BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

NGUYỄN HẢI DIỆN

SO SÁNH TẢI TRỌNG GIÓ TÁC DỤNG LÊN ỐNG KHÓI
BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO CÁC TIÊU CHUẨN
TCVN 2737:1995, GB 50051-2013 VÀ ACI 307-08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH
DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Hà Nội 2015


BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

NGUYỄN HẢI DIỆN
KHÓA: 2013-2015

SO SÁNH TẢI TRỌNG GIÓ TÁC DỤNG LÊN ỐNG KHÓI
BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO CÁC TIÊU CHUẨN
TCVN 2737:1995, GB 50051-2013 VÀ ACI 307-08


Nguyễn Hải Diện


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ là công trình nghiên cứu khoa học độc lập
của tôi. Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của Luận văn là trung thực và có
nguồn gốc rõ ràng.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Hải Diện


MỤC LỤC
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các chữ viết tắt
Danh mục các ký hiệu
Danh mục hình minh họa
Danh mục bảng, biểu
Trang
MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài.........................................................................................................1
Mục tiêu, mục đích nghiên cứu...................................................................................2
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu...............................................................................3
Phương pháp nghiên cứu.............................................................................................3
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ....................................................................3
NỘI DUNG
Chương I: Tổng quan về ống khói bê tông cốt thép ..............................................4

3.2.2. Xác định chu kỳ dao động riêng theo GB 50051 – 2013................................61
3.2.3. Xác định chu kỳ dao động riêng theo ACI 307 – 08 ......................................61
3.2.4. Xác định chu kỳ dao động riêng bằng phương pháp phần tử hữu hạn ...........62
3.3. Tính toán theo tiêu chuẩn TCVN 2737 : 1995...................................................65
3.3.1. Dạng địa hình và vận tốc gió cơ sở .................................................................65
3.3.2. Thành phần tải trọng gió dọc hướng gió .........................................................65
3.3.3. Thành phần tải trọng gió ngang hướng gió .....................................................75
3.4. Tính toán theo tiêu chuẩn GB 50051 – 2013 .....................................................80
3.4.1. Dạng địa hình và vận tốc gió cơ sở .................................................................80
3.4.2. Thành phần tải trọng gió dọc hướng gió .........................................................80
3.4.3. Thành phần tải trọng gió ngang hướng gió .....................................................87
3.5. Tính toán theo tiêu chuẩn ACI 307 – 08 ............................................................89
3.5.1. Dạng địa hình và vận tốc gió cơ sở .................................................................89


3.5.2. Thành phần tải trọng gió dọc hướng gió .........................................................90
3.5.3. Thành phần tải trọng gió ngang hướng gió .....................................................96
3.6. Tổng hợp và so sánh tải trọng gió theo các tiêu chuẩn ....................................101
3.6.1. Tổng hợp tải trọng gió dọc và ngang hướng gió theo các tiêu chuẩn ...........101
3.6.2. So sánh tổ hợp tải trọng gió dọc và ngang hướng gió...................................102
3.6.3. So sánh tải trọng gió dọc hướng gió .............................................................103
3.6.4. So sánh tải trọng gió ngang hướng gió .........................................................105
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................................107
TÀI LIỆU THAM KHẢO


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt
BTCT

Hệ số khí động

Cx

Hệ số khí động của kết cấu ống khói

Z0

Cao trình quy ước để tính độ cao z

γ

Hệ số độ tin cậy của tải trọng gió

z

Độ cao tại điểm trên công trình so với cao trình quy ước Z0

f1

Tần số của dao động riêng thứ nhất của công trình

fs

Tần số của dao động riêng thứ s của công trình

fL

Tần số giới hạn



Khối lượng phần thứ j của công trình

εi

Độ giảm loga của dao động


yji
ψi
WFj

Dịch chuyển ngang tỉ đối của trọng tâm phần thứ j của công trình ứng
với dạng dao động riêng thứ i
Hệ số được xác định bằng cách chia công trình thành n phần, trong
phạm vi mỗi phần tải trọng gió có thể coi như không đổi
Giá trị tiêu chuẩn của thành phần động của tải trọng gió tác dụng lên
phần thứ j của công trình khi chỉ xét đến ảnh hưởng của xung vận tốc
gió

Sj

Diện tích đón gió của phần thứ j của công trình

H

Độ cao đỉnh công trình

Wid


V

Vận tốc gió

D

Bề rộng đón gió

PL(z,t)

