THIẾT KẾ TỐI ƯU BẰNG PHẦN MỀM MIDAS-CIVIL OPTIMAL DESIGN BY MIDAS-CIVIL SOFTWARE NGUYỄN LAN – CAO VĂN LÂM Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Phần mềm Midas Civil có rất nhiều tính năng ưu việc trong tính toán, thiết kế cầu như tính toán cầu đúc hẫng, cầu treo, thiết kế tiết diện BTCT, thiết kế tối ưu. Bài viết này đi sâu vào nghiên cứu tính năng tối ưu hóa kết cấu bao gồm tối ưu hóa mặt cắt của tiết diện và bài toán điều chỉnh nội lực trong cầu dây xiên theo mô hình bài toán tối ưu. ABSTRACT MIDAS-Civil have many features for Bridge design as Segmental and Cable-stayed bridge, Optimal design. This paper focus on optimal design included Section Optimal and determine of modified forces in cable of Cable-stayed Bridge. 1. Đặt vấn đề Trong vòng nửa thế kỷ nay, một ngành toán học mới- lý thuyết qui hoạch toán học- đã hình thành và phát triển mạnh mẽ do đòi hỏi cấp bách về kinh tế để thực hiện các chỉ tiêu tối ưu: nhiều nhất, ít nhất, nhanh nhất, rẻ nhất, tốt nhất,… Ngày nay sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật máy tính điện tử đã tạo khả năng thực tế cho việc tự động hóa thiết kế trên rất nhiều lĩnh vực. Chẳng hạn như xác định các tham số của kết cấu xây dựng tối ưu theo tiêu chuẩn giá thành rẻ nhất, tính toán lực căng chỉnh trong các dây văng để độ lệch mặt cầu so với đường đỏ mặt cầu mong muốn nhỏ nhất, chọn kích thước các mặt cắt bộ phận kết cấu sao cho thỏa mãn các tiêu chuẩn kiểm tra và khối lượng vật liệu nhỏ nhất,… đó là những ví dụ về bài toán thiết kế tối ưu. Hiện nay có một số chương trình phân tích và thiết kế kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn đã tích hợp thêm môđun thiết kế tối ưu (optimal design) như SAP2000, MIDAS- Civil. Việc nghiên cứu, tiếp cận các tính năng thiết kế tối ưu của các phần mềm này để lựa tìm mặt cắt tối ưu, chọn lực căng chỉnh theo mô hình bài toán tối ưu,… là việc cần thiết đối với các kỹ sư thiết kế kết cấu. Trong bài viết này, các tác giả giới thiệu một số tính năng phân tích và thiết kế tối ưu của phần mềm MIDAS-Civil, một phần mềm thiết kế cầu rất mạnh đang được các kỹ sư thiết kế cầu quan tâm nghiên cứu và ứng dụng. 2. Các tính năng thiết kế tối ưu của MIDAS-Civil 2.1. Tính năng thiết kế tối ưu mặt cắt kết cấu thép và kết cấu bê tông-cốt thép hình (bê tông cốt cứng) - Steel/SRC Optimal Design Tính năng này cho phép ta có thể lựa chọn một kết cấu tiết kiệm nhất (khối lượng vật liệu nhỏ nhất). Hiện MIDAS chỉ mới hỗ trợ thiết kế tối ưu mặt cắt cho kết cấu bê tông cốt thép hình (SRC) và kết cấu thép (Steel). Dạng mặt cắt ngang Hình 1. Mặt cắt ngang bê tông lõi cốt thép hình (SRC) Hình 2. Mặt cắt ngang thép hình Trình tự chung thực hiện phân tích và thiết kế tối ưu trong MIDAS như sau: - Thực hiện bài toán phân tích nội lực: Mô hình hóa kết cấu, khai báo vật liệu, mặt cắt ban đầu, tải trọng, phân tích nội lực. - Thực hiện lệnh thiết kế kết cấu: Khai báo các thông số cho bài toán thiết kế, thực hiện lệnh thiết kế. Thực hiện lệnh thiết kế tối ưu: Gọi môđun thiết kế tối ưu (Steel optimal Design… khi thiết kế tối ưu kết cấu thép hoặc SRC optimal Design… khi thiết kế tối ưu kết cấu bê tông cốt cứng). Có thể là tối ưu các kích thước cho