Giáo án môn học: Tin ứng dụng trong Thiết kế cầu Version βeta Bộ môn Cầu Hầm - Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Trang 31 • File → Export → DXF → Open (chú ý nhấn vào file SAPDXF. DXF, nếu không có trong thư mục chứa SAP2000 thì phải tìm đúng thư mục chứa file này) sẽ mở một hộp thoại. • Thay đổi các tham số trong hộp thoại Frame → Frame, Joint → Joints… (có mặt trong kết cấu). • Khai báo tên và thư mục chứa tệp DXF sẽ tạo • Đối với cáchình vẽ 3D, sau khi đã mở AutoCAD, có thể cho hiện theo từng m ặt phẳng hoặc không gian qua việc lực chọn của Vpoint. Để viết chữ, chọn UCS cho mặt phẳng XY: UCS → X → 90° (đưa khung không gian về phẳng), hoặc UCS → ZA→ chọn hướng z đi xuống (↓), gốc 0,0. • Dạng DXF chỉ hiện sơ đồ hình học của kết cấu, các đối tượng chuyển về các lớp, có thể dùng AutoCAD để biến đổi. * Chuy ển từ SAP2000 sang MDB: Analyse → Option → Access Database file → gõ tên file. * Chuyển từ SAP2000 sang Text, hay cơ sở dữ liệu Excel, Access: • File → Print Table → Analysis Result (chọn kiểu xuất) • Enhanced Metal File là một dạng file vector có thể đọc được bằng nhiều chương trình đồ hoạ hoặc các công cụ văn phòng như World (có đuôi *.emf). * Nhập từ DFX sang SAP2000: • File → Import → DXF → Open → khai báo tên muốn nhập • Hiện hộ p thoại: chọn trục Global up (Z); khai báo đơn vị. • khai báo các lớp Joint → Joints, Frame → Frames… • Nên tạo ra một file mẫu từ SAP2000 chuyển sang AutoCAD để có cấu trúc lớp, sau đó vẽ mô hình và nhập lại SAP2000. 3.4.8. liên kết mềm và tính móng trên nền đàn hồi. 3.4.8.1. liên kết đàn hồi: • Trong SAP2000 chỉ cung cấp liên kết đàn hồi bằng các liên kết lò xo đặt tại các nút. Dưới tác dụng của lực ngoài, lò xo bị biến d ạng và phát sinh các thành phần phản lực bao gồm F1, F2, F3, M1, M2, M3 lần lượt là các phản lực thẳng và phản lực xoay. • Liên kết đàn hồi dùng trong các trường hợp như dầm liên tục có gối tựa đàn hồi, dầm, tấm trên nền đàn hồi (móng băng, móng bè…). Độ chính xác của lời giải tỷ lệ thuận với mật độ của lưới lò xo. • Liên kết đàn hồi – Spring: là liên k ết mềm có tác dụng theo 6 thành phần của 6 bậc tự do, tuy nhiên thông dụng là theo phương Z. • Các thành phần độ cứng của lò xo có đơn vị: lực/đơn vị dài; lực/đơn vị góc xoay). • Để khai báo độ cứng đàn hồi, dùng Assign → Joint → Springs. • Để gán các độ cứng đàn hồi, trước hết phải tính các giá trị độ cứng đàn hồi. Trong mô hình nền Winkler, đất nền coi như đ àn hồi tuyến tính và được đặc trưng bởi một hệ số nền. Trong trường hợp đơn giản, SAP2000 đề xuất tính độ cứng của một gối lò xo theo một phương pháp bất kỳ như sau: Ki = Ks.b.ls = Ks.A (Ks: hệ số nền; b,ls: chiều rộng và chiều dài mà gối phải chịu. Bảng giá trị hệ số nền một số loại đất thông dụng: - Đất cát xốp: 4.800 – 16.000 (kN/m 3 ) - Đất cát chặt vừa: 9.600 – 80.000 (kN/m 3 ) Giáo án môn học: Tin ứng dụng trong Thiết kế cầu Version βeta Bộ môn Cầu Hầm - Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Trang 32 - Đất cát chặt : 64.000 – 128.000 (kN/m 3 ). 