Phần mềm này thực hiện các chức năng: Đọc các số liệu về kết cấu đã nhập vào SAP2000 và các kết quả nội lực, ứng suất mà SAP2000 tính được, sau đó tổ hợp nội lực và thiết kế cốt thép cho
Trang 1LẬP CHƯƠNG TRÌNH KẾT HỢP VỚI SAP2000N
ĐỂ TÍNH KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP
THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM
BUILDING OF A SOFTWARE IN COMBINATION WITH SAP2000
TO DESIGN REINFORCED CONCRETE STRUCTURES
ACCORDING TO VIETNAM’S STANDARD
LÊ VIẾT THÀNH
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT
Xây dựng phần mềm kết hợp với phần mềm SAP2000 để tính kết cấu bê tông cốt thép theo Tiêu chuẩn Việt Nam Phần mềm này thực hiện các chức năng: Đọc các số liệu về kết cấu đã nhập vào SAP2000 và các kết quả nội lực, ứng suất mà SAP2000 tính được, sau đó tổ hợp nội lực và thiết kế cốt thép cho các cấu kiện bê tông cốt thép dạng thanh và tấm theo Tiêu chuẩn Việt Nam Các chức năng nói trên được phần mềm thực hiện một cách tự động và nhanh chóng Khi dùng kết hợp phần mềm SAP2000 với phần mềm này, chúng ta có thể thiết
kế nhiều dạng kết cấu bê tông cốt thép phức tạp theo Tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành
ABSTRACT
This paper presents the building of software in combination with SAP2000 to design reinforced concrete structures with Vietnam’s Standard This new software carries out such functions as reading out the data put in SAP2000N and the internal force results calculated by it, then calculating the internal force and stress combinations, finally designing the required reinforcement for Frame and Shell elements with Vietnam’s Standard These functions will be automatically and rapidly carried out by this new software The combination of SAP2000N and this software will enable users to design many kinds of complex reinforced concrete structures with Vietnam’s Standard
1 Đặt vấn đề
Hiện nay, nhu cầu xây dựng các kết cấu công trình có hình dạng và cấu tạo phức tạp bằng vật liệu bê tông cốt thép (BTCT) ở nước ta là rất lớn, và người thiết kế kết cấu hiện nay đang phải đối mặt với nhiều khó khăn trong công tác thiết kế, đặc biệt là do thiếu các phần mềm thiết kế các dạng kết cấu BTCT phức tạp theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) Vì vậy, việc xây dựng các phần mềm thiết kế các dạng kết cấu BTCT phức tạp theo TCVN đang trở thành một nhiệm vụ mang tính thiết thực, nhằm giải quyết phần nào các khó khăn trong công tác thiết kế kết cấu Đó chính là ý tưởng xuất phát của chúng tôi khi tiến hành xây dựng phần mềm có tên CD BY VNSTAND kết hợp với phần mềm SAP2000 để tính kết cấu BTCT theo TCVN và cũng là nội dung của đề tài NCKH cấp cơ sở mã số T03-45-56 đã được chúng tôi thực hiện trong năm 2003 vừa qua
2 Vài nét về tình hình sử dụng các phần mềm thiết kế kết cấu BTCT ở Việt Nam
Thiết kế kết cấu BTCT thường gồm ba công đoạn tính toán chính, được tiến hành lần lượt theo qui trình thể hiện ở hình 1
