký hiệu Giá trị Khối lượng riêng (180C) 2500 kg/m3 Độ cứng (Knoop) HK0,1/20 6 Gpa Hệ số Yâng (Hệ số đàn hồi) E 7 × 1010 Pa Hệ số Poatxông  0,2 6 Cường độ chịu uốn đặc trưng fg,k 45 × 10 Pa Khả năng chịu nhiệt C 0,72 × 103 J/(kg.K) Hệ số giãn nở trung bình 9 × 10-6 K-1 Giữa 200C và 3000C Khả năng chịu sự thay đổi nhiệt độ đột ngột 40 Kb Tính dẫn nhiệt  1 W/(m.K) Khúc xạ ánh sáng (380 nm - 780 nm) N 1,5 Bức xạ  0,837 2.2 Các hệ vách kính thông dụng Hệ khung xương là phiên bản lâu đời nhất của hệ a. Hệ khung xương (Stick Curtain Wall) mặt dựng kính. Đây là một hệ tường bao ngoài được 60 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014
2. QUY CHUẨN - TIÊU CHUẨN liên kết vào kết cấu công trình từ sàn đến sàn. Hệ cấu thành từ nhiều cấu kiện như: Neo sắt hoặc nhôm, thanh đố dọc (mullion), đố ngang (transom, horizontal mullion), kính, vật liệu cách nhiệt. Hệ khung xương được lắp đặt bằng cách treo thanh đố dọc vào mép sàn bằng thép góc, trong khi đó đầu bên dưới được liên kết bằng neo trượt. Các thanh đố ngang được gắn vào đố dọc để tạo nên các lỗ mở. Kết cấu khung chịu lực của hệ có đặc điểm chịu Hình 2. Chi tiết cấu tạo hệ lắp ghép kiểu môđun [11] lực tốt, tính toán và thiết kế đơn giản. Vật liệu sử dụng làm khung cho hệ cũng phong phú và dễ sử Khi sử dụng cho các toà nhà mà khoảng cách dụng như: Các thanh nhôm, các thanh hợp kim nhôm giữa các tầng là lớn, hệ lắp ghép kiểu môđun được hoặc các thanh được làm từ thép có mạ kẽm, thép tăng cường thêm khả năng chịu lực bằng cách bổ không rỉ, Khi thiết kế có thể sử dụng thêm đệm cao sung các thanh đố dọc (ngoài khung xương của các su tại các vị trí liên kết giữa gối tựa và hệ kết cấu môđun). Các thanh đố dọc này được lắp vào công công trình nhằm hình thành liên kết mềm có tác dụng trình tương tự như với hệ khung xương sau đó lần chống chấn động, chống động đất. lượt lắp các môđun đơn vị. Lúc này các môđun đơn vị sẽ liên kết với các thanh đố dọc và tạo ra một hệ kết cấu chắc chắn hơn. Hình 1. Chi tiết cấu tạo hệ khung xương [11] b. Hệ lắp ghép kiểu môđun (Unitized Curtain Wall) Hệ lắp ghép kiểu môđun có cấu tạo tương tự như hệ khung xương, gồm thanh đố dọc, thanh đố ngang, Hình 3. Hệ lắp ghép kiểu môđun có bổ sung thanh đố dọc [11] neo liên kết. Tuy nhiên, các thanh đố dọc, đố ngang được chế tạo thành một nửa tiết diện thay vì các c. Hệ dạng đỡ điểm (Hệ chân nhện, Spider Curtain Wall) thanh hình ống, sau đó được ghép lại khi lắp đặt. Nếu Hệ dạng đỡ điểm là hệ mặt dựng kính chỉ dùng với hệ khung xương chỉ có 2 liên kết cho mỗi thanh các chốt giữ kính để tạo thành các điểm liên kết và đố dọc, đố ngang thì ở hệ lắp ghép kiểu môđun có kết nối các tấm kính lại với nhau. Điểm đỡ có thể là đến 3 liên kết. Trong đó 2 liên kết giữa kính và nhôm, các thanh thép hay bó cáp có cường độ cao làm điểm liên kết thứ 3 ở khớp nối giữa thanh đố dọc và đố tựa để cố định các tấm kính thông qua chấu kính (pat) ngang. Hệ lắp ghép kiểu môđun được ghép sẵn và lắp đặt theo từng panel, giúp đẩy nhanh thời gian thi tạo nên hệ chịu lực chính trong mặt dựng kính. Hệ công. Vật liệu sử dụng làm khung chịu lực cho hệ lắp dạng đỡ điểm được phát triển từ mong muốn tạo ra ghép kiểu môđun phức tạp và khó chế tạo hơn hệ một mặt dựng có kiến trúc đẹp, giúp thỏa mãn nhu khung xương bởi đòi hỏi nhiều chi tiết, độ chính xác cầu thẩm mỹ rất cao, có khả năng đón ánh sáng cao để đảm bảo các môđun có thể lắp vào nhau một nhiều nhất do không bị vướng hay cản trở bởi hệ cách dễ dàng, chặt chẽ và ổn định. khung đỡ. Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014 61
