Tổng quan luận án

Nghiên cứu xác định chính xác tải trọng gió tác dụng lên công trình xây dựng là một trong những nhiệm vụ trọng tâm trong thiết kế kết cấu công trình cao tầng. Việt Nam có vị trí địa lý nằm gần xích đạo với bờ biển dài ở phía Đông, hàng năm phải hứng chịu nhiều cơn bão lớn đổ bộ vào đất liền, đặc biệt là khu vực ven biển miền Trung. Cùng với quá trình đô thị hóa và sự gia tăng giá trị sử dụng đất, hàng loạt công trình nhà cao tầng phục vụ văn phòng, khách sạn, chung cư đã và đang được xây dựng tại các đô thị lớn như Thành phố Đà Nẵng.

Trong tính toán kết cấu nhà cao tầng, tải trọng ngang do gió và động đất đóng vai trò chi phối. Khác với tải trọng thẳng đứng có chi phí kết cấu tăng tỷ lệ bậc nhất theo chiều cao, chi phí cho hệ thống kết cấu chịu tải trọng ngang tăng nhanh hơn rất nhiều khi chiều cao công trình tăng lên. Theo các tiêu chuẩn thiết kế quốc tế, tải trọng gió tác dụng lên công trình được xác định qua ba phương pháp: phương pháp đơn giản, phương pháp giải tích (chi tiết) và phương pháp ống thổi khí động. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737:1995 được biên soạn trên cơ sở tiêu chuẩn Liên Xô SNiP 2.01.07-85*, trong đó quy trình tính toán thành phần động của tải trọng gió bằng phương pháp giải tích tương đối phức tạp, còn phương pháp gần đúng hiện hành chỉ áp dụng phù hợp cho các công trình có chuyển vị ngang ở dạng dao động riêng thứ nhất biến đổi theo quy luật bậc nhất theo chiều cao.

Trong thực tế, hệ kết cấu khung giằng (khung kết hợp vách cứng) có ứng xử chuyển vị ngang dạng uốn - trượt phức tạp, dẫn đến việc áp dụng công thức gần đúng của TCVN 2737:1995 có thể gây ra sai số đáng kể. Do đó, việc hoàn thiện phương pháp tính toán gần đúng thành phần gió động và xây dựng công thức xác định hệ số gió giật (Gust Loading Factor - GLF) đơn giản, phù hợp với tiêu chuẩn Việt Nam và điều kiện khí tượng thực tế là khoảng trống kỹ thuật cần giải quyết.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể gồm hai nội dung:

  1. Xây dựng công thức gần đúng tính toán thành phần động của tải trọng gió trong TCVN 2737:1995 để tính toán thành phần gió động tác dụng lên nhà cao tầng có mặt bằng kết cấu đối xứng, sử dụng hệ kết cấu khung giằng với các dạng địa hình khác nhau.
  2. Đề xuất công thức đơn giản tính toán thành phần động của tải trọng gió theo phương pháp hệ số gió giật (GLF) cho các công trình bê tông cốt thép cao đến 35 tầng, có mặt bằng kết cấu đối xứng và sử dụng hệ kết cấu khung giằng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Thành phần động của tải trọng gió tác dụng lên công trình nhà cao tầng.
  • Phạm vi nghiên cứu: Công trình nhà cao tầng bê tông cốt thép có chiều cao đến 35 tầng, mặt bằng kết cấu đối xứng, sử dụng hệ kết cấu chịu lực dạng khung giằng, xây dựng trên địa bàn Thành phố Đà Nẵng (thuộc vùng áp lực gió IIB) và các khu vực có điều kiện gió tương tự, với bề rộng mặt đón gió không quá 50 m.

