PHÂN TÍCH CẦU THEO PHƯƠNG PHÁP ĐÚC TRÊN ĐÀ GIÁO DI ĐỘNG (CỐ ĐỊNH) BẰNG MIDASCIVIL

Ứng dụng MidasCivil vào trong thiết kế cầu theo công nghệ MSS Midascivil là một trong những phần mềm Midas của Hàn Quốc. Phần mềm này chỉ mới du nhập vào nước ta chỉ vào khoảng đầu năm 2005 và hiện phần mềm này đang được nghiên cứu và cũng đã có một số cuốn sách tiếng việt được xuất bản. Tuy nhiên, các cuốn sách chưa nêu rõ từng bước chạy, nhập chương trình. Với trình độ hạn chế, tôi chỉ chọn 1 phần trong cuốn Contruction stage Analysis of MSS using the Wizard do các chuyên gia Midas viết. Một số ưu điểm có thể kể đến trong Midas :

TÀI LIỆU THAM KHẢO PHÂN TÍCH CẦU CONG THEO PHƯƠNG PHÁP ĐÚC TRÊN ĐÀ GIÁO DI ĐỘNG (CỐ

ĐỊNH) BẰNG MIDAS/CIVIL 6.3

(Tài liệu lưu hành nội bộ)

THỰC HIỆN: NGUYỄN THANH NGUYÊN

Quảng Ngãi 03/2006

LỜI NÓI ĐẦU

Midas/civil là một trong những phần mềm Midas của Hàn Quốc Phần mềm này chỉ mới du nhậpvào nước ta chỉ vào khoảng đầu năm 2005 và hiện phần mềm này đang được nghiên cứu và cũng

đã có một số cuốn sách tiếng việt được xuất bản Tuy nhiên, các cuốn sách chưa nêu rõ từng bước chạy, nhập chương trình Với trình độ hạn chế, tôi chỉ chọn 1 phần trong cuốn "Contructionstage Analysis of MSS using the Wizard" do các chuyên gia Midas viết

Một số ưu điểm có thể kể đến trong Midas :

+ Về giao diện: Đẹp, rất dễ trong việc nhập số liệu vì ứng với mỗi công nghệ thi công cầuđều có các thông số cần thiết nhập vào, ví dụ như:

- ILM: (Incremential Lauching Menthod) công nghệ đúc đẩy có gẳn 1 hộp thoại riêng để

nhập số liệu

- FCM: công nghệ đúc hẫng

- MSS (Movable Scaffolding System) công nghệ đúc trên giáo di động.

- FSM (Full Staging Method) công nghệ đúc trên đà giáo cố định.

+ Về tiêu chuẩn thiết kế: có khá nhiều tiêu chuẩn, trong đó có tiêu chuẩn LRFD trongthiết kế cầu, tiêu chuẩn CEP-FIP về co ngót từ biến , tiêu chuẩn vật liệu ASTM, đều phù hợp vớicác tiêu chuẩn cho phép sử dụng và có tính pháp lý

+ Về tính toán:

- Tính theo phương pháp phần tử hữu hạn

- Cho mọi loại kết cấu, mặt cắt ngang hầu như đều có (không phải mô hình)

- Tính mất mát ứng mất, tính ứng suất phụ thuộc vào tuổi bêtông, co ngót, từ biến

- Kiểm toán theo LRFD

- Kết quả xuất ra cho phép đánh giá được ngay

Vì kiến thức về công nghệ thi công và trình độ còn có hạn nên chỉ dịch nguyên văn trong đó.Bản quyền thuộc về các tác giả đó

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Có 2 phương pháp xây dựng dầm hộp bê tông liên tục theo từng nhịp là MSS (MovableScaffolding System: đúc trên đà giáo di động) và FSM (Full Staging Method: đúc trên đà giáo cốđịnh) Với phương pháp MSS, bêtông được đổ đầy vào hệ thống đà giáo di động nên không cầncop-pha (falsework) hay cột chống (shoring) Ngoài ra, phương pháp này cũng không ảnh hưởngđến giao thông trên sông hay trên đường