3. QUY CHUẨN - TIÊU CHUẨN Không có phương pháp tính toán chuẩn cho thiết kế của mọi mặt dựng kính với kích thước và hình dáng khác nhau. Mặc dù tất cả các tiêu chuẩn tải trọng và tác động trên thế giới đã thể hiện các vùng có áp lực gió cao tại các góc, diềm mái của công trình. Đặc biệt là các công trình hiện đại có xu hướng không đều đặn, có hình dáng phức tạp và được xây dựng trong vùng có ảnh hưởng mạnh của địa hình và các công trình xung quanh (trung tâm các đô thị lớn), vì vậy thí nghiệm ống thổi khí động để xác định tải trọng gió lên hệ thống bao che là cần thiết. Trong trường hợp không thực hiện được thí nghiệm thì có thể chấp nhận tính toán theo chỉ dẫn của tiêu chuẩn. Trong tất cả các hệ thống tiêu chuẩn khác nhau thì tải Hình 4. Hệ sườn thép [21] trọng gió tác dụng lên công trình được xét đến theo hai dạng là tải trọng gió tổng thể và tải trọng gió cục bộ. Trong đó, tải trọng gió cục bộ là tải trọng gió tác động lên một khu vực cụ thể của bề mặt công trình và là quan trọng nhất đối với hệ mặt dựng kính. So với tải trọng gió tổng thể, tải trọng gió cục bộ có một số điểm khác nhau: - Tải trọng gió cục bộ bị ảnh hưởng rất nhiều bởi hình dạng của công trình hơn là tải trọng gió tổng thể lên toàn bộ công trình; - Tải trọng gió cục bộ lớn nhất có thể xảy ra tại bất Hình 5. Hệ sườn kính [21] kỳ vị trí nào trên công trình, trong khi đó tải trọng tổng thể là tổng của các áp lực dương và âm, và xảy ra đồng thời trên toàn bộ bề mặt công trình; - Cường độ và đặc tính tải trọng gió cục bộ của từng bề mặt công trình là rất khác nhau cho từng hướng gió và vận tốc gió còn tải trọng gió tổng thể chủ yếu khác nhau theo từng hướng gió cụ thể; - Tải trọng gió cục bộ nhạy cảm với sự tức thời của gió và thường được xác định vận tốc gió giật 3 giây hoặc 1 giây. Khi thiết kế hệ mặt dựng kính ngoài tính toán tới Hình 6. Hệ dây căng [21] gió tổng thể còn cần phải chú ý và tính toán tới tải 3. Tải trọng gió tác động lên hệ mặt dựng kính trọng gió cục bộ. Việc tính toán tải trọng gió cục bộ có thể tham khảo theo một số tiêu chuẩn. Thiết kế mặt dựng kính chịu tải trọng ngang (tải trọng gió) là sự quan tâm chính của các kỹ sư thiết kế. 3.1 Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 2737 : 1995) Sự phá hoại kết cấu mặt dựng do gió bão gây ra là một Giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của tải trọng gió hiện tượng hay xảy ra. Khả năng chịu lực của kính chịu ở độ cao z so với mốc chuẩn được xác định theo ảnh hưởng bởi các yếu tố như bức xạ mặt trời, chi tiết công thức: các ô cửa và keo dán, loại kính (kính cường lực hay không cường lực, kính dán hay kính hộp). W = Wo k c (1) 62 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014
4. QUY CHUẨN - TIÊU CHUẨN trong đó: hợp áp lực ngoài lên hệ vách dựng có giá trị âm (gió hút) thì khi tính toán sẽ cần xét đến tải trọng cục bộ Wo- giá trị áp lực gió theo bản đồ phân vùng; do gió tại vùng lân cận các đường bờ mái, bờ nóc và k - hệ số tính đến sự thay đổi của áp lực gió theo chân mái, các cạnh tiếp giáp giữa tường ngang và độ cao và dạng địa hình; tường dọc. Phân định các vùng chịu áp lực gió cục bộ c - hệ số khí động; như trong hình 7: Hệ số tin cậy của tải trọng gió lấy bằng 1,2. Đối với hệ mặt dựng kính, hệ số khí động với trường hợp gió tổng thể sẽ được lấy theo quy định của mục 6.8 (tính kết cấu của tường ngoài, cột, dầm chịu gió, đố cửa kính): c = +1,0 khi tính với áp lực dương; c = - 0,8 khi tính với áp lực âm. Điều 6.10 của tiêu chuẩn có quy định trong trường Hình 7. Các vùng chịu áp lực cục bộ trên mái (Nguồn hình 1[4]) Bảng 2. Hệ số áp lực cục bộ D (Nguồn bảng 7 [4]) Vùng có áp lực cục bộ Hệ số D Vùng 1: Có bề rộng a tính từ bờ mái, bờ nóc, 2 chân mái và góc tường Vùng 2: Có bề rộng a tiếp giáp với vùng 1 1,5 Chú thích: 3.2 Tiêu chuẩn Hoa Kỳ (ASCE 7-2010) - Tại các vùng có áp lực cục bộ, hệ số khí động c Tiêu chuẩn Hoa Kỳ có quy định riêng cho việc tính cần được nhân với hệ số áp lực cục bộ D; toán áp lực gió lên hệ kết cấu bao