Bai giang Midas(DHXD)

Phân tích kết cấu với Midas/Civil Hà Nội, 02 - 2009 đại học xây dự ng Trờng ĐH Xây Dựng Phân tích kết cấu với MIDAS/Civil Mục lục chơng I: Mô hình hoá phân tích kết cấu I.1 Tài liệu tham khảo I.2 Các Khái niệm I.3 lý thuyết phân tích kết cấu I.3.1 Cơ sở lý thuyết I.3.2 Phơng thức chung để giải toán kết cấu I.3.3 Trình tự giải toán kết cầu phần mềm Phần tử hữu hạn (PTHH) chơng II: Phân tích kết cấu với midas/Civil II.1 Vẽ sơ đồ kết cấu II.1.1 Chọn đơn vị II.1.2 Tạo lới định vị II.1.3 Tạo nút II.1.4 Tạo phần tử II.2 Mô hình hoá vật liệu mặt cắt II.2.1 Mô hình hoá vật liệu II.2.2 Mô hình hoá mặt cắt II.3 Mô hình hoá điều kiện biên II.3.1 Gối II.3.2 Liên kết II.3.3 Các dạng điều kiện biên khác II.4 Mô hình hoá tải trọng II.4.1 Khai báo trờng hợp tải trọng II.4.2 Khai báo tải trọng II.5 Chạy chơng trình xem kết 13 chơng III: Các tập 14 đại học xây dự ng Trờng ĐH Xây Dựng chơng I: I.1 Phân tích kết cấu với MIDAS/Civil Mô hình hoá phân tích kết cấu Tài liệu tham khảo Bùi Đức Vinh Phân tích thiết kế kết cấu phần mềm SAP2000 tập 1&2 NXB Thống Kê Ngô Đăng Quang, Trần Ngọc Linh, Bùi Công Độ, Nguyễn Trọng Nghĩa Mô hình hóa phân tích kết cấu với Midas/Civil tập 1&2 NXB Xây Dựng Nguyễn Viết Trung Tính toán cầu Đúc Hẫng phầm mềm MIDAS NXB Xây Dựng Tiêu chuẩn thiết kế cầu 272 TCN 272-05, Bộ Giao thông vận tải 2005 Tiêu chuẩn thiết kế cầu cầu cống theo trạng thái giới hạn 22 TCN 18-79, Bộ Giao thông vận tải Lê Đình Tâm, Phạm Duy Hoà Cầu dây văng, NXB Khoa học kỹ thuật 2000 Website: http://.www.Midasuser.com I.2 Các Khái niệm a Mô hình - Mô hình mô tả khái quát đối tợng Mô hình đợc xây đựng nhằm mục đích nghiên cứu làm việc đối tợng trớc xây dựng sửa đổi đối tợng - Về mặt chất, mô hình cách thể đợc đơn giản hoá đối tợng thực b Mô hình kết cấu - Mô hình kết cấu mô hình phản ánh làm việc theo phơng diện định kết cấu theo phơng pháp phân tích định - Một cách chung nhất, mô hình kết cấu mô tả cấu trúc hình học, phân bố khối lợng, điều kiện liên kết điều kiện biên kết cấu ảnh hởng bên tác động lên c Mô hình hoá phân tích kết cấu - Là trình vận dụng kiến thức sở học, phơng pháp phân tích kết cấu thuật giải để mô tả, làm trực quan hoá định lợng ứng xử vật lý kết cấu nh nội lực, chuyển vị, v.v chịu tác động khác - Các kết tìm đợc sở để thiết kế phận kết cấu đánh giá làm việc chúng đại học xây dự ng Trờng ĐH Xây Dựng I.3 lý thuyết phân tích kết cấu I.3.1 Cơ sở lý thuyết Phân tích kết cấu với MIDAS/Civil Mô hình hoá phân tích kết cấu dựa sở lý thuyết học môi trờng liên tục nh lý thuyết phơng pháp tính đợc phát triển dựa đó, nh : Phơng pháp PTHH (FEM), phơng pháp phần tử biên v.v Các nguyên tắc : - Sự cân lực - Liên tục(tơng thích) chuyển vị hay biến dạng - Đặc trng hình học vật liệu thể qua quan hệ ứng suất biến dạng I.3.2 Phơng