Bài này đề cập phương pháp tính toán hệ số hiệu ứng giật Gf theo TCVN 2737-2023, kèm theo đó là ví dụ tính toán và so sánh giữa kết quả tính toán theo công thức chi tiết và theo công thức đơn giản hóa.
Công thức tính toán tải trọng gió theo TCVN 2737-2023 có một khái niệm mới đó là "Hệ số hiệu ứng giật" Gf, với các công trình có chu kỳ dao động cơ bản thứ nhất T1 > 1 (s) thì cách tính toán thông số Gf là khá dài. Bài viết giới thiệu quy trình tính toán giá trị Gf tiêu chuẩn, ví dụ minh hoạ, so sánh với công thức tính đơn giản và kèm theo bảng tính toán minh hoạ đi kèm.
Download tài liệu và file bảng tính đi kèm xem thêm tại đây
1. Định nghĩa
Hệ số hiệu ứng giật Gf là hệ số phản ứng của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng gió (bao gồm cả thành phần phản ứng tĩnh và thành phần phản ứng động của kết cấu).
2. Tính toán
- Đối với kết cấu "cứng" (có chu kỳ dao động riêng cơ bản thứ nhất T1 ≤ 1 s) thì Gf có thể lấy bằng 0,85.
- Đối với kết cấu "mềm" (có chu kỳ dao động riêng cơ bản thứ nhất T1 > 1 s) thì Gf được xác định theo công thức:
Trong đó: I(zs) là độ rối ở độ cao tương đương zs , xác định theo công thức:
cr là hệ số, phụ thuộc vào các dạng địa hình khác nhau, lấy theo Bảng 10;
zs là độ cao tương đương của công trình, lấy bằng 0,6h;
h là chiều cao của công trình;
gQ là hệ số đỉnh cho thành phần xung của gió, lấy bằng 3,4;
gV là hệ số đỉnh cho thành phần phản ứng của gió, lấy bằng 3,4;
gR là hệ số đỉnh cho thành phần cộng hưởng của gió, được xác định theo công thức:
Với n1 là tần số dao động riêng cơ bản thứ nhất;
Q là hệ số kể đến thành phần phản ứng nền của kết cấu chịu tải trọng gió, xác định theo công thức:
Với:
b là chiều rộng công trình, vuông góc với hướng gió tác dụng;
L(zs) là thang nguyên kích thước xoáy (chiều dài rối) tại độ cao tương đương zs , xác định theo công thức:
R là hệ số phản ứng cộng hưởng, được xác định theo công thức:
Với:
b là độ cản, lấy bằng:
0,01 – cho kết cấu thép;
0,015 – cho kết cấu liên hợp thép - bê tông;
0,02 – cho kết cấu bê tông và bê tông cốt thép;
Với:
V(zs)3600,50 là vận tốc gió trung bình trong khoảng thời gian 3600s ứng với chu kỳ lặp 50 năm, tại độ cao tương đương zs, được xác định theo công thức:
Với:
V3s,50 là vận tốc gió 3s (lấy trung bình trong khoảng thời gian 3s) ứng với chu kỳ lặp 50 năm, lấy theo QC 02-2022.
Rh, Rb, Rd là các hàm số dẫn suất khí động, được xác định theo các công thức:
h, b và d lần lượt là chiều cao, chiều rộng và chiều sâu (hoặc chiều dài) của công trình.
Giá trị các hệ số và trong công thức (21) lấy theo Bảng 10 phụ thuộc vào các dạng địa hình khác nhau.
3. Ví dụ minh hoạ
Công trình bê tông cốt thép có chiều cao h = 50 (m), chiều rộng b = 10 (m), chiều sâu d = 15 (m), dạng địa hình B, thuộc vùng gió III, vận tốc gió 3s ứng với chu kỳ lặp 50 năm V3s,50 = 50 (m/s) và có chu kỳ dao động riêng cơ bản thứ nhất T1 = 1.2 (s). Cho biết bề rộng b vuông góc với hướng gió thổi. Xác định hệ số hiệu ứng giật Gf cho công trình trên?
- Công trình có chu kỳ dao động riêng cơ bản thứ nhất T1 = 1.2 > 1 (s) nên cần tính toán hệ số hiệu ứng giật Gf theo công thức.
- Với dạng địa hình B, tra bảng 10 thu được các đại lượng sau:
- Tần số dao động riêng cơ bản thứ nhất:
- Công trình bê tông cốt thép nên có độ cản b = 0.02
- Cao độ tương đương của công trình : zs=0.6h=0.6*50=30
- Độ rối ở độ cao tương đương zs :
- Hệ số đỉnh cho thành phần cộng hưởng của gió :
- Thang nguyên kích thước xoáy (chiều dài rối) tại độ cao tương đương zs :
- Hệ số kể đến thành phần phản ứng nền của kết cấu chịu tải trọng gió :
- Vận tốc gió trung bình trong 3600s ứng với chu kỳ lặp 50 năm :
- Các hàm số dẫn suất khí động :
- Hệ số phản ứng cộng hưởng:
- Hệ số hiệu ứng giật :
4. So sánh kết quả tính toán hệ số hiệu ứng giật Gf giữa cách tính tiêu chuẩn theo mục 10.2.7 và công thức tính đơn giản theo phụ lục E
- Thông tin các công trình làm ví dụ:
* Lưu ý các công trình đều là kết cấu bê tông cốt thép, thuộc dạng địa hình A, vùng gió II, vận tốc gió trung bình trong 3s chu kỳ lặp 50 năm V3s,50 = 44 (m/s).
Nhận xét:
- Như vậy, trong một số trường hợp công thức tính tiêu chuẩn và công thức tính đơn giản có sự chênh lệch đáng kể (khoảng 10%), hơn nữa công thức tính đơn giản cho kết quả nhỏ hơn dẫn đến tải trọng gió nhỏ hơn, thiếu an toàn hơn.
- Nguyên nhân của sự chênh lệch là công thức đơn giản chỉ phụ thuộc vào chiều cao công trình h, trong khi công thức tiêu chuẩn phụ thuộc vào nhiều thông số (chiều rộng b, chiều dài d, chiều cao h, dạng địa hình, chu kỳ/tần số dạng dao động cơ bản thứ nhất...). Vì vậy, công thức đơn giản chỉ nên sử dụng cho phương án sơ bộ, khuyến nghị tính toán theo công thức tiêu chuẩn.