che với diện tích 2 - Khi tính lực tổng hợp trên 1 công trình, một bức các cấu kiện (bộ phận) nhỏ hơn 65m . Theo đó việc tường hoặc một hệ mái không được sử dụng các hệ xác định tải trọng gió lên kết cấu bao che cho các số áp lực cục bộ này; dạng công trình được chia ra làm 06 phần như sau: - Bề rộng a lấy bằng giá trị nhỏ nhất trong 3 giá trị Phần 1: Áp dụng cho công trình dạng kín hoặc gần kín: sau: 0,1b, 0,1l, 0,1h nhưng không nhỏ hơn 1,5m, kích - Nhà thấp tầng (xem định nghĩa tại mục 26.2 [16]); thước b, l, h xem trên hình 7; - Công trình có chiều cao h ≤ 60 ft (18,3 m). - Hệ số áp lực cục bộ chỉ áp dụng cho các nhà có Phần 2: Phương pháp tính đơn giản áp dụng cho độ dốc mái α >100; công trình dạng kín: - Khi có mái đua thì diện tích bao gồm cả diện tích - Nhà thấp tầng (xem định nghĩa tại mục 26.2 mái đua, áp lực phần mái đua lấy bằng phần tường [16]); sát dưới mái đua. - Công trình có chiều cao h ≤ 60 ft (18,3 m). Với ảnh hưởng của thành phần động, tiêu chuẩn Việt Nam hiện tại chưa có chỉ dẫn tính toán riêng cho Phần 3: Áp dụng cho công trình dạng kín hoặc gần hệ mặt dựng kính nên khi tính toán có thể vận dụng kín: theo công thức sau: Công trình có chiều cao h > 60 ft (18,3 m). Wp = W   (2) Phần 4: Phương pháp tính đơn giản áp dụng cho trong đó: công trình dạng kín: W - giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của tải trọng Công trình có chiều cao h ≤ 160 ft (48,8 m). gió ở độ cao; Phần 5: Áp dụng cho các công trình mở với chiều  - hệ số áp lực động của tải trọng gió ở độ cao; cao bất kỳ, sử dụng mái dốc, mái dốc một bên, mái có  - hệ số tương quan không gian áp lực động của máng xối. tải trọng gió. Phần 6: Áp dụng cho các chi tiết phụ như mái đua, Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014 63
5. QUY CHUẨN - TIÊU CHUẨN tường chắn mái, thiết bị trên mái. lực gió trong và ngoài nhà), được đặt theo phương * Các thông số xác định tải trọng gió bao gồm: pháp tuyến với mỗi bề mặt công trình. Giá trị pnet được xác định theo công thức: - Vận tốc gió cơ bản V; pnet = Kzt pnet30 (5) - Hệ số gió theo phương Kd; trong đó: - Phân loại dạng đón gió;  - hệ số điều chỉnh cho chiều cao và hình dạng - Hệ số địa hình K ; zt công trình, tra theo hình 30.5-1[16]; - Hệ số ảnh hưởng của gió giật; Kzt - hệ số địa hình xác định tại chiều cao tham - Phân loại các dạng bao che; chiếu bằng 0,33 chiều cao công trình (0,33h); - Hệ số áp lực trong nhà, ngoài nhà (GC GC ). pi, p pnet30 - áp lực gió thiết kế trung bình cho dạng địa * Áp lực gió hình B, tại độ cao h = 30 ft (9,1 m). - Theo hệ đơn vị SI, áp lực gió, qz, tại cao độ z sẽ Với hệ kết cấu thuộc đối tượng quy định trong được tính theo công thức: phần 3: áp lực gió thiết kế được xác định theo công 2 2 thức sau: qz = 0,0613 KzKztKdV (daN/m ) (3) p = q(GC ) – q (GC ) (6) trong đó: p i pi trong đó: Kd - hệ số gió theo phương, với mặt dựng kính Kd =0,85; q = qz cho tường chịu gió đẩy, tính toán tại cao độ z; Kz - hệ số áp lực theo dạng đón gió, tra theo bảng 30.3-1[16]; q = qh cho tường chịu gió hút, tường bên, mái, tính toán tại cao độ h; Kzt - hệ số địa hình, xác định theo mục 26.8[16]; V - vận tốc gió cơ bản là vận tốc gió trung bình qi = qh cho tường chịu gió đẩy, tường bên, tường trong 3 giây; đo tại độ cao 10m; ứng với dạng địa hình chịu gió hút, mái của công trình dạng kín và áp lực chuẩn C; chu kỳ lặp là 300 năm với công trình cấp I, trong nhà có giá trị âm của công trình gần kín; 700 năm với công trình cấp II và 1700 năm với công qi = qz cho áp lực trong nhà có giá trị dương của trình cấp III, IV (quy định về dạng địa hình chuẩn C và công trình gần kín, với cao độ z được định nghĩa là các cấp công trình tuân thủ theo quy định trong [16]). cao độ của lỗ mở cao nhất của công trình có thể gây Áp lực gió tối thiểu tác dụng