thức chung để giải toán kết cấu Thay đổi Bài toán Vật lý Bài toán Vật lý Mô hình toán học đợc mô tả phơng trình vi phân với giả thiết: - Hình học - Động học - Luật ứng vật liệu - Tải trọng - Điều kiện biên Cải tiến mô hình toán học Lời giải phần tử hữu hạn Lời giải phần tử hữu hạn mô hình toán Chọn: - Phần tử mẫu thích ứng - Tạo lới phần tử thích hợp - Các thông số điều khiển Khai báo: - Hình học - Tải trọng tác dụng - Điều kiện biên Thay đổi lới phần tử, thông số điều khiển, vd: độ xác yêu cầu Đánh giá độ xác toán mô hình toán học Phân tích biểu diễn kết Hoàn thiện trình phân tích toán Cải tiến thiết kế, tối u hoá kết cấu - Bài toán vật lý: Là vấn đề đặt từ kết cấu thật, bao gồm thành phần yếu tố tác động từ bên ngoài, yếu tố cần xác định đại học xây dự ng Trờng ĐH Xây Dựng Phân tích kết cấu với MIDAS/Civil - Mô hình toán học: Thay cho toán vật lý mô hình lý tởng với giả thiết nhằm làm đơn giản hoá vấn đề nhng phải đảm bảo yêu cầu xác cần thiết, thông thờng đợc biểu diễn hệ phơng trình vi phân chủ đạo - Lời giải phần tử hữu hạn: lời giải xấp xỉ phơng trình, hay hệ vi phân chủ đạo phơng pháp số I.3.3 Trình tự giải toán kết cầu phần mềm Phần tử hữu hạn (PTHH) Tất phần mềm PTHH nói chung có nghi thức làm việc giống nhau, có cách thức giao tiếp khác nhau, trình tự giải toán đợc chia thành bớc sau: Bớc 1: Chuyển từ sơ đồ kết cấu sang sơ đồ tính Bớc 1: Xác định yếu tố đầu vào - Xác định yêu cầu tính toán, kết cần tìm - Xác định dạng hình học kêt cầu - Xác định tải trọng Bớc 2: - Rời rạc hoá kết cấu, chọn loại phần Bớc 2: (pre-processing) Thực hiệh bớc tiền xử lý Nhập: - Dữ liệu điều khiển - Dữ liệu nút - Dữ liệu phần tử - Dữ liệu tải trọng tử mẫu thích hợp - Phân chia phơng án tải trọng - Nhập liệu Bớc 3: (processing) Thực giải kiểm tra kết Bớc 3: - Thực giải toán - Kiểm tra độ xác kết Bớc 4: (Post-processing) Biểu diễn kết (graphics, text ) - Hiệu chỉnh liệu ban đầu cần thiết Bớc 4: - Biểu diễn kết hình vẽ - Xử lý kết cần - Sử dụng kết Khi giải toán PTHH việc nhập liệu tốn nhiểu thời gian công sức, liệu không xác kết không xác xuất nhiều số lạ gây bối rối cho ngời sử dụng, quan trọng làm sai kết làm ý nghĩa việc chọn phơng pháp giải Dữ liệu phải đợc chuẩn bị thật kỹ, lập thành bảng, sơ đồ phải rõ ràng Với toán phức tạp chuẩn bị tốt tiết kiệm thời gian nhiêu đại học xây dự ng Trờng ĐH Xây Dựng chơng II: Phân tích kết cấu với MIDAS/Civil Phân tích kết cấu với midas/Civil Màn hình giao diện: II.1 Vẽ sơ đồ kết cấu II.1.1 Chọn đơn vị Đơn vị tính đợc điều chỉnh trình nhập số liệu tính toán phân tính Tool / Unit System Length> m ; Force> kN đại học xây dự ng Trờng ĐH Xây Dựng Phân tích kết cấu với MIDAS/Civil II.1.2 Tạo lới định vị Lới điểm: Model Define Point Grid Lới đờng thẳng: Model Add Define Line Grid Add Grid name: luoi1 Nhập