3.4.8.2. phương pháp xác định hệ số nền: Trong cơ học đất- nền móng, có rất nhiều mô hình nền đặc trưng cho các loại đất nền khác nhau. Mô hình nền do Winkler đề nghị hiện nay đang được sử dụng rộng rãi bởi sự đơn giản và thích hợp với một số loại đất nền thông dụng. Trong mô hình này, đất nền được coi như đàn hồi tuyến tính, đặc trưng bở i hệ số nền. Hệ số nền được xác định bởi công thức sau: K s = A s + B s .Z n Trong đó: A s : hằng số phụ thuộc theo chiều sâu móng Bs: hệ số phụ thuộc độ sâu Z: độ sâu đang khảo sát n: hệ số hiệu chỉnh để có giá trị gần với đường cong thực nghiệm (không có kết quả thí nghiệm thì lấy n = 1). 3.4.8.3. Mô hình tính toán các loại móng mềm Đối với ác kết cấu móng, thường có 2 phần: kết cấu chịu lực và phần nền. Hệ chịu lực có thể được mô t ả bởi các loại phần tử khác nhau như dầm (móng băng), tấm (móng bè). Ngoài ra trong trường hợp cần thiết có thể sử dụng phần tử Plane, Solid… * Mô hình của một số kết cấu: • Móng băng - Dầm: dùng phần tử thanh, gối lò xo đặt tại các điểm nút của dầm, mật độ tuỳ ý. • Móng băng giao nhau -Hệ dầm giao nhau: gối có thể đặt tại các giao điể m của hệ dầm hoặc các điểm bên trong. • Móng bè - Tấm trên nền đàn hồi: móng dùng phần tử tấm, gối lò xo chỉ đặt tại các điểm nút của phần tử. • Cọc chịu lực ngang: chú ý khai báo các bậc tự do cho kết cấu: UX, RY. 4. Thiết kế 4.1. Giới thiệu SAP2000 có một modul hoàn chỉnh cho thiết kế cả cấu kiện bê tông cốt thép và kết cấu thép. chương trình sẽ cho phép người dùng lực chọn để khửi tạo, biến đổi, phân tích và thiết kế cacsd kết cấu trong cùng một giao diện. Trong chương trình có nhiều thư viện các tiêu chuẩn thiết kế, cho phép thiết kế tự động và kiểm tra các phần tử thanh bê tông cốt thép. Các tiêu chuẩn có sẵn trong SAP2000 là : ACI1995 (Mỹ), CSA 1984 (Canada), BSI 1985 (Anh) và CEN 1992 (Eropean). Việc thiết kế dựa trên một tập hợp các tổ hợp tải trọng do người dùng khai báo. Tuy nhiên, chương trình tự cung cấp các tổ hợp mặc định cho mỗi tiêu chuẩn thiết kế. Trong thiết kế cột, chương trình tính toán cốt dọc, cốt đai yêu cầu. Tuy nhiên, người dùng có thể khai báo cốt thép dọc, trong trường hợp đó sẽ thông báo giá trị của “Capacity Ratio” của cột. hệ số này cho biết ch ỉ số của điều kiện ứng suất liên quan đến khái niệm của cột. Mỗi phần tử dầm, chương trình sẽ thiết kế chịu uốn và cắt tại các tiết diện do người dùng khai báo dọc theo chiều dài dầm. 4.2. Các bước thực hiện khi thiết kế cấu kiện bê tông cốt thép 4.2.1. Khai báo các hệ số thiết kế liên quan đến vật liệu: Giáo án môn học: Tin ứng dụng trong Thiết kế cầu Version βeta Bộ môn Cầu Hầm - Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Trang 33 Vào menu Define → Material: chọn kiểu vật liệu Concrete trong Design Property Data và đưa vào các tham số: • fy: cường độ chịu kéo của thép, tính theo giới hạn chảy • fc: cường độ chịu nén của bê tông, lấy bằng giá trị mac bê tông. • fsy: cường độ chịu cắt của cốt thép. • fcs: cường độ chịu cắt của bê tông = fc. 4.2.2. Chọn kiểu phần tử thiết kế (Beam, Column) • Khai báo tiết diện: Define → Frame/Cable Section → Reiforcement: (chỉ chọn được ba loại tiết diện chữ nhật, Tròn, chữ T và vật liệu kiểu CONC cho quá trình thiết kế) • Chọn loại phần tử thiết kế cho dầm (Beam) hay cột (Column) *Beam: • Top = a’ (chiều