lên hệ mặt dựng theo ra áp lực trong nhà dương; 2 mục 30.2.2[16] là 0,77KN/m . (GCp) - hệ số áp lực ngoài nhà, tra theo các hình Với hệ kết cấu thuộc đối tượng quy định trong từ 30.6-1[16], 30.4-7[16] và 27.4-3[16]; phần 1: Áp lực gió thiết kế được xác định theo (GCpi) - hệ số áp lực trong nhà, tra bảng 26.11- công thức sau: 1[16]. p = qh[(GCp) – (GCpi)] (4) Với hệ kết cấu thuộc đối tượng quy định trong trong đó: phần 4: Áp lực gió thiết kế tại các vùng của tường và mái được xác định theo bảng 30.7-2 [16] dựa qh, - áp lực gió xác định tại chiều cao công trình h; trên vận tốc gió cơ bản V, chiều cao công trình h, độ dốc mái . Áp lực tra theo bảng (ptable) sẽ được (GC ) - hệ số áp lực ngoài nhà, tra theo các hình p nhân với hệ số điều chỉnh theo hình dạng công từ 30.4-1[16] đến 30.4-7[16] và 27.4-3[16]. trình (EAF) nếu khác với dạng C. Áp lực trong (GCpi) - hệ số áp lực trong nhà, tra bảng 26.11- bảng 30.7-2 [16] dựa trên diện tích tác dụng của 1[16]. gió là 10 ft2 (0,93 m2). Áp lực gió được giảm đối Với hệ kết cấu thuộc đối tượng quy định trong với diện tích lớn hơn dựa trên hệ số giảm (RF) cho phần 2: Áp lực gió thiết kế trung bình, pnet, là giá trị trong bảng. Áp lực trên toàn bộ vùng còn lại được đặc trưng cho các áp lực trung bình (tổng của áp đưa ra theo công thức. Áp lực gió thiết kế cuối 64 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014
6. QUY CHUẨN - TIÊU CHUẨN cùng được xác định theo công thức sau: (GCpi) - hệ số áp lực trong, tra theo hình 26.11- 1[16]. p = ptable(EAF)(RF)Kzt (7) trong đó: * Phân vùng áp lực gió cục bộ trên bề mặt công trình EAF - hệ số điều chỉnh theo hình dạng, tra bảng Khi tính toán hệ mặt dựng kính dưới tác động của 30.7-2 [16]; gió phải xét đến các vị trí cục bộ. Phân vùng áp lực RF - hệ số giảm theo diện tích tác dụng, tra theo gió cục bộ được thể hiện thông qua hệ số áp lực bảng 30.7-2 [16]; ngoài nhà (GCp). Đối với từng hình dạng công trình khác nhau sẽ có từng bảng tra tương ứng (GCp). Thí Kzt - Hệ số địa hình, xác định theo mục 26.8[16]. dụ: Với công trình nhà có mặt bằng hình chữ nhật, Với hệ kết cấu thuộc đối tượng quy định trong mái bằng chiều cao lớn hơn 60ft hệ số áp lực ngoài phần 5: Áp lực gió thiết kế trung bình được xác nhà cho từng khu vực sẽ được tra theo hình sau: định theo công thức sau: p = qhGCN (8) trong đó: qh - áp lực gió xác định tại chiều cao công trình h, là tải trọng gió lớn nhất theo hình dạng công trình mà có thể gây ra tác dụng lớn nhất đối với bất kỳ hướng nào; G - hệ số ảnh hưởng của gió giật (gust-effect factor), xác định theo mục 26.9[16]; CN - hệ số áp lực trung bình, tra theo hình 30.8- 1[16] đến 30.8-3[16]. Với hệ kết cấu thuộc đối tượng quy định trong phần 6: áp lực gió được chia riêng thành hệ tường chắn mái và mái đua. Hình 8. Hình xác định hệ số áp lực cục bộ ngoài nhà, GCp Tường chắn mái: Áp lực gió thiết kế được xác định (Nguồn hình 30.6-1 [16]) theo công thức: Chú thích các nội dung trong hình 8: p = qp[(GCp) – (GCpi)] (9) - Trong trường hợp gió đẩy, không xuất hiện gió trong đó: cục bộ, khu vực 4, 5 có cùng giá trị và tra theo đường (I), hệ số (GC ) có giá trị dương; qp - áp lực gió xác định dựa vào cao độ đỉnh p tường; - Trong trường hợp gió hút, gió cục bộ xuất hiện ở (GCp) - hệ số áp lực ngoài, tra theo các hình từ 2 góc dọc theo chiều cao công trình (khu vực 5), tra 30.4-1[16] đến 30.4-7[16], 30.6-1[16] và 27.4-3[16]; bảng theo đường (III), hệ số (GCp) có giá trị âm; (GCpi) - hệ số áp lực trong, dựa trên độ rỗng của - Theo đồ thị, áp lực cục bộ đối với mặt đón gió có 2 2 tường bao mái, tra theo hình 26.11-1[16]. diện tích nhỏ hơn 20 ft (1,9 m ) sẽ có giá trị (GCp) lớn 2 2 Mái đua: Áp lực gió thiết kế cho mái đua được xác nhất (-1,8), diện tích trong khoảng 20 ft (1,9 m ) - 500 2 2 định theo công thức: ft (46,5 m ) sẽ giảm dần về (-1) và giữ nguyên giá trị này với diện tích lớn hơn 500 ft2 (46,5 m2); p = qh[(GCp) – (GCpi)] (10) - Khoảng giới hạn a của phân vùng 5 bằng 10% trong đó: của chiều dài cạnh nhỏ mặt bằng công trình, không qh - áp lực gió được xác định ở chiều cao công nhỏ hơn 3 ft (0,9 m). trình h; Hệ số áp lực trong nhà, (GCpi), được xác định theo (GCp) - hệ số áp lực ngoài, tra theo các hình từ bảng 26.11-1 [16] dựa theo phân loại các dạng bao 30.4-2A[16], 30.4-2C[16]; che của công trình. Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014 65
7. QUY CHUẨN - TIÊU CHUẨN 3.3 Tiêu chuẩn Eurocode Hệ số áp lực ngoài nhà đặc trưng cho tác động Áp lực ở độ cao z, qp(z), được xác định theo công của gió lên bề mặt bên ngoài của công trình; hệ số áp thức: lực trong nhà đặc trưng cho tác động của gió lên bề 2 qp(z) = ½ [1+7Iv(z)] vm (z) = ce(z)qb (11) mặt bên trong của công trình. Hệ số áp lực ngoài nhà trong đó: trong tiêu chuẩn Eurocode được đưa ra hai cấp độ giá trị tương ứng với bề mặt có diện tích nhỏ hơn 1m2 ce(z) - hệ số kể đến độ thay đổi áp lực gió theo độ (c ) và lớn hơn 10m2 (c ). Với bề mặt có diện tích cao được xác định bằng cách tra đồ thị hoặc tính theo pe,1 pe,10 2 2 công thức: lớn hơn 1m và nhỏ hơn 10m hệ số được xác định 2 bằng nội suy theo công thức (16): ce(z) = cr (z) * [( 1 + 7*Iv(z)] (12) cpe = cpe,1 – (cpe,1 – cpe,10)lgA (16) qb - giá trị áp lực gió tiêu chuẩn được xác định theo công thức: Khi thiết kế các cấu kiện có diện tích nhỏ và các 2 liên kết hệ số (cpe,1) sẽ được sử dụng. Hệ số áp lực qb = 1/2 * * vb (13) ngoài ứng với từng dạng công trình được tiêu chuẩn vb - vận tốc gió cơ bản được xác định là vận tốc thể hiện rất đầy đủ theo các hình trong mục 7.2[19]. trung bình trong 10 phút, chu kỳ lặp 50 năm, giá trị lấy Khi tính toán hệ vách dựng và kết cấu bao che cần theo bảng 4.2 - QCXD:02/2009-BXD; phải xem xét tới tác động của gió cục bộ. Phân vùng cr(z) - hệ số thay đổi vận tốc gió theo độ cao và áp lực gió cục bộ cũng được thể hiện rõ trong các dạng địa hình - xem mục 4.2.3[19]. hình (theo các phân vùng A, B, C, D, ). Thí dụ: đối với công trình có mặt bằng hình chữ nhật được xác Áp lực gió lên bề mặt bên ngoài công trình, we, được xác định theo biểu thức định theo hình 9 và bảng 3 dưới đây: we = qp(ze) cpe (14) trong đó: qp(ze) - giá trị áp lực gió ở độ cao ze ; cpe - hệ số áp lực gió cho các mặt bên ngoài; ze - chiều cao tham chiếu cho áp lực bên ngoài, phụ thuộc vào hình dạng và kích thước công trình. Áp lực gió lên mặt bên trong công trình, wi, được xác định theo biểu thức: wi = qp(zi) cpi (15) trong đó: qp(zi) - giá trị áp lực gió ở độ cao zi ; c - hệ số áp lực gió mặt trong nhà; pi zi - chiều cao tham chiếu cho áp lực trong nhà, phụ Hình 9. Hình xác định hệ số áp lực ngoài nhà thuộc vào hình dạng và kích thước công trình. (Nguồn hình 7.5 [19]) Bảng 3. Giá trị cpe cho mặt đứng công trình có mặt bằng chữ nhật (Nguồn bảng 7.1 [19]) Vùng A B C D E h/d cpe,10 cpe,1 cpe,10 cpe,1 cpe,10 cpe,1 cpe,10 cpe,1 cpe,10 cpe,1 5 -1,2 -1,4 -0,8 -1,1 -0,5 +0,8 +1,0 -0,7 1 -1,2 -1,4 -0,8 -1,1 -0,5 +0,8 +1,0 -0,5 ≤ 0,25 -1,2 -1,4 -0,8 -1,1 -0,5 +0,7 +1,0 -0,3 - Như vậy, theo tiêu chuẩn Eurocode, áp lực gió hai góc mặt bên của công trình theo hướng gió đẩy cục bộ lớn nhất là tại bề mặt có gió hút và xảy ra tại (xem mặt bằng hình 9). Với các công trình mặt bằng 66 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014