Luận án do nghiên cứu sinh Bùi Thiên Lam thực hiện tại Đại học Đà Nẵng, bảo vệ năm 2018 thuộc chuyên ngành Cơ kỹ thuật (Mã số: 62 52 01 01), dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Phan Quang Minh và PGS.TS. Lê Cung.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan lịch sử nghiên cứu tải trọng gió và phản ứng động lực học của công trình cao tầng đã được tác giả hệ thống hóa qua các giai đoạn phát triển:

Các nghiên cứu quốc tế

  • Đo đạc thực địa và thí nghiệm ban đầu: J. Rathbun (1940), Dryden và Hill (1933) đã thực hiện các quan trắc và thí nghiệm đo đạc tác động của gió trên mô hình thật và mô hình thu nhỏ của tòa nhà Empire State tại New York. Liepmann (1952) đặt nền móng lý thuyết đầu tiên về ảnh hưởng của dòng khí rối lên phản ứng của cấu trúc đàn hồi.
  • Lý thuyết dao động ngẫu nhiên và phương pháp hệ số gió giật (GLF): Alan Garnett Davenport (1961a, 1963b, 1967) đưa ra các khái niệm xác suất thống kê cho chuỗi thời gian ổn định, thiết lập biểu thức phổ năng lượng gió bão gần mặt đất và đề xuất phương pháp hệ số tải trọng giật (GLF) vào năm 1967. Davenport và Isyumov (1967) nghiên cứu mô phỏng lớp biên khí quyển (Atmospheric Boundary Layer - ABL) trong ống thổi khí động.
  • Hoàn thiện mô hình động lực học gió dọc: Harris (1963) thảo luận các hạn chế của phương pháp đánh giá truyền thống và ứng dụng thống kê cho hệ nhiều bậc tự do; Jensen (1958) thiết lập quy luật mô hình tạo nhám mặt sàn; Vellozzi và Cohen (1968) xây dựng quy trình phản ứng gió dọc có xét hệ số suy giảm áp lực mặt khuất gió; Vickery (1971) cải tiến phương pháp GLF với độ chính xác từ 5% đến 10%.
  • Tương quan chéo và phổ biến đổi theo chiều cao: Emil Simiu (1973a, 1976, 1980) chỉ ra rằng việc tích hợp tương quan chéo giữa áp lực mặt đón gió và mặt khuất gió làm giảm thành phần động và hệ số gió giật so với các đánh giá trước đó. Solari (1982, 1985, 1987, 1988) phát triển mô hình toán học dựa trên quá trình Gauss ổn định, đưa ra khái niệm "phổ phản ứng gió" và kỹ thuật phổ gió tương đương.
  • Kỹ thuật đo áp lực đồng bộ và phương pháp mô men đáy: Holmes và Lewis (1987) cải tiến hệ thống đo áp lực bằng ống nối đường kính nhỏ; Steckley và cộng sự (1992) phát triển phương thức tải trọng tích hợp áp lực (IPML) qua hệ thống SPAN; Ahsan Kareem và Yin Zhou (2003) đề xuất mô hình tính toán hệ số gió giật dựa trên mô men uốn tại đáy công trình thay thế cho cách tiếp cận dựa trên chuyển vị truyền thống.
  • So sánh các hệ thống tiêu chuẩn quốc tế: Các nghiên cứu của Kareem (1998, 2002), Rachel Bashor và Kareem (2009), Dae Kun Kwon và Kareem (2013), Yasushi Uematsu (1981, 2000) đã phân tích sự phân tán kết quả giữa các tiêu chuẩn lớn trên thế giới gồm ASCE 7 (Hoa Kỳ), AS/NZS 1170.2 (Úc/New Zealand), NBC (Canada), AIJ (Nhật Bản), GB 50009 (Trung Quốc), EN 1991-1-4 (Châu Âu) và SNiP (Nga).

