Những khái niệm cơ bản 1. Sơ đồ kết cấu - Sơ đồ tính SAP2000 ch ng 1 nhng k

91 Phần II- Phần mềm SAP2000 Ch­¬ng Những khái niệm Sơ đồ kết cấu - Sơ đồ tính 1.1 Cơng trình sơ đồ tính Khi tớnh toỏn cụng trỡnh hay kết cấu, vấn đề chủ yếu xỏc định nội lực,chuyển vị, phản lực cụng trỡnh Tuy nhiờn kể đến cỏch chớnh xỏc đầy đủ cỏc yếu tố hỡnh học cỏc cấu kiện thỡ toỏn quỏ phức tạp, đú phải dựng phương phỏp trừu tượng khoa học để thay cụng trỡnh thực sơ đồ tớnh nú Sơ đồ tớnh cụng trỡnh hỡnh ảnh đơn giản hoỏ mà đảm bảo phản ỏnh sỏt với làm việc thực tế cụng trỡnh Bởi vậy, sơ đồ tớnh người ta lược bỏ cỏc yếu tố khụng xột đến cỏc yếu tố chủ yếu định khả làm việc cụng trỡnh người tớnh phải biết lựa chọn sơ đồ tớnh Khi lựa chọn sơ đồ tớnh, yếu tố cần quan tõm làm sở cho quỏ trỡnh chuyển đổi từ cụng trỡnh thực sang sơ đồ tớnh : Cấu tạo kết cấu tầm quan trọng Khả tính tốn chương trình hay phương pháp tính sử dụng Tải trọng tính chất tải trọng Sơ đồ phản ánh làm việc xác cơng trình hay chưa Có thể sử dụng số giả thiết chấp nhận để đơn giản sơ đồ Các bước cần thiết biến đổi từ cơng trình thực sơ đồ tính: Thay cấu kiện kết cấu thành phần tử nối với qua nút Tuỳ thuộc vào loại kết cấu mà phần tử biểu diễn qua đường trục ( với kết cấu hệ ) biểu diễn mặt trung gian ( kết cấu tấm, vỏ ) Thay tiết diện số đại lượng đặc trung diện tích (A), mơmen qn tính ( I ) giá trị A, I tương đương Thay thiết bị tựa liên kết tựa lý tưởng ( không ma sát ) gọi gối ( gối cứng, gối đàn hồi) 92 Ứng dụng Tin học Thiết kế cơng trình Đưa tải trọng tác dụng bề mặt cấu kiện nút, trục mặt trung gian Bỏ qua số yếu tố giữ vai trị thứ yếu (khơng cần thiết ) để đơn giản cho trình đưa sơ đồ tính Ví dụ : H×nh 1.1 Sơ đồ cơng trình H×nh 1.2 Sơ đồ tính 1.2 Phân loại cơng trình Cơng trình phân loại dựa theo tính chất làm việc kết cấu :  Kết cấu phẳng : tất cấu kiện công trình nằm mặt phẳng tải trọng tác dụng mặt phẳng cơng trình thuộc loại hệ phẳng Tuy nhiên thực tế, người ta thường đưa số cơng trình khơng gian sơ đồ tính hệ phẳng cho đơn giản, áp dụng trường hợp bị hạn chế phương pháp tính cơng cụ tính Lúc này, dựa theo tính chất làm việc cơng trình để coi hệ phẳng  Kết cấu không gian : cấu kiện cơng trình khơng nằm mặt phẳng tải trọng tác dụng ngồi mặt phẳng hệ gọi hệ khơng gian Cơng trình phân loại theo hình dạng phân thành : dầm, dàn, khung, vòm, vỏ, tấm, bản, khối két cấu hỗn hợp ( kết cấu phẳng khơng gian) 1.3 Tính tốn cơng trình Tính tốn cơng trình có nghĩa xác định nội lực chuyển vị cơng trình ( tính ứng suất, biến dạng ), sau tuỳ theo tính vật liệu mà kiểm tra xem cơng trình có Phần II- Phần mềm SAP2000 93 đủ khả chịu nguyên nhân tác dụng lên ( tải trọng, nhiệt độ, lún, lật, mỏi ) hay khơng Người ta tính cơng trình theo kiểu khác :  Tính cơng trình theo độ bền: nhằm đảm bảo cho cơng trình có khả chịu tác dụng tải trọng nguyên nhân khác mà không bị phá hoại (không gẫy, đổ, biến dạng kết cấu )  Tính cơng trình theo độ cứng: nhằm đảm bảo cho cơng trình khơng chuyển vị rung động lớn dẫn đến cơng trình trạng thái làm việc bình thường điều kiện bền đảm bảo ( không nứt, võng, lún