Đang tải... (xem toàn văn)
Ở Việt Nam hiện nay, trong khi các kỹ sưtrong nước vẫn chú trọng sử dụng tiêu chuẩn ViệtNam để thiết kế kết cấu khung thép tiền chế nhà côngnghiệp thì các công ty đến từ nước ngoài như ZamilSteel, PEB Steel, Kirby Steel,… lại ưu tiên sử dụngtiêu chuẩn Mỹ (ASCE). Điều này sẽ dẫn đến nhữngsai khác nhất định trong kết quả tính toán. Bài báophân tích những sai khác trong quy trình tính tải trọnggió tác dụng lên khung và nêu lên một số vấn đề cầnlưu ý khi áp dụng ASCE trong điều kiện xây dựng nhàthép tiền chế ở Việt Nam.
QUY CHUẨN – TIÊU CHUẨN SỰ SAI KHÁC TRONG TÍNH TỐN TẢI TRỌNG GIĨ 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 nay, kỹ sư nước trọng sử dụng tiêu chuẩn Việt Nam để thiết kế kết cấu khung thép tiền chế nhà cơng nghiệp cơng ty đến từ nước Zamil Steel, PEB Steel, Kirby Steel,… lại ưu tiên sử dụng tiêu chuẩn Mỹ (ASCE) Điều dẫn đến sai khác định kết tính tốn Bài báo phân tích sai khác quy trình tính tải trọng gió tác dụng lên khung nêu lên số vấn đề cần vấn đề cần lưu ý áp dụng ASCE điều kiện xây dựng nhà thép tiền chế Việt Nam Nguyên tắc xác định tải trọng gió tác dụng theo ASCE 7-2010 so sánh với TCVN 2737-1995 2.1 Áp lực gió đơn vị ASCE dựa phân tích động lượng trường gió để đưa cơng thức xác định áp lực gió đơn vị q: q = 0.0613 Kz Kzt Kd V 2 (daN/m ) (1) lưu ý áp dụng ASCE điều kiện xây dựng nhà thép tiền chế Việt Nam đó: Từ khóa: Tải trọng gió, khung thép tiền chế, TCVN 2737-1995, ASCE 7-2010 - Kz hệ số kể đến thay đổi áp lực gió theo độ cao theo mức độ luồng gió tiếp xúc với địa hình Để xác định hệ số này, ASCE 7-10 chia dạng địa hình xây dựng làm loại B, C, D Mở đầu Khung thép tiền chế nhà công nghiệp hệ kết cấu sử dụng rộng rãi nhu cầu xây dựng cơng trình cơng nghiệp, khu cơng nghiệp phát triển mạnh mẽ Việt Nam Đi kèm theo đó, quy trình thiết kế kết cấu thi cơng lắp dựng khung thép tiền chế đòi hỏi độ tin cậy cao Về mặt thiết kế, bên cạnh hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN), kỹ sư kết cấu sử dụng tiêu chuẩn nước tiêu chuẩn Châu Âu (EC), tiêu chuẩn Anh (BS),… đặc biệt tiêu chuẩn Hoa Kỳ (ASCE) Hầu hết công ty liên doanh thiết kế sản xuất kết cấu thép nhà tiền chế ưu tiên ASCE nội dung tiêu chuẩn đề cập đầy đủ quy trình tính tốn từ hệ khung chính, hệ khung đầu hồi, hệ mái đến hệ kết cấu phụ mái đua, kết cấu bao che… Vấn đề đặt vận dụng ASCE vào quy trình thiết kế nhà tiền chế Việt Nam, tính tốn tải trọng, tính tốn nội lực đến kiểm tính cấu kiện chịu lực chính, kỹ sư kết cấu gặp nhiều điểm khác biệt so với TCVN Riêng tải trọng gió, khác biệt rõ rệt Bài báo trình bày cụ thể nguyên tắc xác định tải trọng gió tác dụng lên khung thép nhà tiền chế theo Minimum design loads for buildings and other structures ASCE 7-10 so sánh với kết đạt với Tiêu chuẩn thiết kế tải trọng tác động TCVN 2737-1995, từ kiến nghị số 64 Hệ số Kz xác định theo công thức sau: Kz = 2.01(z/zg)2/α 2.01(15/zg) 2/α 15ft (4.6m) z zg z < 15ft (4.6m) (2) với z chiều cao tính toán (ft), zg (ft) α hệ số tra bảng phụ thuộc dạng địa hình Bảng