Lực ngang hướng gió tác dụng lên công trình ở độ cao z tại thời điểm t

ρ(z)

Mật độ không khí ở độ cao z

µL(z)

Hệ số lực ngang hướng gió ở độ cao z

Sh

Số Struhal

fs

Tần số tách xoáy

V*


Nội dung

50
V10'

Vận tốc gió cơ sở là vận tốc trung bình thời gian 10 phút chu kỳ lặp 50
năm

Wk

Giá trị đặc trưng của tải trọng gió

W0

Áp lực gió tiêu chuẩn

βz

Hệ số hiệu ứng động lực của tải trọng gió ở độ cao z

µz

Hệ số thay đổi áp lực gió theo độ cao

µs

Hệ số hình dạng công trình

η


BH

Bề rộng tại đỉnh mặt đón gió của công trình


B0

Bề rộng tại đáy mặt đón gió của công trình

D

Đường kính ngoài tại một nữa chiều cao ống khói

Vcr

Vận tốc gió tới hạn

St

Số Strouhal

VH

Vận tốc tại đỉnh công trình

H1

Chiều cao bắt đầu của vùng cộng hưởng

H2

Nội dung

50
V3"

Vận tốc gió cơ sở là vận tốc trung bình trong khoảng thời gian 3 giây,
chu kỳ lặp 50 năm

W(z)

Thành phần tải trọng gió dọc hướng gió tác dụng lên ống khói

W ' (z)
W(z)

Thành phần động của tải trọng gió dọc hướng gió tác dụng lên ống
khói
Thành phần trung bình của tải trọng gió dọc hướng gió tác dụng lên
ống khói

z

Độ cao ống khói so với mặt đất

h

Chiều cao đỉnh ống khói so với mặt đất

d(h)


Giá trị vận tốc thay đổi trong khoảng ( 0,5 ÷ 1,3) .V(z cr )

Ssc

Hệ số dạng dao động

Vr

Vân tốc gió kể đến hệ số tầm quan trong của công trình

Kd

Hệ số hướng của tải trọng gió

Cdr

Hệ số áp lực gió thay đổi theo chiều cao

α

Hệ số mũ phụ thuộc vào dạng địa hình

b

Hệ số phụ thuộc vào dạng địa hình

M w (b)

Mô men tại đáy ống khói của lực W(z)


Khối lượng riêng của bê tông

Eck

Mô đun đàn hồi của bê tông

Vcr1

Vận tốc gió tới hạn của dạng dao động riêng thứ nhất

d(u)

Đường kính trung bình ở phía trên một phần ba của ống khói

ρa

Trọng lượng riêng của không khí

g

Giá tốc trọng trường

St

Số Strouhal

F1A

Tham số của số Strouhal


L

Hệ số tương quan chiều dài

CE

Hệ số hiệu quả

Ma

Giá trị mô men đáy lớn nhất của tải trọng gió ngang hướng gió

Walong

Giá trị tải trọng gió dọc hướng gió Walong = W(z)

Walong

Giá trị tải trọng gió ngang hướng gió


DANH MỤC HÌNH MINH HỌA

Số hiệu hình

Tên hình

Trang

Hình 1.1

Hình 2.2

Xác định mặt cao trình Z0 khi i ≥ 2

11

Hình 2.3

Chỉ dẫn xác định hệ số khí động của công trình có
mặt xung quanh hình trụ tròn (bể chứa, ống khói…)

13

Hình 2.4

Hệ tọa độ khi xác định hệ số tương quan ν

17

Hình 2.5

Hệ số động lực ξ

19

Hình 2.6

Biểu đồ xác định λi

23


Quy đổi vận tốc gió với thời gian trung bình khác
nhau
Mô hình phân tích ống khói BTCT bằng phần mềm
Etabs
Áp lực gió dọc hướng gió tác dụng lên ống khói
BTCT theo độ cao với chu kỳ lặp 50 năm
Áp lực tính toán của gió dọc hướng gió tác dụng lên
ống khói BTCT theo độ cao

50
60
100
101


DANH MỤC BẢNG, BIỂU

Số hiệu bảng
Bảng 2.1
Bảng 2.2

Tên bảng
Giá trị áp lực gió theo bản đồ phân vùng áp lực gió
trên lãnh thổ Việt Nam
Bảng hệ số k kể đến sự thay đổi áp lực gió theo độ
cao và dạng địa hình