Các nghiên cứu trong nước

  • GS. Mai Hà San (1991) phân tích tổng hợp tải trọng gió song song và vuông góc với hướng gió (hiện tượng xoáy Karman).
  • Nguyễn Quang Viên và cộng sự (2000, 2002) phân tích các tham số ảnh hưởng, so sánh tiêu chuẩn quốc tế với TCVN và nghiên cứu quy luật phân phối tải trọng ngang trong hệ kết cấu khung - vách - lõi.
  • Nguyễn Ngọc Tình (2007) nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng số tác động của lốc xoáy lên công trình.
  • Nguyễn Võ Thông (2011) đề xuất hiệu chỉnh quy đổi vận tốc gió giữa QCVN 02:2009/BXD và SNiP 2.01.07-85 phục vụ biên soạn dự thảo tiêu chuẩn thiết kế tải trọng gió.

Vị trí và khoảng trống nghiên cứu của luận án

Dù tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 đưa ra phương pháp gần đúng tính toán thành phần gió động, công thức này chưa phân định rõ giới hạn ứng dụng đối với các công trình có độ cứng biến thiên phức tạp như hệ khung giằng. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống: đánh giá định lượng sai số của công thức gần đúng trong TCVN 2737:1995, thiết lập công thức bổ chính chuyển vị cho hệ khung giằng và xây dựng công thức thực hành tính hệ số gió giật $G$ cho công trình bê tông cốt thép đến 35 tầng tại khu vực miền Trung.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và các khái niệm sử dụng

  • Cấu trúc vận tốc gió và áp lực gió: Luồng gió trong lớp biên khí quyển gồm hai thành phần: thành phần trung bình $\bar{v}(z)$ chỉ phụ thuộc tọa độ không gian và thành phần xung $v'(x, y, z, t)$ phụ thuộc không gian và thời gian. Tổng áp lực gió được biểu diễn theo công thức: $$q(z, t) = \bar{q}(z) + q'(z, t)$$
  • Mô hình biến thiên vận tốc theo độ cao: Dạng hàm số mũ biểu diễn phân bố vận tốc gió: $$V_z = V_{zg} \left( \frac{z}{z_g} \right)^{m_t}$$ Trong đó $z_g$ là chiều cao gradient, $m_t$ là số mũ thực nghiệm phụ thuộc dạng địa hình.
  • Các tham số tính toán thành phần gió động theo TCVN 2737:1995 và TCXD 229:1999:
    • Hệ số độ cao $K(z) = 1{,}844 \left( \frac{z}{z_{gt}} \right)^{2m_t}$
    • Hệ số xung áp lực động $\zeta_t(z) = 2 \alpha_c I_t(z)$, với cường độ dòng rối $I_t(z) = 2{,}45 \sqrt{r_t} \left( \frac{z}{10} \right)^{-m_t}$
    • Hệ số tương quan không gian $\nu$
    • Hệ số khí động $C$
  • Cơ học hệ thanh liên tục cho kết cấu khung giằng: Thiết lập phương trình vi phân mô tả tương tác giữa hệ khung (làm việc theo sơ đồ trượt cắt) và vách cứng (làm việc theo sơ đồ uốn công xôn) chịu tải trọng ngang phân bố đều và phân bố tam giác. Thông số không thứ nguyên $\alpha H$ đặc trưng cho độ cứng tương đối giữa khung và vách được sử dụng để phân tích dạng đường cong chuyển vị ngang.
  • Lý thuyết hệ số tải trọng gió giật (GLF): Tải trọng gió dọc cực đại được tính bằng tích số giữa tải trọng gió tĩnh tương đương và hệ số gió giật $G$.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp hai phương pháp chính:

  1. Phương pháp nghiên cứu giải tích lý thuyết: Thiết lập mô hình cơ học giải tích, giải phương trình vi phân tương tác khung - vách để tìm nghiệm chuyển vị ngang và thiết lập hàm bổ chính $K_1$; hệ thống hóa các biểu thức của TCVN 2737:1995 để chuyển đổi sang mô hình hệ số gió giật $G$.
  2. Phương pháp khảo sát số (khảo sát tham số): Sử dụng các phần mềm chuyên ngành xây dựng để lập mô hình tính toán dao động riêng, chu kỳ dao động, lực cắt đáy và tải trọng gió tác dụng lên các dãy công trình từ 15 đến 35 tầng với các cấu trúc mặt bằng đối xứng khác nhau (các dạng 1, 2, 3, 4, 1a, 2a, 3a, 5, 6) và hai công trình thực tế.

