Hướng dẫn sử dụng phần mềm ETABS V9.50

Hướng dẫn chi tiết sử dụng phần mềm Etabs V9.50 của TS.Lương Văn Hải_ĐH Bách khoa TP.HCM biên soạn.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1 Chương 1 TỔNG QUAN 2.1. LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của nền kinh tế và bùng nổ dân số tại các thành phố lớn như Hà Nội, Đà Nẵng, Hồ Chí Minh, Cần Thơ… thì tốc độ phát triển cơ sở hạ tầng ngày càng tăng trưởng mạnh. Đặc biệt tại thành phố Hồ Chí Minh – trung tâm kinh tế phía Nam của Việt Nam, các nhà cao tầng có qui mô trên 20 tầng được xây dựng ngày càng phổ biến. Các tòa nhà điể n hình có thể kể đến tại Tp.HCM như Cao ốc Sài Gòn M&C (42 tầng, cao 195,3m), Time Squares (hai khối 36 tầng, cao hơn 160m), SJC Tower (52 tầng), Maritime Bank Tower (28 tầng)… Cuối năm 2010 đã khánh thành tòa nhà cao nhất Tp.HCM, cao ốc Bitexco Financial Tower, tại số 45 Ngô Đức Kế, quận 1 (Hình 1.1). Tòa nhà này được thiết kế lấy cảm hứng từ hình ảnh búp hoa sen, biểu tượng của văn hóa Việt Nam, với tổng chiều cao 262m bao gồm 68 tầng. Điểm nhấn đặc biệt cho cao ốc này là sân đỗ trực thăng được xây dựng tại tầng 50 và đài quan sát tại tầng 47 cho phép ngắm nhìn cảnh quan thành phố từ độ cao gần 200m với góc nhìn 360 độ. Tòa nhà cũng được xem là biểu tượng cho sự năng động của Tp.HCM trong thời kỳ hội nhập kinh tế. Dự báo trong những năm tiếp theo, các tòa nhà với qui mô tương đương hoặc lớn hơn sẽ còn được xây dựng tại Việt Nam. Cùng với sự phát tri ển và xây dựng mới các nhà cao tầng, các công nghệ tính toán và thiết kế kết cấu ngày càng được phát triển mạnh mẽ. Các phần mềm tính toán có thể kể đến như ETABS, SAP 2000, ABACUS, STAAD PRO… Trong số đó ETABS là chương trình tính toán kết cấu chuyên dụng cho các nhà cao tầng từ đơn giản đến phức tạp. Điểm nổi bật của ETABS là có giao diện thân thiện, dễ sử dụng, thời gian tính toán nhanh và cho kết quả khá chính xác. Hầu hết các tòa nhà cao t ầng nổi tiếng trên thế giới như cao ốc Burj Dubai (141 tầng, cao 512m tại Các Tiểu Vương Quốc Ảrập Thống Nhất), cao ốc CHƯƠNG 2: CÁC TIỆN ÍCH ỨNG DỤNG 2 Taipei 101 (101 tầng, cao 449m tại Đài Bắc, Đài Loan), Trung Tâm Tài Chính Thượng Hải (101 tầng, cao 492m tại Trung Quốc) … đều sử dụng phần mềm này để phân tích và thiết kế kết cấu. Hình 1.2 đến 1.4 mô phỏng các nhà cao tầng điển hình được tính toán trong ETABS. Hình 1.1 Cao ốc Bitexco Financial Tower (Tp.HCM, Việt Nam) Hình 1.2 Cao ốc Capital Plaza (Các Tiểu Vương Quốc Ảrập Thống Nhất) bao gồm 5 khối nhà cao tầng, mỗi khối có 4 tầng hầm và 40-45 tầng lầu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3 Hình 1.3 Cao ốc Asia Square Tower 1 (Singapore) bao gồm 3 tầng hầm và 39 tầng lầu Hình 1.4 Cao ốc Dubai Marina Office Towers (Dubai) bao gồm 4 tầng hầm và 36 tầng lầu 2.2. PHẦN MỀM ETABS 2.2.1. Các chức năng chính của Etabs ETABS cung cấp một giải pháp tổng thể cho việc phân tích và tính toán kết cấu các công trình. Các điểm nổi bật và các chức năng chính của Etabs bao gồm:  Các tòa nhà cao tầng, trung tâm thương mại, chính phủ và các cơ sở chăm sóc sức khỏe  Các nhà để xe với các ramp dốc từ đơn giản đến phức tạp  Hệ kết cấu giàn không gian  Các tòa nhà với gi ải pháp sàn dùng kết cấu thép, bê tông cốt thép hay sàn composite.  