Phần mềm SeismoStruct 2016

Tất cả các phân tích được thực hiện bởi phần mềm phần tử hữu hạn SeismoStruct 2016 [Seismosoft, 2004], được phát triển bởi Antoniou và Pinho [2004a]. Đây là một công cụ phân tích để phân tích phần tử hữu hạn của khung bê tông cốt thép, khung composite và khung thép. SesmoStruct 2016 là phần mềm được cải tiến của các gói phân tích ADAPTIC (Izzuddin và Elnashai, 1989) và INDYAS (Elnashai và cộng sự, 2000), được phát triển tại Imperial College, London.

Hình 3.8 Giao điện phần mềm Seismostruct 2016 [SeismoSoft, 2004]

SeismoStruct 2016 (Hình 3.8) thực hiện phân tích phi tuyến sử dụng phương pháp tiếp cận lớp đáp ứng cho sự lan truyền của độ dẻo dọc theo chiều dài phần tử và chiều sâu của mặt cắt. Nó cũng có khả năng dự đoán sự chuyển vị khung lớn bằng cách áp đặt trạng thái cân bằng trong trạng thái bị biến dạng của cấu trúc và do đó nó có thể biểu diễn các hiệu ứng phi tuyến tính hình học và hiệu ứng P-Δ. Nó cũng có khả năng thực hiện các giá trị riêng, phân tích tĩnh đẩy dần (thông thường và thích nghi), lịch sử thời gian tĩnh và phân tích động, như sau:

 Phân tích giá trị riêng: Thuật toán Lanczos hiệu quả được sử dụng để đánh giá các tần số tự nhiên cấu trúc và hình dạng dao động

 Phân tích tĩnh đẩy dần (thông thường và thích nghi): Trong phân tích đẩy thông thường, tải được áp dụng (chuyển vị, lực hoặc cả hai) khác nhau theo một mẫu được xác định trước. Điểm chảy dẻo đạt được với các quy trình kiểm soát chuyển vị khác nhau. Trong phân tích đẩy dần thích nghi, mô hình tải áp không được giữ không đổi, nhưng được liên tục cập nhật để mô tả một cách chính xác hơn sự giảm độ cứng và sự kéo dài chu kì của hệ thống kết cấu.  Phân tích lịch sử thời gian tĩnh: Tải được áp dụng khác nhau một cách độc lập

 Phân tích động: Tải tác dụng là gia tốc hoặc lực tại các gối đỡ của cấu trúc, theo một hồ sơ chuyển động của động đất. Cả hai kích thích đồng bộ và không đồng bộ có thể được mô phỏng. Các thuật toán tích hợp Hilber-Hughes-Taylor hoặc Newmark có thể được sử dụng.

Trong nghiên cứu phân tích hiện tại, tất cả các mô hình được xem xét đã được phân tích bằng cách sử dụng phân tích tĩnh đẩy dần SPA (với phân bố tải đồng đều và tam giác), phân tích tĩnh đẩy dần SAPA (không có động đất) và phân tích THA. Phương pháp thứ hai được áp dụng cho mục đích so sánh vì nó được coi là thủ tục phân tích tiên tiến và chính xác hiện có.

 Mô hình vật liệu

Thư viện vật liệu Seismostruct 2016 chứa một tập hợp các mô hình cho bê tông cốt thép và kết cấu thép mô tả ngắn gọn dưới đây:

Mô hình đàn hồi tuyến tính (Hình 3.9): Mô hình này được áp dụng cho việc mô hình hóa thép có tính dẻo cao hàm lượng carbon thấp.

Hình 3.9 Ứng xử của vật liệu đàn hồi tuyến tính

Mô hình đàn-dẻo với sự gia tăng độ cứng động học: Mô hình này được áp dụng cho việc mô hình hóa thép có tính dẻo cao hàm lượng carbon thấp. Mô hình này mô phỏng khá chính xác đặc tính của vật liệu thép và thông số đầu vào đơn giản, do đó mô hình đàn-dẻo được sử dụng để mô phỏng trong luận văn này.