8. QUY CHUẨN - TIÊU CHUẨN chữ nhật tỷ lệ hai cạnh bình thường thì khu vực này là trong đó: 1/5 chiều dài đón gió hoặc 2/5 chiều cao công trình C C - hệ số phụ thuộc vào đặc điểm kết cấu, với tuỳ (lấy giá trị nhỏ hơn); s d hệ mặt dựng kính CsCd =1,0; - Giá trị cpe phụ thuộc vào diện tích bề mặt tính toán. We - áp lực bên ngoài lên bề mặt kết cấu ở độ cao ze; Hệ số áp lực trong nhà cpi phụ thuộc vào kích thước và phân bố lỗ mở trên mặt đứng. Áp lực trong Wi - áp lực bên trong lên bề mặt kết cấu ở độ cao nhà của mặt đứng chính được lấy bằng một phần của ze; áp lực ngoài nhà: Aref - diện tích tham chiếu của kết cấu hoặc các bộ - Khi diện tích lỗ mở mặt đứng chính gấp đôi diện phận kết cấu. tích lỗ mở của các mặt còn lại: 4. Ví dụ tính toán cpi = 0,75 cpe (17) Công trình lựa chọn làm ví dụ tính toán có các - Khi diện tích lỗ mở mặt đứng chính lớn hơn 3 lần thông tin như sau: diện tích lỗ mở của các mặt còn lại: - Vị trí xây dựng công trình: địa phận xã Trung cpi = 0,90 cpe (18) Văn, huyện Từ Liêm, thành phố Hà Nội; - Với công trình không xác định được mặt đứng chính, hệ số áp lực trong nhà cpi được xác định theo - Quy mô công trình: 54 tầng, chiều cao: 184m; hình 10: - Hình dạng công trình: hình chữ nhật; - Diện tích mặt bằng các tầng điển hình: rộng 44m; dài 52m; - Kích thước ô kính điển hình: 1,2 x 3,6m. Việc tính toán áp lực gió vào bề mặt công trình trong ví dụ này được áp dụng theo các tiêu chuẩn bao gồm: Việt Nam, Hoa Kỳ và Châu Âu để đối chiếu và đánh giá. Hình 10. Hệ số áp lực trong nhà đối với lỗ mở phân bố đều 4.1 Tính toán theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN (Nguồn hình 7.13 [19]) 2737:1995) (19) Vị trí xây dựng công trình thuộc vùng gió IIB có áp lực gió tiêu chuẩn W =95daN/m2, dạng địa hình là 0 dạng B. Giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của tải - Khi ít nhất hai mặt của công trình (mặt đứng hoặc trọng gió ở độ cao z so với mốc chuẩn được xác định mái) có tổng diện tích lỗ mở mỗi mặt lớn hơn 30% theo công thức W = W k c. Trong đó: diện tích mặt đó thì việc tính toán sẽ không thực hiện ttc o theo mục này mà thay thế theo mục 7.3 [19] và 7.4 - Hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao [19]. (k) được tra theo bảng 5 - TCVN 2737:1995 ứng với - Với các dạng khác xem quy định trong mục dạng địa hình B; 7.2.9[19]. - Hệ số khí động (c) được lấy bằng +1,0 với mặt Tải trọng gió, Fw, tác động lên kết cấu hoặc bộ đón gió (gió đẩy) và -0,8 với mặt khuất gió (gió hút) phận của kết cấu được xác định bằng cách tổng hợp trong trường hợp tính gió tổng thể và lấy bằng -1,6 (- các lực thành phần Fw,e, Fw,i tính từ áp lực bên ngoài 0,8*2) trong trường hợp xét đến cục bộ các vị trí và bên trong sử dụng công thức (20), (21) thuộc vùng 1 theo hình 1 - TCVN 2737:1995. - Lực bên ngoài: F = C C * * A (20) w,e s d We ref Kết quả tính toán áp lực tiêu chuẩn do thành phần surfaces tĩnh của tải trọng gió tác dụng lên bề mặt dựng xem - Lực bên trong: F = C C * * A (21) w,i s d We ref surfaces trong bảng 4. Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014 67
9. QUY CHUẨN - TIÊU CHUẨN Bảng 4. Kết quả tính toán áp lực tiêu chuẩn do thành phần tĩnh của tải trọng gió 2 Wttc (hút tổng thể), Wttc (hút cục bộ), Cao độ Z(m) k W (đẩy), daN/m 2 2 ttc daN/m daN/m 1 20,0 1,13 107 86 172 2 50,0 1,34 127 102 204 3 120,0 1,56 148 119 237 4 184,0 1,68 160 128 255 Áp lực tiêu chuẩn do thành phần động của tải trọng gió tác dụng lên bề mặt dựng được xác định theo công thức (2): Wp = W  . Thực hiện tính toán với mặt chắn gió là mặt có bề rộng 48m, kết quả tính toán xem trong bảng 5. Bảng 5. Kết quả tính toán áp lực tiêu chuẩn do thành phần động của tải trọng gió Wptc (đẩy), Wptc (hút tổng Wptc (hút cục Cao độ Z(m) k   2 2 2 daN/m thể), daN/m bộ), daN/m 1 20,0 1,13 0,457 0,547 27 21 43 2 50,0 1,34 0,421 0,547 29 23 47 3 120,0 1,56 0,389 0,547 32 25 50 4 184,0 1,68 0,374 0,547 33 26 52 Áp lực gió tính toán lên được xác định bằng cách nhân áp lực gió tiêu chuẩn với hệ số tin cậy của tải trọng gió. Với công trình lựa chọn trong ví dụ tính toán này, hệ số độ tin cậy  = 1,2. Tổng hợp áp lực gió (gồm cả