Hiện nay có rất nhiều phần mềm tính toán khác nhau được sử dụng để tính toán nhà cao tầng dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn. Có thể kể đến các phần mềm như SAP2000 (Structure Analysis Program), ETABS (Extended Three-dimendional Analysis of Buiding Systems), SAFE (Slab Analysis by the Finite Element method), ... Mỗi phần mềm đều có những tính năng riêng và phạm vi sử dụng khác nhau. Trong đó SAP và ETABS là 2 phần mềm thường dùng nhất để phân tích tính toán nội lực, chuyển vị cũng như các đặc trưng động lực của công trình, đặc biệt là nhà cao tầng.
Khi tính toán thiết kế nhà cao tầng, các phần mềm này đều có những ưu điểm chung như giảm rõ rệt thời gian yêu cầu trong việc mô hình tính toán cho công trình, giảm được thời gian cần thiết để xử lý tính toán và tăng độ chính xác. Riêng phần mềm ETABS có những tính năng ưu việt hơn so với một số phần mềm tính toán khác trong khi tính toán nhà cao tầng. Những đặc tính nổi trội đó bao gồm:
- Nhà cao tầng thường có nhiều sàn điển hình với kích thước và tải trọng như nhau. ETABS có khả năng thiết lập các hệ sàn tương đương này nhanh chóng, đặc biệt khi cần thay đổi có thể áp dụng cho các tầng điển hình cùng một lúc. Điều này giúp giảm thiểu được thời gian thiết lập cũng như chỉnh sửa mô hình.
- Khi phân tích kết cấu, kích thước của các phần tử đặc biệt là chiều dài tính toán có ảnh hưởng rất nhiều đến độ cứng của phần tử cũng như kết quả phân tích. Chương trình ETABS cho phép chính xác hóa chiều dài tính toán của các phần tử thanh.
- Việc phân tích và xuất kết quả tính toán được gắn với từng tầng của công trình. Do vậy dễ dàng nắm bắt và kiểm soát các kết quả thu được.
- ETABS có thể tính toán và thiết kế cho cấu kiện dầm liên hợp (Composite Beam), thực hiện thiết kế chi tiết liên kết tại các nút đối với kết cấu thép (Joint Steel Design) theo các tiêu chuẩn thông dụng trên thế giới
2.5.2 Mô hình hóa nhà cao tầng có hệ thống dầm chuyển
Dựa vào các đặc điểm nổi trội của phần mềm tính toán ETABS so với các phần mềm khác đặc biệt là với nhà cao tầng, tác giả luận văn đã sử dụng ETABS vào việc mô hình hóa nhà cao tầng có hệ thống dầm chuyển để nghiên cứu
Các cấu kiện trong nhà cao tầng có hệ thống dầm chuyển bao gồm: hệ dầm thường, hệ cột, hệ sàn, hệ vách và dầm chuyển. Đối với phần mềm ETABS cho phép người sử dụng mô hình hóa các cấu kiện thành các phần tử dưới 2 dạng: phần tử dạng thanh và phần tử dạng tấm.
1- Các cấu kiện như dầm và cột là những cấu kiện có dạng phần tử thanh sẽ được mô hình hóa thành phần tử Frame trong phần mềm. Phần tử thanh là phần tử có kích thước chiều dài lớn hơn nhiều so với 2 kích thước còn lại. Loại phần tử này có 6 bậc tự do tại 2 đầu liên kết của phần tử. Tọa độ địa phương của thanh có ý nghĩa quan trọng trong việc xác định tiết diện, tải trọng và nội lực của phần tử
Xét một phần tử thanh có điểm đầu là I và điểm cuối là J. Hệ trục tọa độ địa phương của thanh được xác định như sau:
* Đối với phần tử thanh thẳng đứng
- Trục 1: hướng dọc theo đoạn thẳng, chiều dương là chiều dương của trục OZ - Trục 2: hướng vuông góc với đoạn thẳng và chiều dương là chiều dương của trục OX
- Trục 3: hướng vuông góc với đoạn thẳng và chiều dương được xác định theo quy tắc bàn tay phải
I
J 2
1
* Đối với phần tử thanh nằm ngang
- Trục 1: hướng dọc theo đoạn thẳng, chiều dương là chiều dương của trục OX nếu song song trục OX hoặc chiều dương của trục OY nếu song song trục OY - Trục 2: hướng vuông góc với đoạn thẳng, mặt phẳng trục 1-2 thẳng đứng và chiều dương là chiều dương của trục OZ
- Trục 3: hướng vuông góc với đoạn thẳng, nằm ngang và chiều dương được xác định theo quy tắc bàn tay phải
* Đối với phần tử thanh chéo
- Trục 1: hướng dọc theo đoạn thẳng và khi chiếu trục 1 lên trục OZ thì chiều dương của hình chiếu trùng với chiều dương của trục OZ
- Trục 2: hướng vuông góc với đoạn thẳng và chiều dương là chiều dương của trục Z
- Trục 3: hướng vuông góc với đoạn thẳng, nằm ngang và chiều dương được xác định theo quy tắc bàn tay phải
Đối với các phần tử dạng thanh, chúng được mô tả bởi đường trục nối hai nút của thanh. Tại vị trí giao của phần tử dầm và cột, phần tiết diện của thanh sẽ có đoạn bị chồng lên nhau. Phần mềm có cung cấp thêm chức năng End Offsets cho phép định nghĩa được đoạn tiết diện bị chồng lên nhau. Việc xác định đoạn tiết diện bị chồng sẽ giúp chính xác hóa chiều dài tính toán cho các phần tử dạng thanh. Do đó kết quả tính toán sẽ chính xác hơn. Để khai báo chức năng này, có thể thực hiện như sau:
Vào menu Assign -> Frame/Line -> End (Length) Offsets
Trong chức năng này, người sử dụng có thể để phần mềm tự động tính toán lại chiều dài tính toán của phần tử thanh nếu đặt chế độ “Automatic from Connectivity”. Ngoài ra có thể chủ động nhập trực tiếp số liệu thông qua lựa chọn “Define Lengths”.
