Bài giảng sap 2000: Phân tích kết cấu công trình

Bài giảng sap 2000: Phân tích kết cấu công trình Trong những năm 1980 trở lại đây, công nghệ máy tính đã có những bước phát triển mạnh mẽ, nó góp phần thúc đẩy nghiên cứu và phát triển công nghệ trên thế giới trong hầu hết các lĩnh vực khoa học kỹ thuật. Trong lĩnh vực xây dựng, công nghệ máy tính cũng đã được ứng dụng rộng rãi, bao gồm các phần mềm về quản lý xây dựng, kinh tế xây dựng, phân tích nội lực kết cấu, thiết kế kết cấu thép và kết cấu bê tông cốt thép, thiết kế và thể hiện bản vẽ kỹ thuật.

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM CƠ BẢN SAP 2000

1 Phương pháp tính kết cấu của SAP 2000

2.6 Giao diện SAP 2000

CHƯƠNG II: CÁC BƯỚC GIẢI KẾT CẤU BẰNG SAP 2000

1 Khởi động SAP 2000

2 Chọn hệ thống đơn vị

3 Tạo mô hình mẫu

4 Khai báo đặc trưng vật liệu

5 Khai báo đặc trưng hình học

6 Gán đặc trưng hình học cho phần tử

7 Khai báo điều kiện biên

8 Khai báo trường hợp tải, gán giá trị tải trọng

9 Khai báo bậc tự do

10 Khai báo số phân đoạn phần tử

11 Giải bài toán

12 Kết quả hiển thị

13 Xem biểu đồ nội lực

14 Xuất kết quả nội lực thành file

CHƯƠNG III: VÍ DỤ TÍNH TOÁN

CHƯƠNG I KHÁI NIỆM CƠ BẢN SAP 2000

1 Phương pháp tính kết cấu của SAP 2000

- Trong bài toán Cơ học kết cấu, việc giải quyết bài toán đều dựa trên lý thuyết của cơ học môi trường liên tục Các nguyên lý chính đều dựa vào:

+ Sự cân bằng tĩnh học giữa nội lực và ngoại lực của kết cấu hay từng bộ phận của kết cấu

+ Sự liên tục về về biến dạng và chuyển vị trong toàn bộ kết cấu

+ Quan hệ ứng suất và biến dạng của vật liệu kết cấu

- Việc phối hợp các nguyên tắc trên sẽ cho những hệ phương trình vi phân phức tạp rất khó tìm lời giải Chính vì thế người ta đưa ra mô hình số, thường thì đòi hỏi phải bổ sung một số giả thiết đơn giản hóa Các giả thiết này sẽ quyết định đến độ chính xác của kết quả tính toán Thường thì kết quả tính toán bằng phương pháp Phần tử hữu hạn (PTHH) được chấp nhận với độ chính xác cho phép

- Phương pháp PTHH là một trong những phương pháp tổng quát nhất để xây dựng mô hình số của kết cấu Phương pháp này chia không gian liên tục của kết cấu thành một tập hợp các phần tử (chia nhỏ ra) có tính chất cơ học và hình học đơn giản hơn so với cả kết cấu Các phần tử này liên kết với nhau bằng điểm nút, lúc này các điều kiện tương thích về chuyển vị hay biến dạng của kết cấu chỉ thỏa mãn tại nút Thông thường, ẩn cơ bản của PP PTHH là các chuyển vị của nút

- Dựa vào điều kiện cân bằng của toàn kết cấu ta có được phương trình:

[F] = [K].[U]

Trong đó

- Ta thấy khi chia càng nhỏ kết cấu tức càng nhiều phần tử thì kết quả càng chính xác Như vậy với sự phát triển công nghệ thông tin như hiện nay, việc giải bài toán kết cấu với độ chính xác cao bằng phương pháp số là hoàn toàn thuận lợi và có tính ứng dụng cao

2 Tổng quan về SAP 2000

2.1 Giới thiệu

- Đã được phát triển hơn 40 năm (từ năm 1970): SAP, SAPIV, SAP86, SAP90, SAP2000

- Hiện nay, SAP 2000 đã có version 15 (2011)

- Tính theo phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH)

- Dễ sử dụng để tính nội lực trong kết cấu

2.2 Một số bài toán thường gặp

- Bài toán thiết kế tiết diện: BTCT, KC thép …

- Bê tông theo tiêu chuẩn: ACI, BS, CAN, EURO

- KC thép: AISC, BS, CAN, EURO

2.3 Hệ tọa độ

- Hệ tọa độ tổng thể (Global Coordinate) Oxyz hoặc hệ tọa độ trụ

- Hệ tọa độ địa phương (Local Coordinate)