Giá trị hệ số zg α [6] Dạng địa hình α zg (ft) B 7.0 1200 (366m) C 9.5 900 (274m) D 11.5 700 (213m) Ngoài tra hệ số Kz theo bảng 28.31 [6] phụ thuộc vào chiều cao z dạng địa hình - Kzt hệ số kể đến thay đổi áp lực gió gió “trườn” lên đập vào dạng địa hình khác nhau, ví dụ sườn đồi, chóp núi hay vách dốc đứng,…Kzt tính tốn cụ thể mục 26.8 [6].Trong điều kiện địa hình thông thường, Kzt = 1; - Kd hệ số kể đến tác động luồng gió theo hướng lên cơng trình Kd trình bày cụ thể bảng 26.6-1 [6] Khi tính tốn hệ khung chịu lực chính, Kd = 0.85; - V vận tốc gió (m/s) điều kiện tiêu chuẩn luồng gió thổi thời gian 3s cao độ 10m so với mặt đất tự nhiên, xét dạng địa hình C Giá trị V trình bày bảng 26.5 [6] Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015 QUY CHUẨN – TIÊU CHUẨN 2.2 Áp lực gió tác dụng lên hệ kết cấu khung thép nhà công nghiệp 0.4h) không nhỏ (4% kích thước cạnh nhỏ mặt cơng trình 3ft (0.9m)) Đối với cơng trình nhà cơng nghiệp thấp tầng dạng kín có bố trí mở, áp lực gió tác dụng xác định theo công thức: p = qh (GCpf - GCpi) (daN/m2) (3) đó: qh giá trị áp lực gió cao độ mái h (cao độ trung bình mái dốc) so với mặt đất tự nhiên; G hệ số hiệu ứng giật (Gust effect factor), xét đến ảnh hưởng độ rối gió; GCpf hệ số áp lực bên ngồi; Hình Phân vùng áp lực gió lên hệ kết cấu, GCpi hệ số áp lực bên nhà mái dốc, gió thổi theo phương ngang nhà [6] Giá trị GCpf xác định từ thí nghiệm hầm gió với mơ tương đối xác đặc điểm tự nhiên luồng gió vận tốc, tính chất dòng chuyển động, đặc điểm hình học đặc tính bề mặt cơng trình thí nghiệm cơng trình lân cận Giá trị áp lực gió xem áp lực tĩnh, giả định theo hướng vng góc với bề mặt cơng trình, hướng vào bề mặt GCpf mang dấu dương hướng khỏi bề mặt GCpf mang dấu âm Dưới trình bày bảng tra hệ số GCpf, phụ thuộc góc dốc mái, áp dụng cho dạng nhà điển hình khung thép tiền chế nhà công nghiệp nhà nhịp mái dốc Trong hình 2, phạm vi vùng biên xác định thông qua trị số a = (10% kích thước cạnh nhỏ mặt cơng trình Hình Phân vùng áp lực gió lên hệ kết cấu, nhà mái dốc, gió thổi theo phương dọc nhà [6] Bảng Giá trị hệ số áp lực bên ngồi, trường hợp gió thổi theo phương ngang nhà [6] Giá trị GCpf vùng Góc nghiêng (độ) 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 Giá trị hệ số áp lực bên ngoài, trường hợp gió thổi theo phương dọc nhà [6] Giá trị GCpf vùng Góc nghiêng (độ) 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 QUY CHUẨN – TIÊU CHUẨN Hình mơ tả ảnh hưởng vị trí mở so với hướng gió, gây hiệu ứng “phình, xẹp” cho cơng trình: Nếu mở tường đón gió, gió làm cho cơng trình phình to GCpi mang dấu dương, ô mở tường hút gió vng góc với hướng gió, gió làm cơng trình xẹp xuống GCpi mang dấu âm Hình Ảnh hưởng vị trí mở đến hệ số áp lực bên [7] Hệ số áp lực bên phụ thuộc chủ yếu vào tính kín cơng trình ASCE chia cơng trình xây dựng làm loại: nhà kín, nhà kín phần nhà hở thơng qua tỷ số diện tích mở với diện tích tồn bề mặt bao che (xem mục 26.2 [6]) Giá trị GCpi thể bảng Bảng Giá trị hệ số áp lực bên [6] Loại cơng trình Nhà kín Giá trị