thành phần tĩnh và động) tính toán tác dụng vào hệ mặt dựng xem trong bảng 6. Bảng 6. Tổng hợp áp lực gió (gồm cả thành phần tĩnh và động) tính toán tác dụng vào hệ mặt dựng 2 Wtt (hút tổng thể), Wtt (hút cục bộ), Cao độ Z(m) k W (đẩy), daN/m 2 2 tt daN/m daN/m 1 20,0 1,13 161 129 258 2 50,0 1,34 188 150 301 3 120,0 1,56 216 173 345 4 184,0 1,68 231 185 369 4.2 Tính toán theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ (ASCE 7-2010) Kzt - hệ số địa hình, với công trình này Kzt = 1,0; Với quy mô như công trình lựa chọn làm ví dụ, Kz - hệ số áp lực theo dạng đón gió, tra bảng cấp tính toán công trình lấy tương ứng với cấp II theo 30.3-1[16] theo dạng địa hình C. quy định trong ASCE 7-2010. Theo đó, vận tốc gió Công trình ví dụ thuộc phạm vi áp dụng trong tính toán được xác định là vận tốc trung bình trong 3 phần 3, diện tích mỗi tấm kính là 4,32m2. Hệ số áp giây, chu kỳ lặp là 700 năm. Hệ số chuyển đổi vận tốc lực tra theo hình 30.6-1 và 26.11-1[16]: gió trung bình trong 3 giây từ chu kỳ lặp 20 năm (theo TCVN) sang 700 năm là: 1,391. - Vùng gió có gió hút cục bộ: GCpe=-1,55, GCpi=0.18; Vận tốc gió cơ bản: V = 1,391*39,36 = 57,78 (m/s). - Vùng gió có gió đẩy: GCpe=0,82, GCpI=-0.18. Kd - hệ số gió theo phương, với mặt dựng kính Kd Tổng hợp áp lực gió tác dụng vào hệ mặt dựng =0,85; xem trong bảng 7. Bảng 7. Kết quả tính toán áp lực gió tác dụng vào hệ mặt dựng - theo tiêu chuẩn ASCE 7-2010 2 2 Gió đẩy, Gió hút cục bộ, Cao độ Z(m) Kz qz, daN/m qh, daN/m daN/m2 daN/m2 1 20,0 1,16 181 199 462 2 50,0 1,40 219 229 468 227 3 120,0 1,69 264 267 477 4 184,0 1,77 277 277 479 68 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014
10. QUY CHUẨN - TIÊU CHUẨN 4.3 Tính theo tiêu chuẩn Châu Âu (Eurocode) = 3,833 > 2 nên chiều cao tham chiếu ze sẽ được lấy cho 03 vùng khác nhau: Công trình được xây dựng tại Từ Liêm - Hà Nội, tra bảng 4.1 QCVN 02-2009 xác định được vận tốc - Vùng 1: Từ độ cao 48m trở xuống, ze được lấy gió tính trung bình 10 phút, chu kỳ lặp 50 năm là bằng 48m, hệ số ce(48) = 3,44; 30,12m/s. - Vùng 2: Từ độ cao 136m trở lên, ze được lấy Dạng địa hình tại vị trí xây dựng công trình tương bằng 184m, hệ số ce(184) = 4,51; ứng với dạng II theo tiêu chuẩn Eurocode có z0 = - Vùng 3: Từ độ cao 48m trở lên đến 136m, ze 0,05m, zmin = 2,00m. được lấy chính bằng độ cao tại vị trí tính toán. Công trình sử dụng tấm kính có kích thước Áp lực gió tiêu chuẩn xác định theo công thức qb = 2 2 2 1,2x3,6(m), mỗi tấm kính có diện tích là 4,32m . Do 1/2* *vb = 56,7 daN/m . đó, hệ số áp lực ngoài lên tấm kính sẽ lấy cpe,4,32. Hệ Áp lực gió tác dụng lên mặt ngoài được xác định số áp lực cục bộ lớn nhất tương ứng với vùng A có theo công thức: we = qp*ce(ze)*cpe cpe,4,32 = 1,272. Các mặt đứng công trình đều được thiết kế tương tự như nhau nên hệ số áp lực trong c Áp lực gió tác dụng lên mặt trong được xác định pi được tra theo hình 10, Việc xác định giá trị của  là theo công thức: wi = qp*ce(zi)*cpi rất phức tạp nên thiên về an toàn có thể lấy cpi = 0,35. Mặt chắn gió được chọn là mặt có kích thước Tổng hợp kết quả tính toán áp lực gió hút cục bộ tác bxh=52x184(m). Khi đó, tỷ lệ kích thước h/b = 184/48 dụng vào hệ mặt dựng xem trong bảng 8. Bảng 8. Kết quả tính toán áp lực gió hút cục bộ tác dụng vào hệ mặt dựng - theo tiêu chuẩn Eurocode Tổng gió hút 2 2 Cao độ Z(m) Ze,i(m) ce (ze,i) cpe cpi We, daN/m Wi, daN/m We+Wi, daN/m2 1 20,0 48 3,44 1,272 0,35 248 68 316 2 50,0 50 3,47 1,272 0,35 250 69 319 3 120,0 120 4,15 1,272 0,35 299 82 382 4 184,0 184 4,51 1,272 0,35 325 90 415 4.4 Kết quả thí nghiệm bằng ống thổi khí động Áp lực gió đẩy (KN/m2) Áp lực gió hút (KN/m2) Hình 11. Kết quả thí nghiệm bằng ống thổi khí động [14] 4.5 Nhận xét đánh giá tính toán theo các tiêu chuẩn khác nhau thì giá trị thu Kết quả tính toán áp lực gió hút cục bộ tác dụng được là khác nhau, kết quả tính toán theo tiêu chuẩn lên mặt dựng công trình trong ví dụ trên cho thấy khi Việt Nam cho giá trị nhỏ nhất. Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014 69
