BÁO CÁO NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MIDAS-CIVIL TRONG PHÂN TÍCH KẾT CẤU VÀ CẦU

Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu Nhóm sinh viên 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 Nh m sinh viên 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 hạn 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 loại phần tử chính trong Midas/Civil 16 3. Phân tích kết c u 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 c u 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 c u 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 Nh m sinh vi n TĐHTKCĐ 42 3 PH N I T V N ĐỀ Phân tích kết c u nói chung và kết c u cầu nói riêng trong thiết kế công trình là công việc r t quan trọng. Phân tích kết c u quyết ñịnh tới an toàn trong khai thác sử dụng và tính kinh tế của công trình. Kết quả ñạt ñược của phân tích là các giá trị nội lực và chuyển vị của kết c u dưới tác dụng của các tải trọng, tổ hợp tải trọng, là số liệu ñầu vào cho bài toán thiết kế kết c u. Nội dung phân tích kết c u cầu bao gồm việc mô hình hóa kết c u 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 tạp và tốn r t nhiều thời gian. Đã có những giả thiết ñược ñưa ra nhằm giảm bớt tính phức tạp của bài toán nhưng việc này dẫn ñến sai số lớn, không phản ánh hết sự làm việc thực tế của kết c u. Do ñó, khi thiết kế người ta thường thiết kế với hệ số an toàn lớn dẫn tới lãng phí. Ngày nay, với sự trợ 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 trở 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 k 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 ñược 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 tạo sử dụng phần mềm Midas/Civil, phần mềm phân tích và thiết kế kết c u ñược thiết kế riêng cho kết c u dân dụng, ñặc biệt là kết c u cầu lớn. Đối với sinh viên cũng như các k sư vừa ra trường phần mềm này còn r t mới và họ chưa biết nhiều về khả n ng tính toán của nó, bên cạnh ñó tài liệu tiếng Việt giới thiệu Midas/Civil chưa có nhiều nên hạn chế khả n ng tự tìm hiểu của sinh viên. Nhận rõ v n ñề vừa nêu ñề tài ñi sâu vào tìm hiểu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết c u cầu với mục tiêu xây dựng một tài Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu Nh m sinh vi n TĐHTKCĐ 42 4 liệu ñầy ñủ hỗ trợ 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 c u 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 hạn 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 hạn. - 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 Nh m sinh vi n TĐHTKCĐ 42 5 PHẦN II: NỘI DUNG ĐỀ TÀI Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu Nh m sinh vi n TĐHTKCĐ 42 6 Chng 1: Tng quan v Midas/Civil Chương trình phân tích và thiết kế kết c u 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 ñược 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 hợp 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 hạn. 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 ñược phát triển dựa trên Visual C, Fortran … một ngôn ngữ lập trình hướng ñối tượng 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 Nh m sinh vi n TĐHTKCĐ 42 7 - Khả năng mô hình hóa: Chương trình hỗ trợ nhiều mô hình kết c u, ñặc biệt là kết c u cầu, cung c p nhiều loại mặt cắt khác nhau. Khả n ng mô tả ñược vật liệu ñẳng hướng, trực hướng, dị hướng, hay vật liệu phi tuyến. Về tải trọng chương trình hỗ trợ r t 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 hoạt 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 lượng 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 ñược 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 mạnh 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 hợp 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 ñược 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 ñược 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 ñược thiết kế sao cho thời gian di chuyển chuột là nhỏ nhất. MIDAS/Civil hỗ trợ 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 Nh m sinh vi n TĐHTKCĐ 42 8 - Đặc biệt chức n ng phân tích của chương trình này r t mạnh, nó có khả n ng 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 c u và dữ liệu cơ bản cho phân tích Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu Nh m sinh vi n TĐHTKCĐ 42 9 + Structure Wizard: Mô hình hóa theo các mẫu kết c u 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 lượng. + 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 Nh m sinh vi n TĐHTKCĐ 42 10 - Menu Load (Tải trọng). Hình .4 Menu tải trọng [...]... 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)... = i {Pi } e Trong ủú : - {F } bi u th i l y t ng ủ i v i t t c cỏc ph n t bao quanh nỳt i v ch a nỳt i e Quan h gi a cỏc l c nỳt v cỏc chuy n v nỳt trong m t ph n t cú th bi u di n b ng bi u th c sau ủõy: {F}e=[K]{}e Trong ủú : {F}e l vộc t l c nỳt c a ph n t , ch a t t c cỏc thnh ph n l c nỳt trong m t ph n t { }e l vộc t chuy n v nỳt c a ph n t , ch a t t c cỏc thnh ph n chuy n v nỳt trong m t ph... Midas/Civil trong phõn tớch k t c u v c u - Menu Analysis (Phõn tớch) Hỡnh 5 Menu phõn tớch  Nh m sinh vi n THTKC 42 11 Nghiờn c u ng d ng chng trỡnh Midas/Civil trong phõn tớch k t c u v c u Ch

