Tải trọng gió theo TCVN 2737 và khác biệt với EC1

Hai tiêu chuẩn, hai đại lượng xuất phát

Hỏi một kỹ sư quen Eurocode rằng bản đồ gió cho họ cái gì, họ sẽ trả lời là một vận tốc: vận tốc gió cơ sở $v_{b,0}$, đơn vị m/s, sau đó mới quy đổi thành áp lực qua khối lượng riêng không khí và một chuỗi hệ số. Hỏi một kỹ sư quen TCVN, họ sẽ trả lời là một áp lực: $W_o$, đơn vị daN/m², tra thẳng từ bản đồ Phụ lục D hoặc tra theo tỉnh trong Phụ lục E.

Khác biệt đó không chỉ là hình thức. Nó quyết định các giả thiết quy đổi nằm ở đâu. Trong EN 1991-1-4, khối lượng riêng không khí, độ nhám địa hình, cường độ rối và hệ số giật đều tường minh và điều chỉnh được riêng lẻ. Trong TCVN 2737, một số trong đó đã được gộp sẵn vào áp lực tra bản đồ trước khi kỹ sư nhìn thấy. Tuyến TCVN ngắn hơn và ít rủi ro nhập sai hơn; tuyến EN minh bạch hơn và điều chỉnh được nhiều hơn. Không bên nào là bản dịch của bên kia, và coi bên này như bên kia chính là chỗ sinh ra sai sót.

Tuyến tính toán của TCVN 2737

Mục 6 của tiêu chuẩn dựng tải trọng gió từ một áp lực tra bản đồ và hai hệ số nhân:

$$W = W_o \, k \, c$$

trong đó:

• $W$ - áp lực gió tiêu chuẩn lên bề mặt đang xét (daN/m²)

• $W_o$ - áp lực gió cơ sở của vùng, tra bản đồ Phụ lục D hoặc bảng tỉnh và huyện trong Phụ lục E (daN/m²)

• $k$ - hệ số kể đến dạng địa hình và độ cao so với mốc chuẩn

• $c$ - hệ số khí động của bề mặt, tra Bảng 6

Có ba điều đáng làm rõ trong công thức đó.

$W_o$ đã là một áp lực. Nó mang sẵn bên trong một chu kỳ lặp và một giả thiết về thời gian lấy trung bình, và đó là lý do Phụ lục F tồn tại riêng: phụ lục này cho áp lực gió tính toán tại các trạm khí tượng vùng núi và hải đảo ứng với chu kỳ lặp 5, 10, 20 và 50 năm, dùng cho những trường hợp mà giá trị 50 năm trên bản đồ không phải cơ sở phù hợp.

$k$ gộp hai hiệu ứng mà EN tách riêng. Nó tăng theo độ cao so với mặt đất và thay đổi theo dạng địa hình, tức là làm công việc mà EN 1991-1-4 chia cho hệ số độ nhám $c_r(z)$ và các tham số địa hình bên dưới nó. Việt Nam dùng ba dạng địa hình, quen gọi là A, B và C, đi từ vùng trống trải tới đô thị dày đặc. Độ cao $z$ được đo từ mốc chuẩn xác định trong Phụ lục G, điều này quan trọng với công trình trên nền dốc khi khái niệm "cao độ mặt đất" không rõ ràng.

$c$ là hệ số hình dạng, không phải một cặp hệ số áp lực. Bảng 6 lập bảng theo dạng kết cấu. Với nhà kín, mặt đón gió và mặt khuất gió có giá trị riêng, và tiêu chuẩn cũng đề cập lực ma sát dọc bề mặt cùng áp lực bên trong, thứ rất dễ bỏ sót với công trình có lỗ mở lớn.