Nguồn tư liệu và dữ liệu đầu vào

  • Dữ liệu quy chuẩn và tiêu chuẩn: TCVN 2737:1995, QCVN 02:2009/BXD, TCXD 229:1999, SNiP 2.01.07-85* (2011), ASCE/SEI 7-10/7-16, EN 1991-1-4:2005, AIJ-RFLB 2004, GB 50009-2012, AS/NZS 1170.2-2011.
  • Thông số khí hậu: Vận tốc gió cơ sở vùng IIB đo tại độ cao 10 m, chu kỳ lặp 20 năm, thời gian lấy trung bình 3 giây ($V_0 = 38\text{ m/s}$, áp lực gió cơ sở $W_0 = 95\text{ daN/m}^2$).
  • Hồ sơ thiết kế thực tế: Công trình Đà Nẵng Plaza và Cục Hải Quan Thành phố Đà Nẵng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 1 trình bày tổng quan về bản chất khí tượng của gió, bão, lốc xoáy và cơ chế tương tác giữa dòng khí quyển với công trình xây dựng. Vận tốc bão có thể đạt trên 150 km/h, trong khi lốc xoáy có vận tốc cục bộ từ 250 đến 290 km/h. Luồng gió tạo ra áp lực dương ở mặt đón gió, áp lực âm (hút) ở mặt khuất gió và mặt bên, cùng với các ứng suất tiếp tuyến phụ thuộc vào độ nhám bề mặt bao che.

Tác giả khảo sát các tham số ảnh hưởng đến tính toán tải trọng gió gồm nhóm thông số ngẫu nhiên của tải trọng, nhóm thông số địa hình và nhóm thông số động lực học công trình. Luận án phân tích sự khác biệt về thời gian lấy trung bình vận tốc gió và chu kỳ lặp giữa các tiêu chuẩn quốc tế:

Số TT Tên tiêu chuẩn Quốc gia Thời gian lấy trung bình vận tốc
1 QCVN 02:2009/BXD Việt Nam 3 s
2 TCVN 2737-78 Việt Nam 120 s
3 TCVN 2737-90 Việt Nam 120 s
4 TCVN 2737:1995 Việt Nam 3 s
5 AIJ-RFLB 2004 Nhật Bản 600 s
6 SNiP 2.01.07-85* (2011) Nga 600 s
7 GB 50009-2012 Trung Quốc 600 s
8 AS/NZS 1170.2-2011 Úc / New Zealand 3 s
9 ASCE/SEI 7-16 Hoa Kỳ 3 s
10 EN 1991-1-4:2005 Châu Âu 600 s

Sự chuyển đổi giữa vận tốc gió đo trong các khoảng thời gian khác nhau được xác lập qua tương quan: $V_{3s} = 1{,}51 V_{3600s}$, $V_{600s} = 1{,}07 V_{3600s}$, suy ra quan hệ quy đổi $V_{3s} = 1{,}41 V_{600s}$. Hệ số chuyển đổi gió 3 giây từ chu kỳ 20 năm sang các chu kỳ khác theo QCVN 02:2009/BXD được tổng hợp cụ thể:

Chu kỳ lặp (năm) 5 10 20 30 40 50 100
Hệ số chuyển đổi áp lực gió 0,72 0,86 1,00 1,09 1,16 1,21 1,37
Hệ số chuyển đổi vận tốc gió 0,85 0,93 1,00 1,04 1,08 1,10 1,17

Các đặc trưng phân loại địa hình theo TCVN 2737:1995, SNiP 2.01.07-85* và ASCE/SEI 7-16 được phân tích chi tiết. Luận án nêu rõ giá trị chiều cao gradient $z_g$ và số mũ $m_t$ trong công thức hàm mũ của một số tiêu chuẩn:

