Giáo trình mô hình hóa và phân tích kết cấu bằng phần mềm Midas Civil

Địa chỉ: P306 nhà A6 Trường đại học Giao thông vận tải - Cầu Giấy – Hà nội 2.1.1 Các tính năng chính của MIDAS/Civil 2.1.1.1 Các tính năng phân tích cơ bản Với ý nghĩa là một công cụ h

BÀI GIẢNG MÔN HỌC

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM TRONG THIẾT KẾ CẦU ĐƯỜNG

MỤC LỤC

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA VÀ PHÂN TÍCH KẾT CẤU CẦU BẰNG MIDAS/CIVIL

4

2.1 GIƠII THỆU VỀ MIDAS/CIVIL 4

2.1.1 Các tính năng chính của MIDAS/Civil 4

2.1.1.1 Các tính năng phân tích cơ bản 4

2.1.1.2 Các tính năng mô hình hóa và phân tích đặc biệt 6

2.1.1.3 Giao diện và trao đổi dữ liệu 7

2.1.1.4 Tính năng thiết kế kết cấu 8

2.2 PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ PHÂN TÍCH KẾT CẤU VƠI MIDAS/CIVIL 8

2.2.1 Môi trường phân tích phần tử hữu hạn MIDAS/Civil 8

2.2.1.1 Tổ chức hệ thống giao diện của môi trường ứng dụng 9

2.2.1.2 Thiết lập các thông số giao diện 14

2.2.1.3 Các phương pháp và qui định nhập số liệu 18

2.2.1.4 Các chức năng hỗ trợ tương tác với môi trường ứng dụng 21

2.2.2 Mô hình phân tích số của MIDAS/Civil 31

2.2.2.1 Các hệ tọa độ và nút 32

2.2.2.2 Các kiểu phần tử 33

2.2.2.3 Các khía cạnh quan trọng của việc lựa chọn phần tử 47

2.2.2.4 Các điều kiện biên 56

2.2.3 Mô hình hóa kết cấu bằng công cụ của MIDAS/Civil 80

2.2.3.1 Mô hình hoá hình học phần tử hữu hạn 81

2.2.3.2 Mô hình hóa vật liệu 86

2.2.3.2 Mô hình hóa mặt cắt 90

2.2.3.3 Mô hình hóa liên kết 97

2.2.3.4 Mô hình hóa tải trọng 98

2.2.3.5 Kiểm tra sơ bộ mô hình kết cấu 106

2.2.4 Phân tích kết cấu 108

2.2.4.1 Các phần tử hữu hạn 109

2.2.4.2 Phân tích 110

2.2.5 Kết quả phân tích 116

2.2.5.1 Chuyển đổi giai đoạn phân tích 116

2.2.5.2 Tổ hợp tải trọng và lấy các giá trị lớn nhất hoặc nhỏ nhất 117

2.2.5.3 Kiểm tra các kết quả phân tích 118

2.2.5.4 Tạo kết quả đầu ra 153

2.3 MÔ HÌNH HÓA VÀ PHÂN TÍCH MỘT SỐ KẾT CẤU CẦU ĐIỂN HÌNH161 2.3.1 Mô hình hóa và phân tích kết cấu cầu dầm thép liên hợp bê tông cốt thép 161

2.3.1.1 Giới thiệu 161

2.3.1.2 Thiết lập điều kiện làm việc và nhập các thuộc tính mặt cắt/vật liệu 166

2.3.1.3 Xây dựng mô hình cầu 172

2.3.1.4 Nhập các điều kiện biên 177

2.3.1.5 Nhập dữ liệu tải trọng tác dụng 179

2.3.1.6 Định nghĩa các giai đoạn thi công 183

2.3.1.7 Thực hiện phân tích kết cấu 191

2.3.1.8 Xem các kết quả phân tích 192

Chương 2: Mô hình hóa và phân tích kết cấu cầu bằng MIDAS/Civil

2.1 Giới thiệu về MIDAS/Civil

MIDAS/Civil là một hệ thống tích hợp, được phát triển nhằm mục đích hỗ trợ phân tích kết cấu cầu cũng như các kết cấu phổ thông khác MIDAS/Civil được công ty MIDASIT, Hàn Quốc phát triển và đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi ở Việt Nam

MIDASIT có đại diện uỷ quyền tại Việt Nam – Công ty CIP Hà nội

Mọi chi tiết xin liên hệ:

- Công ty CIP Hà nội

Địa chỉ: 11- 629/15 Kim Mã – Ba Đình – Hà Nội

- Bộ môn Tự động hoá Thiết kế Cầu đường – Khoa công trình - Đại học giao thông vận tải Hà nội

Địa chỉ: P306 nhà A6 Trường đại học Giao thông vận tải - Cầu Giấy – Hà nội

2.1.1 Các tính năng chính của MIDAS/Civil

2.1.1.1 Các tính năng phân tích cơ bản

Với ý nghĩa là một công cụ hỗ trợ phân tích, thiết kế kết cấu cầu, MIDAS/Civil có các tính năng cơ bản như:

• Khả năng tính toán: MIDAS/Civil tính toán kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn,

theo đó, kết cấu được mô hình hóa thành một tập hợp các phần tử và các nút liên kết với nhau Khả năng tính toán của MIDAS/Civil là không hạn chế về số lượng phần tử và nút Nhờ tính năng này, MIDAS/Civil cho phép mô hình hóa và phân tích được những kết cấu lớn và phức tạp với độ chính xác cao Trong thực tế, sự hạn chế khả năng tính toán là do bộ nhớ vật lý của máy tính quy định

• Dạng phần tử Để mô hình hóa kết cấu với MIDAS/Civil, người dùng có thể sử dụng hầu

hết các dạng phần tử từ phổ thông đến đặc biệt như: thanh dầm tổng quát (chịu kéo, nén, uốn, xoắn theo 3 phương trong không gian), thanh chịu kéo, nén (phần tử dàn), thanh chỉ chịu kéo (cáp), thanh chỉ chịu nén, các phần tử tấm, vỏ, khối, v.v Đặc biệt, MIDAS/Civil còn hỗ trợ các dạng phần tử treo (hook) và phần tử chạm (gap) là những phần tử chỉ bắt đầu làm việc sau khi kết cấu đã có những chuyển vị hay biến dạng nhất định nào đó ví dụ như gối chắn gió trong các cầu treo, gối chống trượt, v.v

Mặt cắt của các phần tử có thể được lấy theo các tiêu chuNn khác nhau như ASTM (Mỹ),

CSA (Canada), DIN (Đức), EN (Anh), v.v hoặc do người dùng tự định nghĩa N goài ra, MIDAS/Civil còn cung cấp một công cụ, giúp thiết kế các dạng mặt cắt bất kỳ và tính toán các đặc trưng hình học của chúng

• Vật liệu MIDAS/Civil có một ngân hàng dữ liệu rất phong phú các loại vật liệu theo các

tiêu chuNn khác nhau như ASTM, CSA, DIN , EN Các vật liệu do người dùng tự định nghĩa cũng được hỗ trợ không hạn chế

• Liên kết và điều kiện biên Tương ứng với các loại liên kết được áp dụng trong kỹ thuật,

MIDAS/Civil cho phép kết cấu có thể được mô hình hóa với các liên kết và điều kiện biên khác nhau như liên kết cứng, đàn hồi tuyến tính, đàn hồi phi tuyến, liên kết chỉ chịu nén hay chịu kéo, v.v

• Mô hình hóa và phân tích các giai đoạn thi công Khi phân tích quá trình thi công,

MIDAS/Civil xét đến sự thay đổi tính năng vật liệu theo thời gian như sự phát triển cường

độ và mô-đun đàn hồi của bê-tông, co ngót, từ biến, sự thay đổi vị trí và hình dạng kết cấu, v.v Sự thay đổi tính năng vật liệu cũng như co ngót, từ biến có thể được lấy theo các tiêu chuNn như CEB-FIP, ACI, v.v hoặc do người dùng tự định nghĩa

• Tính toán thủy nhiệt Đây là bài toán hay gặp khi thi công các khối bê tông lớn Do sự thủy

hóa của bê tông, nhiệt độ bên trong khối tăng lên gây ứng suất cưỡng bức cho các khu vực khác Với bài toán này, MIDAS/Civil xét đến yếu tố thời gian làm thay đổi cường độ vật liệu, sự truyền nhiệt do thủy hóa của bê tông cùng các yếu tố khác, như diện tích bề mặt tiếp xúc, sự đối lưu nhiệt, v.v