Các tòa nhà với hệ lưới hình chữ nhật hay hình tròn  Các nhà cao tầng chịu các trường hợp tải trọng thẳng đứng và ngang, bao gồm tải trọng gió và động đất  Tự động truyền tải trọng từ các kết cấu sàn lên hệ dầm và vách  Phân tích tĩnh và động P-  Phân tích ảnh hưởng của trình tự thi công đến các kết cấu ch ịu lực chính CHƯƠNG 2: CÁC TIỆN ÍCH ỨNG DỤNG 4 trong nhà cao tầng  Tính toán các kết cấu móng và gối tựa  Phân tích chuyển lớn  Phi tuyến tĩnh ngươi bị nga  tòa nhà với cơ sở cách ly và bộ giảm chấn  Drift tối ưu hóa cho các khung thép và bê tong  Tầng mô hình với màng cứng hoặc bán cứng nhắc  tự động giảm tải thẳng đứng 2.2.2. Đơn vị tính toán Phần mềm ETABS cung cấp một hệ th ống đơn vị tính toán phong phú bao gồm các đơn vị về lực (lb, kip, KN, Kgf, N và T), chiều dài (in, ft, mm, m và cm), nhiệt độ ( 0 F, 0 C) và thời gian (sec). Các tổ hợp hệ thống đơn vị bao gồm:  lb, in, 0 F, sec  lb, ft, 0 F, sec  kip, in, 0 F, sec  kip, ft, 0 F, sec  KN, mm, 0 C, sec  KN, m, 0 C, sec  Kgf, mm, 0 C, sec  Kgf, m, 0 C, sec  N, mm, 0 C, sec  N, m, 0 C, sec  T, mm, 0 C, sec  T, m, 0 C, sec  KN, cm, 0 C, sec  Kgf, cm, 0 C, sec  N, cm, 0 C, sec  T, cm, 0 C, sec Các hệ thống đơn vị hiện hành được chọn tại góc phía dưới bên phải màn hình chính của ETABS (Hình 1.5). Ngoài ta, trong một số cửa sổ con của ETABS còn cho phép chúng ta chuyển đổi hệ thống đơn vị khác so với đơn vị CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 5 hiện hành. Hình 1.5 Chọn hệ thống đơn vị hiện hành trong ETABS Chú ý:  Đơn vị của thời gian luôn luôn là giây (sec) và do đó đơn vị của tần số là Hz (số vòng/giây).  Đơn vị của chuyển vị xoay luôn luôn là Radians (rad).  Cần phân biệt rõ giữa khối lượng (mass) và trọng lượng (weight). Khối lượng được sử dụng trong tính toán các lực quán tính hay các lực động đất gây ra bởi gia tốc nền. Trọng lượng thì lại được xem như một loại lực tác dụng.  Khi bắt đầu một mô hình mới thì chương trình sẽ yêu cầu lựa chọn hệ thống đơn vị “mặc định”, nghĩa là khi chúng ta cần nhập hay xuất các kết quả tính toán theo bất kỳ hệ thống đơn vị nào thì các giá trị này cũng sẽ được qui đổi từ hệ thống đơn vị “mặc định” đã chọn. Tại Việt Nam, thường chúng ta chọn hệ thống đơn v ị “mặc định” là “T-m”. Hình 1.6 diễn tả cách chọn hệ thống đơn vị “mặc định” (thao tác File  New Model  Default.edb  Units). CHƯƠNG 2: CÁC TIỆN ÍCH ỨNG DỤNG 6 Hình 1.6 Chọn hệ thống đơn vị “mặc định” 2.2.3. Dữ liệu tầng Một trong những thuộc tính ưu việt của phần mềm ETABS là khái niệm làm việc theo tầng, nghĩa là chúng ta có thể mô hình, quản lý và làm việc kết cấu theo từng tầng riêng biệt. Điều này hết sức thuận tiện và tiết kiệm nhiều thời gian, đặc biệt trong các nhà cao tầng vì số tầng điển hình (giống nhau) lặp lại khá nhiều. Trong ETABS, một tầng được định nghĩa bởi các đối tượng bao gồm sàn, dầm, cột, vách… nằm phía dưới mặt phẳng nằm ngang cắt xuyên qua kết cấu tại một cao trình xác định. Điều này hết sức hữu dụng vì các đối tượng trên có thể dễ dàng được mô hình trong mặt phẳng ngang tại cao trình tầng xác định, thay vì phải mô hình theo mặt phẳng đứng (cột, vách…). Ngoài ra, tại góc dưới bên phải màn hình chính trong ETABS cho phép người sử dụng lựa ch ọn một trong ba cách làm việc theo tầng như sau (Hình 1.7):  One Story: chỉ cho phép làm việc với các đối tượng trên một tầng hiện hành.  