Dạng địa hình Chiều cao gradient $z_g$ (m) Số mũ $m_t$ (TCVN 2737:1995 / AS/NZS) Độ nhám mặt đệm $r_t$
Dạng A 250 0,07 0,002
Dạng B 300 0,09 0,005
Dạng C 400 0,14 0,010

Dựa trên hệ số an toàn $\alpha_c = 1{,}395$, các công thức xác định hệ số xung áp lực động theo độ cao $z$ của TCVN 2737:1995 được xác lập:

  • Địa hình A: $\zeta_A(z) = 0{,}303 \left( \frac{z}{10} \right)^{-0{,}07}$
  • Địa hình B: $\zeta_B(z) = 0{,}486 \left( \frac{z}{10} \right)^{-0{,}09}$
  • Địa hình C: $\zeta_C(z) = 0{,}684 \left( \frac{z}{10} \right)^{-0{,}14}$

Chương 1 khép lại bằng việc điểm lại các phương pháp xác định tải trọng gió theo ASCE/SEI 7-10, EN 1991-1-4, TCVN 2737:1995 và nêu nhận xét về sự cần thiết phải hoàn thiện công thức gần đúng cho hệ kết cấu khung giằng.

Chương 2: Thành phần gió động cho nhà có sơ đồ khung giằng bố trí đối xứng

Chương 2 đi sâu vào phân tích cơ chế làm việc của hệ kết cấu khung giằng dưới tác dụng của tải trọng ngang. Tác giả thiết lập phương trình vi phân cơ bản mô tả sự tương tác khung - vách:

  • Vách cứng chịu biến dạng uốn công xôn với độ võng tỷ lệ với chiều cao bậc 4.
  • Khung chịu biến dạng trượt cắt với độ võng tỷ lệ với chiều cao bậc 2.
  • Sự tương tác giữa khung và vách qua hệ liên kết sàn tạo ra phân bố chuyển vị ngang đặc trưng phụ thuộc vào hệ số độ cứng tương đối $\alpha H$.

Tác giả giải bài toán giải tích cho hai trường hợp tải trọng ngang: phân bố đều và phân bố tam giác, từ đó thiết lập hàm chuyển vị $K_1$ biểu thị dạng dao động riêng thứ nhất.

Để đánh giá sai số của công thức gần đúng trong TCVN 2737:1995 (công thức 1.50), luận án tiến hành khảo sát số trên hai nhóm công trình:

  1. Nhóm công trình 20 tầng: Chiều cao $H = 68\text{ m}$, kích thước mặt bằng khác nhau, chiều dày vách biến thiên (200 mm, 250 mm, 300 mm), giá trị $\alpha H$ dao động từ 1,35 đến 3,42.
  2. Nhóm công trình 30 tầng: Chiều cao $H = 102\text{ m}$, chiều dày vách (250 mm, 300 mm, 350 mm), giá trị $\alpha H$ dao động từ 1,68 đến 4,21.

Kết quả đánh giá cho thấy khi hệ số $\alpha H$ nhỏ ($\alpha H \le 2$, khi độ cứng vách chiếm ưu thế), công thức gần đúng của TCVN 2737:1995 gây ra sai số lớn về giá trị tải trọng phân bố theo chiều cao và lực cắt đáy do giả định dạng dao động bậc nhất không phản ánh đúng dạng chuyển vị thực tế.