Kết cấu xây dựng theo 2 phương pháp trên khác nhau theo từng giai đoạn Vì vậy phân tíchkết cấu nên thực hiện theo từng giai đoạn khác nhau và nội lực tại các mặt cắt trong từng giaiđoạn cần kiểm tra Để xem xét đặc điểm của bêtông theo thời gian và sử dụng cốt thép DUL 1cách chính xác, các kết quả phân tích được gộp lại cho các bước xây dựng trước đó phải đòi hỏicho các bước xây dựng sau đó

Trong mục này sẽ chỉ dẫn từng bước xây dựng theo phương pháp MSS Các kết quả phântích như cường độ, mất mát ứng suất, chuyển vị, nội lực mặt cắt của từng giai đoạn xây dựng sẽđược xem xét

Hình 1.1 Mô hình phân tích (giai đoạn hoàn thành)

1.1 KÍCH THƯỚC DỌC CẦU VÀ MẶT CẮT NGANG CẦU

Kết cấu:

- Dầm 1 hộp BTCT DUL 11 nhịp liên tục, mỗi nhịp 50m

- Bề rộng cầu: B = 12,6m (2 làn xe)

- Bán kính đường cong nằm: R = 2380m

Hình 1.2 Mặt cắt chung

Hình 1.3 Mặt cắt tại điểm nối

1.2 TRÌNH TỰ THI CÔNG THEO MSS

Được biểu diễn như hình dưới:

Hình 1.4 Trình tự thi công

Đối với phân tích theo giai đoạn MSS, trình tự xây dựng như trên nên xem xét trước Vàtrong phân tích theo giai đoạn, mỗi bước xây dựng phải định nghĩa thành một nhóm kết cấu(Structure Group) xem phần nào có trong giai đoạn này (Activation) hay không có trong giaiđoạn này (Deactivation), nhóm điều kiện biên (Boundary Groups), nhóm tải trạng (Load

Groups) Tiến trình thực hiện phân tích được trình bày như dưới đây Giữa các bước này, từ bước

2 đến bước 8 được thực hiện tự động khi dùng hộp thoại dành riêng cho công nghệ này(MSS/FSM Wizard):

1 Định nghĩa thông số mặt cắt và vật liệu

2 Mô hình hoá kết cấu

3 Định nghĩa và gom nhóm kết cấu

4 Định nghĩa và gom nhóm điều kiện biên

5 Định nghĩa nhóm tải trọng

6 Nhập tải trọng

7 Xác định vị trí cáp

8 Định nghĩa thông số cáp DUL

9 Định nghĩa và liên kết vật liệu theo thời gian

10 Thực hiện phân tích

11 Xem kết quả

1.3 THÔNG SỐ VẬT LIỆU VÀ ỨNG SUẤT CHO PHÉP

- Bêtông dầm: Theo ASTM cấp Grade C 6000

- Cáp DUL: Cáp sợi 15,2mm gồm 22 sợi/bó

+ fpj = 1600000 KN/m2

+ fpu = 1900000 KN/m2

+ E = 2 108 KN/m2

+ Ứng suất ban đầu khi kích fpj = 0,7fpu = 1330000 KN/m2

+ Chiều dài tuột neo: ∆L = 6mm

+ Loại ximăng: bình thường (Nomal ciment)

+ Tuổi bêtông khi tải trọng tác dụng: tc = 5 ngày

+ Tuổi bêtông khi thôi giữ ẩm: tc = 3 ngày

+ Độ ẩm tương đối: RH = 70%

+ Nhiệt độ không khí: T = 200C

+ Tiêu chuẩn áp dụng: CEB - FIP

⇒ Hệ số co ngót và từ biến được tự động tính toán

- Phản lực tác dụng do giàn đúc di động: lấy P = 4000 KN xác định tại 3m từ điểm nối cáp

- Lực do bêtông tươi gây ra được tự động tính

CHƯƠNG 2 CÁC BƯỚC TÍNH TOÁN

2.1 THIẾT KẾ MÔI TRƯỜNG LÀM VIỆC

- Mở Midas/Civil.

- File/New protect.