All Stories: các đối tượng được hiệu chỉnh trên tầng hiện hành cũng sẽ được hiệu chỉnh giống nhau trên tất cả các tầng.  Similar Stories: các đối tượng được hiệu chỉnh trên tầng hiện hành cũng sẽ được hiệu chỉnh giống nhau trên các t ầng tương tự. Khái niệm tầng tương tự sẽ được trình bày rõ hơn trong các phần sau. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 7 Hình 1.7 Chọn cách làm việc theo tầng 2.2.4. Hệ tọa độ và lưới Các hệ tọa độ được định nghĩa trong phần mềm ETABS bao gồm:  Hệ tọa độ tổng thể (Global Coordinate System): đây là hệ tọa độ XYZ vuông góc trong không gian ba chiều. Tất cả các đối tượng trong ETABS được xác định vị trí thông qua hệ tọa độ tổng thể này. Chiều của các trục tọa độ X, Y, Z được xác định bằng qui tắc bàn tay ph ải. Chú ý: chiều của trục Z luôn luôn hướng lên trên, ngược chiều với gia tốc trọng trường và chiều của tải trọng bản thân kết cấu. Ngoài ra, để xác định và mô hình các đối tượng thì hệ lưới (grid system) ba chiều thường được sử dụng. Các hệ lưới sử dụng có thể bao gồm ba trục vuông góc hay bố trí theo tọa độ trụ và được xác định vị trí thông qua hệ tọa độ tổng th ể XYZ. Khi hệ lưới dịch chuyển thì có thể làm các đối tượng gắn liền với hệ lưới này dịch chuyển theo. Ngoài ra, để hổ trợ việc mô hình các đối tượng thêm chính xác, ETABS cũng cung cấp việc truy bắt điểm (snap) theo hệ lưới giống như trong phần mềm vẽ AutoCAD. Các cách truy bắt điểm bao gồm điểm đầu, điểm cuối, điểm giữa, vuông góc, song song. Các tiệ n ích này sẽ được trình bày rõ hơn trong chương tiếp theo.  Hệ tọa độ địa phương (Local Coordinate System): đây là hệ tọa độ gắn liền với mỗi đối tượng được mô hình trong ETABS. Hệ tọa độ này dùng để định nghĩa các đặc trưng vật liệu, tải trọng và các kết quả nội CHƯƠNG 2: CÁC TIỆN ÍCH ỨNG DỤNG 8 lực (lực dọc, lực cắt, mômen) và ứng suất. Các trục của hệ tọa độ địa phương được định nghĩa là bằng số 1, 2 và 3. Trong đó trục 1 màu đỏ, trục 2 màu trắng và trục 3 màu xanh. Các trục địa phương vuông góc với nhau và chiều cũng được xác định bằng qui tắc bàn tay phải. Chú ý: khác với hệ trục tọa độ t ổng thể thì hệ trục tọa độ địa phương không có hệ lưới gắn liền.  Hệ tọa độ phụ (Additional Coordinate System): đây là hệ tọa độ nhằm hổ trợ trong việc mô hình và xem các đối tượng trong ETABS. Hệ tọa độ này đặc biệt hữu dụng khi cần mô hình các kết cấu phức tạp. 2.2.5. Các đối tượng Như đã trình bày ở trên, ETABS sử dụ ng các đối tượng để mô hình các kết cấu. Các loại đối tượng sau được sử dụng trong phần mềm này:  Đối tượng điểm (Point Objects): bao gồm 2 loại là (1) Đối tượng nút (Joint Objects) các đối tượng này được tự động tạo ra tại các điểm góc, đầu hay cuối của việc mô hình, và (2) Đối tượng liên kết đất (Grounded Link Objects) các đối tượng này được sử dụng trong việc mô hình các gối tựa đặ c biệt như thiết bị cản (dampers), cô lập dao động (isolators), liên kết lò xo (springs)…  Đối tượng đường (Line Objects): bao gồm 2 loại là (1) Đối tượng thanh (Frame Objects) các đối tượng này dùng để mô hình dầm, cột, thanh giằng và hệ dàn, và (2) Đối tượng liên kết (Connecting Link Objects) các đối tượng này được sử dụng trong việc mô hình các liên kết thanh đặc biệt như thiết bị cản (dampers), cô lập dao động (isolators), liên kết lò xo (springs)… Khác với đối tượng thanh thì đối t ượng liên kết có thể có chiều dài bằng 0.  