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

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 điển 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 triển 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 tầng nổi tiếng trên thế giới như cao ốc Burj Dubai (141 tầng, cao 512m tại Các Tiểu Vương Quốc Ảrập Thống Nhất), cao ốc

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

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 giải 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 chịu lực chính

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 thống 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 (0F, 0C) và thời gian (sec) Các tổ hợp hệ thống đơn vị bao gồm:

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

 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 vị “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)

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 chọn 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 tầng tương tự Khái niệm tầng tương tự sẽ được trình bày rõ hơn trong các phần sau

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 phải

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 thể 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 tiện 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

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 tổng 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 dụng 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 đặc 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 tượng 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 phần, bao gồm:

 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

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

Cho hệ khung phẳng ABCD chịu các loại tải trọng như Hình 2.1, tiết diện của dầm BC, cột AB và CD lần lượt là B200 x 300 và C200 x 200 Vật liệu của khung dùng bê tông cấp ñộ bền B25 (tương ñương mác 350) có cường ñộ nén

(1) Vẽ các biểu ñồ nội lực (lực dọc, lực cắt và momen) và xác

ñịnh chuyển vị ngang của khung tại ñiểm C

(2) Bỏ qua trọng lượng bản thân (TLBT) của dầm và cột, hãy

so sánh lời giải ETABS với lời giải của cơ kết cấu

Hình 2.1 Kết cấu khung phẳng chịu các loại tải trọng

a Tạo hệ lưới và chọn ñơn vị tính toán

Khởi ñộng chương trình ETABS bằng cách nhấp ñúp chuột vào biểu tượng

→ Computers and Structures → ETABS 9 → ETABS Màn hình giao diện

chính của ETABS sẽ xuất hiện

Hình 2.2 Giao diện chính của ETABS

Thiết lập bài toán mới bằng cách nhấp chuột vào biểu tượng trên giao

diện chính của ETABS hoặc bấm tổ hợp phím tắt Ctr + N, hoặc vào ñường dẫn sau File → New Model Màn hình bài toán mới sẽ xuất hiện:

Hình 2.3 Hộp thoại tạo mô hình kết cấu mới

Các chọn lựa:

o Choose.edb: phát triển bài toán mới từ một bài toán ETABS có sẵn (chú ý:

các file ETABS ñược lưu với 3 ký tự cuối là edb)

o Default.edb: chọn bài toán mới từ các dữ liệu mặc ñịnh của ETABS

Sau ñó chọn No ñể tiếp tục, màn hình kế tiếp sẽ xuất hiện:

Hình 2.4 Chọn hệ lưới và các dữ liệu về tầng

Các chọn lựa bao gồm:

o Grid Dimensions (Plan): các dữ liệu về hệ lưới tọa ñộ trên mặt bằng

o Uniform Grid Spacing: khoảng cách giữa các lưới trong tọa ñộ vuông góc

o Number Lines in X Direction: số ñường lưới theo phương X

o Number Lines in Y Direction: số ñường lưới theo phương Y

o Spacing in X Direction: khoảng cách ñều giữa các lưới theo phương X

o Spacing in Y Direction: khoảng cách ñều giữa các lưới theo phương Y

o Custom Grid Spacing: tùy chỉnh khoảng cách lưới

o Story Dimensions: các dữ liệu về tầng

o Simple Story Data: dùng dữ liệu ñơn giản về tầng

o Number of Stories: số tầng của kết cấu

o Typical Story Height: chiều cao tầng ñiển hình

o Bottom Story Height: chiều cao tầng ñiển hình

o Custom Story Data: tùy chỉnh các dữ liệu về tầng

o Units: chọn ñơn vị “mặc ñịnh” ñể tính toán

o Add Structural Objects: thêm vào các kết cấu cho sẵn

Như ñã trình bày trong Chương 1, hệ trục tọa ñộ tổng thể của ETABS bao gồm trục Z có chiều ngược với trọng trường, trục X và Y trong mặt phẳng nằm ngang và vuông góc với trọng trường Các trục này ñược xác ñịnh theo qui tắc bàn tay phải

Chọn hệ ñơn vị là “T-m” Sau ñó nhập vào số lưới và các khoảng cách giữa các lưới như hình vẽ Sau ñó chọn OK ñể xác nhận các thông số của kết cấu

