Bai giang Midas(DHXD)

Trình tự giải một bài toán kết cầu bằng phần mềm Phần tử hữu hạn PTHH .... Ngô Đăng Quang, Trần Ngọc Linh, Bùi Công Độ, Nguyễn Trọng Nghĩa – Mô hình hóa và phân tích kết cấu với Midas/Ci

Ph©n tÝch kÕt cÊu

víi Midas/Civil

Hµ Néi, 02 - 2009

Mục lục

Mục lục

chương I: Mô hình hoá và phân tích kết cấu 2

I.1 Tài liệu tham khảo 2

I.2 Các Khái niệm cơ bản 2

I.3 lý thuyết phân tích kết cấu 3

I.3.1 Cơ sở lý thuyết 3

I.3.2 Phương thức chung để giải các bài toán kết cấu 3

I.3.3 Trình tự giải một bài toán kết cầu bằng phần mềm Phần tử hữu hạn (PTHH) 4

chương II: Phân tích kết cấu với midas/Civil 5

II.1 Vẽ sơ đồ kết cấu 5

II.1.1 Chọn đơn vị 5

II.1.2 Tạo lưới định vị 6

II.1.3 Tạo nút 7

II.1.4 Tạo phần tử 7

II.2 Mô hình hoá vật liệu – mặt cắt 7

II.2.1 Mô hình hoá vật liệu 7

II.2.2 Mô hình hoá mặt cắt 7

II.3 Mô hình hoá điều kiện biên 8

II.3.1 Gối 8

II.3.2 Liên kết 8

II.3.3 Các dạng điều kiện biên khác 8

II.4 Mô hình hoá tải trọng 9

II.4.1 Khai báo trường hợp tải trọng 9

II.4.2 Khai báo tải trọng 9

II.5 Chạy chương trình và xem kết quả 13

chương III: Các bài tập cơ bản 14

chương I: Mô hình hoá và phân tích kết cấu

I.1 Tài liệu tham khảo

Bùi Đức Vinh – Phân tích và thiết kế kết cấu bằng phần mềm SAP2000 – tập 1&2 – NXB Thống Kê

Ngô Đăng Quang, Trần Ngọc Linh, Bùi Công Độ, Nguyễn Trọng Nghĩa – Mô hình hóa và phân tích kết cấu với Midas/Civil – tập 1&2 – NXB Xây Dựng

Nguyễn Viết Trung – Tính toán cầu Đúc Hẫng trên phầm mềm MIDAS – NXB Xây Dựng

Tiêu chuẩn thiết kế cầu 272 TCN 272-05, Bộ Giao thông vận tải – 2005

Tiêu chuẩn thiết kế cầu cầu cống theo trạng thái giới hạn 22 TCN 18-79, Bộ Giao thông vận tải

Lê Đình Tâm, Phạm Duy Hoà – Cầu dây văng, NXB Khoa học và kỹ thuật – 2000

- Là quá trình vận dụng các kiến thức cơ sở về cơ học, các phương pháp phân tích kết cấu và các thuật giải để mô tả, làm trực quan hoá và nhất là định lượng các ứng xử vật

lý của kết cấu như nội lực, chuyển vị, v.v khi chịu các tác động khác nhau

- Các kết quả tìm được là cơ sở để thiết kế các bộ phận kết cấu hoặc đánh giá sự làm việc của chúng

I.3 lý thuyết phân tích kết cấu

I.3.1 Cơ sở lý thuyết

Mô hình hoá và phân tích kết cấu đều dựa trên các cơ sở lý thuyết của cơ học các môi trường liên tục cũng như các lý thuyết và phương pháp tính được phát triển dựa trên đó, như : Phương pháp PTHH (FEM), phương pháp phần tử biên v.v Các nguyên tắc chính ở đây là :

- Sự cân bằng về lực

- Liên tục(tương thích) về chuyển vị hay biến dạng

- Đặc trưng hình học của vật liệu thể hiện qua quan hệ giữa ứng suất và biến dạng

I.3.2 Phương thức chung để giải các bài toán kết cấu

toán Vật lý

Mô hình toán học được mô tả

bằng phương trình vi phân với giả thiết:

Lời giải bằng phần tử hữu hạn Chọn:

- Phần tử mẫu thích ứng

- Tạo lưới phần tử thích hợp

- Các thông số điều khiển Khai báo:

- Hình học

- Tải trọng tác dụng

- Điều kiện biên

Thay đổi lưới phần tử, các thông số điều khiển, vd: độ chính xác yêu cầu

Đánh giá độ chính xác của bài toán và mô hình toán học

Cải tiến thiết kế, tối ưu hoá kết cấu

- Mô hình toán học: Thay thế cho bài toán vật lý bằng một mô hình lý tưởng với các giả thiết nhằm làm đơn giản hoá vấn đề nhưng vẫn phải đảm bảo các yêu cầu chính xác cần thiết, thông thường nó được biểu diễn bằng một hệ phương trình vi phân chủ đạo

- Lời giải phần tử hữu hạn: là lời giải xấp xỉ một phương trình, hay hệ vi phân chủ đạo bằng phương pháp số

I.3.3 Trình tự giải một bài toán kết cầu bằng phần mềm Phần tử hữu hạn (PTHH)

Tất cả các phần mềm PTHH nói chung đều có một nghi thức làm việc giống nhau, chỉ

có cách thức giao tiếp là khác nhau, trình tự giải một bài toán có thể được chia thành các bước sau:

Bước 1: Chuyển từ sơ đồ kết cấu sang

- Thực hiện giải bài toán

- Kiểm tra độ chính xác của kết quả

- Hiệu chỉnh dữ liệu ban đầu nếu cần thiết

- Dữ liệu điều khiển

- Dữ liệu nút

- Dữ liệu phần tử

- Dữ liệu tải trọng

Bước 3: (processing)Thực hiện giải và kiểm tra kết quả

Bước 4: (Post-processing)Biểu diễn kết quả (graphics, text )

ch−¬ng II: Ph©n tÝch kÕt cÊu víi midas/Civil

II.1.2 Tạo lưới định vị

Lưới điểm:

 Model  Define Point Grid

Lưới đường thẳng:

 Model  Define Line Grid  Add  Grid name: luoi1

 Add  Nhập khoảng cách lưới theo hai chiều x và y

II.1.3 Tạo nút

 Model  Nodes  Create Nodes

- Click chuột trực tiếp trên màn hình hoặc nhập toạ độ số

 Model  Nodes  Translate Nodes : copy hoặc di chuyển nút

 Model  Nodes  Merge Nodes : nhập các nút gần nhau thành một nút, với

Tolerance: là độ dung sai

II.1.4 Tạo phần tử

 Model  Elements  Create Elements

- Chọn loại phần tử: Element Type: (Beam, Truss, Plate, Solid )

 Model  Elements  Extrude : Biến điểm thành đường thẳng, đường thẳng

thành phần tử phẳng, phần tử phẳng thành khối

 Model  Elements  Divide : Chia phần tử

 Model  Elements  Merge : Nối các phần tử thành một phần tử

 Model  Elements  Change Element : Thay đổi các thông số của phần tử

II.2 Mô hình hoá vật liệu – mặt cắt

II.2.1 Mô hình hoá vật liệu

 Model  Properties  Material  Add

- Type of design: chọn loại vật liệu (thép, bê tông, người dùng tự đinh nghĩa)

- Standard: Vật liệu theo tiêu chuẩn, có trong cơ sở dữ liệu của Midas/Civil Nếu chọn None, người dùng tự nhập số liệu

 Model  Properties  Material  Import: Nhập vật liệu từ những dự án khác

 Model  Properties  Time Dependent Material (Creep/Shrinkage):Khai báo đặc trưng co ngót, từ biến

 Model  Properties  Time Dependent Material (Comp.Strength):Khai báo đặc

trưng biến thiên cường độ

II.2.2 Mô hình hoá mặt cắt

 Model  Properties  Section  Add

- DB/User: mặt cắt được xây dựng theo các tiêu chuẩn thiết kế (DB)/người dùng

tự định nghĩa bằng cách nhập số liệu kích thước

- Value: Mặt cắt được nhập theo các giá trị của đặc trưng hình học

- SRC (Steel – Reinforeced Concrete): Là dạng mặt cắt cho các cấu kiện thép hình – bêtông cốt thép

- Combined: Mặt cắt thép hình được tổ hợp

- PSC (PreStressed Concrete): Mặt cắt cho cấu kiện dầm BTCT DƯL

- Tappered: Mặt cắt thay đổi

- Composite: Mặt cắt liên hợp thép – bêtông cốt thép hay bêtông cốt thép – bêtông cốt thép