Thành phần động, và khi nào nó xuất hiện

Với công trình thấp và cứng, tải trọng gió chỉ là giá trị tĩnh nêu trên, không hơn. Với công trình cao hoặc mềm, tiêu chuẩn cộng thêm thành phần động kể đến việc kết cấu phản ứng với gió giật chứ không đơn thuần chống lại một áp lực không đổi:

$$W_{total} = W_c + W_d$$

trong đó:

• $W_c$ - thành phần tĩnh, bằng $W_o k c$ như trên (daN/m²)

• $W_d$ - thành phần động, phụ thuộc tần số dao động riêng, hệ số cản và dạng dao động của kết cấu (daN/m²)

Điều kiện kích hoạt là tần số dao động riêng cơ bản của kết cấu so với một tần số giới hạn. Trên ngưỡng đó, kết cấu đủ cứng để không cộng hưởng đáng kể với phổ gió giật và chỉ cần thành phần tĩnh. Dưới ngưỡng, phải tính thành phần động, và với một tháp mảnh, phần này có thể chiếm tỷ trọng lớn trong tổng tải.

Đây cũng chính là ý tưởng vật lý của hệ số kết cấu $c_sc_d$ trong EN 1991-1-4, nhưng được đóng gói khác đi. EN nhân một hệ số tổng hợp duy nhất vào áp lực đỉnh và cho một quy trình chi tiết trong phụ lục để tính hệ số đó. TCVN cộng thêm một số hạng động riêng. Hai cách đi tới những kết quả tương đương bằng hai lối ghi sổ khác nhau, nên so sánh trực tiếp các đại lượng trung gian giữa hai tiêu chuẩn là vô nghĩa. Chỉ áp lực cuối cùng trên bề mặt mới so sánh được.

Đặt cạnh nhau

Dòng gây rắc rối nhất trong thực hành là hình dạng. EN 1991-1-4 chia một mặt đứng thành các vùng A, B, C, D và E với hệ số áp lực ngoài khác nhau, và vùng góc có thể chịu áp lực gấp hai tới ba lần vùng giữa của cùng bức tường. Chính cách chia vùng đó chi phối thiết kế lớp bao che và liên kết. Một kỹ sư chuyển từ TCVN sang EN mà áp một hệ số duy nhất cho cả mặt đứng sẽ thiết kế thiếu ở góc, và hư hỏng sẽ xuất hiện ở lớp bao che chứ không phải ở khung.

Chọn chu kỳ lặp nào, và vì sao đó là một quyết định

Cả hai tiêu chuẩn đều lấy chu kỳ lặp 50 năm làm chuẩn, cả hai đều cho phép thay đổi, và hệ quả của việc thay đổi không đối xứng. Một kết cấu phụ trợ tồn tại qua một mùa mưa không cần gió chu kỳ 50 năm. Một công trình mà sự sụp đổ gây hậu quả thảm khốc có thể xứng đáng với mức cao hơn. TCVN xử lý việc này qua hệ số điều chỉnh theo tuổi thọ thiết kế nêu trong Mục 6 và, với các trạm được đề cập, qua các chu kỳ lặp ngắn hơn trong Phụ lục F. EN xử lý qua hệ số xác suất $c_{prob}$.

Điểm kỹ thuật là như nhau ở cả hai: chu kỳ lặp là một quyết định tường minh về mức rủi ro chấp nhận được, và nó phải được ghi vào cơ sở thiết kế thay vì kế thừa lặng lẽ từ một mẫu cũ.

Ví dụ tính toán (số liệu giả định, có ghi rõ)

Hai số liệu phụ thuộc vị trí dưới đây là giá trị giả định dùng để minh họa cách tính. Với dự án thật, hãy tra $W_o$ từ Phụ lục D hoặc E theo đúng vị trí công trình, và tra $k$ từ bảng địa hình và độ cao theo đúng dạng địa hình và độ cao thực tế. Cấu trúc phép tính không thay đổi.

Công trình: nhà kín, mặt đón gió, độ cao $z = 20$ m so với mốc chuẩn Phụ lục G, địa hình dạng B. Số liệu giả định: $W_o = 95$ daN/m², $k = 1.14$ tại độ cao 20 m địa hình B. Hình dạng: mặt đón gió $c = +0.8$, mặt khuất gió $c = -0.6$ theo Bảng 6. Kết cấu đủ cứng nên chỉ xét thành phần tĩnh.