- File/Save (lấy tên MSS)

- Tools/Unit System:

Length > m; Force (Mass) > KN 

Có thể lựa chọn đơn vị ở thanh Status bar dưới góc phải màn hình Nếu check vào "Set/changedefault unit system" thì sau khi mở 1 file mới, đơn vị sẽ giữ nguyên

Hình 2.1 Thiết lập đơn vị

2.2 ĐỊNH NGHĨA THÔNG SỐ VẬT LIỆU

Xem cáp DUL là 1 vật liệu, ta sẽ định nghĩa vật liệu cả bêtông và cáp:

Model/propeties/Matenal

Type > Concrete: Standard > ASTM (RC)

DB > Grade C 6000 

(Mẹo: nhấn Apply để khai báo vật liệu khác mà không cần OK)

Name (Tendon): Type > User Defined: Standard > None

Analysis Data:

Modulus ò Elasticity: E = 2.e8 

Hình 2.2 Hộp thoại nhập thông số vật liệu.

Ghi chú: Trong phần này có Tab Section nhưng chúng ta không xác định vì trong phần trình tựthi công theo MSS (MSS Wizard) đã có

2.3 MÔ HÌNH TRÌNH TỰ THI CÔNG CẦU DÙNG "MSS/FSM Bridge Wizard"

Có 3 bước chính: Mô hình, Mặt cắt và cáp DUL

2.3.1 Nhập dữ liệu mô hình.

"MSS/FSM Bridge Wizard" sẽ tạo ra mô hình và các giai đoạn thi công cầu MSS và FSM 1cách tự động Sự khác nhau giữa 2 phương pháp này chỉ là tải trọng bêtông tươi và trọng lượngcop-pha Đối với FSM, bêtông tươi và cop-pha truyền cho thanh chống còn MSS thì nó truyềnvào hệ thống đúc rồi truyền qua phần chống (cách 3m so với mối nối) Vì vậy, đối với phươngpháp MSS thì tải trọng do bêtông tươi và trọng lượng hệ thống đúc đều có trong tất cả các giaiđoạn Nếu chọn theo phương pháp này thì phản lực này tự động tính và tải cho các giai đoạn thicông

Chú ý: Gía trị phải được nhập trong ô Movable Scaffolding System bởi đây là trọng lượng của

hệ thống đà di động, tải trọng bêtông tươi sẽ tự tính

Hình 2.3 phản lực từ hệ thống đà di động

Chọn loại cầu theo MSS và nhập thông số vật liệu, chiều dài nhịp, bán kính đường cong nằm,

vị trí điểm nối (Cold Joint), thời gian xây dựng mỗi nhịp (20 ngày: thừa nhận mất 15 ngày để lắpđặt đà giáo, cốt thép ván khuôn, 5 ngày đổ bêtông và giữ ẩm) Từ tuổi bêtông ban đầu, chươngtrình sẽ tính ra trọng lượng bêtông tươi

Model/Structure Wizard/MSS.FSM Bridge

Model tab

Bridge Type > MSS; Bridge Materia/ > 1: Grade C 6000

Span (10@50); Radius (on) (2380) > Conves

Fixed Support > 250 (50): Segment Division perSpan (10)

Cold Joint (S3) (0,2); Anchorage (S4) (3);

Diaphragm (S5) (1)

Stage Duration (20)

Initial Member Age (5); Movable Scaffolding Reaction (4000) 

Hình 2.4 Mô hình trong MSS/FSM Bridge Wizard

Ghi chú:

Span: Có thể nhập nếu nhịp không đều: 30, 40, 50; nếu đều 3@ 50

Fixed Support: vị trí gối cố định (các gối còn lại xem là di động)

2.3.2 Nhập các thông số mặt cắt cho dầm bêtông

Trong phần này ta sẽ xác định 2 mặt cắt, một cho mặt cắt chung và một cho mặt cắt tại điểmnối

View Option > Drawing

Hình 2.5 Nhập thông số mặt cắt đại diện

Chú ý: Trong MSS Wizard mặc định điểm gốc nằm ở Center-Bottom (ô vuông), dùng xác địnhtoạ độ cáp so với điểm này

Hình 2.6 Thông số mặt cắt đại diện

- Nhập kích thước tại điểm nối xem hình 2.7

Joint Tab: H3(0,3); H5(0,151); H7(0,07)

B4(1,75); B5(1,28); B7 (0,348)

View Option > Drawing

Diaphram Tab: H4(0,3); H5(0,151); H6(0,54); H7(0,07); H8(0,25); B5(1,28); B6(1,2); B7(0,348); B8(1,45)