2.4 Kiểu phần tử

a Phần tử nút (Joint)

- Nút là thành phần cơ bản nhất làm cơ sở xây dựng cho mọi kết cấu và là điểm nối giữa các phần tử trong kết cấu và cũng tại nút sẽ có lời giải chuyển vị chính xác

- Nút được sử dụng:

+ Nối kết các phần tử tại các vị trí giao nhau

+ Đặt điều kiện biên

+ Số hiệu nút đầu và cuối (End I và End J)

+ Tiết diện thanh và vật liệu

+ Vị trí thanh trong hệ tọa độ tổng thể

+ Tải trọng trên Frame

c Phần tử tấm (Shell)

- Các loại shell: shell tam giác (3 nút), shell tứ giác (4 nút)

- Shell: tấm có khả năng chịu kéo, nén, uốn;

- Plate: tấm chỉ uốn;

- Membrance: tấm chỉ chịu kéo, nén

- Asolid: trạng thái phẳng

- Solid: phần tử khối

Chú ý:

- Số hiệu (label), hệ tọa độ địa phương, đặc trưng vật liệu, tải trọng trên phần tử

- Liên kết:

+ Liên kết cứng (Restraints),

+ Liên kết đàn hồi (Spring)

- Một nút có 6 bậc tự do: Translation U1, U2, U3 = UX, UY, UZ

Rotation R1, R2, R3 = RX, RY, RZ

- Bậc tự do tính toán: (DOF: degree of Freedom) thường khi tính bài toán phẳng

- Chuyển vị gối tựa (Displacement Load)

- Không khai báo liên kết nút Restraints trùng Spring theo cùng một phương

- Không giới hạn số nút (Nonlinear)

2.5 Bậc tự do tính toán (DOF)

- Khi giải một bài toán, các bậc tự do thừa sẽ bị chương trình tự động khóa lại (chống chuyển vị) Tuy nhiên để giảm thời gian tính toán và các sơ sót chương trình, các thành phần chuyển vị không cần thiết nên được khóa lại bằng điều kiện biên thích hợp (Restraint) hoặc dùng chọn lựa mặt phẳng làm việc (Analyze set options) của kết cấu để chương trình khóa các bậc tự do trước khi giải

2.6 Giao diện SAP 2000

CHƯƠNG II CÁC BƯỚC GIẢI KẾT CẤU BẰNG SAP 2000

1 Khởi động SAP 2000

- Từ thanh trạng thái, nhấp chọn Start > All Programs > SAP2000 NonLinear > SAP2000 NonLinear

- Cách 2: nhấp chọn biểu tượng SAP2000 trên desktop

- Khi khởi động cửa sổ Tip of the day xuất hiện, giới thiệu tóm tắt chức năng chính của chương trình

3 Tạo mô hình mẫu

Cách 1: Tạo mô hình theo ý người dùng

- Để tạo mô hình kết cấu phải tạo hệ thống lưới Hệ thống lưới dùng để xác định tọa độ các điểm nút, vẽ trực tiếp các phần tử mà không cần tạo các nút

Chọn File > New Model

- Hộp thoại Coordinate System Definition xuất hiện Trong hộp thoại có 2 bảng tùy chọn hệ tọa độ

+ Bảng hệ tọa độ vuông góc Cartesian gồm có các mục:

 Number of grid Space: số khoảng cách lưới

 X, Y, Z direction: theo phương X, Y, Z

 Grid Spacing: khoảng cách giữa các đường lưới

+ Bảng hệ tọa độ trụ Cylindrical gồm có các mục:

 Number of grid Space: số khoảng cách lưới

 Along Radius, along theta, along z: theo hướng bán kính của tọa độ trụ, hướng góc, hướng trục Z

 Grid Spacing: khoảng cách giữa các đường lưới

Cách 2: Tạo mô hình theo mẫu của chương trình

Chọn File > New Model from Template

- Hộp thoại Model Template xuất hiện, trong hộp thoại có 15 loại mẫu kết cấu

4 Khai báo các đặc trưng vật liệu

Chọn Define > Materials

Hộp thoại Define Materials xuất hiện, trong đó mục Materials có 3 tùy chọn:

 CONC: vật liệu bê tông

 OTHER: vật liệu khác

 STEEL: vật liệu thép

Tại mục Click to có 3 tùy chọn:

 Add New Material: thêm vào vật liệu mới

 Modify/Show Material: hiệu chỉnh/hiển thị thông số của vật liệu hiện có

 Delete Material: xóa bỏ loại vật liệu

5 Khai báo các đặc trưng hình học

Chọn Define > Frame Sections

Hộp thoại Define Frame Section xuất hiện, gồm các mục:

 Frame Sections: tiết diện khung

 Name: tên cấu kiện

Trong mục Click to:

 Import: nhập vào tiết diện chuẩn

 Add: thêm tiết diện mới

 Modify/Show Section: hiệu chỉnh/hiển thị thông số của tiết diện

 Delete Material: xóa bỏ tiết diện đã chọn

6 Gán đặc trưng hình học cho phần tử

- Trước tiên chọn phần tử cần gán

- Gán tiết diện phần tử khung (frame)

- Chọn Assign > Frame > Sections …

Hộp thoại Define Frame Sections xuất hiện, nhấp chọn tiết diện trong hộp Name

và nhấp OK

7 Khai báo điều kiện biên

8 Khai báo trường hợp tải, gán giá trị tải trọng

* Khai báo trường hợp tải

- Chọn Define > Static Load Cases để mở hộp thoại Define Static Load Case Names Trong hộp thoại này có các mục sau:

 Load: tên tải trọng

 Type: loại tải trọng

Dead: tải trọng tĩnh Live: tải trọng động Quake: tải trọng động đất Wind: tải trọng gió

Snow: tải trọng tuyết Other: các loại tải trọng khác

 Self Weight Multiplier: hệ số vượt tải dành cho trọng lượng bản thân

 Add New Load: thêm vào một trường hợp tải trọng

 Change Load: thay đổi một trường hợp tải trọng đã có

 Delete Load: xóa một trường hợp tải trọng đã có

* Gán giá trị tải trọng

Gán tải nút:

- Chọn nút cần gán

- Chọn Assign > Joint Static Loads … > Forces để mở hộp thoại Joint Forces

Load Case Name: tên trường hợp tải

Loads:

 Force Global X, Y, Z: lực theo phương X, Y, Z

 Moment Global XX, YY, ZZ: mo men theo phương XX, YY, ZZ

Options:

Add to exitsting loads: thêm giá trị tải trọng

Replace exitsting loads: thay thế giá trị tải trọng

Delete exitsting loads: xóa giá trị tải trọng

Gán tải phần tử Frame:

- Chọn phần tử cần gán

- Chọn Assign > Frame Static Loads … một trình đơn sổ xuống, chọn tùy chọn thích hợp

 Gravity: lực trọng trường

 Point and Uniform: lực tập trung và phân bố đều

 Trapezoidal: lực phân bố hình thang

 Temperature: tải trọng nhiệt

 Prestress: ứng suất nước

9 Khai báo bậc tự do

- Chọn Analyze > Set option … để mở hộp thoại Analysis Options

 UX, UY, UZ: chuyển vị thẳng theo x, y, z

 RX, RY, RZ: chuyển vị xoay theo x, y, z

- Fast DOFs: khai báo nhanh số bậc tự do của nút cho toàn kết cấu

 Space Frame: khung không gian

 Plane Frame: khung phẳng

 Plane Grid: lưới phẳng (hệ dầm trực giao)

 Space Truss: giàn không gian

Dynamic Analysis: phân tích bài toán động lực học

Include P-delta: kể đến ảnh hưởng của P-delta

Generate Output: định kết quả xuất ra file

Nếu muốn chọn nhiều kết quả phân tích lưu trữ trong một file xuất ra kết quả, nhấp chọn Generate Output > Select Output Options

10 Khai báo số phân đoạn phần tử

- Chọn Assign > Frame > Output Segments … để mở hộp thoại Frame Output Segments

11 Giải bài toán

- Chọn Analyze > Run

Sau khi chương trình ngừng giải, kết quả như sau:

 ERROR: quá trình tính toán có lỗi, phải kiểm tra lại dữ liệu và thực hiện lại bước giải

 ANALYSIS COMPLETE: quá trình tính toán hoàn thành

12 Kết quả hiển thị

- Chọn Display > Show Undeformed Shape… trở lại dạng ban đầu

- Để xem tải trọng về nút Display > Show Loads > Joint

Hộp thoại Show Joint Loads xuất hiện:

 Load Name: tên trường hợp tải cần hiển thị

 Load Type: kiểu tải trọng cần hiển thị

 Show Loading Values: hiển thị giá trị của tải trọng

- Để xem tải trọng về phần tử thanh Display > Show Loads > Frame

Hộp thoại Show Frame Loads xuất hiện:

 Load Name: tên trường hợp tải cần hiển thị

 Load Type: kiểu tải trọng cần hiển thị (lực tập trung, momen, trọng lực, ứng suất nhiệt… )

 Show Joint Loads with Frame Loads: hiển thị tải trọng nút với tải trọng tác dụng lên phần tử

 Show Loading Values: hiển thị giá trị của tải trọng

13 Xem biểu đồ nội lực

- Chọn Display > Show Element Forces/Stresses > Joints

Hộp thoại Joint Reaction Forces xuất hiện:

 Load: tên trường hợp tải cần hiển thị

 Type: kiểu tải trọng cần hiển thị

Reactions: phản lực

Spring Forces: lực đàn hồi

- Chọn Display > Show Element Forces/Stresses > Frames

Hộp thoại Member Force Diagram for Frames xuất hiện:

 Load: tên trường hợp tải cần hiển thị

 Component: thành phần nội lực cần hiển thị

Axial Force: lực dọc

Shear 2-2: lực cắt theo phương 2-2

Moment 3-3: momen theo phương 3-3

 Scaling: tỷ lệ biểu đồ

Auto: tỷ lệ hiển thị mặc định

Scale Factor: tỷ lệ theo ý người dùng

 Show Values on Diagram: hiển thị giá trị nội lực trên biểu đồ

14 Xuất kết quả nội lực thành file

- Chọn File > Print Output Tables…

Hộp thoại Print Output Tables xuất hiện:

Type of Analysis Results: kết quả tính toán cần hiển thị

 Displacements: chuyển vị

 Reactions: phản lực

 Frame Forces: nội lực phần tử thanh

Select Loads: chọn loại tải trọng cần hiển thị

Print to File: chỉ đường dẫn lưu file

File dữ liệu được lưu dưới dạng txt có thể mở bằng Word hay Excel

Kết quả của bài toán như sau:

- Trong ví dụ đầu tiên này, bạn ứng dụng SAP 2000 để giải bài toán dầm 1 nhịp

cơ bản như hình dưới, từ đó giải các bài toán liên quan tới dầm với mức độ khó hơn trong kết cấu

* Dữ liệu ban đầu:

- Chiều dài nhịp tính toán: L = 6m

- Vật liệu bê tông với

Khối lượng riêng M = 2,5 T/m3 Modun đàn hồi E = 2,65E9

Hệ số Poisson  = 0,2

- Tiết diện: b x h = 300 x500 mm

- Tải trọng phân bố đều: q= 5 kN/m

Trình tự giải bài toán:

B1: Khởi động phần mềm Sap 2000

B2 : Chọn hệ thống đơn vị là kN-m

B3: Tạo mô hình mẫu

- Chọn File > New Model from Template

- Hộp thoại Model Template xuất hiện, nhấp vào kiểu mô hình dầm đầu tiên

- Hộp thoại Beam xuất hiện, thiết lập các giá trị:

 Number of Spans (số nhịp của dầm): 1

 Span Length (chiều dài của 1 nhịp): 6

 Restraints (điều kiện biên): mặc định

 Gridlines (đường lưới): có thể chọn hoặc không

- Trên màn hình xuất hiện 2 cửa sổ làm việc: 3-D View và X-Y Plan @ Z = 0 Nhấp chọn đóng cửa sổ 3-D View

Lưu ý: để tránh trường hợp mất dữ liệu ta nên lưu file trước khi tiến hành thao tác những bước tiếp theo Nên lưu file Sap vào trong một thư mục riêng

B4: Khai báo đặc trưng vật liệu

- Chọn Define > Materials Hộp thoại Define Materials xuất hiện

- Mục Materials kích chọn CONC Sau đó chọn Modify/Show Material trong mục Click to

- Hộp thoại Material Property Data xuất hiện, khai báo các thông số như sau:

 Mass per unit Volume (khối lượng riêng): 2.5

 Weight per unit Volume (trọng lượng riêng): 25

 Modulus of Elasticity (modun đàn hồi): 2.65E9

 Poisson’s Ratio (hệ số Poisson): 0.2

 Coeff of Thermal Expansion (hệ số dãn nở nhiệt): 0

B5: Khai báo đặc trưng hình học

- Chọn Define > Frame Sections Hộp thoại Define Frame Sections xuất hiện

- Trong mục Click to chọn sổ thanh cuộn Add I/Wide Flange Chọn Add Rectangular

- Hộp thoại Rectangular Section xuất hiện, ta khai báo như sau:

 Section name (tên mặt cắt): D0305 (có thể đặt tên bất kỳ)

 Material (vật liệu): chọn CONC (bê tông)

 Depth (t3-chiều cao tiết diện): 0.5

 Width (t2-chiều rộng tiết diện): 0.3

B6: Gán đặc trưng hình học cho phần tử

- Chọn phần tử cần gán

- Chọn Assign > Frame > Sections

- Chọn tiết diện D0305 gán cho phần tử thanh

B7: Khai báo điều kiện biên

- Chọn các vị trí nút cần khai báo

- Chọn Assign > Joint > Restraints

B8: Khai báo trường hợp tải, gán giá trị tải trọng

- Chọn Define > Static Load Cases

- Trong hộp thoại Define Static Load Case Names, ta khai báo các thông số như sau:

 Load: tên tải trọng, có thể nhập tùy ý

 Type: loại tải trọng

 Self Weight Multiplier: hệ số kể đến trọng lượng bản thân Ở đây chọn là 1.1 xét đến hệ số vượt tải của tĩnh tải (TT), là 0 đối với các trường hợp còn lại

- Để gán tải phân bố đều lên phần tử thanh, ta chọn phần tử rồi dùng lệnh Assign

> Frame Static Loads > Point and Uniform

- Trong hộp thoại Point and Uniform Span Loads, ta khai báo các thông số như sau:

 Load Case Name: tên trường hợp tải, chọn hoạt tải HT

 Load Type and Direction: loại tải trọng Forces và hướng tác dụng Gravity

 Replace existing Loads: thay thế giá trị tải trọng đã có

 Uniform Load: giá trị tải trọng nhập vào 5

B9: Khai báo bậc tự do

- Chọn Analyze > Set Options Hộp thoại Analysis Options xuất hiện

- Khai báo các thông số: kích chọn Plane Frame (khung phẳng) trong mục Fast DOFs lúc này mục Available sẽ có các vị trí chọn UX, UZ, RY

B10: Khai báo số phân đoạn phần tử

- Kích chọn toàn bộ hệ kết cấu

- Chọn Assign > Frame > Output Segments … để mở hộp thoại Frame Output Segments

- Trong ô Number of Segments nhập giá trị: 4

B11: Giải bài toán

- Chọn Analyze > Run hoặc nhấn phím F5

B12: Kết quả hiện thị

- Nếu màn hình hiện lên dòng chữ ANALYSIS COMPLETE thì quá trình tính toán đã hoàn thành Nếu không phải kiểm tra lại các bước ở trên

B13: Xem biểu đồ nội lực

- Chọn Display > Show Element Forces/ Stresses > Frame

- Trong hộp thoại Member Force Diagram for Frames:

 Load: trường hợp tải ta chọn tĩnh tải TT hay hoạt tải HT

 Component: thành phần nội lực

Axial Force: lực dọc

Shear 2-2, 3-3: lực cắt theo phương 2-2, 3-3

Moment 2-2, 3-3: momen theo phương 2-2,3-3

 Scaling: tỷ lệ hiển thị

Auto: chế độ mặc định của chương trình

Scale Factor: tỷ lệ theo ý người dùng

 Show Values on Diagram: hiển thị giá trị trên biểu đồ

- Sau đây, là kết quả nội lực do hoạt tải HT gây ra

B14: Xuất kết quả nội lực thành file

- Chọn File > Print Output Tables Hộp thoại Print Output Tables xuất hiện

- Mục Type of Analysis Results chọn:

 Displacements: chuyển vị của phần tử

 Frame Forces: nội lực trong phần tử thanh

 Select Loads: chọn cả 2 trường hợp tải TT và HT

 Print to File: chỉ đường dẫn lưu file kết quả

- File kết quả sẽ được lưu dưới dạng txt

- Để tiện xử lý kết quả trong Excel thì kích chọn Spreadsheet Format

Chú ý:

- Trong kết cấu thông thường phải tổ hợp tải trọng giữa các loại tải trọng khác nhau Để thực hiện điều này chọn Define > Load Combinations Hộp thoại Define Load Combinations xuất hiện:

- Kích chọn Add New Combo để tạo tổ hợp tải trọng mới Hộp thoại Load Combination Data xuất hiện:

- Khai báo các thông số như hình trên:

 Load Combination Name: tên tổ hợp tải trọng

 Load Combination Type: loại tổ hợp tải trọng

 Title: miêu tả tổ hợp tải trọng

 Define Combination: định nghĩa tổ hợp tải trọng