Trang
9

17

Hệ số tương quan không gian ν1 khi xét đến tương
Bảng 2.8

quan xung vận tốc gió theo chiều cao công trình và
bề rộng đón gió, phụ thuộc vào ρ và χ

18

Bảng 2.9

Số Struhal cho một số dạng mặt cắt

26

Bảng 2.10

Độ cao Gradient và hệ số mt

28

Bảng 2.11

Hệ số β theo thời gian sử dụng giả định của công
trình

30

Bảng 2.12


Hệ số tương quan không gian ν

37

Bảng 2.18

Hệ số điều chỉnh θv

37

Bảng 2.19

Hệ số dạng dao động ϕz với kết cấu cao

38

Bảng 2.20

Hệ số dạng dao động ϕz với dạng dao động đầu
tiên của kết cấu cao

39


Số hiệu bảng

Tên bảng

Trang

Etabs
So sánh chu kỳ dao động khi tính toán băng công
thức thực nghiệm và phân tích phần mềm Etabs

61
61

Bảng 3.4

Hệ số k

63

Bảng 3.5

Giá trị tiêu chuẩn gió tĩnh tác dụng lên ống khói
BTCT theo TCVN 2737 : 1995

64

Bảng 3.6

Giá trị WFj

66

Bảng 3.7

Giá trị


∑ Vk*2 .Dk .µLk .ϕki

Bảng 3.11

Giá trị

Bảng 3.12

Giá trị tải trọng gió ngang hướng gió tác dụng lên
ống khói BTCT theo TCVN 2737 : 1995

77

Bảng 3.13

Hệ số µz

78

Bảng 3.14

Hệ số ν

80

Bảng 3.15

Hệ số ϕz

81

Bảng 3.20

Quy đổi thông số hình học công trình

87

Bảng 3.21

Giá trị W(z) (Ib/ft)

90

Bảng 3.22

Giá trị mô men đáy của các mức sàn (Ib/ft)

91

Bảng 3.23

Giá trị W ' (z)

92

Bảng 3.24
Bảng 3.25
Bảng 3.26

Bảng 3.27


lên ống khói BTCT theo các tiêu chuẩn với chu kỳ
lặp 50 năm
So sánh giá trị tải trọng tính toán của gió dọc
hướng gió tác dụng lên ống khói BTCT theo các
tiêu chuẩn

93
97
98

98

98

100

101

101

102


Số hiệu bảng
Bảng 3.33

Bảng 3.34

Tên bảng
So sánh giá trị tải trọng gió ngang hướng gió tác

nông hoặc móng cọc tùy theo điều kiện địa chất ở khu vực xây dựng, cọc không bị
nhổ hay không có ứng suất âm (kéo) trong đất nền ở dưới đáy móng nông dưới tác
dụng của tải trọng gió.
Ngoài ra, ống khói BTCT còn có độ cứng và tính ổn định tốt hơn so với ống
khói thép là kết cấu dễ bị mất ổn khí động dưới tác dụng của tải trọng gió;
Với điều kiện kỹ thuật và tay nghề công nhân như ở nước ta thì công nghệ thi
công ống khói BTCT bằng ván khuôn trượt thường dễ dàng hơn việc chế tạo và lắp
đặt ống khói thép.
Việc bảo trì và chống ăn mòn của ống khói BTCT cũng đỡ tốn kém hơn so với
ống khói thép.
Mặc dù vậy, ống khói BTCT cao từ 100 m trở lên vẫn được xem là kết cấu nhạy
cảm với tải trọng gió. Do vậy, ở một số nước như Trung Quốc, Mỹ có tiêu chuẩn


2

riêng về thiết kế ống khói đặc biệt là ống khói cao. Tuy nhiên, hiện nay ở Việt Nam
vẫn chưa có tiêu chuẩn chuyên dùng cho việc thiết kế ống khói BTCT. Việc tính
toán thiết kế chỉ theo TCVN 2737:1995 [1] và TCVN 5574:2012 và các tiêu
chuẩn liên quan khác. Ngoài ra, xác định tải trọng gió lên kết cấu dạng ống khói
là vấn đề phức tạp không chỉ về mặt khí động, áp lực gió hút, đẩy, gió ngang
hướng gió, hệ số Reynold và các đặc trưng động lực học khác. Do đó, phương
pháp và quy trình tính toán ống khói chịu tải trọng gió rất quan trọng đối với các
kỹ sư và các nhà nghiên cứu.
Vì vậy, việc nghiên cứu tính toán tải trọng gió tác dụng lên ống khói BTCT ở
Việt Nam theo các tiêu chuẩn TCVN 2737 : 1995 “Tải trọng và tác động – tiêu
chuẩn thiết kế”, tiêu chuẩn Trung Quốc GB 50051 – 2013 “Quy phạm thiết kế ống
khói” [9] và tiêu chuẩn Mỹ ACI 307 – 08 “Các yêu cầu đối với ống khói bê tông cốt
thép và các diễn giải, chú thích” [5], so sánh các kết quả tính toán theo các tiêu
chuẩn này là cần thiết và có giá trị thực tiễn trong thiết kế và xây dựng ống khói ở