• Phân tích kết cấu có xét đến sự phi tuyến hình học (biến dạng lớn) Đây là tính năng cần

thiết khi tính toán các kết cấu dây như cầu treo dây võng Để tính toán phi tuyến hình học, MIDAS/Civil hỗ trợ các phương pháp “lặp N ewton-Raphson”, “chiều dài cung (Arc-length)”, v.v là các phương pháp có hiệu quả nhất hiện nay cho dạng bài toán này

• Phân tích động lực học Với bài toán động lực học, MIDAS/Civil thực hiện các bài toán

phân tích trị riêng, phân tích kết cấu theo các phương pháp phổ phản ứng, lịch sử thời gian tuyến tính hoặc phi tuyến

• Mô hình hóa cáp DƯL Khác với các phần mềm khác, MIDAS/Civil cho phép các cáp DƯL

trong kết cấu BTCT DƯL được nhập theo đúng vị trí thiết kế thông qua các thông số tọa độ

3 chiều Các thông số khác của cáp DƯL như độ tụt neo, hệ số ma sát, v.v cũng được xét đến trong quá trình tính toán Các mất mát DƯL được MIDAS/Civil tính toán theo các tiêu chuNn thiết kế do người dùng lựa chọn

• Phân tích Pushover Đây là dạng phân tích phi tuyến tĩnh kết cấu dưới tác dụng của tải trọng

động đất nhằm xác định khả năng của kết cấu khi chịu động đất

• Phân tích tải trọng di động MIDAS/Civil cho phép phân tích tải trọng di động theo nhiều

tiêu chuNn khác nhau như AASHTO Standard, AASHTO LRFD, BS, v.v N goài các tải trọng tiêu chuNn, MIDAS/Civil còn cho phép người dùng tự định nghĩa đoàn xe theo các thông số của riêng mình Bên cạnh các kết quả là đường bao nội lực, chuyển vị, v.v MIDAS/Civil còn cung cấp các đường ảnh hưởng, mặt ảnh hưởng tương ứng cùng vị trí bất lợi của đoàn xe N goài ra, MIDAS/Civil còn cho phép chuyển hoạt tải ở một vị trí bất kỳ thành tĩnh tải để người dùng có thể tổ hợp với các trường hợp tải khác

2.1.1.2 Các tính năng mô hình hóa và phân tích đặc biệt

• Wizard hỗ trợ mô hình hóa kết cấu Với phương châm dành thời gian của người kỹ sư cho

các công tác sáng tạo kỹ thuật hơn là cho việc mô hình hóa và tính toán kết cấu trên máy tính, MIDAS/Civil đã cung cấp một loạt các Wizard (công cụ hỗ trợ) cho các dạng cầu phổ biến từ đơn giản đến phức tạp Với các Wizard, người dùng chỉ cần cung cấp một số tối thiểu các thông số kết cấu, phần công việc còn lại trong việc xây dựng mô hình tính sẽ được chương trình thực hiện Phiên bản hiện thời của MIDAS/Civil cung cấp các Wizard cho: cầu bản, cầu khung, cống BTCT, cầu BT DƯL thi công theo các phương pháp khác nhau như đúc hẫng, đúc đNy, đúc trên đà giáo, đúc trên đà giáo di động, cầu dây văng, cầu dây võng, v.v

• Tính toán cầu BT DƯL trong giai đoạn thi công MIDAS/Civil hỗ trợ một cách khá trọn

vẹn việc mô hình hóa và phân tích các kết cấu cầu BT DƯL thi công theo các phương pháp phổ biến hiện nay như đúc hẫng, đúc đNy, đúc trên đà giáo di động, v.v N hư trên đã nêu, ứng với mỗi dạng cầu đều có một Wizard thích hợp Trên Wizard, người dùng có thể nhập các thông tin về chiều dài các đốt dầm, thời gian thi công từng đốt, vật liệu BT, các hàm từ biến, cốt thép DƯL, cốt thép thường, v.v MIDAS/Civil sẽ xây dựng mô hình, tính toán mất mát DƯL và độ vồng thi công cũng như diễn biến ứng suất cho từng giai đoạn thi công

• Tính toán khống chế thi công cầu dây văng Một trong các vấn đề phức tạp khi thi công cầu

dây văng là việc điều chỉnh nội lực dây văng để đạt được nội lực và chuyển vị hợp lý của

dầm chính Với tính năng “Unknown Load Factor”, MIDAS/Civil, dựa trên cơ sở các

phương pháp tính toán tối ưu, sẽ cung cấp nội lực cần điều chỉnh trong từng dây văng ở các giai đoạn thi công theo các điều kiện khống chế người dùng cung cấp, như chuyển vị, nội lực, v.v

N goài ra, trong quá trình thi công, dưới tác dụng của trọng lượng bản thân và các thiết bị thi công khác, các bộ phận kết cấu bị biến dạng Để lắp được đúng vị trí, dây cáp văng phải được kéo dãn đến chiều dài thích hợp MIDAS/Civil có thể tự động tính toán lực kéo cần

thiết trong dây văng để có được chiều dài cần thiết đó thông qua tính năng “lack-of-fit forces”

Quá trình thi công cầu dây văng được MIDAS/Civil mô hình hóa và phân tích theo hai

phương pháp: “mô hình hóa thuận (forward modeling)” và “mô hình hóa ngược (backward modeling)” Mô hình hóa thuận là việc mô hình hóa các giai đoạn thi công theo trình tự

tương tự như quá trình thi công Phương pháp này có ưu điểm là có thể xem xét được sự thay đổi tuổi vật liệu, co ngót và từ biến trong bê tông nhưng có nhược điểm là không đảm bảo được trạng thái cuối cùng là trạng thái mong muốn Mô hình hóa ngược là sự mô hình hóa các giai đoạn thi công ngược lại với quá trình thực tế, các bước thi công sau sẽ có mặt trước trên mô hình và giai đoạn hoàn thành cầu chính là giai đoạn xuất phát của mô hình

Do xuất phát từ trạng thái hoàn thành cầu nên kết quả tính theo phương pháp này có thể đảm bảo được, kết quả của quá trình thi công chính là trạng thái thiết kế mong muốn

N hưng do “đếm lùi” thời gian nên rất khó xem xét được sự thay đổi tính năng vật liệu trong quá trình thi công Đối với các cầu dây văng lớn có dầm chính bằng BCTC, các kỹ sư phải

áp dụng đồng thời cả hai phương pháp để có được kết quả chính xác

• Mô hình hóa và phân tích cầu treo dây võng Cầu treo dây võng là kết cấu biến dạng lớn,

quan hệ giữa nội lực và biến dạng trong kết cấu là quan hệ phi tuyến Khi thiết kế cầu treo dây võng, hai bài toán phức tạp cần giải quyết là (1) xác định nội lực và hình dạng các bộ phận kết cấu, đặc biệt là hệ thống cáp chủ, với các thông số cho trước là cao độ mặt xe chạy, cao độ tháp, v.v và (2) tính toán khống chế các giai đoạn thi công để có được trạng thái hoàn thành cầu mong muốn Với MIDAS/Civil, cả hai vấn đề này đều được hỗ trợ hoàn toàn nhờ một số tính năng được phát triển riêng cho việc phân tích cầu dây võng Thông qua Wizard riêng cho cầu dây võng, người dùng cung cấp các thông số về vật liệu, hình học và tĩnh tải của kết cấu Chương trình Wizard này sẽ tính toán tọa độ và nội lực trong các bộ phận kết cấu theo các điều kiện cân bằng và biến dạng lớn

Quá trình thi công của cầu treo cầu dây võng luôn được MIDAS/Civil mô hình hóa theo phương pháp “mô hình hóa ngược” do trạng thái hoàn thành cầu thiết kế luôn là trạng thái khống chế N goài ra, dầm chính của cầu treo cầu dây võng thường được làm bằng kim loại nên yếu tố tuổi vật liệu không được đặt ra Khi mô hình hóa và phân tích ngược, nội lực ở giai đoạn hoàn thành cầu do tĩnh tải gây ra được MIDAS/Civil sử dụng làm độ cứng hình học tính đổi để tính toán các giai đoạn thi công trước đó Khi phân tích kết cấu trong giai đoạn khai thác, MIDAS/Civil sử dụng sơ đồ đàn hồi tuyến tính (biến dạng nhỏ) nhằm giảm bớt khối lượng tính toán, với quan niệm, nội lực và biến dạng do tải trọng khai thác gây ra nhỏ hơn đáng kể so với các thành phần tương ứng được gây ra bởi tĩnh tải