khoảng cách lới theo hai chiều x y đại học xây dự ng Trờng ĐH Xây Dựng Phân tích kết cấu với MIDAS/Civil II.1.3 Tạo nút Model Nodes Create Nodes - Click chuột trực tiếp hình nhập toạ độ số Model Nodes Translate Nodes : copy di chuyển nút Model Nodes Merge Nodes : nhập nút gần thành nút, với Tolerance: độ dung sai II.1.4 Tạo phần tử Model Elements Create Elements - Chọn loại phần tử: Element Type: (Beam, Truss, Plate, Solid ) Model Elements Extrude : Biến điểm thành đờng thẳng, đờng thẳng thành phần tử phẳng, phần tử phẳng thành khối II.2 Model Elements Divide : Chia phần tử Model Elements Merge : Nối phần tử thành phần tử Model Elements Change Element : Thay đổi thông số phần tử Mô hình hoá vật liệu mặt cắt II.2.1 Mô hình hoá vật liệu Model Properties Material Add - Type of design: chọn loại vật liệu (thép, bê tông, ngời dùng tự đinh nghĩa) - Standard: Vật liệu theo tiêu chuẩn, có sở liệu Midas/Civil Nếu chọn None, ngời dùng tự nhập số liệu Model Properties Material Import: Nhập vật liệu từ dự án khác Model Properties Time Dependent Material (Creep/Shrinkage):Khai báo đặc trng co ngót, từ biến Model Properties Time Dependent Material (Comp.Strength):Khai báo đặc trng biến thiên cờng độ II.2.2 Mô hình hoá mặt cắt Model Properties Section Add - DB/User: mặt cắt đợc xây dựng theo tiêu chuẩn thiết kế (DB)/ngời dùng tự định nghĩa cách nhập số liệu kích thớc - Value: Mặt cắt đợc nhập theo giá trị đặc trng hình học - SRC (Steel Reinforeced Concrete): Là dạng mặt cắt cho cấu kiện thép hình bêtông cốt thép - Combined: Mặt cắt thép hình đợc tổ hợp đại học xây dự ng Trờng ĐH Xây Dựng Phân tích kết cấu với MIDAS/Civil - PSC (PreStressed Concrete): Mặt cắt cho cấu kiện dầm BTCT DƯL - Tappered: Mặt cắt thay đổi - Composite: Mặt cắt liên hợp thép bêtông cốt thép hay bêtông cốt thép bêtông cốt thép - Offset: Điểm chuẩn, gốc hệ toạ độ địa phơng mặt cắt Tool Section Property Calculator (SPC): Xây dựng tính toán đặc trng mặt cắt SPC II.3 Mô hình hoá điều kiện biên II.3.1 Gối Model Boudaries Supports : Mô hình hoá gối cứng thông thờng Model Boudaries Point Spring Supports: gối đàn hồi điểm (nút) Model Boudaries General Spring Supports: gối đàn hồi tổng quát, có độ cứng theo bậc tự Thông số đàn hồi đợc định nghĩa General Spring Type II.3.2 Liên kết Model Boudaries Rigid Link : dạng liên kết ràng buộc cứng nút chuẩn (master) hay nhiều nút phụ khác (slab) Model Boudaries với Elastic Link : liên kết đàn hồi nối hai điểm mô hình Model Boudaries với Elastic Link : liên kết đàn hồi nối hai điểm mô hình II.3.3 Các dạng điều kiện biên khác Model Boudaries Beam End Release : dạng giải phóng liên kết theo bậc tự định đầu phần tử dầm (Cho phép giải phóng liên kết để tạo giàn) - Chọn phần tử - Cho phép (đánh dấu ) hay không cho phép (không đánh dấu ) chuyển vị thẳng F hay chuyển vị xoay M - Các lựa chọn nhanh: Pinned Pinned: đầu khớp Pinned Fixed: đầu khớp - đầu ngàm Fixed: Pinned: đầu ngàm - đầu khớp Fixed Fixed: đầu ngàm đại học xây dự ng II.4 Trờng ĐH Xây Dựng Phân tích kết cấu với MIDAS/Civil Mô hình hoá tải trọng II.4.1 Khai báo trờng hợp tải trọng Load Static Load Cases - Name: nhập tên trờng hợp tải trọng - Type: nhập kiểu trờng hợp tải trọng Add II.4.2 Khai báo tải trọng a Tải trọng thân Load Sefl Weight - Load Case Name: Chọn tên trờng hợp tải trọng định nghĩa X: Y: Z: -1 Add b Tải trọng tập chung Load Nodal Loads - Chọn nút - Load Case Name: Chọn tên trờng hợp tải trọng định nghĩa - Nhập vào trị số lực tập chung F mônmen tập trung M Apply c Tải trọng phân bố Load Element Beam Loads - Chọn phần tử - Load Case Name: Chọn tên trờng hợp tải trọng định nghĩa - Load type: Unifrom loads: tải trọng phân bố - Nhập x1, x2: phạm vi tải trọng (Relative: tơng đối, Absolute: tuyệt đối) - Nhập w: trị số tải trọng Apply d Chuyển vị nút - Load Specified Displacement of Support - Chọn nút đại học xây dự ng Trờng ĐH Xây Dựng Phân tích kết cấu với MIDAS/Civil - Load Case Name: Chọn tên trờng hợp tải trọng định nghĩa - Nhập vào chuyển vị thẳng D chuyển vị xoay R Apply e Hoạt tải Lựa chọn tiêu chuẩn: Load Moving Load Analysis Data Moving Load Code - Chọn AASHTO LRFD (tơng đơng 272-05) Khai báo làn: Load Moving Load Analysis Data Traffic Line Lane Add - Nhập tên - Nhập độ lệch tâm - Có cách khai báo làn: point: click vào điểm đầu cuối Picking: chọn vào đối tợng Number: gõ tên phần tử Add 10 đại học xây dự ng Trờng ĐH Xây Dựng Phân tích kết cấu với MIDAS/Civil Khai báo xe: Load Moving Load Analysis Data - Sử dụng xe tiêu chuẩn: Vehicles Add Standard - HL-93TRK: xe trục tải trọng w - HL-93TDM: xe trục tải trọng w - Dynamic Load Allowance (Hệ số xung kích): 25% (theo 272-05) Ta đợc: 11 đại học xây dự ng Trờng ĐH Xây Dựng Phân tích kết cấu với MIDAS/Civil Khai báo trờng hợp tải trọng di động (xếp hoạt tải lên cầu): Load Moving Load Analysis Data Moving Load Case Add - Load Case Name: nhập tên trờng hợp tải trọng (ví dụ: HL 93) - Load Efect: Independent - Add Vehice Class: chọn xe (VL:HL93TRK) Min (số nhỏ nhất) = Max (số lớn nhất) = (số lớn mà xe tác dụng lên) Chọn tải trọng tác dụng vào OK - Tơng tự cho VL:HL93TRK) ta đợc trờng hợp tải trọng HL-93 12 đại học xây dự ng Trờng ĐH Xây Dựng f Phân tích kết cấu với MIDAS/Civil Tổ hợp tải trọng Results Combination - Lựa chọn Auto Generation: tự động tạo tổ hợp - Tự tạo: Name: tên tổ hợp Type: Add (tổng), Envelope (Bao) Load Case: chọn loại tải trọng Fator: hệ số tải trọng tơng ứng với tải trọng II.5 Chạy chơng trình xem kết Analysis Perform Analysis (F5) Results Reation Deform Force: phản lực Results Reation Deform Shape: biến dạng Results Force: nội lực Results Stress: ứng suất Beam Diagram: biểu đồ nội lực Beam Stress: ứng suất Xuất bảng kết : Results Result Table 13 đại học xây dự ng Trờng ĐH Xây Dựng chơng III: Phân tích kết cấu với MIDAS/Civil Các tập Bài tập 1: Kết cấu khung phẳng Cho kết cấu có dạng nh sau: w = 20kN/m M = 100kNm 7.0m 5.0m P = 100kN 10.0m - Vật liệu đợc làm BT Grade C4000 - Mặt cắt tiết diện 20x40 cm - Tải trọng cho hình vẽ trọng lợng thân Yêu cầu: tính toán kết cấu 14 đại học xây dự ng Trờng ĐH Xây Dựng Phân tích kết cấu với MIDAS/Civil Bài tập 2: Kết cấu dàn vòm Cho kết cấu vòm: - Vật liệu thép khai báo theo ngời dùng tự định nghĩa - Môdun đàn hồi E = 2x108 kN/m2 - Hệ số poisson: = 0.3 - Hệ số dãn nở nhiệt: = 10-5 - Trọng lợng riêng: = 78 kN/m3 - Mặt cắt I định hình AISC2K (US) Vòm: w44x290 Dầm: w44x230 Dầm ngang: w40x199 Thanh đứng giằng: w24x55 Yêu cầu: Tính toán kết cấu với trọng lợng thân 15 đại học xây dự ng Trờng ĐH Xây Dựng Phân tích kết cấu với MIDAS/Civil Bài tập 3: Kết cấu dầm Cho kết cấu dầm: 33000 mm 200 1800 100 100 100 1750 400 300 100 600 - Mặt cắt có dạng nh hình vẽ - Đơn vị hình vẽ mm - Mặt cắt đợc làm BT Grade C4000 - Dầm chia thành 10 đoạn - Tải trọng bao gồm: Trọng lợng thân (DC) Tải trọng phân bố 30 kN/m (DW) Hoạt tải HL 93 theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD (LL) có tính xung kích 25% Yêu cầu: - Chọn hệ đơn vị kN, m - Thành lập tổ hợp CD1 = 1.25DC + 1.5DW + 1.75LL - Tính đặc trng hình học mặt cắt ngang Jyy (a) - Tính độ võng điểm dầm tổ hợp CD1 (b) - Tính ứng suất lớn thớ dới dầm tổ hợp CĐ1 (c) - Tính mômen mặt cắt dầm tổ hợp CD1 (d) 16 đại học xây dự ng Trờng ĐH Xây Dựng Phân tích kết cấu với MIDAS/Civil Bài tập 4: cầu dầm giản đơn Cầu giản đơn có sơ đồ mạng dầm nh sau: 6000 2000 40000 10000 - Có dầm dọc (kích thớc mặt cắt nh Bài tập 3) đặt cách 2m - Dầm ngang BT dạng hình chữ nhật có cạnh 200x1250 mm - Thép DƯL dầm dọc đợc bố trí nh hình vẽ dới đây: Mặt cắt đầu dầm Mặt cắt dầm 200 1800 200 1800 200 200 150 150 150 150 750 150 Dùng bó 7T12.7 Lực căng 1100kN (3 bó 1,2,3) 1024kN (4,5,6) - Chia giai đoạn căng DƯL (mỗi giai đoạn căng bó) - Tải trọng phân bố 30 kN/m (DW) - Tải trọng xe HL93, cách dầm biên trái 1m, cách dầm biên phải 1m Yêu cầu: - Thành lập tổ hợp CD1 = 1.2DC + 1.5DW + 1.75LL + DƯL - Tính độ võng lớn xuất cầu CD1 (a) - Tính ứng suất kéo nén lớn xuất cầu CD1(b) 17 đại học xây dự ng Trờng ĐH Xây Dựng Phân tích kết cấu với MIDAS/Civil - Tính ứng suất kéo lớn xuất dầm ngang CD1 (c) Bài tập 5: kết cấu khung Cho kết cấu nhà đơn giản dạng khung phẳng tầng nh hình: 3.0m sàn 1: w = 20kN/m 2.5m sàn 2: w = 20kN/m 5.0m - Vật liệu BT Grade C4500 - Mặt cắt khung dạng chữ nhật 30x30 cm, mặt cắt sàn 15x200cm - Tải trọng gồm: Trọng lợng sàn Trọng lợng thân kết cấu - Xét co ngót, từ biến thay đổi cờng độ theo thời gian Yêu cầu: - Phân tích kết cấu theo giai đoạn thi công 18 đại học xây dự ng Trờng ĐH Xây Dựng Phân tích kết cấu với MIDAS/Civil Bài tập 6: cầu đúc Cho cầu liên tục thi công theo phơng pháp đúc hẫng cân có sơ đồ nh sau: fix l1 = 53 L = 85 move l2 = 53 - Vị trí : Liên kết cứng - Vị trí : Liên kết cứng - Chiều cao dầm thay đổi theo đờng parabol (bậc 2) - Chiều cao dầm gối cầu: hg = 6m - Chiều cao dầm mố cầu: hm = 2.5m - Chiều cao dầm nhịp: hn = 2.5m - Chiều cao dầm vị trí cách tiết diện có chiều cao hm đoạn X là: X h = hm + (h g h1 ) L Trong đó: X khoàng cách từ tiết diện có hm đến tiết diện xét L chiều dài phần cách hẫng cong Phân đốt thi công: - Đốt Ko trụ có chiều dài 4ì1.5 + 2ì4m - Cầu đợc thi công theo công nghệ đúc hẫng cân bằng, chiều dài đúc 3m - Đốt hợp long nhịp có chiều dài 2ì1m - Đốt hợp long nhịp biên (hợp long phần đúc hẫng phần đúc giàn giáo) có chiều dài 2m Nhịp giữa: 85m/2 = 42.5m = 1.5 + 1.5 + 2.5 + 3.0ì12 + 1.0(HL0) Nhịp biên: 53m = 1.0 + 2.5 + 3.0 + 3.0 + 2.0(HL1) + 12ì3 + 2.5 + 1.5 + 1.5 19 đại học xây dự ng Trờng ĐH Xây Dựng Phân tích kết cấu với MIDAS/Civil Mặt cắt ngang: - Chiều rộng cầu B = 15m - Mặt cắt ngang loại dầm hộp sờn xiên, sờn - Các kích thớc khác cho nh hình dới đây: - Bố trí gối cố định mố, gối lại gối di động 1/2 mC trụ 1/2 mc nhịp 15000 500 14000 2500 500 9000 2500 550 1123 3050 400 3260 2980 3843 247 1150 3350 45 740 6700 200 1000 3500 330 2640 3260 2500 230 500 250 2% 330 300 3920 3530 3150 5750 5250 6000 3050 1530 450 235 450 2070 300 250 500 230 2070 210 1370 2% 3690 3600 1750 3530 3440 1150 1750 5500 1750 2500 100 100 3500 9000 3500 2500 2000 2000 2000 5000 2000 5000 2000 14000 14200 Yêu cầu: Mô hình hoá phân tích cầu theo giai đoạn thi công Gi chú: Các số liệu Từng giai đoạn thi công, Cáp DƯL, Tải trọng xe đúc, Bê tông tơi v.v đợc cung cấp trình làm 20 đại học xây dự ng Trờng ĐH Xây Dựng Phân tích kết cấu với MIDAS/Civil Bài tập 7: cầu dây văng Cho sơ đồ cầu dây văng nh hình: - Cho file CAD mô hình - Vật liệu: Dầm tháp: Bê tông: Grade C5000 Dây văng làm từ thép CĐC: A416-270 (Normal) - Cho tiết diện dây văng: (đối xứng cặp qua tháp cầu) Số hiệu Cable neo Cable Cable Cable Cable Cable Cable Cable Cable Cable Cable 10 Cable 11 Cable 12 Cable 13 Cable 14 Cable 15 Cable 16 Cable 17 Cable 18 Cable 19 Diện tích (mm2) 0.0135 0.0048 0.0046 0.0045 0.0043 0.0042 0.0040 0.0039 0.0037 0.0036 0.0035 0.0032 0.0030 0.0029 0.0027 0.0026 0.0025 0.0023 0.0022 0.0020 Đờng kính (m) 0.131 0.078 0.077 0.075 0.074 0.073 0.072 0.070 0.069 0.068 0.066 0.064 0.062 0.061 0.059 0.057 0.056 0.054 0.052 0.051 Vị trí Đầu dầm + nhịp Gần tháp - Tiết diện dầm chủ: 2.0x19.78m Yêu cầu: - Mô hình hoá kết cấu cầu cách nhập từ file *.dxf CAD - Tính toán điều chỉnh lực căng dây văng tính Unknown Load Factor 21