Theo qui trình này, chúng ta thấy khối lượng và tính chất phức tạp khi tính toán thiết
kế kết cấu BTCT là rất lớn nên việc sử dụng các phần mềm tin học để tự động hoá quá trình thiết kế là thật sự cần thiết Điểm qua một số phần mềm thiết kế kết cấu đang được sử dụng phổ biến ở Việt Nam hiện nay, chúng ta thấy các phần mềm này có nguồn gốc thuộc một
Trang 2trong hai nguồn sau:
- Cỏc phần mềm
của Việt Nam: như FBTW,
DTG, KP, CASA, Cỏc
phần mềm này cho phộp
người sử dụng tớnh toỏn
nội lực, chuyển vị, tổ hợp
cỏc kết quả theo TCVN và
tớnh lượng cốt thộp cho cỏc
kết cấu BTCT theo TCVN
5574: 1991 nhưng chỳng
lại chỉ cú khả năng tớnh
được một số kết cấu tương
đối đơn giản như khung
phẳng (FBTW, KP), hệ
dầm giao nhau (DTG),
mà thụi Ngoài ra, cỏc
phần mềm này thường
được bỏn với giỏ khỏ đắt
- Cỏc phần mềm
của nước ngoài: như
SAP2000, STAAD III,
STAAD-PRO, STRAND,
ETABS2000, SAFE, Cỏc
phần mềm này đều là
những phần mềm tớnh kết
cấu chuyờn nghiệp, cú khả
năng tớnh được gần như
bất cứ dạng kết cấu cụng
trỡnh từ đơn giản đến phức
tạp mà ta cú thể gặp trong thực tế Tuy nhiờn, do chỳng là những phần mềm của nước ngoài
và thường đến tay người sử dụng Việt Nam theo những con đường khụng chớnh thức nờn phần tổ hợp kết quả nội lực, phần tớnh toỏn lượng cốt thộp và kiểm tra hàm lượng cốt thộp của cỏc phần mềm này hoàn toàn khụng theo cỏc qui định trong TCVN
Theo nhận xột ở trờn, chỳng ta thấy rằng nếu sử dụng cỏc phần mềm của Việt Nam (như FBTW, DTG, KP, ) thỡ chỉ cú thể tớnh toỏn thiết kế kết cấu BTCT theo TCVN được cỏc dạng kết cấu đơn giản, cũn nếu dựng cỏc phần mềm của nước ngoài (như SAP2000, ETABS2000, ) thỡ cú thể tớnh được nội lực, ứng suất, chuyển vị, của gần như tất cả cỏc dạng kết cấu cú thể gặp trong thực tế, nhưng lại khụng thể tiến hành việc tổ hợp nội lực, tớnh lượng cốt thộp theo TCVN được
3 Sự cần thiết cần phải cú một phần mềm kết hợp với SAP2000 để thiết kế kết cấu BTCT theo TCVN
Phần mềm SAP2000 Nonlinear là một phần mềm chuyờn dụng để phõn tớch và thiết kế cỏc kết cấu xõy dựng của hóng CSI (Mỹ) Đõy là một phần mềm cực mạnh, đa năng, cú thể phõn tớch nội lực và thiết kế cho hầu hết cỏc dạng kết cấu cụng trỡnh cú thể gặp trong thực tế Phần mềm này hiện nay được rất nhiều kỹ sư trờn khắp thế giới sử dụng để thiết kế cỏc cụng trỡnh xõy dựng Do vậy, phần mềm SAP2000 đó được chọn để giảng dạy cho sinh viờn tại Khoa Xõy dựng DD & CN, Khoa Xõy dựng Cầu đường, của Trường Đại học Bỏch khoa, Đại học Đà Nẵng
Tuy nhiờn, hiện tại SAP2000 chưa cú phần tổ hợp nội lực và thiết kế cấu kiện BTCT theo TCVN Vỡ vậy, để cỏc kỹ sư và sinh viờn ngành Xõy dựng cú thể sử dụng SAP2000 thiết
Hỡnh 1 Qui trỡnh tớnh toỏn thiết kế kết cấu BTCT
Bắt đầu
Bước 1: Chọn sơ bộ vật liệu,
hình dạng, kích thước các bộ phận của kết cấu
Bước 2: Lần lượt thực hiện:
- Xác định sơ đồ tính kết cấu
- Tính nội lực, ứng suất và chuyển vị tại các vị trí quan trọng của kết cấu.
- Tổ hợp các kết quả (nội lực, chuyển vị… ) theo TCVN
Thay đổi thiết
kế (nếu cần)
Kiểm tra hàm lượng cốt thép và các điều kiện về độ võng, tính hợp lý của phương án
Thiết kế cấu tạo các bộ phận của kết cấu theo TCVN
Bước 3:
Kết thúc
Đạt yêu cầu
Không đạt yêu cầu Tính lượng cốt thép tại các vị trí quan trọng của kết cấu theo TCVN 5574 : 1991
Trang 3kế cỏc kết cấu xõy dựng tại Việt Nam, chỳng ta cần phải xõy dựng thờm một phần mềm liờn kết với SAP2000 (được chỳng tụi đặt tờn là CD BY VNSTAND), nhằm sử dụng cỏc số liệu
về kết cấu đó nhập cho SAP2000 và kết quả nội lực do SAP2000 tớnh được để tiếp tục thực hiện cụng đoạn tổ hợp nội lực và thiết kế cấu kiện BTCT theo TCVN một cỏch tự động
4 Vài nột về phần mềm CD BY VNSTAND
4.1 í tưởng chớnh và cỏch hoạt động của phần mềm CD BY VNSTAND
Sau khi đó nghiờn cứu, phõn tớch tỡnh hỡnh một cỏch cẩn thận, chỳng tụi đó xõy dựng được một phần mềm cú tờn CD BY VNSTAND kết hợp với phần mềm SAP2000 Nonlinear version 7.42 để tớnh kết cấu BTCT theo TCVN, hai phần mềm này kết hợp hoạt động theo sơ
đồ ở hỡnh vẽ 2
Bắt đầu
NSD chọn sơ bộ vật liệu, hình dạng, kích thước các bộ phận của kết cấu
- Khởi động SAP2000 Nonlinear version 7.42
- Nhập sơ đồ kết cấu và khai báo các trường hợp tải trọng (Loadcases).
- Tiến hành phân tích kết cấu (Analysis) để xác định nội lực, ứng suất, chuyển vị tại các vị trí quan trọng của kết cấu
- Xuất (Export) các số liệu đầu vào đã nhập (Input Data) và các kết quả nội lực tính được (Output Data) vào một file số liệu theo định dạng MDB.
- Đóng SAP2000
- Khởi động CD BY VNSTAND
- Nhập (Import) các số liệu đầu vào (Input Data) và các kết quả nội lực tính
được (Output Data) trong file số liệu MDB mà SAP xuất ra.
- Khai báo cách tổ hợp tải trọng cho các trường hợp tải trọng (Loadcases) theo cách qui ước của CD BY VNSTAND.
- Tiến hành tổ hợp nội lực để xác định các tổ hợp nội lực bất lợi theo TCVN
- Tính toán lượng cốt thép trong các cấu kiện thanh và tấm theo TCVN
5574 : 1991
- Đóng CD BY VNSTAND
Thay đổi thiết
kế (nếu cần)
Kiểm tra hàm lượng cốt thép và các điều kiện về độ võng, tính hợp lý của phương án
Thiết kế cấu tạo các bộ phận của kết cấu theo TCVN
Kết thúc
Đạt yêu cầu
Không đạt yêu cầu
Hỡnh 2 Cỏch kết hợp hoạt động của CD BY VNSTAND với SAP2000N
Trang 44.2 Phạm vi sử dụng của phần mềm CD BY VNSTAND
Phần mềm CD BY VNSTAND được lập trình nhằm kết hợp với phần mềm SAP2000N v7.42 để tính toán theo TCVN 5574: 1991 các kết cấu BTCT được cấu thành từ các cấu kiện dạng thanh (dầm, cột, thanh dàn BTCT) và dạng tấm (tấm sàn phẳng, tấm tường, ) Số lượng cấu kiện không hạn chế Các loại cấu kiện BTCT mà chương trình có thể tính toán bao gồm: dầm chữ nhật chịu uốn hay uốn xoắn, cột tròn và chữ nhật chịu nén lệch tâm phẳng hay nén lệch tâm xiên, thanh dàn chịu kéo, nén đúng tâm, tấm sàn chịu uốn, tấm tường chịu nén-uốn
4.3 Yêu cầu đối với phần mềm CD BY VNSTAND
- Phải có khả năng tính toán các kết cấu BTCT theo TCVN như đã nêu một cách chính xác, đủ tin cậy, ổn định, nhanh chóng
- Phải có giao diện hợp lí, thân thiện và dễ sử dụng
- Phải có khả năng lưu trữ, nhập, xuất, tìm kiếm và sắp xếp dữ liệu trên đĩa cứng một cách nhanh chóng và có khoa học
4.4 Các chức năng sử dụng chính của phần mềm CD BY VNSTAND
Phần mềm CD BY VNSTAND được lập trình với 10 cụm chức năng chính như sau: (1) Chọn file số liệu (*.MDB) cần làm việc mà SAP2000N v7.42 đã xuất ra (Export) trước đó
(2) Khai báo cách tham gia tổ hợp của các trường hợp tải trọng (Loadcases) theo qui ước của chương trình CD BY VNSTAND
(3) Khai báo các thông số cấu tạo của các dạng mặt cắt các phần tử Frame (là các phần tử dạng thanh như dầm, cột và thanh dàn) và các phần tử Shell (là các phần
tử dạng tấm như tấm sàn chịu uốn, tấm tường)
(4) Tổ hợp nội lực và tính toán lượng cốt thép cho các phần tử Frame
(5) Tổ hợp nội lực và tính toán lượng cốt thép cho các phần tử Shell
(6) Xem các số liệu đầu vào và các kết quả mà CD BY VNSTAND tính được (7) Xuất các kết quả chính mà CD BY VNSTAND tính được dưới dạng các bản báo cáo (Reports) để in ấn
(8) Cung cấp các tiện ích thường dùng như máy tính cá nhân, chọn khoảng cách phân bố khi cấu tạo thép sàn, tính cốt thép sơ bộ cho dầm và cột BTCT
(9) Quản lý sự sắp xếp các cửa sổ hiển thị
(10) Quản lý hệ thống trợ giúp người sử dụng và giới thiệu về CD BY VNSTAND
5 Các kết quả chính thu được từ phần mềm CD BY VNSTAND
Các kết quả chính mà CD BY VNSTAND tính được bao gồm các tổ hợp nội lực bất lợi và lượng cốt thép yêu cầu tại các mặt cắt ta chọn trong các phần tử dạng thanh (Frame) và phần tử dạng tấm (Shell)
Tại mỗi mặt cắt được xem xét của
phần tử Frame, CD BY VNSTAND sẽ
tính toán lượng cốt thép yêu cầu để bố trí
cho phần tử Frame tại mặt cắt đang xét,
bao gồm: cốt thép dọc F2d, F2tr, F3d,
F3tr (xem hình 3) và khoảng cách giữa
các cốt đai (theo số nhánh đai và loại cốt
đai mà NSD đã khai báo)
Tại mỗi phần tử Shell, CD BY
VNSTAND sẽ tính toán lượng cốt thép yêu cầu để bố trí cho phần tử Shell, gồm: cốt thép phân bố ở mặt trên và mặt dưới của phần tử Shell theo phương trục địa phương 1 (F1tr và F1d); cốt thép phân bố ở mặt trên và mặt dưới của phần tử Shell theo phương trục địa phương
Hình 3 Ký hiệu lượng cốt thép dọc yêu cầu
Trang 52 (F2tr và F2d) Các kết quả đều được tính theo đơn vị cm2/100cm chiều dài (trong đó, chú ý rằng: mặt trên của phần tử Shell nằm về phía dương của trục địa phương 3 và mặt dưới nằm ở phía âm của trục địa phương 3)
Ghi chú: qui ước về hệ trục toạ độ địa phương (Local Axis), các thành phần nội lực của các phần tử Frame và Shell được dùng trong CD BY VNSTAND đều tuân theo cách qui ước của SAP2000
6 Ví dụ tính sử dụng phần mềm CD BY VNSTAND kết hợp với SAP2000 để thiết kế kết cấu hệ khung-sàn BTCT
6.1 Nhiệm vụ thiết kế
Thiết kế hệ kết cấu chịu lực khung-sàn
BTCT của đài chỉ huy không lưu sân bay Phù Cát
(Bình Định) Theo hồ sơ thiết kế kiến trúc, đài chỉ
huy này phải có hình dạng như hình 4
Ta thấy đặc điểm làm việc của hệ kết cấu
này có tính không gian rõ rệt do bởi: Hình dạng
tổng thể của kết cấu là hình bát giác (kích thước
mỗi cạnh ở móng là 4m), các cột của các tầng có
mặt cắt ngang bị xoay đi để phù hợp với hình
dạng tổng thể của nhà (hình bát giác) Sàn tầng 2
và 3 có khoét lỗ cầu thang, phía trên có xây tường
ngăn nhưng lại không có dầm bên trong mà chỉ kê
trên dầm bo xung quanh Các cột tầng 3 còn bị
nghiêng lệch khỏi phương thẳng đứng một góc
khoảng 20o Ngoài ra, ở sàn tầng mái người ta