Chú ý: sau ñó ETABS hiện ra màn hình giao diện chính, chọn tiếp hệ ñơn vị

mặc ñịnh là “T-m” tại góc dưới bên phải màn hình Nếu không thực hiện thao tác này thì ETABS sẽ chọn ñơn vị mặc ñịnh theo tiêu chuẩn Mỹ là “kip- in” rất khó ñể thao tác sau này

Chọn File → Save hoặc nhấp chuột vào biểu tượng → hộp thoại Save

Model File As xuất hiện và cho phép ñặt tên file cũng như vị trí lưu trong

máy tính ðặt tên file là 2D_frame.EDB

tay phải Trong ETABS có các chế ñộ View chính như sau:

nhật ñược chọn

giao diện chính

tượng

Ngoài ra trong ETABS còn cho phép một chế ñộ xem khác là View → Set

Building View Limits… Chế ñộ này nhằm cung cấp cho người dùng các kiểu

nhìn có giới hạn của kết cấu Ví dụ chúng ta ñang làm việc với các tầng 1 ñến 3 của nhà cao 20 tầng thì có thể chọn chế ñộ chỉ xem từ tầng 1 ñến 3, các tầng khác sẽ không ñược hiển thị ðiều này giúp cho người dùng thao tác sẽ tránh bị nhầm lẫn

o Set Story Range (Top Story và Bottom Story): giới hạn góc nhìn theo

tầng bởi các vị trí tầng ở trên (Top Story) và tầng bên dưới (Bottom Story)

Khai báo các ñặc trưng vật liệu

Chọn Define → Material Properties… hoặc nhấp chuột vào biểu tượng , sau ñó xuất hiện hộp thoại Define Materials như hình

Trong ETABS cung cấp sẵn ñặc trưng của 2 loại vật liệu là bê tông

(CONC) và thép (STEEL) Nhập chuột chọn Add New Material… hộp thoại

Material Property Data (các ñặc trưng vật liệu) xuất hiện

Các chọn lựa bao gồm:

o Material Name: ñặt tên của loại vật liệu, nhập vào B25 ứng với mác bê

tông của ñề bài

o Type of Material: loại vật liệu là ðẳng hướng (Isotropic) hay Trực hướng (Orthotropic) ðối với vật liệu ðẳng hướng (Isotropic) như bê tông, thép

thì các giá trị modul ñàn hồi E, hệ số Poisson ν, hệ số giãn nở vì nhiệt α, modul ñàn hồi trược G là như nhau theo 3 hướng Tuy nhiên ñối với vật liệu Trực hướng (Orthotropic) như gỗ, tre… thì các giá trị trên là khác nhau theo 3 hướng

o Mass per unit Volume: khối lượng riêng của vật liệu Chú ý: giá trị này

thường ñược khai báo ñối với các bài toán tính toán ñộng ñất hay dao ñộng của kết cấu ðối với các bài toán phân tích tĩnh thì giá trị này hoàn toàn không ảnh hưởng ñến kết quả phân tích

o Weight per unit Volume: trọng lượng riêng của vật liệu, ñược tính bằng

khối lượng riêng nhân với gia tốc trọng trường g = 9.81 /m s2

o Modulus of Elasticity: modul ñàn hồi E của vật liệu

o Poisson’s Ratio: hệ số Poisson ν

o Coeff of Thermal Expansion: hệ số giãn nở vì nhiệt α của vật liệu

o Shear Modulus: modul ñàn hồi trượt G của vật liệu

o Display Color: chọn màu cho vật liệu khai báo

o Design Property Data: các thông số khai báo cho việc thiết kế kết cấu tự

ñộng trong ETABS Các thông số này tùy thuộc vào các modul tiêu chuẩn thiết kế ñược tích hợp sẵn trong ETABS Phần này sẽ ñược trình bày rõ hơn trong các chương sau

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 Các cách phân tích này được so sánh với những mô hình tương tự 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 tải hồ nước đặt trực tiếp trên mái…