2.1.1.3 Giao diện và trao đổi dữ liệu

Có thể nói, MIDAS/Civil là một trong những phần mềm tính toán kết cấu có giao diện đồ họa tốt nhất hiện nay N hìn chung, diện đồ họa của MIDAS/Civil là một hệ CAD hoàn chỉnh Bên cạnh khả năng nhập và hiển thị kết cấu theo các góc nhìn và hệ tọa độ khác nhau, MIDAS/Civil còn cho phép lựa chọn và hiển thị các bộ phận kết cấu theo các điều kiện khác nhau, như vật liệu, loại phần tử, v.v (Hình 1)

Hình 1 Các giao diện chính của MIDAS/Civil Các kết quả tính toán cũng được thể hiện rất trực quan thông qua màu sắc, biểu đồ, hình dáng Các thông tin về kết cấu, tải trọng và kết quả tính toán đều có thể được thể hiện và sửa đổi dưới dạng đồ họa hoặc các bảng Dữ liệu ở các bảng và biểu đồ của MIDAS/Civil có thể dễ dàng chuyển đổi sang Microsoft Excel hoặc các dạng dữ liệu văn bản Số liệu đầu vào của MIDAS/Civil cũng có thể được cung cấp dưới dạng các file văn bản hoặc DXF

2.1.1.4 Tính năng thiết kế kết cấu

Các phiên bản hiện thời của MIDAS/Civil chỉ mới có khả năng thiết kế cấu kiện theo một số dạng mặt cắt nhất định đã được định nghĩa trong cơ sở dữ liệu của MIDAS/Civil Đối với kết cấu BTCT, MIDAS/Civil có khả năng tính toán, bố trí cốt thép cũng như tính duyệt các mặt cắt

có dạng hình chữ nhật, hình tròn, v.v N hìn chung, thiết kế cấu kiện vẫn chưa phải là một tính năng mạnh của MIDAS/Civil

2.2 Phương pháp xây dựng mô hình và phân tích kết cấu với MIDAS/Civil

2.2.1 Môi trường phân tích phần tử hữu hạn MIDAS/Civil

Cũng giống như các phần mềm phân tích phần tử hữu hạn như SAP2000, STAADPro,

AN SYS, LUSAS,… phần mềm MIDAS/Civil có đầy đủ các tính năng hỗ trợ tối đa quá trình

mô hình hóa và phân tích kết cấu cho cả ba giai đoạn: tiền xử lý, phân tích và hậu xử lý N hà

phát triển ứng dụng MIDAS/Civil ngoài việc đặt trọng tâm vào khả năng phân tích chuyên dụng của kết cấu xây dựng còn rất quan tâm đến sự thuận tiện cho người sử dụng trong quá trình mô hình hóa Môi trường đồ họa tương tác được phát triển tối ưu với nhiều phương pháp tiếp cận giải quyết các công tác chuyên môn hỗ trợ tối đa và tăng hiệu quả làm việc của người

sử dụng

2.2.1.1 Tổ chức hệ thống giao diện của môi trường ứng dụng

Hệ thống Menu của MIDAS/Civil cho phép truy nhập dễ dàng các chức năng liên quan đến toàn bộ quá trình vào ra và phân tích với sự dịch chuyển chuột ít nhất

Phần Works trong Tree Menu hệ thống toàn bộ quá trình thiết kế, cho phép chúng ta xem trạng thái của đầu vào một cách nhanh chóng và kiểu kéo và thả trong khả năng mô hình hóa cho phép chúng ta hiệu chỉnh nhanh chóng dữ liệu trong quá trình mô hình hóa

Tổ chức của các cửa sổ làm việc trong MIDAS/Civil và hệ thống Menu như sau:

Hình …: Tổ chức các cửa sổ làm việc và hệ thống menu trong MIDAS/Civil

Menu

cây

Cửa sổ thông điệp

File Bao gồm các chức năng về file, in ấn và các chức năng liên quan

Edit Các chức năng Undo và Redo cũng như các chức năng khác liên quan

View Phương pháp biểu diễn trực quan và các hàm hỗ trợ, các chức năng lựa

chọn, các chức năng kích hoạt và bỏ kích hoạt,

Model N hập dữ liệu mô hình và tự động phát sinh lưới, nút, phần tử, các thông số

mặt cắt, các điều kiện biên, khối lượng,

Analysis N hập vào tất cả các dữ liệu điều khiển cần thiết cho quá trình phân tích và

các chức năng thực thi phân tích

Results Vào các tổ hợp tải trọng, đưa ra kết quả phân tích (phản lực, chuyển vị,

các thành phần lực, ứng suất, dạng dao động, dạng mất ổn đinh, ), kiểm tra và các chức năng phân tích kết quả,

Design Tự động thiết kế kết cấu thép, thép liên hợp bê tông, bê tông cốt thép,

kiểm tra theo tiêu chuNn

Mode Các chức năng chuyển đổi giữa hai chế độ tiền xử lý và hậu xử lý

Query Các chức năng kiểm tra trạng thái của nút, phần tử và dữ liệu liên quan

Tools Thiết lập hệ thống đơn vị và các thông số giao diện, thi hành lệnh qua file

text (MCT), tính toán thống kê vật liệu, phát sinh số liệu động đất, Tính toán đặc trưng mặt cắt,

Window Các chức năng điều khiển đối với tất cả các cửa sổ trong cửa sổ chính và

các chức năng sắp xếp Help Các chức năng giúp đỡ và truy cập tới trang chủ MIDAS IT

2.2.1.1.1 Tree Menu (Menu dạng cây)

Gồm toàn bộ thủ tục mô hình hóa từ dữ liệu đầu vào cho phân tích, thiết kế và chuNn bị tính toán được tổ chức có hệ thống Một chuyên gia có thể làm việc hiệu quả mà không phát sinh lỗi bằng cách truy xuất các hộp hội thoại liên quan

Cũng như vậy, Works Tree cho phép người dùng nhìn thấy tình trạng số liệu đầu vào của dữ

liệu mô hình hiện thời và có thể hiệu chỉnh bằng khả năng kéo và thả

2.2.1.1.2 Context Menu (Menu ngữ cảnh)

Để thực hiện việc dịch chuyển ít nhất của chuột, một cách đơn giản là kích phải chuột MIDAS/Civil tự động lựa chọn môt hệ thống menu phụ hợp với các chức năng liên quan hoặc các chức năng hay được dùng phản ánh tình huống đang làm việc của người sử dụng

2.2.1.1.3 Model Window (Cửa sổ mô hình)

Cửa sổ mô hình giải quyết việc mô hình hóa, biểu diễn các kết quả phân tích và thiết kế thông qua giao diện đồ họa tương tác của MIDAS/Civil

Cửa sổ mô hình có thể biểu diễn một số cửa sổ đồng thời trên màn hình Bởi vì mỗi cửa sổ trình diễn một cách độc lập, những hệ thống tọa độ người dùng khác nhau có thể được gán cho các cửa sổ riêng rẽ cho một mô hình Thêm nữa, mỗi cửa sổ chia sẻ cùng cơ sở dữ liệu nên nội dung được biểu diễn trong một cửa sổ sẽ thay đổi theo các cửa sổ khác một cách đồng thời

Hình …: Menu dạng cây và chức năng kéo và thả

Kéo và thả

Cửa sổ mô hình có thể biểu diễn các hình dạng mô hình phổ biến cũng như các hình dạng được phát sinh bằng cách tính năng luôn cập nhật như các đường khuất, tự loại bỏ các mặt khuất, đổ bóng, chiếu sáng, tô màu, Mô hình, các kết quả phân tích và thiết kế hoặc mỗi kiểu kết quả phân tích và thiết kế có thể được kiểm tra một cách trực quan thông qua tính năng rê chuột trên

khu vực kết cấu sử dụng Walk Through Effect

2.2.1.1.4 Cửa sổ bảng (Table Window)

Các cửa sổ dạng bảng hiển thị tất cả toàn bộ dữ liệu, các kết quả phân tích và thiết kế trong dạng bảng kéo dài Rất nhiều kiểu hiệu chỉnh dữ liệu, việc vào số liệu bổ sung, biên tập, sắp xếp cho các đặc tính khác nhau và các khả năng tìm kiếm được cung cấp trong các cửa sổ bảng Chúng cho phép chuyển đổi với các cơ sở dữ liệu phổ biến như S/W hay Excel

2.2.1.1.5 History Window (Cửa sổ lịch sử)

Cửa sổ lịch sử hiển thị nội dung của toàn bộ dữ liệu mà người sử dụng có thể kiểm tra các tác động trước đó hoặc các trạng thái của quá trình phân tích và thiết kế

2.2.1.1.6 Message Window (cửa sổ thông điệp)

Cửa sổ thông điệp hiển thị tất cả các thông tin cần thiết cho mô hình hóa, các thông tin cảnh báo và lỗi