ng 2: Ph

ng 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 mụi tr ng liờn t c núi chung v trong phõn tớch... 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 ng b n thõn v kh i l ng Ng c l i ủ dy cho tớnh ủ c ng ngoi ủ 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 ph ngX-Z... l ng b i gia t c 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 ng D li u cú th nh p vo t menu chớnh nh sau: Model>Masses>Nodal Masses, Floor, Diaphragm Masses or Loads to Masses Nh m sinh vi n THTKC 42 31 Nghiờn c u ng d ng chng trỡnh Midas/Civil trong phõn tớch... cỏc thnh ph n ng su t cng ủ c v trong trong h t a ủ ECS 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) xỏc ủ nh theo quy t c bn tay ph i Tr c Z c a ECS b t ủ u t tr ng tõm c a b m t ph n t v vuụng gúc v i m t ph n t ng n i trung ủi m c a 2 c nh N1N4 v N2N3 ủ c ủ nh ngha l phng c a tr c X-ECS Phng vuụng gúc v i tr c x trong m t ph ng ph ng ph n t l... thnh ph n ng su t cng ủ c v trong trong h t a ủ ECS M i nỳt cú ba b c t do, ph n t t n t i chuy n v theo ba phng c a GCS l tr c X, Y, Z ECS s d ng 3 tr c X, Y, Z trong h t a ủ Decac, s d ng quy t c bn tay ph i ủ xỏc ủ nh G c t i v trớ tõm ph n t v cỏc phng c a ECS cng gi ng nh c a ph n t t m v ph ng Cú 3 lo i ph n t : 8 nỳt, 6 nỳt, 4 nỳt S khỏc nhau v t o hỡnh ủ c mụ t nh trong hỡnh d i Cỏc nỳt ny ủ... Midas/Civil trong phõn tớch k t c u v c u Hỡnh 2 Nh ng lo i ph n t kh i ba chi u v ủỏnh s nỳt 3 Phõn tớch k t c u Khi k t c u ch u tỏc d ng c a ngo i l c S ph n ng tng ng c a k t c u cú th th hi n b ng phi tuy n v t li u m t vựng no ủú Tuy nhiờn trong h u h t cỏc phõn tớch k t c u cho vi c thi t k , ng x c a v t li u trong k t c u ủ c gi thi t l tuy n tớnh, cỏc thnh ph n ng su t ủ c n m trong vựng... 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 chuy n v {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... bởi công thức sau: m = M M i i im 2 im Trong ủú: m : hệ số m : thứ tự m u Mi : Kh i l ng tập trung t i v trớ i im : h s hỡnh d ng của khối lợng t i v trớ i( nh h ng c a hỡnh d ng ) t, nú ủ c quy ủ nh b i t ng nh h ng c a kh i Trong h u h t cỏc thi t k v ủ ng l ng trong 1 phõn tớch ph i l n hn 90% c a t ng kh i l ng ton b i u ny ủ m b o kh n ng ch u l c t i h n trong thi t k [ M ] = 2 m Nh m sinh . ñi sâu vào tìm hiểu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết c u cầu với mục tiêu xây dựng một tài Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu Nh m. trọng Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu Nh m sinh vi n TĐHTKCĐ 42 11 - Menu Analysis (Phân tích) . Hình .5 Menu phân tích. Nghiên cứu ứng dụng. Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu Nhóm sinh viên TĐHTKCĐ 42 1 BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN KHOA CÔNG TRÌNH Tên ñề tài: NGHIÊN