GCpi +0.18 -0.18 Nhà kín phần +0.55 -0.55 Nhà hở 0.00 Một số điều cần lưu ý áp dụng bảng tra ASCE: - Tại vùng biên nhà, tác động tương tác tường bao che, hệ số áp lực gió có thay đổi Vì giá trị áp lực gió tác động lên khung biên khác so với khung - Tùy thuộc vào vị trí mở so với hướng gió mà lựa chọn hệ số áp lực tổng theo hệ số áp lực âm dương Trong thực tế thiết kế tính ln hai trường hợp xét chọn trường hợp nguy hiểm - Cho phép sử dụng phép nội suy tuyến tính với góc dốc , phép nội suy phải thực với hệ số áp lực ngồi sau kết hợp với hệ số áp lực thích hợp để hệ số áp lực tổng 2.3 So sánh với TCVN 2737-1995 Khi tiến hành phân tích so sánh với TCVN 27371995 [4], có số vấn đề khác biệt cần lưu ý sau: - Cả ASCE 7-10 TCVN 2737-1995 có loại địa hình, cách phân loại địa hình chủ yếu phụ thuộc vào độ nhám bề mặt (thông qua chiều dài độ nhám zo) quy luật hàm số mũ mơ vận tốc gió [2] Có thể tham khảo khác hai tiêu chuẩn bảng Bảng So sánh phân loại dạng địa hình theo TCVN 2737-1995 ASCE 7-10 [2] TCVN 2737-1995 ASCE 7-10 Dạng A: Địa hình trống trải, khơng có có vật cản q 1.5m (theo profile vận tốc gió mà TCVN 27371995 sử dụng: zo = 0.002m, số mũ quy luật mơ vận tốc gió = 0.1) Dạng D: Khu vực phẳng bề mặt biển hồ, zo = 0.0039m, = 0.1 Dạng B: Khu vực tương đối trống trải , có số vật cản thưa thớt cao không 10m (theo profile vận tốc gió mà TCVN 2737-1995 sử dụng: zo = 0.04m, = 0.15) Dạng C: Khu vực thoáng với vật cản có chiều cao nhỏ 30ft (9.1m), zo = 0.048m, = 0.15 Dạng C: Khu vực bị che chắn mạnh, có nhiều vật cản sát cao từ 10m trở lên (theo profile vận tốc gió mà TCVN 2737-1995 sử dụng: zo = 2m, = 0.36) Dạng B: Khu vực đô thị, zo = 0.5m, = 0.24 66 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015 QUY CHUẨN – TIÊU CHUẨN Như vậy, cách gần dạng địa hình A, B, C theo tiêu chuẩn TCVN 2737-1995 xem tương đương với dạng địa hình D, C, B theo tiêu chuẩn ASCE 7-10 - TCVN 2737-1995 phân tích vận tốc gió khoảng thời gian 3s cao độ 10m so với mặt đất tự nhiên có chu kỳ lặp 20 năm không phụ thuộc vào loại cơng trình Trong chu kỳ lặp ASCE 7-10 với dạng nhà công nghiệp khung tiền chế (công trình loại II) 700 năm Ta áp dụng công thức Peterka Shahid [6] để quy đổi: Hình Các vùng chịu áp lực cục [4] Vùng 1: Có bề rộng a tính từ bờ mái, bờ nóc, chân VT/V50 = 0.36+0.1ln (12T) (4) mái góc tường Vùng 2: Có bề rộng a tiếp giáp với vùng đó: D: hệ số áp lực cục bộ, nhân thêm vào hệ số VT vận tốc gió có chu kỳ lặp T năm; áp lực gió cơng thức tính a = (10% kích thước cạnh nhỏ cơng trình V50 vận tốc gió có chu kỳ lặp 50 năm 1.5m) Khi đó, ta có V700 = 1.391V20 (5) - TCVN 2737-1995 không kể đến thay đổi áp lực gió cho dạng địa hình khác tác động luồng gió theo hướng lên cơng trình - TCVN 2737-1995 xét hệ số áp lực gió bên ngồi tức tải trọng gió có xu hướng gây nên tác động lên bề mặt bao che khơng tạo hiệu ứng cho tồn khơng gian nhà Các cơng trình chia thành loại nhà kín nhà hở, khơng xét đến ảnh hưởng tồn ô mở ASCE 7-10 mô tả thay đổi rõ rệt hệ số áp lực nhà kín nhà kín phần (bảng 4), điều dẫn đến