lớn )  Tính cơng trình mặt ổn định: tìm hiểu khả bảo tồn vị trí hình dạng ban đầu cơng trình trạng thái biến dạng ( không biến dạng cấu kiện )  Tính cơng trình đảm bảo độ tin cậy, chịu mỏi : đơi sử dụng lý thuyết tính tốn thơng thường để kiểm tra cơng trình theo ba tiêu chuẩn đảm bảo theo thời gian, tải trọng gây tác dụng khác ( ví dụ mỏi ) dẫn đến cơng trình bị phá huỷ Cũng vậy, xét cách tồn diện, cơng trình hư hỏng yếu tố chưa lường trước phải kể đến độ tin cậy tính tốn Trong hầu hết phần mềm tính tốn kết cấu trước người ta ý giải việc xác định nội lực chuyển vị Thời gian gần chương trình lớn xét đến toán thiết kế ( thiết kế cấu kiện bê tông, thép, tự chọn tiết diện ) Q trình tính tốn thực chất chu kỳ lặp, q trình tính độ bền, độ cứng, ổn định cơng trình liên quan đến tính chất học vật liệu, hình dạng kích thước cấu kiện đó, kích thước cấu kiện lại định qua kiểm tra nội lực cấu kiện mà để tính nội lực lại phải giả thiết trước kích thước tiết diện Do thực tế ta thường gặp hai dạng toán:  Bài toán kiểm tra : sử dụng biết rõ hình dạng, kích thước cơng trình ngun nhân tác động bên Trong trường hợp cần phải xác định trạng thái nội lực biến dạng hệ tác động bên ngồi để xét xem cơng trình có đảm bảo đủ bền, cứng ổn định hay khơng, có kinh tế hay khơng ?  Bài tốn thiết kế : sử dụng cho trình thiết kế cơng trình, cần xác định hình dạng, kích thước cụ thể cấu kiện cơng trình cách hợp lý cơng trình đủ bền, cứng ổn định tác động nguyên nhân bên biết Bởi vậy, tốn thiết kế q trình lặp với bước sau :  Giả thiết kích thước, hình dạng cấu kiện theo kinh nghiệm phương pháp thiết kế sơ 94 Ứng dụng Tin học Thiết kế cơng trình  Tiến hành giải tốn : tính tốn theo bền, độ cứng, ổn định  Kiểm tra kết cấu có đảm bảo tiêu chuẩn hay khơng sở chỉnh lại giả thiết ban đầu lặp lại hai bước sau thoả mãn dừng  Tóm lại hai dạng tốn liên quan đến q trình tính nội lực, chuyển vị của kết cấu biết hình dạng, kích thước cấu kiện tác động bên thành phần sơ đồ kết cấu 2.1 Nút ( joint ) Như biết, kết cấu thường tạo nhiều vật thể nối với qua nút để chịu tải trọng Nói chung, nút phải đặt vị trí giao điểm phần tử Ngồi ra, nút cịn đặt thêm bên phần tử vị trí mà người dùng cần biết thêm thông số nội lực, chuyển vị Đối với hệ kết cấu muốn đưa từ công trình thực sơ đồ tính yếu tố quan trọng phải biết đặt nút vào vị trí Trong số phần mềm tính kết cấu trước đây, biết cách đánh số nút đặt vị trí nút hợp lý dẫn đến giảm nhẹ khối lượng liệu nhập vào lấy kết mong muốn cách hợp lý Trong SAP2000, nút, số điểm lưu ý trình bày mục sau 2.1.1 Vị trí nút phải đặt :  Tại điểm liên kết phần tử  Tại vị trí thay đổi đặc trưng vật liệu, đặc trưng hình học ( khơng bắt buộc )  Tại điểm cần xác định chuyển vị điểm có chuyển vị cưỡng  Tại điểm xác định điều kiện biên  Tại vị trí có tải trọng tập trung (trừ tải tập trung Frame)  Tại nơi có đặt khối lượng tập trung 2.1.2 Khi khai báo nút SAP :  Các nút tạo tự động vẽ phần tử  Số hiệu nút gán tự động  Có thể thêm nút vị trí phần tử  Hệ toạ độ cho nút lấy mặc định theo hệ toạ độ tổng thể hệ toạ độ riêng nút 95 Phần II- Phần mềm SAP2000 Khi khai