Khi muốn điều chỉnh liên kết giữa các cấu kiện, phần mềm cho phép giải phóng các bậc tự do ở các đầu phần tử thanh thông qua chức năng Frame
Releases. Cách thức thực hiện việc giải phóng các bậc tự do của phần tử thanh như sau:
Vào menu Assign -> Frame/Line -> Frame Releases/ Partial Fixity Trong hộp thoại này, có thể giải phóng lực dọc, các lực cắt, các mômen uốn hoặc mômen xoắn trong phần tử nhằm tạo thành các loại liên kết mong muốn.
2- Các cấu kiện sàn và vách là những cấu kiện có dạng phần tử tấm sẽ được mô hình hóa thành phần tử Slab hoặc Wall trong phần mềm. Phần tử Slab là loại phần tử dùng cho các bản sàn, phần tử Wall là loại phần tử dùng cho các tường bê tông cốt thép hoặc các vách.
Khi mô hình hóa sàn và vách bằng loại phần tử tấm cần định nghĩa tính chất chịu lực của tấm. Có 3 loại tấm như sau:
- Membrane: Phần tử dạng màng, chỉ có thể kéo, nén trong mặt phẳng, mômen theo phương pháp tuyến có thể bỏ qua
- Plate: Phần tử dạng tấm, chỉ chịu uốn và chịu cắt
- Shell: Phần tử dạng tấm vỏ, vừa có thể chịu uốn, cắt, vừa chịu kéo, nén trong mặt phẳng
Ngoài ra phần mềm còn cho phép kể đến hiệu ứng biến dạng cắt trong phần tử Plate hoặc Shell. Để kể đến hiệu ứng này cần lựa chọn loại bản “Thick – Plate” khi định nghĩa phần tử tấm
Hệ trục tọa độ địa phương của phần tử tấm được định nghĩa như sau: - Trục 3 luôn vuông góc với mặt phẳng của phần tử. Chiều dương xác định theo quy tắc vặn đinh ốc, chiều vặn đinh là chiều vẽ phần tử - Trục 1, 2 luôn nằm trong mặt phẳng của phần tử và được xác định dựa theo sự tương quan của trục 3 so với trục OZ
0
1 3
+) Mặt phẳng 3-2 luôn thẳng đứng, song song với trục OZ
+) Trục 2 theo chiều dương của trục OZ, khi phần tử nằm ngang thì chiều dương của trục 2 theo chiều dương của trục OY
+) Trục 1 xác định theo quy tắc bàn tay phải dựa theo chiều của trục 2,3 Số bậc tự do tại các nút của phần tử cũng có sự khác nhau giữa các loại phần tử tấm. Đối với phần tử Membrane có 3 bậc tự do trong đó có 1 chuyển vị xoay và 2 chuyển vị ngang. Phần tử Plate có 3 bậc tự do: 2 chuyển vị xoay và 1 chuyển vị ngang. Riêng phần tử Shell là tổng hợp của 2 loại trên nên có đầy đủ cả 6 bậc tự do tại mỗi nút của phần tử.
Hình 2.14: Các bậc tự do của các loại phần tử tấm a-Phần tử Plate b- Phần tử Membrane c- Phần tử Shell
3- Mô hình hóa dầm chuyển
Dầm chuyển là cấu kiện có chiều cao lớn hơn nhiều so với dầm thông thường, trạng thái làm việc của nó cũng có những khác biệt so với dầm thường. Cách thức mô hình hóa dầm chuyển như một phần tử thanh hay một phần tử tấm cần được xem xét kỹ càng. Do đó trong luận văn, tác giả tiến hành mô hình hóa dầm chuyển theo cả 2 cách để nghiên cứu. Đồng thời thay đổi cách liên kết giữa dầm chuyển và cột để cho thấy sự ảnh hưởng khác nhau giữa các phương án. Mx Uz My Ux Mz Uy Ux Mz Uy My Mx Uz b) a) c) x y z x y z x y z
Chương 3
Khảo sát sự ảnh hưởng của dầm chuyển đối với sự làm việc của hệ kết cấu nhà cao tầng