sai khác lớn so với TCVN 2737-1995 - TCVN 2737-1995 có xét đến áp lực cục vùng biên hệ số áp lực bên ngồi có giá trị âm (tại vị trí tiếp giáp tường ngang, tường dọc, vùng lân cận bờ mái, bờ chân mái), nhiên áp lực cục phân phối lên khung chịu lực áp dụng cho cơng trình có góc dốc mái > 10o (hình 4) - Trong cơng thức tính tốn, TCVN 2737-1995 lấy hệ số độ tin cậy tải trọng gió = 1.2 ASCE 7-10 lấy hệ số độ tin cậy WLF = Ví dụ minh họa Tính tải trọng gió tác dụng lên khung nhà thép tiền chế tầng nhịp mái dốc, dạng nhà kín, nhịp L=20m, chiều dài nhà 15B = 15*7m = 105m, chiều cao đỉnh cột H = 10m, độ dốc mái = 10o Tốc độ gió V = 200km/h, dạng địa hình C theo ASCE 7-10 3.1 Theo tiêu chuẩn ASCE-7-10 a Tính áp lực gió đơn vị theo cơng thức (1), quy đổi tải trọng phân bố khung ta có: q = 0.0613 Kz Kzt Kd V2B (daN/m) đó: V = V700 = 200 km/h = 55.56 (m/s); Kz tính theo cơng thức (2) bảng với dạng địa hình C; Cao trình đỉnh cột H = 10m Kz (H = 10m) = Cao trình đỉnh mái Hm = 10*(1+tg10o) = 11.76m Kz (H = 11.76m) = 1.036 Kz = 0.85; Kzt = 1; Bước khung B = 7m qh = 0.0613*1.036*1*0.85*55.56 = 1166.41 (daN/m) b Tính áp lực gió tác dụng lên hệ kết cấu b1 Tra bảng 2, để tìm hệ số áp lực GCpf GCpi cho trường hợp khung khung biên (dạng nhà kín) gió thổi ngang nhà: 66 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015 QUY CHUẨN – TIÊU CHUẨN 0.443 Giá trị GCpf vùng 1E 2E -0.407 -0.337 0.673 -1.07 Giá trị GCpi vùng ±0.18 -0.69 3E -0.583 4E -0.5 Áp dụng công thức (3), ta có kết tải trọng tác dụng lên khung sau (đơn vị daN/m): Khung (GCpi > 0) -1014.78 Khung biên (GCpi > 0) -684.68 306.77 -729 -603.03 287.52 -396.58 Khung (GCpi < 0) -594.87 Khung biên (GCpi < 0) -519.05 -264.76 726.67 -444.99 -183.13 -235.03 497.47 -186.63 b2 Tra bảng 3, để tìm hệ số áp lực GCpf GCpi cho trường hợp khung khung biên (dạng nhà kín) gió thổi dọc nhà: Giá trị GCpf vùng 1E 2E -0.45 -0.69 -0.37 -0.45 -0.48 -1.07 Giá trị GCpi vùng ±0.18 Kết tải trọng tác dụng lên khung (đơn vị daN/m) Khung (GCpi > 0) -1014.78 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015 4E -0.48 Khung biên (GCpi > 0) -729 -641.53 -734.84 3E -0.53 -734.84 -384.92 -414.08 -384.92 69 QUY CHUẨN – TIÊU CHUẨN Khung (GCpi < 0) -594.97 Khung biên (GCpi < 0) -519.06 -221.62 -314.93 -314.93 -174.96 -174.96 3.2 Theo tiêu chuẩn TCVN 2737-1995 Wo = 0.0613*39.94 = 97.79 (daN/m ) Vì góc dốc = 10o nên khơng phải xét đến hệ số áp lực cục Vì hệ số khí động khung khung biên Cơng thức tính tải trọng gió tác dụng lên khung xác định sau: q = Wo*k*C**B -204.12 (daN/m) - Chiều cao đỉnh cột H = 10m k(H = 10m) = (bảng [4]) theo dạng địa hình B Chiều cao đỉnh mái Hm = 11.76m k(Hm = 11.76m) = 1.03 - Hệ số độ tin cậy tải trọng gió = 1.2 - Bước khung B = 7m đó: - Hệ số khí động C tra theo sơ đồ bảng [4] - Wo = 0.0613*V (công thức [4]) Ta thực quy đổi vận tốc gió theo cơng thức (5): V = V20 = V700/1.391 = 55.56/1.391 = 39.94 (m/s) + Trường hợp gió thổi ngang nhà: Ce = 0.8; Ce1 = 0.5; Ce2 = -0.4; Ce3 = -0.5 Ta có kết tải trọng tác dụng lên khung sau (đơn vị