một tiết diện hoặc tối ưu cho tất cả tiết diện của kết cấu để đạt được mục tiêu khối lượng vật liệu toàn kết cấu nhỏ nhất. - Khi thiết kế tối ưu kết cấu thép MIDAS tự động thay đổi dạng mặt cắt hoặc các kích thước mặt cắt để đạt mục tiêu trọng lượng toàn kết cấu nhỏ nhất nhưng vẫn thỏa mãn các điều kiện kiểm tra cường độ và độ mảnh theo tiêu chuẩn thiết kế đã lựa chọn. Khi thiết kế tối ưu kết cấu bê tông cốt cứng (SRC), MIDAS chỉ tự động thay đổi kích thước mặt cắt phần thép hình bên trong phần bê tông. Hình 3. Hộp thoại thiết kế tối ưu mặt cắt ngang của kết cấu thép 2.2. Bài toán tối ưu hóa trong kết cấu cầu dây xiên MIDAS hỗ trợ chức năng Get Unknown load factors để tính toán lực điều chỉnh trong các dây văng trên cở sở thỏa mãn hàm mục tiêu đã chọn. Hình 4. Hộp thoại khai báo và xác định lực căng chỉnh trong cable Trình tự khai báo điều chỉnh nội lực trong cầu treo dây xiên như sau: - Mô hình hóa kết cấu: Khai báo sơ đồ hình học, vật liệu, mặt cắt, tải trọng, tổ hợp tải trọng. - Thực hiện lệnh phân tích nội lực. - Vào lệnh Results\Unknown Load Factor… khai báo các về hàm mục tiêu (Object Function), các ràng buộc (Constraints), trường hợp tải trọng điều chỉnh, sau đó bấm nút Get Unknown Load Factors hiển thị kết quả hệ số tải trọng trong các dây văng. Khi khai báo tổ hợp nội lực cần điều chỉnh gồm tĩnh tải hệ và lực căng đơn vị trong các dây thì các hệ số tải trọng tìm được lực điều chỉnh trong dây. MIDAS hỗ trợ nhiều kiểu hàm mục tiêu và nhiều dạng điều kiện ràng buột (Phản lực, chuyển vị, nội lực phần tử dàn, nội lực phần tử dầm) có thể ứng dụng để thực hiện rất nhiều dạng bài toán điều chỉnh nội lực. Kết quả của bài toán điều chỉnh nội lực là lực điều chỉnh và cả ma trận ảnh hưởng rất chi tiết. Sau đây là ví dụ tính điều chỉnh nội lực trong các dây cáp ngoài của cầu kiểu Extradosed với mục tiêu để biểu đồ bao mô men do tĩnh tải và lực căng dây phù hợp với công nghệ thi công hẫng dầm. 3. Ví dụ minh họa Tính toán điều chỉnh nội lực trong kết cấu cầu kiểu Extradosed, cầu qua hồ trung tâm tỉnh Đăk Nông. 3.1. Các số liệu ban đầu Sơ đồ cầu: 3 nhịp 87 + 160 +87 (m) Khổ cầu: 12.5+2x3.25 (m) Cáp văng: Sử dụng loại cáp có đường kính danh định 15,2mm. 61 tạo cho 4 cáp văng bên trong và 91 tạo cho 4 cáp văng bên ngoài. Thi công theo công nghệ đúc hẫng, thi công đến đâu ta sẽ tiến hành căng cáp đến đó. Hình 5. Mô hình phối cảnh cầu kiểu Extradosed qua hồ Trung tâm tỉnh Đăk Nông Hình 6. Mô hình không gian cầu trong Midas Hình 7. Sơ đồ tính của cầu 3.2. Hàm mục tiêu của bài toán Kết cấu này có hai cách căng cáp: - Xem cáp văng như những bó cáp dự ứng lực ngoài và ta tiến hành căng với lực căng giới hạn của cáp dự ứng lực (ứng suất căng 0.8fy). - Căng cáp văng với lực căng điều chỉnh. Mục tiêu điều chỉnh nội lực là momen dương tại một số vị trí dưới tác dụng tỉnh tải giai đoạn 1 đạt một giá trị nào đó để biểu đồ môn men do tỉnh tải bản thân dầm và cáp văng phù hợp với quá trình thi công hẫng dầm (Mô men âm tại gối lớn, mô men dương ở giữa nhịp lớn). Cụ thể là Mômen tại đoạn giữa nhịp giữa và giữa nhịp biên nằm trong khoảng -95000 đến 95000 KN.m. Các phần từ là hàm mục tiêu: (đây chính những phần tử từ dây thứ 2 trở đi ra xa