11. QUY CHUẨN - TIÊU CHUẨN Kết quả tính toán theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ và tiêu 6. TCVN 7505 : 2005 Quy phạm sử dụng kính trong xây chuẩn Châu Âu cho giá trị gần với kết quả thí nghiệm dựng – Lựa chọn và lắp đặt. bằng ống thổi khí động hơn. 7. EMIL SIMIU and ROBERT H.SCALAN. Wind effects on 5. Kết luận Structure. 8. G. JAMES GROUP, Glass Handbook, Australia, 2010. - Với các công trình xây dựng ở Việt Nam có sử 9. JOHNNY CHOI, Design and Implementation of Curtain dụng hệ mặt dựng kính thì việc tính toán hệ mặt dựng Wall System, Hong Kong, 2010. kính dưới tác động của tải trọng do gió (bão) là không 10. N.K. GARG, Guidelines for Use of Glass in Buildings, thể không kể tới; New Age International (P) Limited – Publishers, India, - Nên tiến hành thí nghiệm ống thổi khí động để 2007. xác định áp lực gió đặc biệt là với các công trình có 11. WONG WAN SIE, WINXIE , Analysis and Design of hình dạng phức tạp. Trong trường hợp không thực Curtain Wall Systems for High Rise Buildings, University hiện được thí nghiệm có thể áp dụng tính toán theo of Southern Queensland, Australia, 2007. các tiêu chuẩn về tải trọng và tác động. Khi tính toán 12. YUKAKO NAKAGAMI , Probabilistic Dynamics of Wind tải trọng gió lên hệ thống mặt dựng kính cần xét tới Excitation on Glass Facade, Japan, 2003. ảnh hưởng của áp lực gió cục bộ; - Tiêu chuẩn Việt Nam có quy định về tính toán gió 13. BMT Fluid Mechanics, Keangnam Hanoi Landmark cục bộ nhưng chưa đầy đủ cho các dạng công trình Tower Complex - Hanoi, Vietnam - Wind Tunnel Testing nên khi tính toán cần tham khảo các tiêu chuẩn nước Cladding Pressure Studies, Viet Nam, 2008. ngoài: Mỹ, Châu Âu, như đã trình bày ở phần 3 của 14. TE SOLUTION, Report on the Wind Tunnel Test for bài báo. Khi vận dụng tiêu chuẩn nước ngoài để tính VINAFOR Tower, Hanoi, Vietnam, 2011. toán cần lưu ý chuyển đổi số liệu đầu vào của vận tốc 15. AAMA-TIR-A11 - 2004 Maximum Allowable Deflection of gió theo tiêu chuẩn Việt Nam (trung bình trong 3 giây Framing Systems for Building Cladding Components at với chu kỳ lặp là 20 năm) sang phù hợp với các tiêu Design Wind Loads. chuẩn khác. 16. ASCE 7 - 2010: Minimum Design Loads for Buildings TÀI LIỆU THAM KHẢO and Other Structures. 17. ASTM E 1300-04: Glass Load Design Specification. 1. VŨ THÀNH TRUNG, Báo cáo kết quả thí nghiệm hệ 18. EN 572-1:2004: Glass in Building - Basic Soda Lime thống mặt dựng của công trình tòa nhà PV GAS (Hồ Chí Silicate Glass Products - Part 1: Definitions and General Minh), Phòng Nghiên cứu Thí nghiệm Gió - Viện KHCN Xây dựng, 2001. Physical and Mechanical Properties. 2. VŨ THÀNH TRUNG, Một số kết quả nghiên cứu về mặt 19. Eurocode 1: Actions on Structures - Part 1-4: General dựng tường kính của nhà cao tầng, Viện KHCN Xây Actions – Wind Actions. dựng, 2012. 20. prEN 13474-3:2009 Glass in building - Determination of 3. QCVN 02 : 2009/BXD, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia - số the Strength of Glass Panes. liệu - điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng. 21. ĐỖ HOÀNG LÂM, Tính toán hệ mặt dựng kính áp dụng 4. TCVN 2737 : 1995 Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn trong nhà cao tầng chịu tải trọng gió ở Việt Nam, Luận thiết kế. văn thạc sỹ kỹ thuật – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, 5. TCVN 5574 : 2012 Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép - 2013. Tiêu chuẩn thiết kế. Ngày nhận bài sửa: 02/11/2014. 70 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014