2.2.1.1.7 Status Bar (Thanh trạng thái)

Thanh trạng thái biểu diễn các vấn đề liên quan đến tất cả các loại hệ thống tọa độ, chuyển đổi

hệ thống đơn vị, lựa chọn việc lọc, truy vấn nhanh, điều khiển bắt phần tử, làm tăng hiệu quả làm việc

2.2.1.1.8 Toolbar and Icon Menu (Thanh công cụ và Menu biểu tượng)

Menu biểu tượng giúp cho người sử dụng dễ dàng kích hoạt các chức năng hay được sử dụng trong MIDAS/Civil Mỗi biểu tượng được nhóm lại với các biểu tượng có mục đích tương tự nhau trong nhiều thanh công cụ Mỗi thanh công cụ cóc thể dễ dàng được kéo bằng chuột đến

vị trí mong muống trên màn hình

Chúng có thể được hiệu chỉnh để xuất hiện một cách chọn lọc trên màn hình hoặc hiệu chỉnh bằng cách sử dụng Tools>Customize Để có thêm thông tin về bất cứ biểu tượng nào trong thanh công cụ, đặt vị trí con trỏ chuột lên biểu tượng và công cụ hỗ trợ sẽ cung cấp một mô tả ngắn gọn về nó

2.2.1.2 Thiết lập các thông số giao diện

2.2.1.2.1 Gán hệ thống đơn vị và các chuyển đổi

Trong thực tế, có rất nhiều điều kiện làm việc khác nhau và các dạng dữ liệu MIDAS/Civil được thiết kế để thực hiện đồng thời việc chỉ định hệ thống đơn vị hoặc một tổ hợp các kiểu của hệ thống đơn vị Ví dụ, đơn vị “m” đối với dữ liệu hình học và đơn vị “mm” đối với mặt cắt có thể được sử dụng trong cùng một mô hình Hệ “SI” được sử dụng trong quá trình truy xuất dữ liệu có thể được chuyển đổi thành hệ thống đơn vị Anh (Imperial) đối với các kết quả phân tích và thiết kế

Hệ thống đơn vị nhiệt độ đòi hỏi một hệ thống đơn vị không đổi với dữ liệu Các đơn vị của

mô men, ứng suất hoặc mô đun đàn hồi được tổ hợp từ các đơn vị đo chiều dài và lực có thể được tự động điều chỉnh bởi chương trình thông qua các kiểu đơn vị đo chiều dài và đo lực được chọn bởi người sử dụng

Hình : Hộp thoại hệ thống đơn vị

N gười sử dụng có thể dùng Tools>Unit System hoặc hàm chuyển đổi hệ thống đơn vị của

thanh trạng thái tại vị trí phía dưới của màn hình để gán hoặc chuyển đổi hệ thống đơn vị 2.2.1.2.2 Thiết lập giao diện

N ói chung, mỗi một dự án là duy nhất Kích thước và các đặc tính vật liệu của mỗi kết cấu là khác nhau, và sẽ thuận tiện khi định nghĩa môi trường mô hình hóa trước khi bắt đầu một dự án mới

Vì tỉ lệ của kết cấu trở nên rõ ràng trong giai đoạn đàu của một dự án mới, nên có thể gán các khoảng cách lưới dùng trước đó Điều này tránh các điều chỉnh thêm và không hiệu quả của kích thước trên màn hình

Hình …: Hộp thoại thiết lập thông số giao diện

Tools>Preferences của MIDAS/Civil cho phép thiết lập các dữ liệu cơ bản được yêu cầu để

chạy chương trình Khai chức năng giao diện được chọn, hộp hội thoại được hiển thị ở phía dưới Chọn toàn bộ hệ thống từ menu dạng cây ở bên trái và nhập các dữ liệu yêu cầu

Environment General (Môi trường chung) Cung cấp tên người sử dụng, biểu tượng công ty, và

thiết lập mặc định việc ghi file,…

View (Hiển thị) Đặt mặc định cho cửa sổ và các kích thước của nó

Data Tolerance (Dung sai hay sai số số liệu) Gán các giới hạn của tổ hợp nút và giới hạn trên

của các giá trị số để phân biệt với số không

Property (thuộc tính) Gán các dữ liệu cơ bản về vật liệu và mặt cắt

Design (Thiết kế) Gán các tiêu chuNn thiết kế thích hợp cho các kiểu thông số vật liệu khác

nhau

Load (Tải trọng) Ghi lại cơ sở dữ liệu đối với các tải trọng sàn

Output formats (Định dạng kết quả)

Formats (định dạng): Gán số chữ số thập phân có nghĩa cho dữ liệu mô hình và các kết quả phân tích

Initial Model Boundary Size (Kích thước giới hạn của mô hình xuất phát)

Gán kích thước của cửa sổ làm việc Ví dụ, nếu đơn vị chiều dài được đặt là “m” và số nhập vào là “10”, chiều đứng của cửa sổ mới sẽ được thiết lập bằng 10m

Initial Point Grid (Lưới điểm xuất phát)

Gán khoảng cách các lưới điểm để hiển thị trên cửa sổ

Grid Space x: khoảng cách lưới điểm theo phương x trong hệ tọa độ người dùng

Grid Space y: khoảng cách lưới điểm theo phương y trong hệ tọa độ người dùng

Grid On: lựa chọn hiển thị lưới điểm trong cửa sổ

Initial View Point: gán hệ tọa độ tương ứng với quan sát 3 chiều (Iso View) hoặc hệ tọa độ tổng thể theo mặt phẳng XY

Snap (bắt điểm)

Snap được sử dụng để gán trạng thái bắt điểm Các chức năng bắt điểm có thể được thiết lập đồng thời tại một thời điểm Khi các nút hoặc các phần tử được nhập vào bằng chuột, Snap tự động thiết lập vị trí chuột gần nhất với lưới, nút hoặc phần tử Các kiểu chức năng của Snap được MIDAS/Civil hỗ trợ như nhau:

Point Grid Snap

Tìm kiếm các điểm lưới liên tục với vị trí con chuột

Thiết lập lưới điểm bằng cách dùng lệnh Set Point Grid

Line Grid Snap

Tìm kiếm các vị trí giao của các lưới đường liên tục với vị trí chuột Thiết lập lưới đường bằng lệnh Set Line Grid

Node Snap

Tìm kiếm các điểm nút gần với vị trí chuột

Element Snap

Tìm vị trí giữa phần tử gần với con trỏ chuột Tong trường hợp phần tử thẳng, vị trí bước nhảy

có thể được điều chỉnh bằng cách sử dụng chức năng đặt điểm bắt ở bên phải của thanh trạng thái gần vị trí phía dưới của cửa sổ Ví dụ, người sử dụng có thể định vị trí bắt điểm tại điểm thứ ba của một phần tử Tính năng này rất hữu ích khi một phần tử thẳng được thiết lập và phần tử thẳng khác sẽ được liên kết với một vị trí nhất định của phần tử đã tồn tại

Snap All

Chọn tất cả các chức năng bắt điểm được đề cập ở trên

Snap Free

Hình 111: Các chế độ truy bắt trong MIDAS/Civil

2.2.1.3 Các phương pháp và qui định nhập số liệu

2.2.1.3.1 Các phương pháp nhập số liệu

Toàn bộ dữ liệu được nhập vào thông qua hộp hội thoại, cửa sổ dạng bảng, lệnh MCT và cửa

sổ mô hình trong MIDAS/Civil Dùng hộp hội thoại, dữ liệu có thể được nhập vào từ cả chuột lẫn bàn phím Bàn phím được sử dụng chủ yếu cho các kiểu cửa sổ bảng và dạng lệnh MCT, và chuột được sử dụng chủ yếu trong cửa sổ mô hình

Trong hộp hội thoại, các nút sau đây được sử dụng để phản ánh hoặc hủy bỏ dữ liệu trong mô hình

Phản ánh toàn bộ dữ liệu trong mô hình và tại cùng một thời gian, kết thúc các tính toán và đóng hộp hội thoại

Phản ánh toàn bộ dữ liệu hiện tại trong mô hình và chấp nhận một cách liên tục bất kỳ dữ liệu thêm nào và sự hiệu chỉnh được duy trì với hộp hội thoại luôn kích hoạt

Hủy bỏ dữ liệu hiện tại và đóng hộp thoại

Đóng hộp thoại

Khi chuyển đổi các phần tử dữ liệu trong một hộp thoại, sử dụng phím Tab để di chuyển từ trường dữ liệu này sang trường dữ liệu khác hoặc chỉ định trực tiếp dữ liệu bằng cách đưa chuột qua trường dữ liệu m ong muốn N ếu phím Shift+Tab được sử dụng, chuỗi nhập liệu sẽ được thực hiện