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán tải trọng gió tác dụng
lên ống khói bê tông cốt thép xây dựng tại Việt Nam theo các tiêu chuẩn
TCVN 2737 : 1995, GB 50051 – 2013, và ACI 307 – 08.
- Sử dụng mô hình phần tử hữu hạn để tính toán tải trọng gió lên ông khói theo
các tiêu chuẩn nói trên.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Lập quy trình tính toán ống khói BTCT chịu tải trọng gió theo các tiêu chuẩn
TCVN 2737 : 1995, GB 50051 – 2013, ACI 307 –08 và so sánh kết quả tính toán
theo các tiêu chuẩn này đối với một công trình thật đã được xây dựng ở Việt Nam.
Đề tài có ý nghĩa khoa học vì tính toán ống khói đặc biệt là ống khói cao chịu
tải trọng gió rất phức tạp trong đó mất ổn định khí động là vấn đề còn mới đối với
các kỹ sư, các vấn đề tính toán gió dọc và ngang hướng gió cũng như mất ổn định
khí động của ống khói đã được đề cập, phân tích và so sánh trong luận văn. Ngoài
ra, các kết quả đạt được của đề tài có thể giúp đỡ trong công tác thiết kế, thẩm tra
thiết kế đảm bảo an toàn cho các ống khói cao trong các dự án công nghiệp ở nước
ta cho dù được thiết kế theo các tiêu chuẩn Việt Nam hay nước ngoài
Đề tài cũng đã kiến nghị cần thực hiện thêm các nghiên cứu lý thuyết và thực
nghiệm về tải trọng gió tác dụng lên ống khói cao ở Việt Nam để việc tính toán thiết
kế kết cấu an toàn và tin cậy.


THÔNG BÁO
Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui
lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện
– Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội.
Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội
Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội.
Email:

TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN

theo tiêu chuẩn TCVN 2737 : 1995; “dọcTQ” là tính gió dọc hướng gió theo GB
50051 – 2013; “dọcMỹ” là tính gió dọc hướng gió theo ACI 307 – 08.


108

c) Đối với tải trọng tính toán gió ngang hướng gió thì tỉ số của lực cắt đáy, mô men
đáy được thể hiện dưới đây:
VngangTQ/VngangVN = 5,58 và VngangMỹ/VngangVN = 15,75;
MngangTQ/MngangVN = 5,69 và MngangMỹ/MngangVN = 21,95.
trong đó: V là lực cắt đáy; M là mô men đáy; “ngangVN” là tính gió ngang hướng
gió theo tiêu chuẩn TCVN 2737 : 1995; “ngangTQ” là tính gió ngang hướng gió
theo GB 50051 – 2013; “ngangMỹ” là tính gió ngang hướng gió theo ACI 307 – 08.
(Các kết quả so sánh này lấy từ chương 3 của luận văn).
B. Kiến nghị
1. Cần biên soạn tiêu chuẩn thiết kế ống khói của Việt Nam với việc xem xét lại
công thức tính tải trọng ngang tác dụng lên ống khói theo TCXD 229 : 1999 đặc
biệt là ống khói cao, có tham khảo tiêu chuẩn Mỹ và tiêu chuẩn Trung Quốc.
2. Cần có thêm các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm (nghiên cứu thực nghiệm
trong hầm gió) về tải trọng gió lên công trình ống khói cao (gió dọc, gió ngang và
các hiện tượng mất ổn định khí động). Thông qua các nghiên cứu có thể bổ sung,
kiểm nghiệm kết quả tính toán tải trọng gió tác dụng lên ống khói theo điều kiện
Việt Nam. Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm bổ sung này nhằm đảm cho
việc tính toán thiết kế kết cấu an toàn và tin cậy.