dày lớp bảo vệ phía trên) • Bottom = a (chiều dày lớp bảo vệ phía dưới) • Reinforcement Overrides for Ductile Beams: chiều dài đoạn cốt thép chồng lên nhau. * Column: ¾ Rectangular: • Cover to rebar Center = a (chiều dày l ớp bảo vệ tính đến tâm cốt thép) • Nunber bar in dir 3: số lớp cốt thép tính theo phương 3 • Nunber bar in dir 2: số lớp cốt thép tính theo phương 2 • Bar size: chọn diện tích thanh thép. Check/Design: chọn một trong 2 kiểu Design hoặc Area of one Bar: Reinforcement to be Designde: bài toán thiết kế Reinforcement to be Checked: bài toán kiểm tra ¾ Circle: • Cover to rebar Center = a (chiều dày lớp bảo vệ tính đến tâm cốt thép) • Nunber bar : số thanhbố trí đều nhau trong tiết diện • Check/Design: chọn một trong 2 kiểu Design ho ặc Area of one Bar: Reinforcement to be Designde: bài toán thiết kế Reinforcement to be Checked: bài toán kiểm tra 4.2.3. Chọn tổ hợp thiết kế. • Define → Load combination (dùng cho Concrete Design hoặc Steel Design) • Hoặc trong menu Design chọn Select Design Combo 4.3.4. Chọn kiểu thiết kế: vào menu Design chọn Steel hoặc Concrtete 4.3.5. Chọn tiêu chuẩn thiết kế: Menu Option → Preference → Concrete (BS8110-89): có một số thông số: • Strength Reduction factors: các hệ số giảm độ bền cho uốn, nén, kéo, cắt… • Interaction Diagram Parameters: các tham số liên quan đế n biểu đồ tương tác • Respone Spectrum…: thiết kế cho trường hợp nhiều giá trị phổ 4.3.6. thiết kế tiết diện: • Thực hiện tính toán để tính ra nội lực • Design → Concrete Frame Design→ Start Design→ Check for Structure 4.4. In và xem kết quả: Giáo án môn học: Tin ứng dụng trong Thiết kế cầu Version βeta Bộ môn Cầu Hầm - Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Trang 34 Vào menu Display → Design Result Table: cho kết quả đối vói dầm cho diện tích cốt thép chịu kéo và chịu nén,đối với cột, hiện toàn bộ diện tích cốt thép (đối với tổ hợp thiết kế chính hoặc theo mặc định) • Dầm: Tính dầm chịu mô men uốn chính theo (M33) và cắt chính (V22) • Cột: Cột tính cho bài toán kéo nén lệch tâm xiên. Bài toán thiết kế là nhiều bài toán kiểm tra. Menu Option → Preference → Concrete →Interaction Diagram Parameter: Curve, Point/ Curve: lựa chọn số đường cong và điểm kiểm tra trên mỗi đường cong. Để xem các thông tin thiết kế, định vị chuột vào một phần tử nào đó và nhấn chuột phải, chương trình sẽ mở hộp thoại Concrete Design Information hoặc vào Design → Concrete Frame Design → Display Design Information, cho bíêt các thông tin về cốt thép dọc, thép đai trong từng mặt cắt. muốn xem chi tiết hơn, nhấn vào ô Detail sẽ hiện hộp thoại mới và cho các thông tin sau: • Frame ID: tên phần tử; Station ID: tên mặt c ắt; Section ID: tên tiết diện; Combo ID: tên tổ hợp dùng cho thiết kế. • Các giá trị liên quan đến tiết diện và tham số thiết kế của vật liệu: L,B, E, Fy, fc… • Các giá trị lực dùng cho thiết kế: PU, M2, M3 và diện tích thép tương ứng (Rebar area) * Thay đổi các tham số trong quá trình thiết kế: • Redefine: chọn lại thông tin thiết kế • Reset Design Selection: lấy lại tiết diện ban đầu • Update Analysis Section: lấy các tiết diện thay đổi làm ti ết diện tính nội lực. • Nên