trụ) Bảng1. Bảng giá trị mục tiêu cần đạt trong dầm Nhịp Tên phần tử Giá trị mômen cần đạt (KN.m) Biên trái 1;2;3;4;5;6;7;8;9;10;11;12;ꎿ 3 -95000 đến 95000 Giữa 49;50;51;52;53;54;55;56;57;58;59; 60;61;62;63;64;65;66;67;68;69 -95000 đến 95000 Biên phải 105;107;108;109;110;111;112; 113;114;115;116;117 -95000 đến 95000 Hình 8. Sơ đồ tính của cầu 3.3. Tổ hợp tải trọng cần điều chỉnh nội lực Ta tiến hành căng cáp với lực căng đơn vị, sau đó ta tạo ra một tổ hợp bao gồm lực căng trong cáp văng và trọng lượng bản thân của kết cấu. DCNL = (DC; Capvang1;2….16) Sau khi có được tổ hợp tải trọng và điều kiện ràng buộc, ta tiến hành khai báo vào trong chương trình, thực hiện lệnh Get Unknown factor… ta sẽ có được kết quả như sau: 3.3.1 Biểu đồ momen trong hai trường hợp căng cáp + Biểu đồ momen do căng cable ngoài (ứng suất căng 0.8f'y) và tỉnh tải bản thân khi không tính điều chỉnh. Hình 9. Biểu đồ momen khi căng cáp văng với lực căng 0.8f'y + Biểu đồ momen do căng cable ngoài (với lực điều chỉnh) và tỉnh tải bản thân khi có điều chỉnh. Hình 10. Biểu đồ momen khi căng cáp văng với lực căng điều chỉnh 3.3.2. Kết quả lực căng trong các bó cáp Bảng 2. Bảng giá trị lực căng sau khi điều chỉnh nội lực Cáp văng Lực căng (KN) Cáp văng Lực căng (KN) 1 10456.840 9 10639.954 2 8483.278 10 8478.709 3 6648.248 11 6643.379 4 5092.824 12 5087.521 5 3809.306 13 3808.186 6 2751.586 14 2749.073 7 1898.583 15 1906.881 8 1132.819 16 1190.445 4. Kết luận Phần mềm MIDAS-Civil là phần mềm phân tích và thiết kế cầu khá hay và thuận tiện, ngoài một số ưu điểm nổi bật như: Giao diện đồ họa mạnh, dễ khai thác sử dụng, xuất kết quả chi tiết, hỗ trợ nhiều mô hình cầu mẫu theo nhiều dạng công nghệ, khả năng phân tích phi tuyến hình học, xét các hiệu ứng thay đổi theo thời gian (từ biến, co ngót, chùng rão vật liệu), tối ưu hóa mặt cắt… còn có tính năng Get Unknown factor… tính toán lực điều chỉnh theo mô hình bài toán tối ưu. Có thể khai thác tính năng này để thực hiện một số dạng bài toán điều chỉnh nội lực trong kết cấu cầu treo, cầu dây văng, cầu kiểu Extradosed, cầu dự ứng lực ngoài, cầu liên hợp, tăng cường cầu cũ… TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN272-05. [2] Lê Đình Tâm, “Cầu bê tông cốt thép trên đường ô tô”, Nhà xuất bản Xây dựng, 2005. [3] Nguyễn Viết Trung, Hoàng Hà,Công nghệ đúc hẫng cầu bê tông cốt thép, Nhà xuất bản Giao thông Vận tải, 2004. [4] Trần Mạnh Tuân, Tính toán kết cấu Bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn ACI 318- 2002, Nhà xuất bản Xây dựng, 2005. [5] Ngô Văn Minh, Vũ Ngọc Anh,Hướng dẫn sử dụng MIDAS Civil trong mô hình hóa kết cấu cầu. . thiết kế kết cấu: Khai báo các thông số cho bài toán thiết kế, thực hiện lệnh thiết kế. Thực hiện lệnh thiết kế tối ưu: Gọi môđun thiết kế tối ưu (Steel optimal Design khi thiết kế tối ưu kết. và thiết kế tối ưu của phần mềm MIDAS-Civil, một phần mềm thiết kế cầu rất mạnh đang được các kỹ sư thiết kế cầu quan tâm nghiên cứu và ứng dụng. 2. Các tính năng thiết kế tối ưu của MIDAS-Civil 2.1 THIẾT KẾ TỐI ƯU BẰNG PHẦN MỀM MIDAS-CIVIL OPTIMAL DESIGN BY MIDAS-CIVIL SOFTWARE NGUYỄN LAN – CAO VĂN LÂM Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Phần mềm Midas Civil