daN/m): Khung -423.07 Khung biên -211.54 -338.43 657.15 -410.72 -338.43 328.58 -205.36 + Trường hợp gió thổi dọc nhà: hệ số khí động mặt mái Ce = -0.7; hệ số khí động mặt tường Ce3 = -0.4 Ta có kết tải trọng tác dụng lên khung sau (đơn vị daN/m): Khung -592.26 -328.57 70 Khung biên -592.26 -296.13 -328.57 -164.29 -296.13 -164.29 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015 QUY CHUẨN – TIÊU CHUẨN 3.3 Nhận xét kết thu TÀI LIỆU THAM KHẢO Dựa kết ví dụ minh họa, ta nhận thấy nguyên tắc xác định tải trọng gió tác dụng lên khung theo ASCE 7-10 xét nhiều trường hợp giá trị thu lớn đáng kể so với TCVN 2737-1995 (kể tải trọng tác dụng lên cột xà mái), điều dẫn đến sai lệch kết chuyển vị, kết nội lực khung tiến hành phân tích kết cấu [1] Ths Nguyễn Mạnh Cường, Ths Đỗ Hoàng Lâm, Ths Nguyễn Hồng Hải, TS Đặng Sỹ Lân (2014), Tính tốn tải trọng gió tác dụng lên hệ mặt dựng kính theo tiêu chuẩn Việt Nam, Hoa Kỳ Châu Âu, tr60 – 70 Tạp chí Khoa học cơng nghệ Xây dựng, số 4/2014 Kết luận - Ngun tắc tính tốn tải trọng gió tác dụng lên hệ khung thép nhà tiền chế có nhiều điểm khác biệt ASCE 7-10 TCVN 2737-1995, đặc biệt cách tính vận tốc gió hệ số khí động Khi áp dụng ASCE 7-10, người sử dụng quy đổi tương đương số liệu đầu vào vận tốc gió theo hai hệ tiêu chuẩn quy đổi hệ số khí động Cách xác định giá trị hệ số khí động theo ASCE 7-10 xét ảnh hưởng luồng gió đến tồn khơng gian nhà nên kết thu chi tiết rõ ràng TCVN 2737-1995 - Vì sai lệch nên tác giả khuyến cáo người sử dụng cần áp dụng quy trình thiết kế đồng theo hệ thống tiêu chuẩn từ lựa chọn sơ đồ kết cấu, xác định tải trọng, xác định nội lực, kiểm tính khả chịu lực cấu kiện chịu lực để kết thu có độ tin cậy cao [2] TS Vũ Thành Trung, KS Nguyễn Quỳnh Hoa (2013), Đánh giá profile vận tốc gió theo tiêu chuẩn số nước, tr3-11 Tạp chí Khoa học công nghệ Xây dựng, số 2/2013 [3] PGS.TS Nguyễn Quang Viên, Ths Phạm Văn Tư, Ths Hoàng Văn Quang, (2011), Kết cấu thép nhà dân dụng công nghiệp, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật [4] TCVN 2737:1995 Tải trọng tác động – Tiêu chuẩn thiết kế [5] TCVN 5575:2012 Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế [6] ASCE-7-10 Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures [7] MBMA 2002 Metal Building Systems Manual, Metal Building Manufactures Association, 2002 Ngày nhận bài: 28/10/2015 Ngày nhận sửa lần cuối: 16/11/2015 70 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015 ... TCVN 2737-1995 lấy hệ số độ tin cậy tải trọng gió = 1.2 ASCE 7-10 lấy hệ số độ tin cậy WLF = Ví dụ minh họa Tính tải trọng gió tác dụng lên khung nhà thép tiền chế tầng nhịp mái dốc, dạng nhà. .. dài nhà 15B = 15*7m = 105m, chiều cao đỉnh cột H = 10m, độ dốc mái = 10o Tốc độ gió V = 200km/h, dạng địa hình C theo ASCE 7-10 3.1 Theo tiêu chuẩn ASCE- 7-10 a Tính áp lực gió đơn vị theo công. .. trình Hình Phân vùng áp lực gió lên hệ kết cấu, nhà mái dốc, gió thổi theo phương dọc nhà [6] Bảng Giá trị hệ số áp lực bên ngoài, trường hợp gió thổi theo phương ngang nhà [6] Giá trị GCpf vùng