Ngoài ra, chức năng Sàn cứng cũng 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 kiến trúc đó là chức năng Insertion point Đây là thao tác nhằm diễn tả

chính xác vị trí của phần tử Frame trong lúc mô hình Đồng thời, các ứng dụng

của nó cũng đáng quan tâm như lệch trục cột, mô phỏng cột xiên…

Lâu nay, khi học môn học Bê tông cốt thép, ai cũng biết rằng khi truy xuất nội lực của bài toán khung, có thể xuất theo hai sơ đồ, đó là sơ đồ đàn hồi và sơ

đồ dẻo Muốn làm được việc này, ETABS đã hổ trợ tiện ích End Length Offsets

Tiếp theo trong Chương này, chức năng gán Pier và Spandrel trong việc truy xuất dữ liệu đầu ra cho vách cứng cũng được 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

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 thiết kế móng và sàn cũng được nhắc đến trong Chương này So sánh chức năng này 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 đường với đối tượng đường khác hoặc với cạnh của đối tượng vùng cũng phải được rời 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) Chia thật là động tác rời rạc hóa không tự động, kết quả

phân tích sẽ hiển thị lên từng phần tử đã chia nhỏ Điều này không hiệu quả cho việc phân tích vì sẽ tăng thời gian tính toán

oAuto Mesh at Intermediate Points: Tự động phân chia các đối tượng

đường tại các điểm trung gian Các điểm này là của phần tử khác hoặc các điểm mesh của phần tử vùng (Area)

oAuto Mesh at Intermediate Points and Intersecting Lines/Edges: Tự

động phân chia các đối tượng đường tại các điểm trung gian, hoặc tại các

vị trí giao nhau với các đối tượng đường khác, hoặc cạnh của các đối

tượng vùng khác Chú ý: ETABS mặc định chức năng này

o No Auto Meshing: Không tự động phân chia trong quá trình phân tích bài toán Chức năng này được dùng trong các bài toán không cần rời rạc hóa 3.1.3 Ứng dụng

Hệ dầm trực giao có kích thước 250x600mm chịu tải trọng phân bố đều q=1T/m như hình sau

Hình 2.2 Sơ đồ nghiên cứu

Kết quả phân tích chuyển vị và nội lực của hệ kết cấu trên khi thực hiện hai cách chia lưới tự động cho phần tử Frame như Hình 2.3 và Hình 2.4

Mô hình

Chuyển

vị (m)

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 tượng vùng Area Chia nhỏ các đối tượng vùng là công việc hết sức quan trọng, nếu muốn đảm bảo độ chính xác thì các đối tượng vùng phải được chia nhỏ một cách tương ứng, nghĩa

là các phần tử phải được nối với nhau tại tất cả các điểm nằm trên cạnh chung

Phân biệt chia lưới tự động và chia thật Mesh area Chia thật đối tượng

vùng sẽ hình thành n phần tử vùng nhỏ hơn, điều này sẽ bất lợi cho việc hiệu

chỉnh mô hình và truy xuất kết quả phân tích

3.2.2 Cách thực hiện

Chọn các đối tượng Area cần chia nhỏ, thao tác Assign  Shell/Area  Area Object Mesh Options

Giải thích các công cụ trong hộp thoại Hình 2.5:

Floor Meshing options: Các tùy chọn tự động chia nhỏ các đối tượng vùng

o Default (Auto Mesh at Beams and Walls if Membrane – No Auto 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)

o For Defining Rigid Diaphragm and Mass Only (No Stiffness – No Vertical Load Transfer): Đối tượng vùng chỉ được đưa vào để định nghĩa

màng cứng và khối lượng Đối tượng này không có độ cứng, không chịu tải

o Mesh at Visible Grids: Chia nhỏ tại các đường lưới

o Futher Subdivide Auto with Maximum Element Size of … : Tự động chia nhỏ với kích thước lớn nhất của các phần tử

Hình 2.5 Hộp thoại Area Object Auto Mesh Options

Ramp and Wall Meshing Options: Các tùy chọn tự động chia nhỏ vách cứng (Wall) và Ram dốc (Ramp)

o No Subdivision of Object: Không tự động chia nhỏ

o Subdivide Object into … vertical and … horizontal: Tự động chia nhỏ các vách cứng theo số phần tử phương đứng và ngang

o Subdivide Object into Elements with Maximum Element Size of … : Tự động chia nhỏ với kích thước lớn nhất của các phần tử

o Add restraints/constraints on edge if corners have

restraints/constraints: Thêm vào ràng buộc biên tại các cạnh nếu có (xem ràng buộc biên Line Constraint)