Cửa sổ bảng là một cửa sổ dạng bảng kéo dài nơi mà tất cả các dữ liệu và kết quả thiết kế có thể được nhìn thấy một cách rõ ràng N ó cho phép người sử dụng tạo thêm bất kỳ dữ liệu hoặc một hiệu chỉnh nào

Định dạng MCT là một tính năng mô hình hóa duy nhất cho phép người dùng vào dữ liệu thông qua các lệnh dạng văn bản

Để thuận tiện, MIDAS/Civil cung cấp các lựa chọn nhập dữ liệu sau đây:

- Ở một số dữ liệu kiểu số được nhập vào một cách liên tục trong một trường dữ liệu, những dữ liệu này có thể được phân biệt bằng một dấu “,” (phNy) hoặc một dấu “ “ (cách, ký tự trắng)

- Ở những chỗ mà chiều dài bằng nhau được lặp lại, dữ liệu có thể được đơn giản hóa bằng cách gõ “số lần lặp @ chiều dài” thay vì lặp đi lặp lại cùng một số

- Ví dụ: 20, 25, 22.3, 22.3, 22.3, 22.3, 22.3, 88 tương đương với 20, 25, 5@22.3,88

Bàn phím có thể được dùng để nhập các dữ liệu được chọn một cách trực tiếp Việc đánh số hiệu nút hoặc số hiệu phần tử liên quan có thể là một cấp số cộng hoặc cấp số tăng Khi đó, dữ liệu có thể được đơn giản bằng cách viết “số hiệu đầu tiên to (t) số hiệu cuối cùng” hoặc số hiệu đầu tiên to (t) số hiệu cuối cùng by bước tăng”

Ví dụ 21, 22, … , 54, 55, 56 tương đương “21 to 56”, “21 t 56”

Ví dụ 35, 40, 45, 50, 55, 60 tương đương “35 to 60 by 5”, “35 t 60 by 5”

Số và các biểu thức toán học có thể được dùng trong dạng tổ hợp

Các ký hiệu toán học và ngoặc đơn được áp dụng trong tính toán kỹ thuật có thể được sử dụng

Ví dụ: π × 202 tương đương với PHI * 20^2

Ví dụ: 35+3×(sin300 +2 cos2300+sin2300)

Tương đương với “35 + 3 * (sin(30) + 2 * SQRT(cos(30)^2+sin(30)^2))”

Ký hiệu N ội dung Ghi chú

( Mở ngoặc đơn –

^ Lũy thừa của n ( ^2→bình phương, ^3→lập phương) Ví dụ.: 23 = 2 ^ 3

+ Cộng – – Trừ –

Ghi chú về cách dùng

1 Các toán tử chấp nhận cả chữ hoa lẫn chữ thường

2 Vì các toán tử giống như trong tính toán kỹ thuật, nên cấu trúc của các phép toán theo

qui tắc của các toán học thông thường

2.2.1.4 Các chức năng hỗ trợ tương tác với môi trường ứng dụng

2.2.1.4.1 Biểu diễn hình dạng mô hình

Các chức năng biểu diễn hình dạng mô hình của MIDAS/Civil như Wire Frame, Hidden,

Shrink, Perspective and Render View biểu diễn mô hình với nhiều kiểu hình dạng và quan sát

khác nhau N hững chức năng này giúp người sử dụng kiểm soát được trạng thái nhập liệu của

mô hình và thao tác với mô hình như mong muốn

Shrink: hiển thị các phần tử được mô hình hóa với các kích thước bị thu ngắn Tính năng này cho phép kiểm tra sự kết nối giữa các phần tử và nút

Perspective: hiển thị quan sát ba chiều của mô hình

Hidden: hiển thị hình dạng mô hình phản ánh các hình dạng mặt cắt của các phần tử

và chiều dầy của chúng như khi chúng xuất hiện ngoài thực tế

Render View: hiển thị hình dạng mô hình phản ánh các hình dạng mặt cắt của các phần tử và chiều dầy của chúng với hiệu ứng bóng đổ như thực tế

Rendering Option: điều chỉnh các hiệu ứng về ánh sáng và bong đổ cho tính năng Render View

Display: hiển thị trong cửa sổ làm việc các số hiệu nút và phần tử, cac ký hiệu vật liệu và mặt cắt, các trạng thái đầu vào của tải trọng,…

Display Option: điều khiển tất cả thông số đồ họa được hiển thị trong cửa sổ làm việc gồm tất cả các kiểu hiển thị như bảng màu của các tính chất, kích thước biểu diễn,…

2.2.1.4.2 Phóng to/thu nhỏ và điều chỉnh vị trí

Tất cả các tính năng quan sát của MIDAS/Civil với tính năng Render View hỗ trợ cho người dùng có được các quan sát ba chiều của mô hình và các kết quả phân tích, thiết kế một cách chính xác thông qua các góc và điểm nhìn

N hững tính năng điều khiển quan sát này như sau:

Điểm quan sát

Iso View: biểu diễn mô hình trong không gian ba chiều

Top View: biểu diễn mô hình như khi được nhìn theo chiều +Z

Left View: biểu diễn mô hình như khi được nhìn theo chiều –X

Right View: biểu diễn mô hình như khi được nhìn theo chiều +X

Front View: biểu diễn mô hình như khi được nhìn theo chiều –Y

Angle View: biểu diễn mô hình như khi được nhìn từ một điểm được chỉ định trước Quay

Rotate Left: quay mô hình sang bên trái (theo chiều kim đồng hồ quanh trục Z) Rotate Right: quay mô hình sang bên phải (ngược chiều kim đồng hồ quanh trục Z) Rotate Up: quay mô hình lên trên từ mặt phẳng nằm ngang

Rotate Down: quay mô hình xuống dưới từ mặt phẳng nằm ngang

Phóng to/thu nhỏ

Zoom Fit: đưa mô hình vừa khít với kích thước màn hình theo các tỉ lệ tăng/giảm Zoom Window: ấn định kích thước mong muốn của cửa sổ bằng cách kéo một góc cửa sổ bằng chuột

Zoom In: tăng cửa sổ hiện tại một cách từ từ

Zoom Out: giảm cửa sổ hiện tại một cách từ từ

Dịch chuyển

Pan Left: dịch chuyển cửa sổ mô hình sang bên trái

Pan Right: dịch chuyển cửa sổ mô hình sang bên phải

Pan Up: dịch chuyển cửa sổ mô hình lên phía trên

Pan Down: dịch chuyển cửa sổ mô hình xuống phía dưới

Phần quan sát động của MIDAS/Civil gồm có các tính năng Zoom, Pan và Rotate Kết cấu sẽ được hiển thị một cách chân thực theo thời gian thực từ điểm nhìn mong muốn bằng cách giữ phím trái chuột và rê chuột đồng thời

Bằng cách kết hợp tính năng Dynamic Zoom/Rotate và Render View, chúng ta có thể nhìn thấy bên trong và đi xuyên qua kết cấu (Walk Through Effect) hoặc “bay” qua kết cấu

2.2.1.4.3 Các phương pháp lựa chọn và kích hoạt/bỏ kích hoạt đối tượng

2.2.1.4.3.1 Lựa chọn đối tượng

Các tính năng lựa chọn rất quan trọng và rất cần thiết đối với tất cả các công tác phát sinh mô hình kết cấu Trong MIDAS/Civil những tính năng này như sau:

Select Single Chọn từng đối tượng

Select Window Chọn bằng cửa sổ chữ nhật

Select Polygon Chọn bằng đa giác

Select Intersect Chọn các điểm giao

Select Identity-Nodes Chọn theo số hiệu nút

Select Identity-Elements Chọn theo số hiệu phần tử

Select Previous Chọn lại đối tượng đã được chọn trước đó

Select Recent Entities Chọn các đối tượng mới tạo

Select Plane Chọn theo mặt phẳng

Select Volume Chọn theo khối không gian

có hiệu lực bằng cách kéo phím trái chuột từ một điểm cố định

Select Window Unselect Window

Kích hai góc chéo của một cửa sổ chứa các đối tượng bằng chuột và chọn hoặc bỏ chọn các nút cũng như các phần tử

Khi xác định cửa sổ, chỉ chọn các nút và phần tử nằm hoàn toàn trong cửa sổ bằng cách kéo con trỏ chuột từ trái qua phải Còn khi chọn tất cả các phần tử bên trong cửa sổ và cắt các biên cửa sổ bằng cách kéo chuột từ phải sang trái