Để khắc phục, tác giả đề xuất công thức hoàn thiện biểu diễn hàm $K_1$ có dạng giải tích cải tiến:

  • Thiết lập công thức tính thành phần gió động theo biểu thức mới có cấu trúc gọn gàng, tích hợp hệ số điều chỉnh theo thông số $\alpha H$ và dạng địa hình.
  • Tiến hành kiểm chứng sai số trên 4 dạng mặt bằng kết cấu đối xứng (Dạng 1: vách bố trí ở lõi trung tâm; Dạng 2: vách bố trí ở hai đầu hồi; Dạng 3: vách bố trí phân tán; Dạng 4: kết cấu đối xứng qua hai trục) cho cả hai cấp chiều cao 20 tầng và 30 tầng.
  • Bảng so sánh lực cắt đáy thành phần gió động cho thấy công thức đề xuất giúp giảm sai số đáng kể, tiệm cận với kết quả phân tích giải tích chính xác của TCVN 2737:1995.

Chương 3: Xác định hệ số gió giật cho hệ kết cấu khung giằng nhà cao tầng ở TP Đà Nẵng

Chương 3 vận dụng phương pháp hệ số gió giật (GLF) của Davenport kết hợp với cơ sở dữ liệu của TCVN 2737:1995 để xây dựng quy trình tính toán đơn giản hóa cho nhà cao tầng khung giằng.

Nội dung triển khai gồm:

  1. Đề xuất công thức tính hệ số gió giật $G$ trên cơ sở TCVN 2737:1995 đối với công trình có tần số dao động cơ bản $f_1$ lớn hơn tần số giới hạn $f_L$, có mặt bằng đối xứng, khối lượng và bề rộng mặt đón gió không đổi theo chiều cao. Quy trình phân chia theo hai miền độ cứng kết cấu:
    • Trường hợp $\alpha H = 2 \div 6$ (hệ khung giằng thông thường).
    • Trường hợp $\alpha H \le 2$ (hệ khung giằng có độ cứng vách lớn).
  2. Xây dựng công thức gần đúng xác định hệ số gió giật $G$ cho các công trình bê tông cốt thép cao đến 35 tầng tại Thành phố Đà Nẵng (vùng gió IIB):
    • Công thức biểu diễn hệ số $G$ thông qua chiều cao công trình $H$, chu kỳ dao động riêng cơ bản $T_1$, bề rộng đón gió $B$ và dạng địa hình.
  3. Đánh giá kiểm chứng độ tin cậy của công thức đề xuất qua các nhóm mô hình đa dạng:
    • Khảo sát các nhà dạng 1, 2, 3 (cao 20 tầng và 30 tầng với chiều dày vách 200, 250, 300, 350 mm).
    • Khảo sát mở rộng cho các dạng 1a, 2a, 3a (thay đổi vị trí và kích thước vách).
    • Khảo sát các dạng nhà 4, 5, 6 với số tầng lần lượt là 20 tầng, 25 tầng và 30 tầng.
    • So sánh lực cắt đáy tính toán theo TCVN 2737:1995 (phương pháp giải tích) và theo công thức hệ số gió giật $G$ đề xuất (công thức 3.27). Sai số giữa hai phương pháp đều nằm trong giới hạn cho phép của tính toán kỹ thuật.
  4. Khảo sát trên hai công trình thực tế tại Thành phố Đà Nẵng:
    • Tòa nhà Đà Nẵng Plaza: Công trình cao tầng kết cấu bê tông cốt thép khung vách kết hợp.
    • Tòa nhà Cục Hải Quan Thành phố Đà Nẵng: Công trình trụ sở làm việc cao tầng.
    • Kết quả so sánh thành phần tải trọng gió động và tổng lực cắt đáy giữa phương pháp giải tích của tiêu chuẩn và công thức hệ số $G$ đề xuất cho thấy mức độ tương đồng cao, khẳng định tính ứng dụng thực tiễn của công thức.