Đối tượng vùng (Area Objects): các đối tượng này dùng để mô hình vách cứng, sàn và các kết cấu thành mỏng. Các đối tượng vùng cần phải được chia nhỏ khi phân tích nhằm đạt kết quả chính xác. 2.2.6. Qui ước dấu nội lực của đối tượng đường Trong đối tượng đường tổng quát, nội lực trên mặt cắt ngang bất kỳ của phần tử sẽ có sáu thành ph ần, bao gồm: CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 9  P: Lực dọc, có chiều dương là gây kéo tại tiết diện đang xét và chiều âm gây nén.  V 2 : Lực cắt theo phương trục 2, lực  V 3 : Lực cắt theo phương trục 3  T: Mô men xoắn  M 2 : Mô men uốn xoay quanh trục 2  M 3 : Mô men uốn xoay quanh trục 3 Dấu của các thành phần nội lực này được quy ước như Hình 8 2.2.7. Qui ước dấu nội lực của đối tượng vùng CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 1 Chương 2 PHƯƠNG PHÁP CHUNG THIẾT KẾ TRONG ETABS 2.1. LỜI NÓI ðẦU Chương này sẽ trình bày các bước chính ñể mô hình và giải các bài toán cơ bản trong ETABS. Các bài toán bao gồm: • Kết cấu khung phẳng chịu các loại tải trọng • Kết cấu sàn nhịp giản ñơn • Kết cấu khung không gian có mô hình sàn, dầm và cột • Kết cấu vách giản ñơn • Kết cấu khung không gian có mô hình sàn, dầm, cột và vách Nhìn chung, trình tự các bước chính ñể giải bài toán bao gồm như sau: a. Tạo hệ lưới và chọn ñơn vị tính toán b. Khai báo các thông số ñầu vào của bài toán bao gồm: vật liệu, tiết diện, tải trọng và ñiều kiện biên c. Tạo mô hình kết cấu d. Gán các giá trị tính toán bao gồm: tải trọng e. Tổ hợp tải trọng f. Chia lưới phần tử (chia ảo và chia thật) và chọn dạng bài toán ñể giải g. Giải bài toán và xuất các kết quả cần tìm Sau khi ñọc xong chương này thì ñọc giả có thể làm quen các thao tác cơ bản ñể giải các bài toán ñiển hình. ðặc biệt sau mỗi bài toán trình bày sẽ có các bài tập và các ñáp án ñể ñọc giả có thể tự thực hiện và so sánh. 2.2. CÁC BÀI TOÁN CƠ BẢN 2.2.1. Kết cấu khung phẳng chịu các loại tải trọng [...]... làm cơ sở để rút ra những thao tác tiện ích cho việc mô phỏng trong ETABS Thuật ngữ “ba bước trước khi giải” được sử dụng trong Chương này với mục đích nhằm giải thích kỹ ba chức năng luôn luôn được thực hiện trong quá trình phân tích Bên cạnh đó, các chức năng Dầm ảo, sàn ảo được sử dụng để mô phỏng các loại tải trọng phân bố trên phần tử Frame và Shell, ví dụ như tải tường đặt trực tiếp trên sàn hoặc... được đề cập đến trong Chương này Với những sự hổ trợ tích cực của thao tác này, người sử dụng dễ dàng truy xuất các dữ liệu đầu ra của bài toán dao động riêng và nhập tải trọng gió, động đất nhanh chóng vào mô hình ETABS Đây là thao tác đánh dấu sự khác biệt lớn giữa hai cách nhập tải trọng trên trong phần mềm SAP2000 và ETABS Một vấn đề rất quan trọng khác để mô hình chính xác kết cấu giống như bản vẽ... Auto Meshing Hình 2.4 Auto Meshing 3.1.4 Nhận xét Nếu chia lưới tự động cho các phần tử Frame tại các vị trí giao nhau thì nội lực và chuyển vị của các phần tử Frame mới làm việc chung với nhau Do đó, phải thao tác Automatic Frame Subdivide trước khi phân tích nội lực và chuyển vị khi sử dụng ETABS 3.2 TỰ ĐỘNG CHIA LƯỚI ẢO CHO PHẦN TỬ SHELL 3.2.1 Mục đích Khai báo các tùy chọn tự động chia nhỏ các đối... Design Property Data: các thông s khai báo cho vi c thi t k k t c u t ñ ng trong ETABS Các thông s này tùy thu c vào các modul tiêu chu n thi