Select Polygon Unselect Polygon

Chọn hoặc bỏ chọn các nút hoặc phần tử bằng cách kích chuột tại các góc của đa giác chứa các đối tượng bằng chuột Khi góc cuối cùng được kích, kích chuột trái hai lần xác định một đa giác khép kín nối điểm đầu và điểm cuối vừa xác định Tất cả các nút và phần tử nằm trong đa giác sẽ được chọn

Select Intersect Unselect Intersect

Chọn hoặc bỏ chọn các phần tử bằng cách lấy cắt ngang một chuỗi các đoạn thẳng nối nhau liên tiếp giao với các phần tử bằng cách dùng chuột trong cửa sổ mô hình Khi kích vào điểm cuối cùng của đoạn thẳng, nhấn phím trái chuột hai lần Quá trình lựa chọn sẽ kết thúc

Select Plane Unselect Plane

Bằng cách xác định một mặt phẳng nhất định, chọn hoặc bỏ chọn tất cả các nút hoặc phần tử nằm trong mặt phẳng

Các phương pháp chọn một mặt phẳng như sau:

3 Points (qua 3 điểm)

Chỉ định 3 điểm nằm trong mặt phẳng mong muốn

Xác định một mặt phẳng song song với mặt phẳng YZ với tọa độ X cho trước

Select Volume Unselect Volume

Để xác định một khối nhất định, chọn hoặc bỏ chọn tất cả các nút và phần tử nằm trong khối

Element Type Chọn theo kiểu phần tử

Material Chọn theo kiểu thuộc tính vật liệu

Section Chọn theo kiểu mặt cắt

Thickness Chọn theo kiểu chiều dầy

N amed Plane Chọn theo tên mặt phẳng

Story Chọn theo mã nhận dạng của tầng

Supports Chọn các nút theo điều kiện gối

Beam End Release Chọn các phần tử dầm theo điều kiện liên kết hai đầu dầm

Wall ID Chọn theo số hiệu của tường

Structure Group Chọn theo nhóm phần tử

Boundary Group Chọn theo nhóm điều kiện biên

Load Group Chọn theo nhóm tải trọng

Chọn các kiểu mong muốn trong danh sách lựa chọn ở trên Chọn hoặc hiệu chỉnh các đối tượng được chọn một cách lần lượt N goài ra, một phần tử có mã nhận dạng trong cửa sổ mô hình có thể được chọn bằng chuột

Select Previous

Chọn lại các đối tượng đã được chọn ở bước trước đó

Select Recent Entities

Chọn các nút hoặc các phần tử được phát sinh gần nhất trong quá trình thực hiện tạo lập mô hình

Nhóm

MIDAS/Civil cho phép chúng ta định nghĩa các nhóm kết cấu (Structure group) bằng cách nhóm các nút và phần tử lại, nhóm điều kiện biên (Boundary Group) và nhóm tải trọng (Load Group) tương ứng đối với các điều kiện biên và tải trọng được gắn với các nút và phần tử

N goài ra, từ phiên bản 6.7.1 nhóm cáp (Tendon Group) được bổ sung để tăng sự thuận lợi trong việc quản lý và tương tác với đối tượng cáp dự ứng lực rất hay gặp trong kết cấu cầu

N hững nhóm này được sử dụng để thiết lập các giai đoạn thi công

Đầu tiên, gán tên một nhóm kết cấu và các nút cũng như các phần tử phù hợp bằng các tính năng lựa chọn Sử dụng tính năng kéo và thả trong phần Group của menu dạng cây, chúng ta có thể gán các nút và phần tử cho các tên nhóm thích hợp Việc sử dụng nhóm rất hữu ích đối với các kết cấu có quá trình mô hình hóa phức tạp nhờ việc lựa chọn và kích hoạt các nhóm nhất định mà không phải lặp lại một quá trình lựa chọn phức tạp nào

Trình tự thông thường để khai báo nhóm kết cấu như sau:

1 Chọn Model>Group>Define Structure Group (hoặc kích vào Group, chọn Structure Group từ phần Group trong menu dạng cây và chọn sau khi nhấn chuột phải)

2 N hập tên nhóm vào mục tên (N ame) với hậu tố đi kèm và nhấn nút để tạo

3 Sử dụng các tính năng chọn đối tượng, chọn các nút và phần tử tương ứng để gán vào các nhóm kết cấu

4 Định nghĩa các nhóm kết cấu bằng phương pháp kéo và thả của menu dạng cây

Các nhóm điều kiện biên và tải trọng, cáp dự ứng lực được định nghĩa một cách tương tự

Chọn bằng phương pháp lọc

Chọn bằng phương pháp lọc ứng dụng vơi các phần tử thẳng theo chiều của các phần tử kết hợp với các phương pháp chọn đồ họa và chọn theo thông số đối tượng Khi các đối tượng được chọn bằng phương pháp đồ họa, chỉ có các phần tử thẳng thỏa mãn điều kiện lọc sẽ được chọn phụ thuộc vào việc định nghĩa chiều của trục hoặc mặt phẳng từ mục chọn bằng cách lọc được minh họa dưới đây

Để thực hiện phương pháp chọn theo thông số đối tượng, xác định các đối tượng mong muốn

và nhấn vào nút lọc để chọn các phần tử thỏa mãn điều kiện lọc giữa các đối tượng phần tử thẳng được chọn

2.2.1.4.3.2 Kích hoạt và bỏ kích hoạt mô hình

Tính năng Active/Inactive được sử dụng để hiển thị hoặc Nn các bộ phận nhất định của kết cấu Active biểu diễn một trạng thái mà các công tác mô hình hóa có thể được thực hiện Các công tác mô hình hóa như chọn, thêm và hiệu chỉnh không cho phép đối với các phần không kích hoạt

Inactivated Object trong mục Draw ở phần View>Display Option cho phép bỏ kích hoạt các phần sẽ xuất hiện hoặc không xuất hiện trên màn hình

Tính năng này có thể được sử dụng một cách hiệu quả đối với các kết cấu phức tạp hoặc các công tác hậu xử lý

Ví dụ, bằng cách kích hoạt phần bản của một kết cấu cầu trên màn hình, công tác mô hình trở nên dễ quản lý hơn Tính năng này làm đơn giản các công tác như thêm hoặc hiệu chỉnh các nút và phần tử, xem xét các kết quả phân tích bằng cách kích hoạt một cách có lựa chọn các kiểu phần tử, mặt cắt hoặc kiểu thuộc tính nhất định Việc phân tích các giá trị thành phần lực lớn nhất và nhỏ nhất sẽ trở nên dễ dàng hơn

Tính năng Active/Inactive được sử dụng kết hợp với các tính năng lựa chọn Sau khi chọn các phần đối tượng mong muốn, kích hoạt hoặc bỏ kích hoạt các sự lựa chọn tương ứng bằng các tính năng được tóm tắt dưới đây

Active: hiển thị chỉ phần được chọn trong khi các phần khác bị Nn

Inactive: Nn chỉ các phần được chọn trong khi các phần khác được hiển thị

Inverse Acitve: chuyển ngược lại trạng thái Nn/hiện của các đối tượng

Active All: kích hoạt tất cả các đối tượng

Active Identity: kích hoạt các đối tượng được chọn trên mặt phẳng xy của hệ tọa độ người dùng

Active Previous: trở lại trạng thái kích hoạt hoặc bỏ kích hoạt trước đó

2.2.2 Mô hình phân tích số của MIDAS/Civil

Mô hình phân tích của một kết cấu gồm có các nút (điểm nút), các phần tử và các điều kiện biên Các phần tử hữu hạn được sử dụng trong toàn bộ dữ liệu, biểu thị các cấu kiện của kết cấu để phân tích số, và các nút định nghĩa các vị trí của các phần tử đó Các điều kiện biên biểu diễn trạng thái của các liên kết giữa kết cấu và các kết cấu xung quanh như nền móng Một phân tích kết cấu cần có các mô phỏng toán học cho một mô hình phân tích số của một kết cấu

N ó cho phép các kỹ sư kết cấu tiến hành khảo sát các ứng xử của kết cấu như chịu các điều kiện thực tế được dự đoán trước Có thể xem tiền đề của một phân tích kết cấu thành công là các đặc tính kết cấu và các điều kiện môi trường xung quanh đối với kết cấu được xác định một cách đúng đắn Các điều kiện ngoài như các điều kiện tải trọng có thể được xác định bằng các tiêu chuNn xây dựng thích hợp hoặc được lấy bằng cách tiếp cận con số thống kê Tuy nhiên, các đặc tính kết cấu ám chỉ một tác động quan trọng đối với các kết quả phân tích, vì các kết quả này phụ thuộc rất lớn vào phương pháp mô hình hóa và những loại phần tử được sử dụng