Kết quả và những đóng góp mới

Theo nội dung luận án công bố, các kết quả và đóng góp mới đạt được bao gồm:

  1. Đánh giá định lượng sai số và làm rõ phạm vi áp dụng của công thức gần đúng tính toán thành phần gió động trong TCVN 2737:1995 đối với công trình nhà cao tầng có sơ đồ kết cấu khung giằng.
  2. Đề xuất công thức gần đúng hoàn thiện tính toán thành phần gió động phù hợp với công trình cao tầng có sơ đồ kết cấu khung giằng theo TCVN 2737:1995 trên các dạng địa hình A, B, C khác nhau.
  3. Hệ thống hóa các công thức của TCVN 2737:1995 để xác định hệ số gió giật $G$ theo phương pháp Davenport tương ứng với các hệ kết cấu chịu tải trọng ngang có độ cứng khác nhau (phân loại theo chỉ số $\alpha H$).
  4. Đề xuất công thức đơn giản xác định hệ số gió giật $G$ có độ chính xác xấp xỉ phương pháp giải tích của TCVN 2737:1995 cho các công trình bê tông cốt thép cao đến 35 tầng, có mặt bằng kết cấu đối xứng, bề rộng mặt đón gió không quá 50 m xây dựng tại Thành phố Đà Nẵng (vùng gió IIB) và các vùng có điều kiện tương đương.

Kiến nghị của tác giả: Áp dụng các công thức đề xuất vào thực hành thiết kế kết cấu công trình cao tầng nhằm giúp kỹ sư nhanh chóng tính toán và kiểm tra thành phần động của tải trọng gió mà không cần thực hiện toàn bộ quy trình giải tích động học phức tạp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài (dựa trên phạm vi nghiên cứu được tác giả xác định):

  • Công thức đề xuất giới hạn áp dụng cho công trình nhà cao tầng bê tông cốt thép có mặt bằng đối xứng, chiều cao đến 35 tầng và bề rộng mặt đón gió không quá 50 m.
  • Chưa khảo sát đối với các công trình có mặt bằng bất đối xứng (phát sinh dao động xoắn phức tạp) hoặc các công trình siêu cao tầng có dạng hình học đặc biệt đòi hỏi thử nghiệm chuyên sâu trong hầm gió.
  • Các hệ số thực nghiệm trong công thức gần đúng được xây dựng trọng tâm cho vùng gió IIB (khu vực Thành phố Đà Nẵng).

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Mở rộng nghiên cứu xác định hệ số gió giật cho các công trình có hình dạng mặt bằng không đối xứng, kết cấu hỗn hợp thép - bê tông.
  • Nghiên cứu thành phần tải trọng gió ngang và dao động xoắn kết hợp phương pháp mô phỏng số và thí nghiệm hầm gió cho các công trình có chiều cao trên 35 tầng.

Giá trị tham khảo

Luận án mang lại giá trị tham khảo cụ thể cho các nhóm đối tượng:

  • Kỹ sư thiết kế kết cấu công trình: Cung cấp công thức thực hành ngắn gọn để tính toán nhanh thành phần gió động và hệ số gió giật $G$, phục vụ tính toán sơ bộ và kiểm tra kết quả thiết kế kháng gió cho nhà cao tầng khung giằng.
  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Cơ kỹ thuật, Kỹ thuật Xây dựng: Tài liệu tham khảo về phương pháp phân tích giải tích tương tác khung - vách, lý thuyết dao động ngẫu nhiên do tải trọng gió và phương pháp chuyển đổi tương đương giữa các hệ thống tiêu chuẩn quốc tế (ASCE, Eurocode, SNiP, AIJ, GB, TCVN).
  • Cơ quan quản lý và biên soạn tiêu chuẩn: Cung cấp cơ sở lý luận và số liệu kiểm chứng phục vụ công tác rà soát, hoàn thiện các tiêu chuẩn tải trọng và tác động tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Vận tốc gió cơ sở trong TCVN 2737:1995 khác gì so với ASCE/SEI 7-16 và SNiP 2.01.07-85*?