báo số thành phần kết cấu điểm liên kết, bậc tự do, lực tập trung, khối lượng tập trung thường sử dụng hệ tọa độ riêng nút 2.1.3 Bậc tự nút Kết cấu bị biến dạng võng chủ yếu chuyển vị nút Mỗi nút có tối đa sáu thành phần chuyển vị, ba thành phần chuyển vị thẳng dọc theo trục ký hiệu U1, U2, U3 ba thành phần chuyển vị xoay quanh trục ký hiệu R1,R2, R3 Sáu thành phần bậc tự mơ tả hình sau: H×nh 1.3 Nút bậc tự Bên cạnh nút thông thường ( thành phần kết cấu ), chương trình tự tạo nút chủ, thường khai báo với ràng buộc( constraint) có sáu bậc tự Mỗi bậc tự loại sau :  Active : phân tích tốn, tính chuyển vị bậc tự  Restrained : khai báo số chuyển vị bị cản, phân tích, phản lực tính cho thành phần bậc tự tương ứng  Constrained : chuyển vị bậc tự tính theo (phụ thuộc) vào chuyển vị bậc tự khác  Null: chuyển vị bậc tự không ảnh hưởng đến kết cấu phân tích bỏ qua thành phần  Unvailable : Khi phân tích, chuyển vị theo bậc tự bị loại trừ, khơng kể đến Nếu chia theo nhóm coi có hai nhóm bậc tự “Available” “Unavailable” 2.1.4 Một sô đối tượng khác liên quan đến nút Khi phân tích kết cấu, số thành phần phải khai báo nút :  Các lực tập trung ( Joint Load ) 96 Ứng dụng Tin học Thiết kế công trình  Khai báo khối lượng tập trung ( Mass )  Khai báo mẫu tải trọng ( Joints Pattern ) Trong phần mềm tính kết cấu SAP2000, số kết xuất nút như:  Các giá trị chuyển vị  Các giá trị phản lực gối cứng gối đàn hồi  Các lực liên kết ( Forces )  Các dạng dao động 2.2 Phần tử Mỗi phần mềm tính toán kết cấu, tùy theo chức khả phần mềm mà có loại phần tử (PT) khác Thơng thường phần mềm có phần tử thanh, vỏ Có phần mềm đặc thù tính tốn có phần tử nước, PT ống, PTcáp SAP2000 có loại phần tử sau: 2.2.1 Phần tử ( Frame, Cable, Tendor, Brace )  Phần tử dùng để mơ hình hóa cho kết cấu dầm, dàn, khung phẳng (2D), khung không gian (3D), giằng, dây cáp  Trong sơ đồ tính phần tử biểu diễn qua đoạn thẳng trục cấu kiện, phần tử có hai nút, nút đầu ký hiệu i nút cuối ký hiệu j ( theo trật tự vẽ phần tử )  Mỗi có hệ tọa độ địa phương riêng, dùng mô tả cho đại lượng: tiết diện, khai báo tải trọng phần tử biểu thị kết nội lực Cấu trúc hệ tọa độ riêng PT có trục : Trục (đỏ ) nằm dọc theo trục thanh, chiều từ i đến j, trục (trắng),trục (xanh) hợp với trục1 theo qui tắc bàn tay phải H×nh 1.4 Hệ tọa độ riêng phần tử Trong SAP2000 vẽ phần tử trực giao, nên theo trật tự từ lên trên, từ trái sang phải, hệ trục tọa độ riêng có dạng sau :  Theo mặc định : ( trục // +Z ) -với phần tử nằm ngang ; (trục // +X)-với phần tử thẳng đứng Trong trường hợp này, hướng trục : 97 Phần II- Phần mềm SAP2000  + Khi trục +1 // +X trục +2//+Z trục +3// -Y + Khi trục +1 // +Y trục +2//+Z trục +3// +X + Khi trục +1 // +Z trục +2//+X trục +3// +Y Trong trường hợp với phần tử xiên người dùng muốn khai báo hệ tọa độ riêng khơng theo mặc định trên, dùng khai báo “Góc toạ độ phần tử” Khai báo :  Đổi chiều trục  Khai báo giá trị góc quay, cho phép quay trục 2&3 quanh trục tạo hệ tọa độ so với hệ mặc định Góc dương quay ngược chiều kim đồng hồ nhìn từ chiều dương trục  Các coi thẳng đứng góc nghiêng với trục Z