sử dụng P- Delta để kiểm tra điều kiện ổn định của cột 4.5. Thiết kế kết cấu thép • khai báo vật liệu: fy: cường độ giới hạn chảy • Trình tự thực hiện: giống như kết cấu bê tông • Kiểu phần tử Column: phần tử này song song với phương Z Beam:phần t ử song song mặt phẳng XY Giằng: (Bracded) • Effective Lengh Factor K: phụ thuộc vào liên kết (phần tử, gối tựa, phương…), SAP2000 sẽ tự động tính số K. B. MỘT SỐ VÍ DỤ TÍNH TOÁN TRONG THIẾT KẾ CẦU 1. Bài 1 : Tính toán dầm BTCT nhịp giản đơn 1.1.1. Yêu cầu bài toán • Tính toán nội lực trong dầm • Vẽ được đường ảnh hưởng các giá trị trong dầm, tổ hợp các trường hợp tải trọng, xuất các kết quả nội lực cũng như các đường ảnh hưởng • Làm thêm một số bài toán để nâng cao kĩ năng. Tuỳ biến được cách mô hình các bài toán khác nhau; các tải trọng khác nhau và các liên kế t khác nhau trong dầm. Dùng được chức năng design trong Sap 2000 để tính toán thép theo các tiêu chuẩn. 1.1.2. Mô hình bài toán 1.1.2.1. Tính tóan nội lực Giáo án môn học: Tin ứng dụng trong Thiết kế cầu Version βeta Bộ môn Cầu Hầm - Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Trang 35 • Khi khởi động Sap2000 chúng ta sẽ nhìn thấy giao diện như hình sau đây. Chú ý rằng các thanh toolbar có thể tùy biến theo ý người sử dụng giống như trong Microsoft Word. • Để khởi tạo được mô hình bài toán. Ta bấm File Æ New Model… sẽ hiện ra giao diện như sau . Trên giao diện này ta thấy có các mô hình được tạo sẵn tạo sự tiện lợi cho người sử dụng. Ta thấy một số templates có các chức năng như sau: Blank : Không có sẵn bất kì đối tượng nào. Grid only : Chỉ tạo đối tượng tượng từ các hệ lưới. Beam : Hệ dầm. 2D Trusses: Hệ giàn 2D 3D Trusses: Hệ giàn 3D 2D Frames: Hệ khung 2D 3D Frames: Hệ khung 3D Wall: Tường mỏng ……………………… Ta thấy rằng với yêu cầu bài toán là dầm đơn giản, nh ịp 20m, ta chọn Beam, hộp thoại sau sẽ hiện ra. Chọn các thông số như hình vẽ. Chú ý rằng Number of Spans: Số lượng nhịp. Span Length: Chiều dài của một nhịp. Section properties: Chọn tiết diện của dầm. Ở đây ta sẽ để nguyên như mặc định và sẽ chọn tiết diện sau khi định nghĩa mặt cắt dầm. Giáo án môn học: Tin ứng dụng trong Thiết kế cầu Version βeta Bộ môn Cầu Hầm - Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Trang 36 • Chọn các loại vật liệu làm dầm. Chọn Define → Materials… Hộp thoại sau sẽ hiện lên. Trong hộp thoại này, chương trình đã mặc định sẵn cho bạn 5 loại vật liệu khác nhau. Ở đây, ta quan tâm nhiều hơn đến Bêtông (CONC) và thép (STEEL). Nếu như muốn định nghĩa một loại vật liệu khác, bấm Add New Materials, còn nếu muốn chỉnh sửa tính chất của vật liệu cho phù hợp với yêu cầu bài toán ta bấm Modify/Show Materials. Lúc này sẽ hiện ra bảng hộp thoại như sau: Giáo án môn học: Tin ứng dụng trong Thiết kế cầu Version βeta Bộ môn Cầu Hầm - Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Trang 37 Một số tính chất quan trọng của vật liệu mà ta quan tâm được thể hiện trong bảng: Mass per unit Volume : Khối lượng riêng Weight per unit Volume : Trọng lượng riêng Modulus of Elasticity: Modyl đàn hồi Poisson’s Ratio: Hệ số possion. Coeff of Thernal Expansion: Hệ số giãn nở nhiệt. Shear Modulus: Modyl cắt Với các giá trị này, có thể thay đổi trong mỗi ô để phù hợp với đặc trưng vật liệu của bài toán. Ở đây ta để các giá trị mặc định của chương trình. Các chức năng khác sẽ được quan tâm ở phần nâng cao. Nhấn OK để kết thúc. • Chọn các mặt cắt của dầm ta bấm Define → Frame Sections Sau khi hộp thoại Frame Properties hiện ra thị chọn Add Tee trong mục Choose Frame Property to Add. Các thao tác trên là định nghĩa mặt cắt chữ T của dầm. Hộp thoại Tee Section giúp ta có thể xây dựng được m ặt cắt chữ T với các kích thước được nhập vào tuỳ theo bài toán. Đặt tên cho mặt cắt ở mục Section Name (MAT CAT DAM). Nhập vật liêu tương ứng với mặt cắt ở Material: CONC. Nhập các thông số như hình vẽ o Outside stem: 1.5; Chiều cao dầm o Outside flange: 1.2; Bề rộng cánh dầm o Flange thickness: 0.15; Chiều dày cánh o Stem thickness: 0.2; Bề rộng thân dầm Giáo án môn học: Tin ứng dụng trong Thiết kế cầu Version βeta Bộ môn Cầu Hầm - Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Trang 38 Các chức năng khác như: o Section properties: Các đặc trưng hình học của tiết diện ứng với số liệu được nhập vào o Set Modifiers: Hiệu chỉnh các số liệu theo một tỉ lệ cho trước. o Concrete Reinforcement: Xem ??? Nhấn OK để kết thúc. • Để định nghĩa các loại tải trọng cho dầm ta bấm Define →Load Cases Sau khi hộp thoại Define Loads hiện ra thị, nhập tên (TT), loại tải trọng (DEAD) và hệ số tải trọng bản thân (Self Weight Multiplier = 1) vào các ô tương ứng như hình vẽ, bấm Add New Load. Tải trọng mới sẽ được thêm vào. Giáo án môn học: Tin ứng dụng trong Thiết kế cầu Version βeta Bộ môn Cầu Hầm - Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Trang 39 Chú ý rằng hệ số tải trọng ở đây bằng 1 có nghĩa là với loại tải trọng này. tải trọng bản thân được tính toán tự động nhờ vào tiết diện của mặt cắt. Nếu như ta khai báo thêm tải trọng ngoài với loại tải trọng này thì tải trọng tính toán sẽ bằng cả hai loại tải trọng cộng lại. Nhấn OK để kết thúc. • Gán mặt cắt. Chọn dầm, sau đó bấm Assign → Frame/Cable/Tendon → Frame section. • Chọn MATCTATDAM, nhấn OK để gán mặt cắt cho dầm. • Tiến hành phân tích bài toán Analyze → Set Analysis Options Hộp thoại sau hiện ra Giáo án môn học: Tin ứng dụng trong Thiết kế cầu Version βeta Bộ môn Cầu Hầm - Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Trang 40 Bạn có thể nhấn vào khung Plane Frame để bài toán phân tích theo sơ đồ phẳng nhằm giảm số lượng ẩn không cần thiết. Sau đó nhấn OK. • Để xem nội lực trong dầm, bấm Display → Show Forces/Stresses → Frames/Cables… Hộp thoại sau hiện ra: . 3 .4. 8.1. liên kết đàn hồi: • Trong SAP2000 chỉ cung cấp liên kết đàn hồi bằng các liên kết lò xo đặt tại các nút. Dưới tác dụng của lực ngoài, lò xo bị biến d ạng và phát sinh các thành phần. Liên kết đàn hồi – Spring: là liên k ết mềm có tác dụng theo 6 thành phần của 6 bậc tự do, tuy nhiên thông dụng là theo phương Z. • Các thành phần độ cứng của lò xo có đơn vị: lực/đơn vị dài;. lấy n = 1). 3 .4. 8.3. Mô hình tính toán các loại móng mềm Đối với ác kết cấu móng, thường có 2 phần: kết cấu chịu lực và phần nền. Hệ chịu lực có thể được mô t ả bởi các loại phần tử khác nhau