TCVN 2737:1995 quy định vận tốc gió cơ sở $V_0$ là vận tốc gió trung bình trong khoảng thời gian 3 giây, chu kỳ lặp 20 năm, đo ở độ cao 10 m trên địa hình dạng B. Trong khi đó, ASCE/SEI 7-16 (Mỹ) lấy thời gian trung bình 3 giây nhưng chu kỳ lặp là 50 năm trên địa hình C; SNiP 2.01.07-85* (Nga) lấy thời gian trung bình 600 giây (10 phút) với chu kỳ lặp 5 năm trên địa hình A. Tỷ số chuyển đổi giữa vận tốc gió trung bình 3 giây và 10 phút được xác định theo công thức $V_{3s} = 1{,}41 V_{600s}$.

2. Tại sao công thức gần đúng tính gió động trong TCVN 2737:1995 gây sai số lớn cho hệ kết cấu khung giằng?

Công thức gần đúng của TCVN 2737:1995 dựa trên giả thiết chuyển vị ngang của công trình ở dạng dao động riêng thứ nhất biến đổi theo quy luật bậc nhất theo chiều cao. Giả thiết này chỉ phù hợp với các công trình có độ cứng chống trượt thuần túy hoặc độ cứng rất lớn. Trong hệ kết cấu khung giằng, sự làm việc đồng thời giữa khung (biến dạng trượt) và vách (biến dạng uốn) tạo ra đường cong chuyển vị dạng uốn - trượt phi tuyến phức tạp (đặc biệt khi chỉ số $\alpha H \le 2$), dẫn đến sai số lớn khi áp dụng công thức bậc nhất.

3. Tác giả đã hoàn thiện công thức tính gió động trong Chương 2 như thế nào?

Tác giả đã thiết lập phương trình vi phân cơ bản của hệ khung giằng chịu tải trọng ngang, tìm nghiệm chuyển vị chính xác để xây dựng lại hàm $K_1$ biểu thị dạng dao động thứ nhất. Từ đó, tác giả đưa ra công thức bổ chính tính thành phần gió động có xét đến thông số độ cứng tương đối $\alpha H$ và dạng địa hình, giúp giá trị lực cắt đáy tiệm cận với phương pháp giải tích.

4. Phạm vi áp dụng của công thức tính hệ số gió giật G đề xuất trong Chương 3 là gì?

Công thức tính hệ số gió giật $G$ được xây dựng cho các công trình nhà cao tầng bê tông cốt thép có chiều cao đến 35 tầng, mặt bằng kết cấu đối xứng, sử dụng hệ kết cấu khung giằng, có bề rộng mặt đón gió không quá 50 m, xây dựng trên địa bàn Thành phố Đà Nẵng (vùng áp lực gió IIB) và các khu vực có điều kiện địa hình, áp lực gió tương đương.

5. Những công trình thực tế nào tại Thành phố Đà Nẵng được sử dụng để kiểm chứng kết quả nghiên cứu?

Luận án đã sử dụng số liệu hình học và kết cấu của hai công trình thực tế tại Thành phố Đà Nẵng để kiểm chứng là Tòa nhà Đà Nẵng Plaza và Tòa nhà Cục Hải Quan Thành phố Đà Nẵng. Kết quả so sánh tải trọng gió động và lực cắt đáy theo công thức đề xuất đều cho sai số nhỏ so với phương pháp giải tích của tiêu chuẩn hiện hành.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Bùi Thiên Lam đã giải quyết vấn đề xác định thành phần động của tải trọng gió tác dụng lên nhà cao tầng bê tông cốt thép có kết cấu khung giằng. Công trình đã làm rõ phạm vi áp dụng và sai số của công thức gần đúng trong TCVN 2737:1995, đồng thời đề xuất công thức bổ chính chuyển vị và công thức thực hành xác định hệ số gió giật $G$ theo phương pháp Davenport cho các công trình cao đến 35 tầng tại khu vực miền Trung. Kết quả nghiên cứu được kiểm chứng qua các khảo sát số và công trình thực tế tại Thành phố Đà Nẵng, cung cấp tài liệu tham khảo cho công tác tính toán thiết kế kết cấu công trình chịu tải trọng gió.