để xây dựng mô hình phân tích số của kết cấu Do vậy, các phần tử hữu hạn có thể được lựa chọn một cách cNn thận để chúng biểu diễn kết cấu thật đúng nhất có thể Điều này có thể được thực hiện bằng sự hiểu biết sâu về các đặc tính độ cứng của phần tử mà ảnh hưởng đến các ứng

xử của kết cấu thật Tuy nhiên không phải luôn luôn dễ dàng và có thể thỉnh thoảng sẽ không hiệu quả trong việc phản ánh mỗi thuộc tính độ cứng và thuộc tính vật liệu của kết cấu một cách chính xác trong mô hình phân tích số Các kết cấu thật nói chung có các hình dạng phức tạp và các tính chất vật liệu đa dạng Đối với các nguyên nhân thực tế, người kỹ sư có thể làm đơn giản hoạc điều chỉnh mô hình phân tích số miễn là nó không làm lệch lạc mục đích phân tích Ví dụ, người kỹ sư có thể sử dụng các phần tử dầm để phân tích các kết cấu tường chịu cắt hơn là sử dụng phần tử phẳng (phần tử tấm uốn hoặc phần tử ứng suất phẳng) dựa trên suy xét của anh ta Trong thực hành, mô hình hóa một kết cấu tường chịu lực như một cột rộng, được biểu diễn bởi một phần tử dầm thay thế cho một phần tử phẳng, sẽ tạo ra các kết quả phân tích tin cậy, nếu chiều cao của tường lớn hơn chiều rộng của nó năm lần Cũng vậy, trong các kết cấu như cầu chẳng hạn, sẽ hiệu quả hơn khi dùng các phần tử thanh (phần tử dàn, phần tử dầm, ) so với việc sử dụng các phần tử phẳng (phần tử tấm hoặc phần tử ứng suất phẳng) để

mô hình hóa các dầm chính, từ việc quan sát thời gian phân tích và áp dụng thiết kế thực tế

Mô hình phân tích của một kết cấu nhà cao tầng có thể được đơn giản hóa nếu các tác động màng cứng có thể được giả thiết cho các phân tích lực ngang Trong những trường hợp như vậy, các sàn có thể được bỏ qua trong mô hình nhà cao tầng bằng cách thiết lập các ràng buộc hình học thích hợp mà không cần mô hình các sàn bằng các phần tử hữu hạn

Các phần tử hưu hạn lý tưởng hóa về mặt toán học của các đặc tính kết cấu cho các cấu kiện để làm liên tục một kết cấu Tuy nhiên, các phần tử không thể biểu diễn một cách hoàn hảo các đặc tính kết cấu của mọi cấu kiện trong tất cả các môi trường N hư đã đề cập trước đây, bạn được khuyến khích lựa chọn các phần tử một cách cNn thận chỉ sau khi hiểu biết sâu sắc về các đặc tính của các phần tử Các biên và sự liên kết của các phần tử phải phản ánh các ứng xử của chúng liên quan đến các bậc tự do của nút

2.2.2.1 Các hệ tọa độ và nút

MIDAS/Civil đưa ra những hệ tọa độ sau:

¾ Hệ tọa độ chung : Global Coordinate System (GCS)

¾ Hệ tọa độ phần tử : Element Coordinate System (ECS)

¾ Hệ tọa độ nút : Node local Coordinate System (NCS)

GCS sử dụng các các chữ in hoa “X-Y-X” là tên các trục như quy ước trong hệ tọa độ Đề Các

và các chiều được xác định theo quy tắc bàn tay phải GCS được sử dụng cho dữ liệu nút, phần lớn dữ liệu vào kết hợp với nút và tất cả các kết quả trả về được kết hợp với nút ví dụ như chuyển vị và phản lực

GCS định nghĩa các vị trí hình học của kết cấu cho việc phân tích và nó sẽ được tự động tham chiếu tới gốc tọa độ tại vị trí X=0, Y=0 và Z=0 bởi chương trình Chiều của trục Z trong

MIDAS/Civil được mặc định là chiều đứng của màn hình, nó thuận tiện để nhập vào chiều

đứng của kết cấu có phương song song với trục Z trong GCS Hệ tọa độ phần tử ECS sử dụng chữ nhỏ “x-y-z” làm tên các trục như quy ước trong hệ tọa độ Đề Các và chiều cũng được xác định theo quy tắc bàn tay phải Kết quả trả về là tất cả các lực và ứng suất của phần tử và phần lớn dữ liệu nhập vào đều được kết hợp với phần tử và được thể hiện trong hệ tọa độ phần tử

Hệ tọa độ nút (N CS) được sử dụng để định nghĩa dữ liệu vào kết hợp với các điều kiện biên ví

dụ như biên cố định, biên đàn hồi và biên chuyển vị(lún), một điều đáng chú ý là hệ tọa độ không được dùng kết hợp với GCS N goài ra N CS được sử dụng để đưa ra các phản ứng trong

1 hệ tọa độ bất kỳ Hệ tọa độ nút N CS sử dụng chữ nhỏ “x-y-z” làm tên các trục như quy ước trong hệ tọa độ Đề Các và chiều cũng được xác định theo quy tắc bàn tay phải

Hình 2.1 Hệ tọa độ chung và tọa độ nút

Một hệ tọa độ địa phương khác dùng cho các phần tử cáp cũng được xem xét gọi là hệ tọa độ địa phương của cáp TCS (Tendon Coordinate System) Hệ tọa độ này được ứng dụng trong mô hình hóa cáp dự ứng lực trong các cấu kiện dầm

• Phần tử chỉ chịu nén (Compression-only Element)

• Phần tử dầm (Beam Element/Tapered Beam Element)

• Phần tử ứng suất phẳng (Plane Stress Element)

• Phần tử tấm (Plate Element)

• Phần tử biến dạng phẳng (Two-dimensional Plane Strain Element)

• Phần tử hai chiều đối xứng trục (Two-dimensional Axisymmetric Element)

• Phần tử khối (Solid Element)

Việc định nghĩa các kiểu phần tử, các đặc tính vật liệu của phần tử và thông số độ cứng phần tử tạo dữ liệu đầy đủ cho các phần tử hữu hạn Các số hiệu nút liên kết được chỉ định để định nghĩa vị trí, hình dạng và kích thước các phần tử

2.2.2.2.1 Phần tử dàn (Truss Element)

Phần tử dàn là phần tử thẳng ba chiều có hai điểm nút Có một trục chịu kéo nén, một kích thước lớn hơn nhiều so với hai kích thước còn lại, kích thước đó chính là trục chịu kéo nén Phần tử này thường sử dụng trong những mô hình dàn hoặc mô hình thanh giằng chéo Phần

tử này chỉ có biến dạng dọc trục

Bậc tự do và hệ tọa độ địa phương của phần tử

Tất cả các lực và ứng suất của phần tử được biểu diễn theo hệ tọa độ phần tử ECS Đặc biệt, hệ

Chỉ có trục x trong hệ tọa độ phần tử có ý nghĩa về mặt kết cấu cho các phần tử duy trì độ cứng dọc trục, ví dụ như phần tử dàn và phần tử chỉ chịu kéo hoặc chịu nén Tuy nhiên trục y và z trong hệ tọa độ phần tử cần phải có để xác định hướng mặt cắt ngang của phần tử được hiển thị một cách trực quan

quan hệ giữa ECS và GCS, trục x bắt đầu từ nút 1 cho tới nút 2 Trục z được định nghĩa là trục song song với hướng kích thước “I” của mặt cắt ngang, trục y thuộc mặt cắt ngang, có phương vuông góc với trục x, chiều xác định theo quy tắc bàn tay phải

N ếu trục x trong ECS của một phần tử song song với trục Z trong GCS, góc Beta được định nghĩa như một góc được tạo thành bởi trục X của GCS và trục z của ECS Trục x của ECS trở thành trục quay để xác định góc Beta sử dụng quy tắc bàn tay phải N ếu trục x của ECS không song song với trục Z của GCS, góc Beta được định nghĩa là góc phải từ trục Z tới mặt phẳng x-z

(a) Trường hợp x-ECS song song với trục Z-GCS

(b) Trường hợp trục x-ECS không song song với trục Z-GCS

Hình 2.3 Quy ước góc Bêta

Hình 2.4 ECS của phần tử dàn và quy ước chiều của lực hoặc ứng suất của phần tử

2.2.2.2.2 Phần tử chỉ chịu kéo (Tension-only Element)

Phần tử chỉ chịu kéo được định nghĩa là phần tử thẳng 3 chiều và 2 nút Phần tử này thường sử dụng để mô hình cấu kiện dây và móc (hook) Phần tử này chỉ chịu biến dạng kéo dọc trục Phần tử chỉ chịu kéo gồm 2 loại sau đây:

Dàn (Truss): Phần tử chỉ truyền lực kéo dọc trục

Móc (Hook): Phần tử này chỉ chịu kéo và chỉ hoạt động khi biến dạng kéo lớn hơn một

khoảng cách nhất định

Hình 2.5 Giản đồ của phần tử chỉ chịu kéo

Bậc tự do và ECS cũng như quy ước dấu của nội lực, ứng suất đối với phần tử chỉ chịu kéo, được định nghĩa giống như của phần tử dsàn

2.2.2.2.3 Phần tử cáp (Cable Element)

Là phần tử chỉ chịu kéo có 2 điểm nút và 3 chiều, chỉ có khả năng truyền được lực kéo, có tính đến độ võng của dây cáp Phần tử cáp phản ánh sự thay đổi của độ cứng phần tử theo lực căng trong phần tử

Hình 2.6 Giản đồ của phần tử cable

Một phần tử cáp sẽ được tự động chuyển thành một phần tử dàn tương đương và một phần tử cáp dạng dây xích đàn hồi tương ứng với các trường hợp phân tích tuyến tính và phân tích phi tuyến hình học

Phần tử dàn tương đương

Độ cứng của một phần tử dàn tương đương được xây dựng bởi độ cứng đàn hồi và độ cứng do đường tên, cái mà phụ thuộc vào độ lớn của lực Các biểu thức sau dây tính toán độ cứng này:

dh f

td

K K

K

/1/

1

1+

=

3

2 2

12

1

T

EA L w L

EA

K td

3 2

3

12,

L w

T K

L

EA

K dh = f =

Trong đó: E – mô đun đàn hồi, A – diện tích mặt cắt ngang, L – chiều dài,

T – lực căng, w – trọng lượng bản thân theo mét dài

2.2.2.2.4 Phần tử chỉ chịu nén (Compression-only Element)

Phần tử chỉ chịu nén được định nghĩa là phần tử 3 chiều có 2 nút Thông thường nó được sử dụng trong điều kiện biên đỡ Phần tử này chỉ chịu nén dọc

Phần tử chỉ chịu nén gồm những loại sau:

Dàn (truss): phần tử chỉ truyền lực nén dọc trục

Gap: Một phần tử gap được định nghĩa với một giá trị khoảng cách ban đầu Phần tử

này làm việc khi biến dạng của phần tử vượt quá khoảng cách này

Hình 2.7 Sơ đồ của phần tử chỉ chịu nén

Bậc tự do và hệ tọa độ địa phương ECS và dấu của nội lực của phần tử chỉ chịu nén định nghĩa giống như đối với phần tử dàn

2.2.2.2.5 Phần tử dầm (Beam Element)

Phần tử dầm được xác định bằng 2 điểm nút và có mặt cắt thay đổi hoặc không đổi Công thức tính toán được tìm dựa trên lý thuyết dầm của Timoshenko, nghĩa là độ cứng của dầm được kể đến biến dạng kéo, nén, trượt, uốn và xoắn Trong hộp thoại mặt cắt, chỉ có một mặt cắt được định nghĩa cho một phần tử dầm mặt cắt thay đổi, trong khi đó cần 2 mặt cắt tương ứng với

mỗi đầu cho một phần tử dầm mặt cắt thay đổi

Đối với phần tử dầm có mặt cắt thay đổi, MIDAS/Civil giả thiết các biến đổi tuyến tính đối với

mặt cắt ngang, diện tích có hiệu của vùng trượt, độ cứng chống xoắn dọc theo chiều dài phần

tử Đối với mô men quán tính trục, người dùng có thể chọn sự thay đổi dạng tuyến tính, bậc hai hoặc bậc ba

Mỗi nút có ba bậc tự do tương ứng với chuyển vị đường và ba bậc tự do tương ứng với chuyển

vị góc và chúng không phụ thuộc vào hệ tọa độ phần tử hay hệ tọa độ chung Hệ tọa độ phần tử dầm giống như của phần tử dàn

2.2.2.2.6 Phần tử ứng suất phẳng (Plane Stress Element)

Phần tử ứng suất phẳng là phần tử có dạng hình tam giác hoặc chữ nhật được xác định tương ứng bởi ba điểm nút hoặc bốn điểm nút N hững phần tử này được sử dụng trong mô hình tường

có bề dày không đổi theo mặt phẳng của mỗi phần tử Tải trọng chỉ có thể tác dụng trong mặt phẳng của chúng

Phần tử này được xây dựng theo biểu thức ứng suất phẳng đẳng hướng với các mô hình không tương thích Do vậy, không có thành phần ứng suất nào tồn tại bên ngoài mặt phẳng tấm và biến dạng theo phương vuông góc với mặt phẳng tấm có thể thu được dựa trên hiệu ứng Poát-xông

Bậc tự do và hệ tọa độ địa phương của phần tử

Phần tử chỉ giữ lại bậc tự do chuyển vị trong hệ tọa độ phần tử theo các trục x và y Hệ tọa độ phần tử sử dụng 3 trục x,y và z trong hệ tọa độ Đề-các được xác định theo quy tắc bàn tay phải Các chiều của các trục trong hệ tọa độ phần tử được định nghĩa và biểu diễn như hình dưới dây

Trong trường hợp phần tử tứ giác (4 điểm nút), chiều ngón tay cái biểu thị là trục z -ECS

Chiều quay (N1->N2->N3->N4) được xác định theo quy tắc bàn tay phải Trục z của ECS bắt

đầu từ tâm của bề mặt phần tử và vuông góc với mặt phần tử Đường nối trung điểm của 2 cạnh N 1 N 4 và N 2N 3 xác định chiều của trục x ECS Phương vuông góc với trục x trong mặt phẳng phẳng phần tử là phương của trục y theo quy tắc bàn tay phải

Đối với phần tử tam giác (3 điểm nút), đường song song với chiều từ N 1 tới N 2 bắt đầu từ

trọng tâm của phần tử là trục x-ECS, trục y và z-ECS được xác định như ở phần tử tứ giác

Hình 2.8 Tọa độ ECS trong phần tử ứng suất phẳng

2.2.2.2.7 Phần tử biến dạng phẳng hai chiều (Two-Dimensional Plane Strain Element)

Phần tử phẳng hai chiều là loại phần tử thích hợp cho việc mô hình hó kết cấu dạng băng có mặt cắt ngang không đổi ví dụ như đập và hầm Phần tử được xây dựng dựa trên biểu thức biến dạng phẳng đẳng tham số với mô hình không tương thích Phần tử này không thể kết hợp với các loại phần tử khác N ó chỉ có thể áp dụng cho các phân tích tĩnh tuyến tính do đặc tính phần

Vì công thức tính toán cho phần tử này được dựa vào bài đặc tính biến dạng phẳng của nó, nên biến dạng theo phương ngoài mặt phẳng không tồn tại Các thành phần ứng suất theo phương vuông góc với mặt phẳng có thể được xác định thông qua hệ số Poát-xông

Bậc tự do và ECS của phần tử

Hệ tọa độ địa phương cho phần tử phẳng được sử dụng khi chương trình tính toán các ma trận

độ cứng phần tử Hình vẽ hiển thị cho các thành phần ứng suất cũng được vẽ trong trong hệ tọa

độ phần tử sau khi tính toán

Bậc tự do của phần tử chỉ tồn tại theo hai hướng X-Z trong hệ tọa độ tổng thể GCS ECS sử dụng x, y và z trong hệ tọa độ Đề-các theo quy tắc bàn tay phải Chiều của các trục trong hệ tọa

độ phần tử được định nghĩa và biểu diễn trong hình dưới

(a) Phần tử tứ giác

Trong trường hợp phần tử tứ giác (4 điểm nút), chiều của ngón tay cái biểu thị trục z-ECS

Chiều quay (N1->N2->N3->N4) theo quy tắc bàn tay phải xác định chiều của ngón cái Trục z

của ECS bắt đầu tử trọng tâm của bề mặt phần tử và vuông góc với mặt phần tử Đường nối trung điểm của 2 cạnh N 1N 4 và N 2N 3 được định nghĩa là phương của trục x ECS Phương vuông góc với trục x trong mặt phẳng phẳng phần tử là phương của trục y, chiều trục y được xác định theo quy tắc bàn tay phải

Đối với phần tử tam giác (3 điểm nút), đường song song với chiều từ N 1 tói N 2 bắt đầu từ trọng tâm của phần tử là trục x-ECS, y và z-ECS được xác định như ở phần tử tứ giác