View Option > Bitmap

Hình 2.7 Nhập kích thước mặt cắt tại mối nối

Hình 2.8 Mặt cắt tại mối nối

Hình 2.9 Vị trí cáp

Nhập vị trí cáp như ở hình trên

Tendon Tab

N(3); G1(0,5); G2(0,2); G3(0,5); S1(0,4); S2(0,1); C(0,2); a1(0,567); a2(0,44)

Hình 2.10 Nhập vị trí cáp

Nhập thông số cáp như diện tích cáp, các hằng số liên quan đến mất mát và cường độ cáp

Tendon Property > (xem hình 2.10)

Tendon Property >

Tendon Name (Web); Tendon Type > Iternal Material > 2: Tendon Total Tendon Area (0,0030514) hoặc: Stand Diameter > 15,2mm (0,6") (1)

Number of Stands (22)  (2)

Duct Diameter (0,112) (3)

Relaxation Coeffcient > (45) (4)

Curva ture Friction Factor (0,3) (5)

Wobble Friction Factor (0,3) (6)

Ultimate Strength (1900000) (7)

Yield Streng (1600000) (8)

Load Type > Post - Tension (9)

An chorageship > begin (0,006); End (0,006)  (10)

2 thông số a và b, trong đó:

a: khoảng cách tính từ ống cáp ngoài cùng đến mép ngoài

b: khoảng cách tính từ giữa 2 ống cáp

Hình 2.12 Sắp xếp cáp theo phương dọc

Sau khi nhập hoàn thành, nhấn OK để kết thúc MSS Wizard và xem mô hình Dùng các nút Zoom Window và Zoom Fit để xem mô hình

Point Grid (off); Point Grid Snap (off); Line Grid Snap (off)

Node Snap (on); Element Snap (on)

Display

Misc tab

Tendon profile (on) 

Zoom fit, hidden (on)

Hình 2.13 Mô hình chung khi dùng MSS Wizard

2.4 DỮ LIỆU CÔNG NGHỆ MSS

2.4.1 Định nghĩa các bước thi công

Có 2 trạng thái làm việc (Mode): Trạng thái hoàn thành (Base Stage mode) và trạng thái trong từng giai đoạn (Construction Stage mode)

Đối với trạng thái Base Stage mode, tất cả dữ liệu mô hình kết cấu, điều kiện tải trọng và điềukiện tải trọng biên được định nghĩa, nhưng phân tích không được thực hiện trong giai đoạn này.Đối với Construction Stage mode trình bày tình hình mô hình mà phép phân tích có thể thựchiện Trong trạng thái này, dữ liệu kết cấu không thể sửa hoặc xoá ngoại trừ điều kiện biên và tảitrọng trong giai đoạn đó

Trạng thái Construction stage mode được định nghĩa dùng chế độ hoạt động (activation) haykhông hoạt động (deactivation) các nhóm phần tử, nhóm điều kiện biên, và nhóm tải trọng hơn làviệc dùng những phần tử, tải trọng điều kiện biên riêng rẽ

Điều kiện biên và tải trọng mà nếu các nhóm điều kiện biên (Boudary Group) và tải trọng(Loading) có thể chỉnh sửa hoặc xoá

Để có thể xem rõ hơn, có thể dùng thay đổi các bước và chọn nhóm tải trọng và điều kiệnbiên để xem hiển thị

Bây giờ chúng ta sẽ xem hệ thống kết cấu và tải trọng bằng cách chọn một giai đoạn xây dựng

Display

Boudary tab

Support (on)

Load tab

Nodal Load (on) 

Tree Menu > Works Tab

áo đường, lan can, gờ chắn được thi công Chúng ta cần định nghĩa các bước thi công(Construction Stage), tải trọng (Loads) và tĩnh tải giai đoạn 2 Tĩnh tải giai đoạn được xem đặtliên kết cấu 10.000 ngày để tính toán từ biến

Cần phải đưa về trạng thái Base mode để định nghĩa trạng thái tải trọng

Stage > Base

Load/Static Load Cares

Name (2nd); Type > Construction Stage Load

Name (Bot Tendon); Type > Construction Stage Load

Hình 2.15 Định nghĩa điều kiện tải trọng

Định nghĩa ứng suất cáp và nhóm tải trọng tương ứng với tĩnh tải giai đoạn 2

* Định nghĩa các yếu tố cáp trong nhịp đầu tiên như sau

+ Định nghĩa toạ độ cáp

+ Thiết kế tải trọng cáp cho nhóm tải trọng "Bot Tendon"