- Offset: Điểm chuẩn, là gốc của hệ toạ độ địa phương của mặt cắt

 Tool  Section Property Calculator (SPC): Xây dựng và tính toán đặc trưng mặt cắt bằng SPC

II.3 Mô hình hoá điều kiện biên

II.3.1 Gối

 Model  Boudaries  Supports : Mô hình hoá gối cứng thông thường

 Model  Boudaries  Point Spring Supports: là gối đàn hồi điểm (nút)

 Model  Boudaries  General Spring Supports: là gối đàn hồi tổng quát, có độ

cứng theo bậc tự do Thông số đàn hồi được định nghĩa trong General Spring Type

II.3.2 Liên kết

 Model  Boudaries  Rigid Link : là dạng liên kết ràng buộc cứng giữa một nút

chuẩn (master) và một hay nhiều nút phụ khác (slab)

 Model  Boudaries Elastic Link : là liên kết đàn hồi nối hai điểm trong mô hình với nhau

 Model  Boudaries Elastic Link : là liên kết đàn hồi nối hai điểm trong mô hình với nhau

II.3.3 Các dạng điều kiện biên khác

 Model  Boudaries Beam End Release : là dạng giải phóng liên kết theo các

bậc tự do nhất định ở đầu phần tử dầm hoặc tấm (Cho phép giải phóng liên kết để tạo thanh giàn)

- Chọn phần tử

- Cho phép (đánh dấu ) hay không cho phép (không đánh dấu ) chuyển vị thẳng F hay chuyển vị xoay M

- Các lựa chọn nhanh:

 Pinned – Pinned: 2 đầu khớp

 Pinned – Fixed: đầu khớp - đầu ngàm

 Fixed: – Pinned: đầu ngàm - đầu khớp

 Fixed – Fixed: 2 đầu ngàm

II.4 Mô hình hoá tải trọng

II.4.1 Khai báo trường hợp tải trọng

 Load  Static Load Cases

- Name: nhập tên của trường hợp tải trọng

- Type: nhập kiểu của trường hợp tải trọng

 Add

II.4.2 Khai báo tải trọng

 Load  Sefl Weight

- Load Case Name: Chọn tên trường hợp tải trọng đã định nghĩa

X: 0 Y: 0 Z: -1  Add

 Load  Nodal Loads

- Chọn nút

- Load Case Name: Chọn tên trường hợp tải trọng đã định nghĩa

- Nhập vào trị số lực tập chung F hoặc mônmen tập trung M

 Apply

 Load  Element Beam Loads

- Chọn phần tử

- Load Case Name: Chọn tên trường hợp tải trọng đã định nghĩa

- Load type: Unifrom loads: tải trọng phân bố đều

- Nhập x1, x2: phạm vi tải trọng (Relative: tương đối, Absolute: tuyệt đối)

- Load Case Name: Chọn tên trường hợp tải trọng đã định nghĩa

- Nhập vào các chuyển vị thẳng D hoặc chuyển vị xoay R

 Apply

Lựa chọn tiêu chuẩn:

 Load  Moving Load

Analysis Data  Moving

 2 point: click vào 2 điểm đầu và cuối

 Picking: chọn vào đối tượng

 Number: gõ tên các phần tử

 Add

Khai b¸o xe:

 Load  Moving Load Analysis Data  Vehicles

- Sö dông xe tiªu chuÈn:  Add Standard

- HL-93TRK: xe 3 trôc vµ t¶i träng lµn w

- HL-93TDM: xe 2 trôc vµ t¶i träng lµn w

- Dynamic Load Allowance (HÖ sè xung kÝch): 25% (theo 272-05)

 Ta ®−îc:

Khai báo trường hợp tải trọng di động (xếp hoạt tải lên cầu):

 Load  Moving Load Analysis Data  Moving Load Case  Add

- Load Case Name: nhập tên trường hợp tải trọng (ví dụ: HL 93)

- Load Efect: Independent

- Add

 Vehice Class: chọn xe (VL:HL93TRK)

 Min (số làn nhỏ nhất) = 1

 Max (số làn lớn nhất) = (số làn lớn nhất mà xe đó tác dụng lên)

 Chọn làn tải trọng tác dụng vào

 OK

- Tương tự cho VL:HL93TRK) ta được trường hợp tải trọng HL-93

 Type: Add (tổng), Envelope (Bao)

 Load Case: chọn các loại tải trọng

 Fator: các hệ số tải trọng tương ứng với các tải trọng

II.5 Chạy chương trình và xem kết quả

 Analysis  Perform Analysis (F5)

 Results  Reation  Deform Force: phản lực

 Results  Reation  Deform Shape: biến dạng

 Results  Force: nội lực  Beam Diagram: biểu đồ nội lực

 Results Stress: ứng suất  Beam Stress: ứng suất

Xuất ra bảng kết quả :

 Results Result Table

ch−¬ng III: C¸c bµi tËp c¬ b¶n

Bµi tËp 1: KÕt cÊu khung ph¼ng

Cho kÕt cÊu cã d¹ng nh− sau:

- Tính đặc trưng hình học của mặt cắt ngang Jyy (a)

- Tính độ võng tại điểm giữa dầm do tổ hợp CD1 (b)

- Tính ứng suất lớn nhất ở thớ dưới dầm do tổ hợp CĐ1 (c)

- Tính mômen tại mặt cắt giữa dầm do tổ hợp CD1 (d)

Bài tập 4: cầu dầm giản đơn

Cầu giản đơn có sơ đồ mạng dầm nh− sau:

5 4

3 1 2

- Tính độ võng lớn nhất xuất hiện trong cầu do CD1 (a)

- Tính ứng suất kéo và nén lớn nhất xuất hiện trong cầu do CD1(b)

- Tính ứng suất kéo lớn nhất xuất hiện trong dầm ngang do CD1 (c)

Bài tập 5: kết cấu khung

Cho kết cấu nhà đơn giản dạng khung phẳng 2 tầng nh− hình:

- Chiều cao dầm thay đổi theo đường parabol (bậc 2)

- Chiều cao dầm tại gối cầu: hg = 6m

- Chiều cao dầm tại mố cầu: hm = 2.5m

- Chiều cao dầm tại giữa nhịp: hn = 2.5m

- Chiều cao dầm tại vị trí cách tiết diện có chiều cao hm một đoạn X là:

=

L

X h h h

Trong đó:

 X là khoàng cách từ tiết diện có hm đến tiết diện đang xét

 L là chiều dài phần cách hẫng cong

Phân đốt thi công:

- Đốt Ko trên trụ có chiều dài 4ì1.5 + 2ì4m

- Cầu được thi công theo công nghệ đúc hẫng cân bằng, chiều dài của một đúc là 3m

- Đốt hợp long nhịp giữa có chiều dài 2ì1m

- Đốt hợp long nhịp biên (hợp long phần đúc hẫng và phần đúc trên giàn giáo) có chiều dài 2m

 Nhịp giữa: 85m/2 = 42.5m = 1.5 + 1.5 + 2.5 + 3.0ì12 + 1.0(HL0)

 Nhịp biên: 53m = 1.0 + 2.5 + 3.0 + 3.0 + 2.0(HL1) + 12ì3 + 2.5 + 1.5 + 1.5

Mặt cắt ngang:

- Chiều rộng cầu B = 15m

- Mặt cắt ngang là loại dầm hộp sườn xiên, 2 sườn

- Các kích thước khác cho như hình dưới đây:

- Bố trí một gối cố định tại mố, các gối còn lại đều là gối di động

1150

740 3260

2980 2640

5000

400

15000 14000

5000 2000

50 23

3050

Yêu cầu: Mô hình hoá và phân tích cầu theo các giai đoạn thi công

Gi chú: Các số liệu về Từng giai đoạn thi công, Cáp DƯL, Tải trọng xe đúc, Bê tông tươi v.v được cung cấp trong quá trình làm bài

Bài tập 7: cầu dây văng

Cho sơ đồ cầu dây văng nh− hình:

- Cho file CAD của mô hình

- Vật liệu:

 Dầm và tháp: Bê tông: Grade C5000

 Dây văng làm từ thép CĐC: A416-270 (Normal)

- Cho tiết diện các dây văng: (đối xứng từng cặp qua tháp cầu)

- Mô hình hoá kết cấu cầu bằng cách nhập từ file *.dxf của CAD

- Tính toán và điều chỉnh các lực căng trong dây văng bằng tính năng Unknown Load Factor