t k ñư c tích h p s n trong ETABS Ph n này s ñư c trình bày rõ hơn trong các chương sau 8 CHƯƠNG 3: CÁC TIỆN ÍCH ỨNG DỤNG Chương 3 CÁC TIỆN ÍCH ỨNG DỤNG Chương này sẽ trình những ứng dụng hổ trợ nâng cao trong quá trình phân tích nội lực và chuyển vị trong kết cấu... với Pier trong việc truy xuất nội lực khi tính móng chung, từ đó rút ra kết luận quan trọng về hai ứng dụng này 3.1 TỰ ĐỘNG CHIA NHỎ PHẦN TỬ FRAME 3.1.1 Mục đích Chức năng chia nhỏ phần tử thanh (Frame) được thực hiện trong ETABS nhằm rời rạc hóa kết cấu một cách tự động cho quá trình phân tích Đối với phần tử Frame, ngoài việc chia nhỏ tại vị trí giao nhau giữa dầm và cột, các giao điểm của đối tượng... sánh l i gi i ETABS v i l i gi i c a cơ k t c u q = 0.3T/m B 200 x 300 A C 3m C 200 x 200 B C 200 x 200 M= 0.5Tm P = 2T D 5m Hình 2.1 K t c u khung ph ng ch u các lo i t i tr ng a T o h lư i và ch n ñơn v tính toán Kh i ñ ng chương trình ETABS b ng cách nh p ñúp chu t vào bi u tư ng ETABS trên màn hình n n ho c vào ñư ng d n sau Start → All Programs → Computers and Structures → ETABS 9 → ETABS Màn hình... Dưới đây là một số phương án mô phỏng tải trọng tường tác dụng trực tiếp trên sàn: Nhóm mô hình phần tử Frame và nhóm mô hình đối tượng Area Nhóm mô hình phần tử Frame: chia lưới thủ công, tải tường quy thành tải tập trung trên các nút của phần tử sàn (đã được chia nhỏ) mà tường đi qua  Mô hình 1: ô sàn được chia thật (Mesh area) thành 20 phần tử (5x4) Tường đi qua 5 nút, tải trọng tập trung mỗi nút... rạc Khi đó, việc mô hình nhiều phần tử liên kết với nhau tại giao điểm tốn rất nhiều thời gian và các kết quả phân tích cũng phức tạp Khắc phục nhược điểm này, ETABS cho phép kéo dài đối tượng đường một cách tùy ý, quá trình phân tích sẽ tự động chia nhỏ nhưng kết quả nhận được sẽ thể hiện trên các phần tử ban đầu Động tác này cần phải phân biệt với khái niệm chia thật phần tử Frame (Edit  Divide lines)... bàn luận đến Thao tác này tạo sự khác biệt lớn giữa SAP2000 và ETABS khi muốn xuất nội lực và thiết kế vách cứng trực tiếp trong ETABS Đặt biệt, chức năng Pier còn hổ trợ tích cực 1 CHƯƠNG 2: CÁC TIỆN ÍCH ỨNG DỤNG cho việc truy xuất dữ liệu tính móng chung cho những đối tượng vách cứng và cột khi chúng được bố trí gần nhau Và cuối cùng, ứng dụng Section Cuts trong việc xuất ra nội lực và chuyển vị khi... Mesh if Shell or Plate): Tự động chia nhỏ theo mặc định của ETABS, nghĩa là chỉ tự động chia nhỏ đối tượng vùng thuộc dạng Membrane (phần tử màng chỉ chịu kéo hoặc nén) tại vị trí giao nhau giữa đối tượng với dầm và vách cứng; và không tự động chia cho các đối tượng Shell hay Plate (phần tử vùng chịu lực phức tạp) 4 CHƯƠNG 3: CÁC TIỆN ÍCH ỨNG DỤNG o For Defining Rigid Diaphragm and Mass Only (No Stiffness . được phát triển mạnh mẽ. Các phần mềm tính toán có thể kể đến như ETABS, SAP 2000, ABACUS, STAAD PRO… Trong số đó ETABS là chương trình tính toán kết cấu chuyên dụng cho các nhà cao tầng từ. 2: CÁC TIỆN ÍCH ỨNG DỤNG 2 Taipei 101 (101 tầng, cao 449m tại Đài Bắc, Đài Loan), Trung Tâm Tài Chính Thượng Hải (101 tầng, cao 492m tại Trung Quốc) … đều sử dụng phần mềm này để phân tích. Marina Office Towers (Dubai) bao gồm 4 tầng hầm và 36 tầng lầu 2.2. PHẦN MỀM ETABS 2.2.1. Các chức năng chính của Etabs ETABS cung cấp một giải pháp tổng thể cho việc phân tích và tính toán