+ Hoạt động nhóm tải "Bot Tendon" ở các bước CS01

Hình 2.17 Cáp trong nhịp đầu tiên

Định nghĩa toạ độ cáp xem hình trên (toạ độ cáp được lấy với trục tung y=0 tại Botton Centercủa dầm hộp, đã khai báo) Cáp được định trên chiều dài 40m từ điểm cuối của phần tử thứ hai

và điểm cuối phần tử thứ ba Điểm bắt đầu và kết thúc cáp cách đầu cầu 5m và cách nhịp thứ 2cũng 5m Chiều dài của 1 phần tử đơn là 50/10 = 5m

Loads/Prestress Loads/Tendon profile

1, X(0) Y(0), Z(0,68), fix (off)

2, X(5) Y(0), Z(0,062), fix (on), Ry(0), Rz(0)

3, X(35), Y(0), Z(0,062), fix (on), Ry(0), Rz(0)

(với lựa chọn fix on))

4, X(40), Y(0), Z(0,068), fix(off)

Tendon Shape > Curve; profile Insertion point (Node 2)

Radius Center (X,Y) (0,-2366,882); offset (-2,235)

Direction > CW 

(chọn curve và nhập toạ độ cáp theo đường cong tròn trên mặt bằng X-Y như hình dưới)

Tendon Name (Bot2): Tendon Property > Web

Assigned Elements (2 to 9)

Straight Length of Tendon > Begin (0); End (0)

Profile

1, X(0), Y(0), Z(0,68), fix (off)

2, X(5), Y(0), Z(0,062), fix (on), Ry(0), Rz(0)

3, X(35), Y(0), Z(0,062), fix(on), Ry(0), Rz(0)

4, X(40), Y(0), Z(0,68), fix(off)

Tendon Shape > Curve; Prile Insertion Point (Node 2) (dùng chuột chọn)

Radius Center (X,Y) (0,-2366.882); offset(2.235)

Direction > CW 

Ghi chú: Toạ độ tâm (x,y) của đường cong cầu là (0,-2366.882) vì mô hình của cầu với nút 59

là điểm đối xứng và toạ độ y của nút 59 là 13.118

Hình 2.18: Định nghĩa toạ độ cáp DƯL

* Tạo ứng suất trước cho các bó cáp đã định nghĩa trong phần trước, cho nhóm cáp

BotTendon và áp dụng cho hệ thống kết cấu

Load/Prestress Loads/Tendon Press Loads

Load Case Name > BotTendon;

Load Group name > Bot Tendon

Tendon > Bot1, Bot2 Selected Tendons

Stress value > Stress; 1st Jacking > Beging

Group List >Bot Tendon

Activation > Active Day > First 

Ghi chú: Tên của nhóm phần tử (element groups), nhóm điều kiện biên (Boundary Groups) vànhóm tải trọng (Load Groups) tự động phát sinh bằng Bridge Wizard

Hình 2.19 Hoat động cáp ứng suất trước

* Tĩnh tải giai đoạn 2: nhập tĩnh tải giai đoạn 2 trong bước thi công CS11 vì ảnh hưởng co ngót

và mất mát ứng suất trong 1000 ngày nên được xem xét trong phân tích Tạo tĩnh tải giai đoạn 2thành Load Group 2nd và đặt nó vào hệ kết cấu Độ lớn của nó là W=38KN/m theo hướng Z

Load/Element beam Loads

Select all

Load Case Name > 2nd; Load Group Name > 2nd

Option > Add; Load Type > Uniform Loads

Direction > Global Z; Projection > No

Value > Relative; X 1 (0); X 2 (1); W(-38) 

Hình 2.20 Tĩnh tải giai đoạn 2

* Hoạt động Load Group 2nd ở bước thi công CS11

Load/Construction Stage Analysis Data/ Define Construction Stage

Active Day > First 

Hình 2.21 Định nghĩa thông số vật liệu thời gian

2.4.3 Định nghĩa thông số vật liệu phụ thuộc thời gian và các liên kết gối: