Phân tích toàn bộ và thiết kế hệ thống sàn bằng phần mềm SAFE

Phân tích toàn bộ và thiết kế hệ thống sàn bằng phần mềm SAFE

SAFE TM PHÂN TÍCH TOÀN BỘ VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG SÀN

BÀI HỌC THỰC HÀNH

Đà Nẵng, 05/08/2009

Ks Nguyễn Ngọc Tân Sinh ngày 06/02/1986 – Huế

Do trình độ tiếng Anh còn hạn chế kinh nghiệm chưa nhiều, khó có thể tránh khỏi những thiếu sót trong phần biên dịch các thuật ngữ Tác giả rất mong nhận được đóng góp để hoàn thiện cho tài liệu này Mọi góp ý xin gửi đến địa chỉ

● Email: ngoctan_q@yahoo.com

● Điện thoại: 01684382601

Chúc các bạn tự tin, sáng tạo và thành công trong mọi công việc!

Mô hình mẫu

Mục đích của hướng dẫn này là nhằm cung cấp cho bạn kinh nghiệm thực hành sử dụng SAFE, cũng như cách nhanh nhất để làm quen với chương trình này Chúng ta xác định được những nguyên tắc cơ bản của quá trình tạo mô hình và nhiều mô hình kĩ thuật xây dựng khác nhau được giới thiệu Các bước chỉ dẫn chứng minh cho chúng ta thấy việc sử dụng SAFE thật dễ dàng Khi bạn hoàn thành hướng dẫn này bạn sẽ xây dựng được mô hình đã chỉ ra trong hình 1

Đề bài

Đối tượng của hướng dẫn này là sàn treo bê tông có hình dạng không theo qui tắc, với kích thước tổng thể từ 113 feet x 120 feet Bên trong sàn tồn tại một lỗ mở lớn dành cho lối đi cầu thang

Sàn dày 10 inch được gối bởi vách dày 12 inch, bản mũ cột dày 16 inch, và dầm 12 inch x 24 inch ở hai bên chu vi Cột vuông 18 inch, và chiều cao tầng bên dưới là 12 feet Mô hình sẽ được phân tích dưới tác dụng của tải trọng phân bố đều

30 pounds/foot2 (psf) cộng thêm trọng lượng bản thân của kết cấu, và hoạt tải 50psf

Bước 1 Bắt đầu mô hình mới

Trong bước này, đường lưới cơ bản và kích thước sẽ được xác định, nó sẽ giúp cho người dùng tạo mô hình Mô hình này sẽ được xây dựng mà không cần sử dụng công cụ mẫu được cung cấp sẵn trong SAFE như vậy bạn có thể thấy được cách tạo mô hình bằng đường lưới Tuy nhiên, như qui tắc chung, chúng tôi

khuyên bạn nên bắt đầu mô hình bằng cách sử dụng các mẫu có sẵn mỗi khi có thể

Hình 1 Mô hình đối tượng

vì thao tác nhanh chóng, dễ dàng Tham khảo thêm phần Help của SAFE để có thêm thông tin về các mô hình mẫu

A Bấm chọn lệnh File > New Model hoặc chọn nút New Model để vào hộp

thoại Grid Definition xem hình 2 Đây là hộp thoại được sử dụng để xác nhận số

đường lưới và khoảng cách theo mỗi phương Điều quan trọng là đường lưới được xác định để miêu tả thật chính xác dạng hình học của kết cấu, vì thế chương trình khuyên bạn nên lập kế hoạch thật cẩn thận về số lượng và khoảng cách của các đường lưới

B Như hiển thị ở hình 2, nhập “Number of Grid Lines” theo phương X là 6 và theo phương Y là 9 Nhập “Grid Spacing” theo phương X là 20 feet và theo

phương Y là 18 feet

C Bấm chọn nút Edit Grid hiện hộp thoại như hình 3

Hộp thoại Define Grid được sử dụng để xác định và hiệu chỉnh hệ lưới theo hai

phương X và Y, và dữ liệu sàn đặt ở phần trên cùng Nó cho phép người sử dụng điều chỉnh hiển thị các tùy chọn kết hợp với đường lưới

1 Trong mục “Display”, tích chọn X grid

2 Trong mục “Display Grid as”, tích chọn Ordinates

Hình 2 Hộp thoại

Grid Definition

3 Trong bảng hệ lưới, thay đổi tọa độ X như sau:

4 Trong mục Display, tích chọn Y Grid

5 Trong bảng hệ lưới, thay đổi tọa độ Y như sau:

6 Bấm chọn OK để chấp nhận những thay đổi

Khi bấm chọn OK, để mặc định, đường lưới xuất hiện trên hai cửa sổ thẳng đứng ở màn hình cửa sổ chính SAFE, Structural Layer Plan View ở bên trái và

Structural Layer 3-D View ở bên phải Số cửa sổ có thể được thay đổi bằng cách

vào lệnh Options > Windows

Hình 3 Hộp thoại Define Grid

Chú ý rằng Structural Layer Plan View đang hiện hành xem hình 4 Khi cửa sổ

này đang hiện hành, thanh tiêu đề hiển thị nó được làm nổi Khởi động khung nhìn bằng cách bấm vào bất cứ nơi đâu trên cửa sổ đó

Lưu bài toán

Hãy luôn luôn lưu mô hình Bấm vào lệnh File > Save, hoặc chọn nút Xác nhận đường dẫn mà bạn muốn lưu mô hình Theo như hướng dẫn này, xác nhận

tên file là slab

Sau khi gõ tên bạn sẽ lưu lại bài tập mẫu với cái tên đã chọn Tuy nhiên, chúng ta

có thể lưu các quá trình công việc theo từng bước nhỏ hoặc là lưu 1 lần khi đã

hoàn thành, vào lệnh File > Save As để lưu bằng tên khác

Bước 2 Định nghĩa các đặc trưng

Trong bước này, đặc tính của sàn (phần tử tấm) và dầm (phần tử thanh) được định nghĩa

B Trong vùng “Slab Property”, chọn SLAB1

C Xem lại đề bài của hướng dẫn này, sàn dày 10 inch Để điều chỉnh kích thước

mặc định của SLAB1., bấm chọn Modify/Show Property để mở hộp thoại Slab

Property Data xem hình 6

Hình 5 Hộp thoại Slab Properties

Hình 6 Hộp thoại Slab Property Data

Dữ liệu phân tích

Dữ liệu thiết kế

Chiều dày

bê tông bảo vệ

Giới hạn chảy của cốt thép

Cường độ nén của

bê tông

1 Chọn Slab từ Type danh sách sổ xuống; Ở đây đảm bảo rằng phần tử tấm nào

với thuộc tính đã gán sẽ được nhận ra như phần tử sàn

Chú ý: Khi nhiều phần tử tấm chiếm cùng vị trí trên mặt bằng, SAFE xác định giá trị thuộc tính để sử dụng trong phương trình độ cứng dựa vào trật tự sau: Cột tiếp nối bản mũ, bản mũ đứng dưới sàn, và lỗ cầu thang nằm trên cùng

2 Gõ 10in ở hộp Thickness trong mục “Analysis Property Data”

Chú ý: Khi đơn vị đã được ấn định rõ ràng, trong trường hợp này là inches, chương trình sẽ tự động chuyển trị số đầu vào phù hợp với đơn vị dữ liệu (Xem lại đơn vị đã thiết lập lbs-ft) Giá trị đầu vào bằng 10/12, không còn đơn vị inch

3 Bấm chọn OK để chấp nhận những thay đổi và trở lại hộp thoại Slab Properties

D Xem lại đề bài bản mũ cột dày là 16 inch Xác nhận thuộc tính của bản mũ cột,

bấm chọn Add New Property ở hộp thoại Slab Properties và hoàn thành bước sau

1 Gõ DROP trong hộp Property Name ở hộp thoại Slab Property Data

2 Chọn Drop từ danh sách sổ xuống

3 Gõ 16in ở hộp Thickness

4 Bấm chọn OK để chấp nhận những thay đổi và trở lại hộp thoại Slab Properties

E Xem lại đề bài là cột vuông 18 inch Xác nhận thuộc tính của cột, bấm chọn

Add New Property ở vùng “Click to” của hộp thoại Slab Properties và hoàn thành

bước sau

1 Gõ COL trong hộp Property Name ở hộp thoại Slab Property Data

2 Chọn Column từ danh sách sổ xuống

3 Gõ 50in ở hộp Thickness Kích thước trên mặt bằng của cột sẽ được xác định

cùng với các phần tử tấm làm vậy mô hình bản mũ và sàn sẽ chính xác Độ dày đã gán cho sàn là 50 inches, hoặc tăng độ dày ban đầu lên 5 lần, được gán cho cột để đảm bảo ít nhất độ cứng cột hơn bản sàn xung quanh 2 lần Việc này mang lại kết quả cao nhưng làm triệt tiêu biến dạng uốn trong vùng cột

4 Tích vào No Design trong vùng “Design Property Data” bởi vì cột không được

dùng để thiết kế mà sử dụng trong kỹ thuật thiết kế sàn

5 Bấm chọn OK để chấp nhận những thay đổi và trở lại hộp thoại Slab Properties Bấm chọn OK để kết thúc việc xác định đặc tính sàn Bấm vào lệnh File > Save,

hoặc chọn nút , để lưu bài toán

Định nghĩa đặc trưng dầm

A Vào lệnh Define > Beam Properties, để hiển thị hộp thoại Beam Properties

B Trong vùng Beam Property, chọn Beam1 Xem lại đối tượng dầm là 12inch x

24inch (hoặc 1 feet x 2 feet đơn vị đang xác định lb-ft) Để xem lại kích thước mặc

định của Beam1, bấm chọn Modify/Show Property để vào hộp thoại Property

Data for Rectangular xem hình 7

Khi hộp thoại xuất hiện, nó có thể có các giá trị thích hợp trong vùng “Analysis

Property Data” (Width là 1 và Depth là 2) và vùng “Design Property Data”

(Width là 1 và Depth là 2) Nếu các giá trị này hiển thị không đúng, gõ các giá trị

thích hợp vào hộp thoại

C Bấm chọn OK hai lần để kết thúc việc xác định đặc tính dầm Bấm vào lệnh

File > Save, hoặc chọn nút , để lưu bài toán

Bước 3 định nghĩa các gối

Trong bước này, đặc tính của các gối cột và tường được xác định Vào xác nhận

dữ liệu trong các bước thao tác sau, chương trình sẽ tính toán các đặc tính của liên kết lò xo được sử dụng thay cho các gối cột và vách

Định nghĩa các cột đỡ

A Vào lệnh Define > Column Supports để vào hộp thoại Support Properties

B Trong mục “Support Properties”, chọn COL1

C Bấm chọn Modify/Show Property để vào hộp thoại Column Support Property

Data xem hình 8

1 Đảm bảo rằng Rectangular Properties được chọn trong mục “Define Column

by” của hộp thoại

2 Chắc chắn rằng Below Slab Only được chọn trong mục “Activate Support

Property” của hộp thoại

3 Gõ 18in vào hộp X Dimension và 18in vào hộp Y Dimension

4 Gõ 12 vào hộp Column Height

5 Bấm chọn OK để chấp nhận những thay đổi và quay về hộp thoại Support

Properties

D Nhấp OK để đóng hộp thoại Support Properties

Hình 7 Hộp thoại Property Data for Rectangular Beam

Định nghĩa các tường đỡ

A Vào lệnh Define > Wall Supports để vào hộp thoại Support Properties

B Trong mục “Support Properties”, chọn WALL1

C Bấm chọn Modify/Show Property để vào hộp thoại Wall Support Property

Data xem hình 9

1 Đảm bảo rằng Dimensions được chọn trong mục “Define Wall by” của hộp

thoại

2 Chắc chắn rằng Below Slab Only được chọn trong mục “Activate Support

Property” của hộp thoại

3 Xem lại đề bài vách dày 12 inches và đơn vị ở đây là lb-ft Vì vậy, gõ 1 vào hộp

D Nhấp OK để đóng hộp thoại Support Properties Bấm vào lệnh File > Save,

hoặc chọn nút , để lưu bài toán

Bước 4 Định nghĩa các trường hợp tải trọng

Trong bước này, các trường hợp tĩnh tải và hoạt tải được xác định Việc này, chúng ta sẽ đặt tên các loại tải trọng, chọn mục (động hoặc tĩnh), và xác nhận hệ

số nhân trọng lượng bản thân và hệ số nhân biến dạng dài hạn để phân tích biến dạng nứt Các loại tải trọng sẽ được gán vào các đối tượng, và được xác nhận các giá trị tải trọng (tĩnh tải phân bố đều 30 psf và hoạt tải 50 psf), ở bước 7

A Vào lệnh Define > Static Load Cases để vào hộp thoại Static Load Cases

Names xem hình 10

Hình 9 Hộp thoại Wall Support Property Data

Hình 10 Hộp thoại Static Load Case Names

B Chú ý rằng trường hợp tĩnh tải LOAD1 được cho mặc định Chúng ta sẽ thay đổi tên của loại tải trọng đó thành DL bằng cách chọn LOAD1 trong hộp thoại

Load, sau đó gõ DL

C Bởi vì chúng ta cần xác định là tĩnh tải, di chuyển đến mục Type chọn DEAD

D Xem lại đề bài cho tĩnh tải cộng thêm trọng lượng bản thân của kết cấu Kết

quả, ở Self Weight Multiplier đặt bằng 1 (ở đây bao gồm 1 nhân với trọng lượng

bản thân của tất cả cấu kiện)

E Hệ số Long Term Deflection Multiplier được sử dụng khi chương trình xét đến

biến dạng nứt và có nghĩa là khi cần đánh giá cách xử sự của kết cấu do co ngót và

từ biến Ở hướng dẫn này, phân tích biến dạng nứt không được xét đến, và do vậy

hệ số Long Term Deflection Multiplier không cần quan tâm

F Bấm chọn Modify Load để chấp nhận những thay đổi

G Bây giờ chúng ta sẽ xác định trường hợp hoạt tải Ở hộp Load gõ LL

H Chọn LIVE từ Type danh sách sổ xuống

I Gõ 0 vào hộp Self Weight Multiplier

J Gõ 1 vào hộp Long Term Deflection Multiplier

K Bấm chọn Add New Load để thêm tải LL vào danh sách Static Load Cases

Names hiển thị như hình 11

L Nhấp OK để chấp nhận tất cả các tải trọng được định nghĩa Bấm vào lệnh File

> Save, hoặc chọn nút , để lưu bài toán

Bước 5 Vẽ các đối tượng

Trong bước này, các phần tử tấm, điểm và thanh sẽ được vẽ để mô tả sàn, bản mũ, cột, cột đỡ và tường đỡ

Vẽ sàn (phần tử tấm)

Với hai cửa sổ thẳng đứng (vào lệnh Options > Windows),

chắc chắn rằng cửa sổ bên trái đang hiện hành là

Structural Layer Plan View (Bấm vào bất kỳ điểm nào ở

cửa sổ bên trái và sử dụng lệnh View > Set Structural

Hình 11 Hộp thoại Static Load Case Names với các tải trọng được định nghĩa

Layer để thiết lập cửa sổ này) Kiểm tra xem chức năng truy bắt điểm/giao điểm

đã được kích hoạt chưa (vào lệnh Draw > Snap to > Points hoặc sử dụng nút

Snap to Grid Intersections and Points ); Chức năng được kích hoạt khi nút này

bị ấn xuống Điều này sẽ giúp xác định vị trí chính xác phần tử tấm Bây giờ vẽ phần tử tấm để xây dựng mô hình sàn theo các thao tác sau

A Vào lệnh Draw > Draw Area Objects, hoặc nhấp chọn Draw Area Objects

để xuất hiện hộp thoại Properties of Objects xem hình 12

Chắc chắn rằng Type of Area được chọn Slab Nếu nó chưa được chọn, bấm vào mục đối diện với Type of Area và chọn

Slab từ danh sách sổ xuống

B Kích vào mục đối diện với Property và chọn SLAB1 từ

danh sách sổ xuống Đặc tính của sàn này được xác định ở bước 2

C Vẽ góc đầu tiên của phần tử tấm, kích chọn tại giao điểm

của các đường lưới A và 9 ở cửa sổ Structural Layer Plan

View Sau đó di chuyển xung quanh đường lưới theo chiều

kim đồng hồ, chọn những giao điểm của các đường lưới này

để vẽ đường bao của sàn: F9, F1, D1, D4, và A4

Nếu có lỗi trong khi vẽ đối tượng này, nhấp vào nút Select

Object để kết thúc lệnh vẽ đối tượng và tiếp tục chọn đối

tượng Sau đó vào lênh Edit > Undo Area Add, lặp lại các

18 inches)

1 Đặt chuột vào hộp X ở mục “Identification and Location” và gõ -9/12 Lưu ý

đơn vị ở đây vẫn là feet

2 Đặt chuột vào hộp Y và gõ 120.75

3 Nhấp OK để chấp nhận những thay đổi Bản sàn bây giờ đã được nhô ra một

khoảng 9 inches tại góc này

Lặp lại các bước từ mục 1 đến mục 3 cho những giao điểm lưới bằng cách sử dụng các giá trị được cho để di chuyển những điểm góc của bản sàn tạo phần nhô ra là 9 -inch

Vẽ cột đỡ (đối tượng điểm)

Với cửa sổ hiện hành thiết lập mô tả quá trình trước đó vẽ tiết diện phần tử tấm

(nghĩa là…, cửa sổ hiện hành bên trái với hiển thị tiêu đề Structural Layer Plan

View và kích hoạt chức năng truy bắt giao điểm), sử dụng các mục thao tác sau để

vẽ đối tượng điểm xây dựng mô hình cột đỡ

A Vào lệnh Draw > Draw Point Objects, hoặc nhấp nút Draw Point Object làm xuất hiện hộp thoại Properties of Object xem hình 14

Hình 13 Hộp thoại Point Object information

Chắc chắn rằng Type of Point được chọn Column Nếu nó chưa được chọn, bấm vào mục đối diện với Type of Point và chọn Column từ danh sách sổ xuống Kích vào mục đối diện với Property và chọn COL1 từ danh sách sổ xuống Đặc

tính của cột đỡ (gối lò xo) này kích thước 18-inch x 18-inch cột cao 12-foot được xác định ở bước 3

B Nhấp trái chuột tại vị trí giao điểm mỗi dường lưới sau để xác định vị trí của

cột đỡ: A9, B9, C9, E9, F9, A8, B8, E8, F8, E7, F7, E5, F5, A4, C4, E3, F3, E2,

F2, E1, và F1

C Bấm chọn Select Object , hoặc nhấp Esc ở bàn phím để thoát lệnh Draw

Poin Objects

Vẽ tường đỡ (phần tử thanh)

Tương tự hai tiết diện trước đó, đảm bảo rằng Structural Layer Plan View đang

hiện hành và chức năng truy bắt giao điểm được kích hoạt Bây giờ vẽ phần tử thanh để xây dựng mô hình tường đỡ theo những bước sau

A Vào lệnh Draw > Draw Line Objects, hoặc nhấp nút Draw Line Objects

làm xuất hiện hộp thoại Properties of Object xem hình 15

B Bấm vào mục đối diện với Type of Line và chọn Wall từ danh sách sổ xuống

C Kích mục đối diện với Property và chọn WALL1 từ danh sách sổ xuống Đặc

tính của vách đỡ (gối lò xo) này dày 12-inch x cao 12-foot được xác định ở bước

E Bấm chọn Select Object , hoặc nhấp Esc ở bàn phím để thoát lệnh Draw

Line Objects

Mô hình đã dựng trông giống như hình 16

Vẽ bản mũ (phần tử tấm)

Tương tự những tiết diện trước đó, đảm bảo rằng Structural Layer Plan View

đang hiện hành và chức năng truy bắt giao điểm được kích hoạt Bây giờ vẽ phần

tử tấm để xây dựng mô hình bản mũ theo những bước sau

A Vào lệnh Draw > Draw Rectangular Area Objects, hoặc nhấp nút Draw

Rectangular Area Objects làm xuất hiện hộp thoại Properties of Object xem

hình 17

Bấm chọn điểm đầu

Bấm chọn điểm cuối

Dùng phím này để thoát lệnh vẽ

Hình 16 Mô hình sau khi đã vẽ cột và vách đỡ sàn

Chắc chắn rằng Type of Line đang được chọn là Slab

B Bấm vào mục đối diện với Property và chọn DROP từ danh sách sổ xuống

C Gõ 6 vào mục đối diện với X Dimension (if no drag) Ở Y Dimension (if no

drag) sẽ tự động thay đổi là 6 Đây là kích thước 6-foot x 6-foot của phần tử tấm

(bản mũ) được vẽ với một cú nhấp chuột (nghĩa là…, không cần rê chuột)

D Nhấp trái chuột tại vị trí giao điểm đường lưới A8, SAFE sẽ vẽ phần tử tấm tại

vị trí này Tiếp tục vẽ thêm bản mũ cột bằng cách nhấp vào các giao điểm đường

lưới B8, C8, D8, E8, E7, E5, A4, C4, E3, E2, và E1

E Chú ý đến 4 bản mũ cột có một phần ở bên ngoài sàn (A8, A4, C4 và E1) Để hiệu chỉnh chúng vào đúng cạnh sàn, bước đầu bấm chọn Select Object , hoặc

nhấp Esc ở bàn phím để thoát lệnh Draw Rectangular Area Objects

F Nhấn phím Ctrl ở bàn phím và kích phải chuột ở giao điểm đường lưới A8

Giống dạng danh sách lựa chọn như đã chỉ ra ở hình 18 bởi vì có nhiều đối tượng cùng ở một vị trí đó Trong ví dụ này, 1 đối tượng điểm và hai phần tử tấm cùng nằm một vị trí Chú ý dạng danh sách lựa chọn chỉ xuất hiện khi nhấn phím Ctrl

G Chọn phần tử tấm đó là bản mũ cột (Tấm đầu tiên là bản sàn, phần tử tấm khác

là bản mũ cột) Do vậy kích phải chuột để bắt đầu quá trình lựa chọn, hộp thoại

Rectangular Area Object Information dùng cho tấm mũ cột, xem hình 19, xuất

hiện

1 Đảm bảo rằng lựa chọn By Edges được tích ở mục “Locate Slab”

2 Gõ -.75 trong hộp Xmin

3 Bấm chọn OK để chấp nhận những thay đổi

H Lặp lại bước F đến G và thao tác các mục 1, 2, và 3 sử dụng các giá trị giao

điểm lưới Xmin và Ymin sau:

Vẽ các cột (phần tử tấm)

Tương tự những tiết diện trước đó, đảm bảo rằng Structural Layer Plan View

đang hiện hành và chức năng truy bắt giao điểm được kích hoạt Nhớ rằng mục đích trước đây dùng cho mô hình cột như phần tử tấm để đảm bảo liên kết bản mũ cột và bản sàn để chúng có nhịp đúng Vẽ phần tử tấm xây dựng mô hình cột như sau

A Vào lệnh Draw > Draw Rectangular Area Objects, hoặc nhấp nút Draw

Rectangular Area Objects làm xuất hiện hộp thoại Properties of Object xem hình 20 Chắc chắn rằng Type of Area đang chọn Slab

Hình 19 Hộp thoại Rectangular Area Object Information

Hình 20 Hộp

thoại Properties

of Object dùng

cho phần tử tấm