Áp lực mặt đón gió, ký hiệu $W_1$:

$$W_1 = 95 \times 1.14 \times 0.8 = 86.6\ \mathrm{daN/m^2} = 0.866\ \mathrm{kN/m^2}$$

Lực hút mặt khuất gió, ký hiệu $W_2$:

$$W_2 = 95 \times 1.14 \times (-0.6) = -65.0\ \mathrm{daN/m^2} = -0.650\ \mathrm{kN/m^2}$$

Áp lực ngang tổng tác dụng lên khung:

$$W = |W_1| + |W_2| = 0.866 + 0.650 = 1.516\ \mathrm{kN/m^2}$$

Chú ý cách xử lý dấu, đây là chỗ tập trung nhiều lỗi số học nhất. Giá trị mặt khuất gió là lực hút, nên nó kéo công trình ra xa chiều gió. Xét trên tổng thể khung, nó vì vậy cộng vào lực đẩy ở mặt đón gió chứ không triệt tiêu. Trừ thay vì cộng ở đây sẽ làm thiếu 43 phần trăm tổng lực cắt đáy trong ví dụ này.

Tính trên một bước khung 6 m và chiều cao 20 m, tổng lực ngang tác dụng lên bước khung đó là:

$$F = 1.516 \times 6 \times 20 = 182\ \text{kN}$$

Đó là con số đi vào tổ hợp tải trọng, rồi từ đó vào bài toán phân tích khung.

Vài lưu ý thực hành khi làm việc với cả hai tiêu chuẩn

• Đừng quy đổi $W_o$ thành $v_{b,0}$ rồi đưa vào tính toán theo EN, hoặc ngược lại. Hai đại lượng tra bản đồ mang những giả thiết nhúng sẵn khác nhau, và phép quy đổi sẽ âm thầm tính trùng hoặc bỏ sót chúng.

• Nếu dự án thiết kế theo TCVN nhưng chủ đầu tư hoặc bên cho vay yêu cầu kiểm tra theo Eurocode, hãy tính tải gió từ bản đồ EN cho vị trí đó nếu có, hoặc từ số liệu đo tại chỗ. Đừng dịch giá trị áp lực của TCVN.

• Áp lực bên trong dễ bị quên ở cả hai tiêu chuẩn và quan trọng nhất với công trình có một lỗ mở chiếm ưu thế. Một cửa cuốn lớn để mở làm thay đổi trường hợp thiết kế của mái.

• Ghi rõ đã giả thiết dạng địa hình nào. Đó là số liệu dễ bị chất vấn nhất khi thẩm tra và cũng dễ thay đổi nhất trong quá trình dự án khi khu vực xung quanh phát triển.

Những điểm chính

• TCVN 2737 tra bản đồ ra áp lực; EN 1991-1-4 tra ra vận tốc. Mọi thứ phía sau đều bắt nguồn từ đó.

• $W = W_o k c$ là toàn bộ phép tính tĩnh: áp lực tra bản đồ, hệ số địa hình và độ cao, hệ số hình dạng.

• Thành phần động chỉ xuất hiện khi kết cấu đủ mềm để phản ứng với gió giật; TCVN cộng thêm, EN nhân một hệ số tương đương.

• EN chia vùng mặt đứng còn TCVN thì không, nên áp lực tại góc lớp bao che là khác biệt thực hành lớn nhất.

• Lực hút mặt khuất gió cộng vào áp lực mặt đón gió khi xét tổng thể khung. Sai dấu ở đây phải trả giá đắt.

• Chu kỳ lặp là quyết định thiết kế được ghi lại ở cả hai tiêu chuẩn, không phải một mặc định kế thừa.

#tcvn #tcvn2737 #taitronggio #eurocode #taitrong