ứng dụng midas trong phân tích kết cấu cầu
Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 1 BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN KHOA CÔNG TRÌNH Tên ñề tài: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MIDAS/CIVIL TRONG PHÂN TÍCH KẾT CẤU VÀ CẦU Sinh viên thực hiện: Lê Đắc Hiền Bùi Văn Sáng Trần Quang Thức Đào Quang Huy Lớp Tự ñộng hoá thiết kế Cầu ñường khoá 42. Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Lê Đắc Chỉnh KS Nguyễn Trọng Nghĩa Bộ môn Tự ñộng hoá thiết kế Cầu ñường Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 2 MỤC LỤC PHẦN I ĐẶT VẤN ĐỀ 3 PHẦN II: NỘI DUNG ĐỀ TÀI 5 Chương 1: Tổng quan về Midas/Civil 6 Chương 2: Phương pháp Phần tử hữu h n và ứng dụng trong Midas/Civil 12 1. Nội dung cơ bản của phương pháp PTHH 12 1.1 Mô hình hóa rời rạc kết cấu. 13 1.2 Chuyển vị nút và lực nút 13 1.3 Phương trình cơ bản của của phương pháp phần tử hữu hạn ñối với vật rắn 15 1.4 Các bước tính toán kết cấu bằng phương pháp PTHH 15 2. Các lo i phần tử chính trong Midas/Civil 16 3. Phân tích kết cấu 27 Chương 3: Nghiên cứu chương trình Midas/Civil 44 1. Nghiên cứu dữ liệu ñầu vào, ñầu ra 44 1.1 Số liệu ñầu vào 44 1.2 Số liệu ñầu ra. 46 1.3 Các dạng file khác 47 2. Mô hình hoá kết cấu 47 2.1 Hệ tọa ñộ. 47 2.2 Sơ ñồ tính 48 2.3 Mô hình hóa mặt cắt 52 2.4 Mô hình hóa vật liệu 54 2.5 Mô hình hóa ñiều kiện biên 57 2.6 Tải trọng và hệ số tải trọng. 59 2.7 Mô hình hóa tổ hợp tải trọng 66 3. Phân tích kết cấu và ñánh giá kết quả 68 3.1 Phân tích tĩnh 69 3.2 Phân tích ñộng 69 3.3 Phân tích phi tuyến 69 3.4 Phân tích P-Delta 69 3.5 Phân tích các giai ñoạn thi công 69 3.6 Xem và ñánh giá kết quả 73 Chương 4: Tính bài toán cầu bê tông dự ứng lực thi công theo phương pháp ñúc hẫng cân bằng 75 1. Giới thiệu bài toán 75 2. Chuẩn bị số liệu 75 3. Nhập số liệu 76 3.1 Phát sinh phần tử nút 76 3.2 Định nghĩa mặt cắt và gán mặt cắt 78 3.3 Định nghĩa vật liệu 84 3.4 Điều kiện biên 84 3.5 Chia các giai ñoạn thi công 86 3.6 Khai báo các trường hợp tải trọng, nhóm tải trọng 89 3.7 Nhập tải trọng và xem kết quả 90 PHẦN III: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 107 TÀI LIỆU THAM KHẢO 108 Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu L Đắc Hiền – B i Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 3 PH N I T V N ĐỀ Phân tích kết cấu nói chung và kết cấu cầu nói riêng trong thiết kế công trình là công việc rất quan trọng. Phân tích kết cấu quyết ñịnh tới an toàn trong khai thác sử dụng và tính kinh tế của công trình. Kết quả t ñược của phân tích là các giá trị nội lực và chuyển vị của kết cấu dưới tác dụng của các tải trọng, tổ hợp tải trọng, là số liệu ñầu vào cho bài toán thiết kế kết cấu. Nội dung phân tích kết cấu cầu bao gồm việc mô hình hóa kết cấu và tiến hành các phân tích như: - Phân tích tĩnh. - Phân tích ñộng. - Phân tích phi tuyến. - Phân tích P-delta. - Phân tích các giai ñoạn thi công. - .v v Đây là những quá trình phân tích, tính toán hết sức phức t p và tốn rất nhiều thời gian. Đã có những giả thiết ñược ñưa ra nhằm giảm bớt tính phức t p của bài toán nhưng việc này dẫn ñến sai số lớn, không phản ánh hết sự làm việc thực tế của kết cấu. Do ñó, khi thiết kế người ta thường thiết kế với hệ số an toàn lớn dẫn tới lãng phí. Ngày nay, với sự tr giúp của máy tính mà ñặc biệt là việc ứng dụng các sản phẩm phần mềm chuyên dụng thì công việc mô hình hóa và phân tích kết cấu tr nên nhanh chóng và tương ñối chính xác. Hiện có một số phần mềm phân tích kết cấu nổi tiếng như Sap2000, RM2000, Midas/Civil Với Sap2000 là phần mềm rất quen thuộc với kỹ sư công trình, tuy nhiên Sap2000 chưa tối ưu hóa cho công việc phân tích thiết kế cầu. RM2000 thì lại quá ñắt vì vậy sinh viên ít có cơ hội ñ c tiếp xúc và tìm hiểu. Gần ñây bộ môn TĐHTKCĐ có phối hợp với công ty CIP Hanoi và công ty MidasIT trong phân phối và chuyển giao ñào t o sử dụng phần mềm Midas/Civil, phần mềm phân tích và thiết kế kết cấu ñược thiết kế riêng cho kết cấu dân dụng, ñặc biệt là kết cấu cầu lớn. Đối với sinh viên cũng như các kỹ sư vừa ra trường phần mềm này còn rất mới và họ chưa biết nhiều về khả năng tính toán của nó, bên c nh ñó tài liệu tiếng Việt giới thiệu Midas/Civil chưa có nhiều nên hạn chế khả năng tự tìm hiểu của sinh viên. Nhận rõ vấn ñề vừa nêu ñề tài ñi sâu vào tìm hiểu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu cầu với mục tiêu xây dựng một tài Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu L Đắc Hiền – B i Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 4 liệu ñầy ñủ h tr mọi người bước ñầu tiếp cận với Midas/Civil, một phần mềm mạnh cả về tính toán cũng như giao diện người dùng. Việc ñánh giá kết quả của các chương tình phân tích kết cấu nói chung cũng như Midas/Civil nói riêng ñòi hỏi người kỹ sư phải thực sự am hiểu về kết cấu và quá trình mô hình hóa kết cấu. Vì chương trình tính chỉ là công cụ phục vụ cho việc tính toán, kết quả phân tích ñúng hay sai phụ thuộc số liệu ñầu vào trong quá trình mô hình hóa. Để làm ñược ñiều ñó ñề tài giành phần lớn thời gian vào việc tìm hiểu phương pháp Phần tử hữu h n và ứng dụng của phương pháp này trong Midas/Civil. Đề tài ñược chia thành 3 phần chính: Ph n Các nội dung cơ bản trong phân tích kết cấu: - Phương pháp Phần tử hữu h n. - Phân tích P-Delta. - Phân tích tĩnh. - Phân tích ñộng Ph n 2: Hướng dẫn sử dụng phần mềm Midas/Civil Giới thiệu cụ thể cách mô hình hóa, tính toán, phân tích và xử lý kết quả trong Midas/Civil. Giới thiệu những tính năng nổi bật của chương trình so với các chương trình khác hiện có tại Việt Nam. Ph n 3: Ví dụ chi tiết ứng dụng Midas/Civil tính bài toán cầu bê tông dự ứng lực thi công theo phương pháp ñúc hẫng cân bằng ( Xử lý các số liệu nhập, Giải bài toán, Xử lý các kết quả tính toán ). Thông qua ví dụ này các sinh viên hoàn toàn có thể dễ dàng nắm bắt những kiến thức cơ bản của Midas/Civil vào việc tính các kết cấu nói chung . Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu L Đắc Hiền – B i Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 5 PHẦN II: NỘI DUNG ĐỀ TÀI Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu L Đắc Hiền – B i Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 6 Chng 1: Tng quan v Midas/Civil Chương trình phân tích và thiết kế kết cấu MIDAS/Civil là một phần của bộ sản phẩm MIDAS ñược xây dựng từ năm 1989, do MIDAS IT Co., Ltd phát triển. Phiên bản ñề tài này tìm hiểu và sử dụng là MIDAS/Civil 6.3.0. MIDAS là một nhóm các sản phẩm phần mềm phục vụ cho việc thiết kế kết cấu. MIDAS bao gồm các sản phẩm sau : MIDAS/Civil General Civil structure design system : Chương trình phân tích và thiết kế kết cấu c tối ưu riêng cho những kết cấu dân dụng, ñặc biệt trong thiết kế cầu. MIDAS/Gen General Building structure design system : Chương trình phục vụ cho việc thiết kế kết cấu, ñặc biệt là thiết kế kết cấu nhà. MIDAS/BDS Building structure Design System : Chương trình phân tích và thiết kế kết cấu kiến trúc. MIDAS/SDS Slab & basemat Design System : Chương trình dàmh cho việc phân tích và thiết kế bản & basemat. MIDAS/Set-Building Structural Engineer's Tools: Tập h p những chương trình riêng lẻ ñể xúc tiến thiết kế các ñơn vị kết cấu. MIDAS/FEmodeler finite element MESH generator: Chương trình tự ñộng phát sinh ra lưới phần tử hữu h n. MIDAS/ADS Shear wall type Apartment Design System : Chương trình phân tích và thiết kế cho kết cấu tường chắn, công trình ngầm. MIDAS/Civil là một sản phẩm phần mềm phân tích cầu chuyên dụng. Chương trình hỗ trợ cho việc phân tích các bài toán cầu như : Cầu treo dây văng, dây võng, cầu bê tông dự ứng lực khẩu ñộ lớn thi công theo phương pháp ñúc hẫng cân bằng, ñà giáo di ñộng, ñúc ñẩy MIDAS/Civil c phát triển dựa trên Visual C, Fortran … một ngôn ngữ lập trình hướng ñối t ng mạnh trong môi trường Windows. Chương trình nổi bật về mặt tốc ñộ mô hình hóa và tính toán, rất dễ giàng sử dụng bởi giao diện thân thiện với người sử dụng. Trong quá trình phát triển MIDAS/Civil từng chức năng ñã ñược kiểm tra và so sánh kết quả với lý thuyết cũng như với một số chương trình khác. Đặc ñiểm nổi bật của Midas/Civil so với các chương trình khác: Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu L Đắc Hiền – B i Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 7 - Khả năng mô hình hóa: Chương trình hỗ trợ nhiều mô hình kết cấu, ñặc biệt là kết cấu cầu, cung cấp nhiều loại mặt cắt khác nhau. Khả năng mô tả ñ c vật liệu ñẳng hướng, trực hướng, dị hướng, hay vật liệu phi tuyến. Về tải trọng chương trình h tr rất ñầy ñủ và ña dạng về thể loại như: tĩnh tải với các loại lực, nhiệt ñộ, gối lún, dự ứng lực hoạt tải với nhiều loại xe tiêu chuẩn kỹ thuật, xe do người dùng ñịnh nghĩa tải trọng ñộng với các phương pháp tính toán tiên tiến. Chương trình có nhiều công cụ trực quan hỗ trợ việc mô hình hóa một cách trực tiếp. Ngoài ra, người sử dụng có thể mô hình kết cấu hoặc mặt cắt thông qua AutoCad. - Giao diện và tốc ñộ tính toán: Chương trình ho t ñộng trong môi trường Windows, giao diện thân thiện, khả năng tính toán mạnh. Tốc ñộ tính toán của chương trình phụ thuộc vào khối l ng tính toán nhưng so với một số phần mềm tính toán kết cấu khác như Sap2000 thì tốc ñộ tính toán nhanh hơn. Kết quả tính toán của chương trình là ñầy ñủ và tin cậy. - Khả năng nhập và xuất dữ liệu: Dữ liệu ñầu vào có thể ñ c nhập trực tiếp hoặc import từ các file của các chương trình khác, kết quả tính có thể xuất ra màn hình ñồ họa, văn bản hay máy in, hơn nữa có thể xuất kết quả dạng tập tin cho các chương trình thiết kế sau tính toán. - Khả năng phân tích cho bài toán cầu: Đây là một tính năng m nh của chương trình. Midas/Civil cung cấp nhiều phương pháp phân tích kết cấu cầu hiện ñại, ñặc biệt là phân tích phi tuyến và phân tích các giai ñoạn thi công. Kết quả của quá trình phân tích là ñáng tin cậy, phù h p với các giai ñoạn từ tính toán thiết kế ñến thi công và quá trình khai thác sử dụng. - Tính phổ biến của chương trình: Do nhiều ưu ñiểm trên ñặc biệt là ñộ tin cậy của kết quả tính và tính tương thích của chương trình cho nên chương trình ñ c sử dụng trong nhiều dự án lớn. Hiện có hơn 4000 dự án sử dụng MIDAS/Civil, ñộ tin cậy và hiệu quả nó ñem lại ñã c công nhận trên thế giới . Giao di n c bản của Midas/Civil Hệ thống menu của MIDAS/Civil bao gồm tất cả các chức năng, quá trình vào ra dữ liệu, phân tích c thiết kế sao cho thời gian di chuyển chuột là nhỏ nhất. MIDAS/Civil h tr rất nhiều khả năng nhập liệu: - Thông qua hệ thống Menu trực quan. - Thông qua giao diện dòng lệnh. - Thông qua các bảng dữ liệu tương thích Excel. - Khả năng kéo thả dễ dàng. - Chức năng Undo/Redo không hạn chế. Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu L Đắc Hiền – B i Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 8 - Đặc biệt chức năng phân tích của chương trình này rất mạnh, nó có khả năng tính toán và phân tích theo các giai ñoạn thi công. Hình . Giao diện chính của Midas/Civil Các hệ thống menu cơ bản trong Midas/Civil - Menu Model (Mô hình) Hình .2 Menu Model + Structure Type: Nhập kiểu kết cấu và dữ liệu cơ bản cho phân tích Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu L Đắc Hiền – B i Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 9 + Structure Wizard: Mô hình hóa theo các mẫu kết cấu có sẵn + User Coordinate System: Định nghĩa hệ tọa ñộ người dùng (User Coordinate System) + Grids: Khai báo các hệ thống lưới tọa ñộ + Nodes: Các thuộc tính của nút cũng như các công cụ ñể mô hình nút + Elements: Các thuộc tính của phần tử cũng như các công cụ ñể mô hình phẩn tử + Properties: Thuộc tính của kết cấu: Vật liệu, mặt cắt + Boundaries: Khai báo các ñiều kiện biên. + Masses: Khai báo khối l ng. + Named Plane: Gán tên cho mặt phẳng. + Group: Định nghĩa các nhóm kết cấu, ñiều kiện biên, nhóm tải trọng + Check Structure Data: Kiểm tra dữ liệu kết cấu ñã nhập. - Menu Results (Kết quả) Hình .3 Menu kết quả. Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu L Đắc Hiền – B i Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 10 - Menu Load (Tải trọng). Hình .4 Menu tải trọng [...]... trỡnh Midas/Civil trong phõn tớch k t c u v c u - Menu Analysis (Phõn tớch) Hỡnh 5 Menu phõn tớch L c Hi n B i Vn Sỏng o Quang Huy Tr n Quang Th c THTKC 42 11 Nghiờn c u ng d ng chng trỡnh Midas/Civil trong phõn tớch k t c u v c u Chng 2: Phng phỏp Ph n t h u h n v ng d ng trong Midas/Civil Phng phỏp ph n t h u h n ủ c coi l phng phỏp cú hi u qu nh t hi n nay ủ gi i cỏc bi toỏn c h c trong. .. khi chng trỡnh tớnh toỏn ma tr n ủ c ng ph n t Hỡnh v hi n th cho cỏc thnh ph n ng su t cng ủ c v trong trong h t a ủ ECS B c t do th c s ch t n t i trong m t ph ng X-Z trong GCS ECS s d ng X, Y v Z trong h t a ủ Decac theo quy t c bn tay ph i Phng c a cỏc tr c ECS ủ c ủ nh ngha v mụ t trong hỡnh d i Trong tr ng h p ph n t t giỏc, phng c a ngún tay ph i bi u th tr c Z-ECS Phng quay (N ->N2->N3->N4)... ng chng trỡnh Midas/Civil trong phõn tớch k t c u v c u Ngời dùng có th nh p vo nh ng ủ dy riờng bi t cho quỏ trỡnh tớnh trong m t ph ng v ủ c ng ngoi m t ph ng Thụng th ng, chi u dy trờn danh ngha cho ủ c ng trong m t ph ng ủ c s d ng cho vi c tớnh tr ng l l i ủ dy cho tớnh ủ c ng ngoi ủ ng b n thõn v kh i l ng Ng c c s d ng B c t do v h t a ủ ph n t : Chuy n v c a ph n t t n t i trong trong cỏc m t... v t li u phi tuy n ớt c xột d n trong tớnh toỏn MIDAS/Civil ủa ra nh ng cụng th c d a trờn s phõn tớch tuy n tớnh Nhng nú cng cú kh nng ủa ra nh ng phõn tớch phi tuy n, P-Delta v phõn tớch chuy n v l n L c Hi n B i Vn Sỏng o Quang Huy Tr n Quang Th c THTKC 42 27 R Q Nghiờn c u ng d ng chng trỡnh Midas/Civil trong phõn tớch k t c u v c u Phõn tớch k t c u trong MIDAS/Civil bao g m nh ng phõn tớch... Properties of Preand Post-Combined Sections) MIDAS/Civil cho phộp nhi u ch c nng phõn tớch cựng m t lỳc Tuy nhiờn, phõn tớch ph ph n ng v phõn tớch l ch s th i gian khụng th cựng nhau Tỡm hi u m t s phõn tớch chớnh trong MIDAS/Civil: 3.1 Phõn tớch tnh ( Linear Static Analysis) Cụng th c c b n ủ c s d ng trong MIDAS/Civil cho phõn tớch tuy n tớnh tnh nh sau: [K]{ U} = {P} Trong ủú: [K]: Ma tr n ủ c ng {U}: Vộc... t, nú ủ l ng c a hỡnh d ng ) ng trong 1 phõn tớch ph i l n hn 90% c a t ng kh i l ng c a kh i ng ton b i u ny ủ m b o kh nng ch u l c t i h n trong thi t k [ M ] = 2 m i im 2 i im M Eq 5> L c Hi n B i Vn Sỏng o Quang Huy Tr n Quang Th c THTKC 42 30 X W Nghiờn c u ng d ng chng trỡnh Midas/Civil trong phõn tớch k t c u v c u trong ủú: Mm: Kh i l ng cú hi u N u trong s cỏc ủ t do c a kh i l ng... trong tr ng h p s d ng h ủn vi MKS ho c c a Anh, kh i l ng trong h ủn v SI cng s d ng tng t nh trong h ủn v MSK MIDAS/Civil l m t cụng c s d ng khỏ hi u qu trong phõn tớch ton b kh i l li u cú th nh p vo t ng D menu chớnh nh sau: Model>Masses>Nodal Masses, Floor, Diaphragm Masses or Loads to Masses L c Hi n B i Vn Sỏng o Quang Huy Tr n Quang Th c THTKC 42 31 a ` Nghiờn c u ng d ng chng trỡnh Midas/Civil. .. ng chng trỡnh Midas/Civil trong phõn tớch k t c u v c u g i l l c nỳt Nh v y, n u bi t ủ c giỏ tr cỏc l c nỳt thỡ cú th tớnh ủ c s phõn b c a n i l c trong PTHH ủú 1.3 Phng trỡnh c b n c a c a phng phỏp ph n t h u h n ủ i v i v t r n Khi s d ng phng phỏp ph n t h u h n ng i ta ủó ch ng minh ủ c s gi ng nhau ch y u c a t t c cỏc bi toỏn trong c h c v t r n khi thi t l p nh ng cụng th c trong ph m vi... n nay ủ gi i cỏc bi toỏn c h c trong mụi tr ng liờn t c núi chung v trong phõn tớch k t c u cụng trỡnh núi riờng MIDAS/Civil l m t chng trỡnh phõn tớch v thi t k k t c u d a trờn n n t ng l phng phỏp ph n t h u h n Trong chng ny s trỡnh by nh ng khỏi ni m c b n nh t v phng phỏp ph n t h u h n (PTHH) v vi c ng d ng phng phỏp ny trong MIDAS/Civil N i dung c b n c a phng phỏp PTHH N i dung c b n c a phng... {P}: Vộc t t i tr ng MIDAS/Civil khụng gi i h n cỏc tr ng h p t i tr ng v t h p t i tr ng trong phõn tớch tnh 3.2 Phõn tớch tr riờng (Eigenvalue Analysis) L c Hi n B i Vn Sỏng o Quang Huy Tr n Quang Th c THTKC 42 28 T S Nghiờn c u ng d ng chng trỡnh Midas/Civil trong phõn tớch k t c u v c u Cỏc mụ hỡnh v chu kỡ dao ủ ng t do ủ c xỏc ủ nh b i cụng th c d i ủõy: [K]{n}= n2[M]{ n } Trong ủú: [K] : Ma . PHẦN II: NỘI DUNG ĐỀ TÀI 5 Chương 1: Tổng quan về Midas/ Civil 6 Chương 2: Phương pháp Phần tử hữu h n và ứng dụng trong Midas/ Civil 12 1. Nội dung cơ bản của phương pháp PTHH 12 1.1 Mô hình. phần tử hữu h n. Trong chương này sẽ trình bày những khái niệm cơ bản nhất về phương pháp phần tử hữu h n (PTHH) và việc ứng dụng phương pháp này trong MIDAS/ Civil. . N i dung c bản của phương. - Giải hệ phương trình. - Tính toán nội lực, chuyển vị trong các phần tử. 2. Các lo i ph n t chính trong Midas/ Civil. MIDAS/ Civil cung cấp cho chúng ta một thư viện phần tử hữu h n gồm có