Khi thực hiện thao tác trên xong, không thấy đã chia nhỏ trên mô hình Để

xem kết quả mô hình, nhắp chuột vào biểu tượng tùy chọn  Hộp thoại Set

Buiding View Options xuất hiện, trong hộp thoại này chọn Auto Area Mesh

3.2.3 Ứng dụng

Khởi tạo mô hình khung như Hình 2.6 nhằm giải thích tại sao phải chia nhỏ phần tử Shell trong quá trình mô phỏng kết cấu Mô hình này có hệ lưới 6x6x3m bao gồm các cột có kích thước 300x300mm, dầm 200x400mm và sàn dày 120mm chịu tải trọng phân bố đều q=1T/m2

phân tích đúng Ngoài ra, Hình 2.7 và Hình 2.8 cho thấy rằng tại mỗi điểm chia nhỏ, sàn và dầm sẽ có cùng chuyển vị Việc chia nhỏ sàn sẽ làm kết quả tính toán nội lực của dầm mà sàn truyền tải lên chính xác hơn

Do vậy, khi mô hình kết cấu bằng ETABS, phần tử shell phải được chia

nhỏ tự động - Auto Area Mesh để tất cả các cấu kiện khác cho kết quả chuyển

vị và nội lực hợp lí Nghĩa là chúng ta phải thực hiện thao tác Area Object Mesh trước khi phân tích kết quả trong ETABS

Khai báo các tùy chọn ràng buộc biên tự động Auto Line Constraint để

liên kết các đối tượng vùng với nhau Chức năng này được áp dụng trong trường hợp không thể chia nhỏ các đối tượng vùng một cách tương ứng, nghĩa

là chúng không được nối với nhau tại tất cả các điểm nằm trên cạnh chung Khi

đó để đảm bảo độ chính xác, ETABS sẽ tự động tạo ra các đối tượng đường

Line Constraint để liên kết các đối tượng vùng với nhau, đảm bảo sự tương

thích tại chỗ giao nhau mà chúng được chia lưới Mặc dù vậy, không nên quá lạm dụng công cụ này và khi phân chia các đối tượng vùng cố gắng sao cho chúng được nối với nhau tại càng nhiều điểm nằm trên cạnh chung càng tốt

3.3.2 Cách thực hiện

Chọn các đối tượng vùng Area, thao tác Assign  Shell/Area  Auto Line Constraint

Hình 2.9 Hộp thoại Auto Line Constraint Options

o Do Not Create Line Constraints: Không tạo ra các Line Constraints

oCreate Line Constraints around: Tạo ra các Line Constraints

o Walls and Ramps: Tạo ra các Line Constraints xung quanh các vách cứng (Walls) và Ram dốc (Ramps)

oFloors: Tạo các Line Constraints xung quanh các ô sàn (Floors)

o Apply to Full Structure (not just Selection): Áp dụng cho toàn bộ các đối tượng trong mô hình (không chỉ riêng cho các đối tượng đã chọn)

Hình 2.10 Không cần Line Constraints Hình 2.11 Cần tạo Line Constraints

3.3.3 Ứng dụng

Ứng dụng 1: Auto Line Constraint cho SÀN

Mô hình nghiên cứu có hệ lưới 12x6x3m bao gồm các cột có kích thước 300x300mm, dầm 200x400mm và sàn dày 120mm chịu tải trọng phân bố đều q=1T/m2 Sàn được chia làm hai tại vị trí 4m như hình sau

Hình 2.12 Mô hình nghiên cứu

Khởi tạo hai mô hình như Hình 2.13

Line Constraint

 Mô hình nằm phía trên được chia lưới không đều nhau (các điểm trên cạnh chung không cùng điểm chia);

 Mô hình còn lại ở dưới chia lưới tự động có cạnh chung và các điểm được nối với nhau (cho kết quả chính xác)

Thực hiện tạo Auto Line Constraint cho tất cả kết cấu như Hình 2.9 Kết

quả phân tích nội lực của sàn như Hình 2.14

Hình 2.13 Mô hình sàn chia lưới khác nhau tại cạnh giao nhau

Hình 2.14 Nội lực gần giống nhau khi tạo Line constraint

Và khi không tạo Auto Line Constraint cho tất cả kết cấu (hiệu chỉnh như

Hình 2.15), kết quả phân tích nội lực của sàn như Hình 2.16

Hình 2.15 Không tạo Auto Line Constraint

Hình 2.16 Nội lực khác nhau hoàn toàn khi không tạo Auto Line Constraint

Hình 2.14 cho thấy kết quả nội lực có thể chấp nhận được khi tạo Auto Line Constraint cho việc nối các sàn với nhau Kết quả sẽ không giống với mô hình chính xác khi không tạo Auto Line Constraint như Hình 2.16

Ứng dụng 2: Auto Line Constraint cho VÁCH CỨNG

Khởi tạo mô hình vách cứng dày 200mm có tổng chiều dài 5m và cao 8m chịu tải trọng ngang P=1T như hình vẽ

Hình 2.17 Mô hình vách nghiên cứu

Tiến hành mô phỏng bốn mô hình và thu được các kết quả phân tích chuyển

vị và nội lực như Hình 2.18 đến Hình 2.19 Sau đó, so sánh chuyển vị ngang tại đỉnh vách cứng thông qua các mô hình phân tích được trình bày theo Bảng 2.1

Bảng 2.1 Kết quả chuyển vị ngang đỉnh của vách cứng

Mô hình

Chuyển vị ngang đỉnh vách cứng (m)

Nhận xét

Hình 2.18 0.036193 Chấp nhận vì mô hình chia lưới tốt

Hình 2.19 0.036952 Có thể chấp nhận vì chia lưới tương đối và có tạo Auto Line Constraint Hình 2.20 0.054020 Không chấp nhận vì chia lưới không tốt

Hình 2.21 5x1012 Không chấp nhận vì chia lưới không tốt

và không tạo Auto Line Constraint

Hình 2.18 Vách chia lưới tốt Hình 2.19 Vách chia gần tốt(Tạo

Auto Line Constraint)

Nhận xét

Thông qua kết quả thu được từ Hình 2.18 và Hình 2.19 nhận thấy rằng

chuyển vị và nội lực của mô hình vách khi chia lưới tốt gần bằng với mô hình

vách được chia lưới vách gần tốt (tạo Auto Line Constraint) Hình 2.20 và Hình 2.21 cho kết quả chuyển vị và nội lực khác hẳn với hai mô hình trên

Do vậy, chức năng Auto Line Constraint chỉ hỗ trợ cho việc mô phỏng khi chia lưới tương đối tốt Ngược lại, không nên quá lạm chức năng này trong khi chia lưới không đạt yêu cầu

(Tạo Auto Line Constraint)

Hình 2.21 Vách chia chưa tốt(Không

tạo Auto Line Constraint)

Ứng dụng 3: Auto Line Constraint cho TƯỜNG VÂY VÀ RAM DỐC

Khởi tạo mô hình có chiều dài 6m, rộng 4m và cao 3m gồm tường vây dày 300mm và ram dốc dày 120mm chịu tải trọng ngang 50T/m2 như hình vẽ

Hình 2.22 Mô hình chia lưới vách cứng và ram dốc

Hình 2.23 Mô hình tường vây và ram

dốc (Không tạo Auto Line Constraint)

Hình 2.24 Mô hình tường vây và ram

dốc (Tạo Auto Line Constraint)

Hình 2.23 cho thấy việc chia lưới cho tường vây và ram dốc không tốt vì các nút của phần tử Shell không được nằm chung trên một cạnh chung và các nút này không làm việc chung với nhau Khi tạo Auto Line Constraint, tường vây và ram dốc làm việc tốt với nhau thể hiện ở chuyển vị và nội lực Hình 2.24 Ngược lại, khi không tạo chức năng này, ram dốc không làm việc chung với tường vây như Hình 2.23, chỉ liên kết tại nút chung giữa hai đối tượng này

3.3.4 Nhận xét

Để đảm bảo độ chính xác của kết quả phân tích, phân chia các đối tượng

vùng Area sao cho chúng được nối với nhau tại càng nhiều điểm nằm trên cạnh

chung càng tốt ETABS sẽ tự động tạo ra các Line Constraint để liên kết các

đối tượng vùng với nhau, đảm bảo sự tương thích tại chỗ giao nhau mà các đối tượng được chia lưới có thể không cần trùng nút Tuy nhiên, chúng ta không nên quá lạm dụng chức năng này khi chia lưới mà khoảng cách các nút của đối tượng vùng quá xa nhau

3.4 DẦM ẢO – NONE FRAME

3.4.1 Mục đích

Trong quá trình lập mô hình, tải trọng tường đặt trên dầm được gán bằng tải phân bố đều Tuy nhiên, khi cần gán tải trọng tường xây trực tiếp trên sàn (không thiết kế dầm đỡ tường) thì phải mô phỏng như thế nào? Có rất nhiều phương án để thực hiện đều này, nhưng phương án DẦM ẢO là tối ưu nhất DẦM ẢO là dầm mang đặc trưng NONE, có màu xanh (màu mặc định của dầm thông thường là màu vàng) Dầm này có đặc tính không trọng lượng bản thân, không mô đun đàn hồi (không có độ cứng), chỉ có tác dụng truyền tải trọng của tường xây vào sàn

3.4.2 Cách thực hiện

Cách 1: Khi vẽ đối tượng Frame bằng thanh công cụ hoặc , chọn

mục Property: NONE

Hình 2.25 Gán đặc trưng NONE cho dầm ảo

Cách 2: Chọn các đối tượng đường Frame, thao tác Assign  Frame/Line  Frame section  NONE

3.4.3 Ứng dụng

Khảo sát mô hình như Hình 2.26 có các kích thước thể hiện trên mặt bằng, cột 300x300mm, dầm 200x400mm, sàn dầy 100mm, tường gạch 100mm (trọng lượng tường 0.6T/m, tổng trọng lượng tường là 0.6 4 2.4  T).

Hình 2.26 Mặt bằng mô hình khảo sát

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 phải chịu là 2.4 / 5 = 0.48(T)

 Mô hình 2: ô sàn được chia thật (Mesh area) thành 80 phần tử (10x8) Tường đi qua 9 nút, tải trọng tập trung mỗi nút phải chịu là 2.4 / 9 = 0.27(T)

Nhóm mô hình đối tượng Area: cả ô sàn là 1 đối tượng vùng Area, gán chế

độ chia lưới tự động (Auto Mesh Area)

 Mô hình 3: ô sàn là 1 Area, chia lưới tự động với khoảng cách lưới không quá 1m Trọng lượng tường được quy thành lực phân bố đều trên diện tích

ô sàn là 2.4 / (4×5) = 0.12 T/m2 Đây là phương pháp đơn giản hay được

sử dụng trong thực tế  có chính xác không?

 Mô hình 4: ô sàn là 1 Area, chia lưới tự động với khoảng cách lưới không quá 1m Mô tả thêm 1 dầm chìm (kích thước 10x10cm) bằng bê tông cốt thép (theo chiều dày tường và chiều dày sàn) Trọng lượng tường trên sàn được nhập dưới dạng lực phân bố đều trên chiều dài dầm chìm là 0.6 T/m

 Mô hình 5: giống mô hình 4, vẫn dùng 1 Area cho cả ô sàn, nhưng gán chia lưới tự động với khoảng cách lưới không quá 0.5m Trọng lượng tường trên sàn được nhập dưới dạng lực phân bố đều trên chiều dài dầm chìm bê tông cốt thép là 0.6 T/m

 Mô hình 6: giống mô hình 4, nhưng không dùng dầm chìm bê tông cốt thép

mà dùng 1 dầm ảo có đặc trưng là NONE để chịu tải trọng tường

Hình 2.27 Các mô hình khảo sát

Tiến hành phân tích 6 mô hình trên, các kết quả nhận được như sau:

Tải gán 5 nút Tải gán 9 nút Tải phân bố đều

Tải trên dầm thật

(chia lưới 1m)

Tải trên dầm thật (chia lưới 0.5m) Tải trên dầm ảo

Hình 2.28 Moment M11 theo phương X (T.m)

Theo Hình 2.28 và Hình 2.29, dễ dàng nhận thấy mô hình tải phân bố đều cho kết quả moment không giống các mô hình còn lại Moment ở các mô hình gán tải vào nút của sàn chia thật cho kết quả gần giống với mô hình dầm ảo (vì khoảng cách của các nút còn lớn, chưa đủ để tải gán vào xem như tải phân bố đều) Moment ở các mô hình tải gán trên dầm thật cho kết quả lớn hơn mô hình dầm ảo vì có sự tham gia của tải trọng bản thân dầm thật

Tải trên dầm thật Tải trên dầm thật Tải trên dầm ảo

(chia lưới 1m) (chia lưới 0.5m)

Hình 2.29 Moment M22 theo phương Y (T.m)

Tải trên dầm thật

(chia lưới 1m)

Tải trên dầm thật (chia lưới 0.5m) Tải trên dầm ảo

Hình 2.31 Lực cắt V22 của dầm (T)

Hình 2.30 và Hình 2.31 thể hiện moment M33 và lực cắt V22 của các mô hình Nhìn chung các giá trị này ở mô hình tải phân bố đều cho kết quả khác nhiều so với các mô hình còn lại Ngoài ra, các mô hình còn lại cho moment và lực cắt gần giống với mô hình dầm ảo, sự sai khác nhỏ là do tải gán vào các nút chưa được xem là phân bố đều (mô hình 1 và 2) và bản thân dầm thật có tải trọng nên tham gia tăng moment và lực cắt cho dầm (mô hình 4 và 5)

Tải trên dầm thật

(chia lưới 1m)

Tải trên dầm thật (chia lưới 0.5m) Tải trên dầm ảo

Hình 2.32 Lực dọc của cột (T)

Qua kết quả như Hình 2.32, dễ dàng nhận thấy mô hình tải gán 5 và 9 nút

và mô hình dầm ảo cho lực dọc của cột bằng nhau Mô hình phân bố đều cho kết quả khác hoàn toàn với các mô hình còn lại Cuối cùng, các mô hình gán tải dầm thật cho kết quả lực dọc lớn hơn vì có sự tham gia của tải bản thân dầm thật

3.4.4 Nhận xét

Thông qua các kết quả nhận được từ các mô hình trên, mô phỏng dầm ảo

sẽ truyền được tải trọng tường chính xác và trực tiếp trên sàn

Kết quả phân tích cho thấy, dầm ảo chỉ có nhiệm vụ duy nhất là truyền tải tường lên sàn, không tham gia vào quá trình chịu lực cùng kết cấu

Không nên quy đổi tải trọng tường thành tải phân bố đều trên sàn Ngoài

ra, không nên chia thật sàn để gán tải trọng vào nút vì cách xử lý này sẽ tốn thời gian tính toán

3.5 SÀN ẢO – NONE AREA

3.5.1 Mục đích

Trên tầng mái hoặc sân thượng, thông thường người thiết kế hay bố trí trên sàn các thùng nước bằng inox, hồ nước…hoặc là một tải trọng phân bố đặt trực tiếp trên một phần của sàn Một cách làm phổ biến hiện nay là quy đổi tải trọng này thành phân bố đều trên toàn bộ sàn Điều này sẽ gặp vấn đề lớn là liệu kết quả tính toán có chính xác và phản ánh đúng như thực tế hay không vì thật ra tải trọng này chỉ tác dụng vào một phần của ô sàn mà thôi

Để mô phỏng chính xác tải trọng trên đặt trực tiếp trên sàn, ETABS cũng

hỗ trợ một chức năng quan trọng đó là Sàn ảo (NONE AREA) Đây là sàn mang đặc trưng NONE, có màu xanh (màu mặc định của sàn thông thường là màu đen

nhạt) Sàn này có đặc tính không trọng lượng bản thân, không mô đun đàn hồi (không có độ cứng) và chỉ có tác dụng truyền tải trọng phân bố vào sàn

3.5.2 Cách thực hiện

Cách 1: Khi vẽ đối tượng vùng Area bằng thanh công cụ hoặc hoặc , chọn mục Property: NONE

Hình 2.33 Gán đặc trưng NONE cho sàn ảo

Cách 2: Chọn các đối tượng vùng Area, thao tác Assign  Shell/Area

 Wall/Slab/Deck section  NONE

Hình 2.34 Gán đặc trưng NONE cho sàn ảo