tăng cường thêm các dầm chéo để giằng các đầu
cột lại với nhau nhằm tăng độ cứng không gian
của nhà
Chọn kích thước của các cấu kiện như sau: Cột tầng 1 và 2 (C12): 25x30 cm2; Cột tầng mái (Cmái): 20x30 cm2; Dầm bo của sàn tầng 2 và 3 (D23): 20x30 cm2; Dầm bo tầng mái (Dmái): 20x30 cm2; Dầm chéo tầng mái (DAMCHEO): 20x45 cm2; Sàn tầng 2 và 3 dày
12 cm; Sàn mái dày 8 cm
Vật liệu BTCT mác 200; thép dọc có gờ nhóm AII; thép đai nhóm AI
Hoạt tải trên sàn ở dạng phân bố với cường độ 400 kgf/m2
6.2 Kết quả tính toán bằng SAP2000 kết hợp với CD BY VNSTAND
Để tiện cho việc đọc kết quả, ta gom các phần tử Frame và Shell thành từng nhóm là: C1: gồm các cột tầng 1; C2: các cột tầng 2; CMAI: các cột tầng mái; DCHEO: các dầm chéo
ở mái; DMAI: các dầm bo ở của sàn mái; SANT2: các dầm bo và phần tử Shell của sàn tầng 2; SANT3: các dầm bo và phần tử Shell của sàn tầng 3
Dùng CD BY VNSTAND kết hợp với SAP2000 để tính kết cấu nêu trên với 5 trường hợp tải trọng (Loadcase) gồm: trường hợp tải trọng TT (gồm tĩnh tải và hoạt tải), 4 trường hợp tải trọng gió thổi vào công trình theo 4 hướng khác nhau (là GX1, GX2, GY1, GY2), ta thu được kết quả cuối cùng là lượng cốt thép yêu cầu lớn nhất của các phần tử Frame và Shell trong từng Group, ta thu được các kết quả được trình bày trong các bảng 1 và 2
Hình 4: Mẫu kết cấu chịu lực khung sàn
Trang 6Bảng 1 Kết quả tính lượng cốt thép cần thiết cho các nhóm cấu kiện dạng thanh
(cm 2 )
F2tr (cm 2 )
F3d (cm 2 )
F3tr (cm 2 )
Bảng 2 Kết quả tính lượng cốt thép cần thiết cho các nhóm cấu kiện dạng tấm
Nếu dùng thép AI (cm2/100cm dài)
Nếu dùng thép AII (cm2/100cm dài) Tên nhóm
Ptử Shell
F1d F1tr F2d F2tr F1d F1tr F2d F2tr SANMAI 1.858 1.57 1.57 2.458 1.57 1.57 1.57 1.912
SANT2 9.179 18.427 8.223 18.829 7.139 14.332 6.396 14.645
SANT3 8.925 15.475 6.891 15.828 6.941 12.036 5.36 12.31
Ghi chú: Để thiết kế cấu tạo sát hơn, chương trình CD BY VNSTAND còn cho phép
NSD xem kết quả tính lượng cốt thép của từng phần tử Frame và Shell của kết cấu (Công
trình này đã được tác giả trực tiếp thiết kế bằng phần mềm CD BY VNSTAND và đã được xây dựng tại Sân bay Phù Cát năm 2002)
7 Kết luận
Về cơ bản, chương trình CD BY VNSTAND đã giải quyết tốt nhiệm vụ đề ra một cách chính xác, nhanh chóng và thuận lợi Với sự kết hợp của hai phần mềm SAP2000N v7.42 và CD BY VNSTAND, chúng tôi hy vọng có thể tính toán thiết kế được hầu hết các dạng kết cấu công trình có thể gặp trong thực tế xây dựng theo tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT hiện hành của Việt Nam (TCVN 5574: 1991) Đây chính là giá trị thực tiễn cho thấy tính cấp thiết của vấn đề này
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Bộ Xây dựng, TCVN 2737: 1995 Tải trọng và tác động Tiêu chuẩn thiết kế, Nxb Xây
dựng, Hà Nội, 1997
[2] Bộ Xây dựng, TCVN 5574: 1991 Kết cấu bê tông cốt thép Tiêu chuẩn thiết kế, Nxb
Xây dựng, Hà Nội, 1997
[3] Nguyễn Thị Ngọc Mai, Microsoft Visual Basic 6.0 & lập trình cơ sở dữ liệu, Nxb
Giáo dục, Hà Nội, 2000
[4] Computer and Structure, Inc, SAP2000 Manuals, Berkerley, California, USA, 2000
[5] Edward L Wilson, Three Dimensional Static and Dynamic Analysis of Structures,
Computers and Structures Inc, USA, 1998