Hình 3.10 Ứng xử của vật liệu đàn - dẻo

Mô hình Ramberg-Osgood với sự gia tăng độ cứng động học (Hình 3.11): Quan hệ ứng suất biến dạng như sau:

n a

E b

 

      

Hình 3.11 Ứng xử của vật liệu theo mô hình Ramberg-Osgood

 Mô hình phần tử thanh

Có thể mô hình cấu kiện của khung không gian với sự phi tuyến của hình học và vật liệu. Để đánh giá lực trong phần tử, sự tích hợp số được thực hiện tại 2 điểm Gauss. Với mục đích này, tại mỗi điểm Gauss được chia thành một số điểm quan trắc, quan hệ ứng suất biến dạng được xem xét trong suốt quá trình phân tích. Nút 1 và 2 là các nút kết thúc của phần tử nằm trên trục địa phương x, nút 3 được dùng để xác định mặt phẳng hệ trục địa phương x-y và nó là nút phi kết cấu.

Hình 3.12 Mô hình phần tử thanh trong phần mềm SeismoStruct 2016

Thư viện mặt cắt phần tử thanh có một số lượng lớn các mặt cắt của thép hình, bê tông cốt thép và các mặt cắt composite.

Phần tử nút được sử dụng trong phân tích khung không gian dùng để mô hình liên kết khớp, gối tựa, ứng xử của nút đàn dẻo. Để định nghĩa hoàn chỉnh một liên kết cần sử dụng bốn nút. Các nút 1 và 2 là nút kết thúc của phần tử và phải trùng khớp ban đầu, nút 3 dùng để xác định trục địa phương x, và nút 4 để xác định mặt phẳng x-y trong hệ tọa độ địa phương (Hình 3.13).

Hình 3.13 Mô hình phần tử nút trong phần mềm SeismoStruct 2016

 Mô hình phần tử liên kết lò xo (link element)

Phần tử liên kết lò xo dùng để mô hình ứng xử lực cắt, mô-men, hoặc liên kết khớp mà người dùng muốn sử dụng để mô phỏng ứng xử nút liên kết các phần tử với nhau. Các liên kết lò xo yêu cầu 6 bậc tự do được định nghĩa đó là các lực F1, F2, F3 và mô-men M1, M2, M3.

Hình 3.14 Thông sốđầu vào phần tử liên kết lò xo [SeismoSoft, 2004]

Hiện tại, SesmoStruct 2016 hỗ trợ 17 kiểu phần tử liên kết lò xo, bao gồm: tuyến tính đối xứng, tuyến tính không đối xứng, đường cong 2 đoạn đối xứng, đường cong 2 đoạn không đối xứng, đường cong 3 đoạn đối xứng, đường cong 3 đoạn không đối xứng, đường cong đàn hồi phi tuyến, đường cong dẻo, đường cong đa tuyến tính…Mô hình liên kết lo xo sử dụng trong luận văn là kiểu mô hình đa tuyến tính (Multi-linear Curve), mô phỏng tương đối chính xác sự suy giảm độ cứng khi khớp dẻo xuất hiện trên dầm.

Hình 3.16 Thông sốđầu vào mô hình đa tuyến tính [SeismoSoft, 2004]

Các thông số đầu vào của mô hình đa tuyến tính bao gồm độ cứng ban đầu EI (Initial flexural rigidity); mô-men giới hạn đàn hồi (Cracking moment); mô-men giới hạn dẻo (Yield moment); độ cong giới hạn đàn hồi (Yield curvature); độ cong giới hạn dẻo (Ultimate curvature); độ cứng nhánh mềm hóa (Post-Yield flexural stiffness as % of elastic); tham số độ cứng giảm (Stiffness degrading parameter); tham số mô hình (Model parameter), 0 tương ứng mô hình trilinear, 1 tương ứng mô hình bilinear, 2 tương ứng mô hình linear.

Đóng góp và xác minh mã code phần tử hữu hạn của phần mềm SeismoStruct 2016 trong các mẫu ADAPTIC và INDYAS đã được thục hiện bởi một số lượng lớn các nhà nghiên cứu trong luận án thạc sĩ và tiến sĩ vì thế tính ổn định và chính xác của nó được khẳng định. Do đó nó được coi là thích hợp cho việc nghiên cứu phân tích hiện tại về các giới hạn của áp dụng phân tích đẩy thông thường và thích nghi cho phản ứng địa chấn.

Một trong số những nhà nghiên cứu thực nghiệm đó là Nakashima và cộng sự [2006] tại đại học University of Kyoto. Mô hình thực nghiệm sử dụng là khung thép chịu mô-men 3 tầng chịu động đất và mô phỏng bằng phần mềm SeismoStruct 2016. Kết quả nghiên cứu cho thấy độ chính xác cao giữa mô phỏng và thực nghiệm.

Hình 3.17 Kết quả nghiên cứu của Nakashima và cộng sự [2006]

Tính toán hệ số tải