Sơ đồ hệ kết cấu chịu lực khung không gian làm việc đồng thời với sàn là sơ đồ tính khung và sàn cho kết quả gần sát với sự làm việc thật của kết cấu.
Nếu giải bằng tay theo các phương pháp cơ học kết cấu để tìm nội lực cho hệ khung sàn thì không thể thực hiện nổi, nên người ta thường cố gắng đưa về bài toán phẳng để dễ dàng giải quyết hơn.
Tuy nhiên, với sự hỗ trợ của máy tính thì việc giải nội lực hệ khung sàn làm việc đồng thời không còn quá khó khăn nữa.
Phần mềm SAP2000 có thể giải được bất cứ hệ chịu lực không gian nào, để nhanh chóng xây dựng mô hình khung 3D, SAP2000 đã tạo sẵn thư viện phần tử mẫu các dạng khung 3D thường gặp trong thực tế, sau đây là 4 loại khung 3D có sẵn trong SAP2000.
- Open Frame Building: Khung 3D không sàn
- Perimeter Frame Building: Khung 3D có sàn và dầm quanh chu vi sàn. - Beam - Slab Building: Khung 3D có sàn và dầm chia ô sàn theo lưới. - Flat Plate Building: Khung 3D có sàn phẳng (không dầm).
§1 KHUNG SÀN 3D – NHÀ PHỐ 5 TẦNG
- Sơ đồ tính: Khung sàn 3D cho nhà phố 5 tầng. MB 4x15m, cao tầng 5x3.6m = 18m, đỉnh mái ngói 19.5m, ban công trước 1x4m, ban công sau 1.2x4m. Khung ngàm tại mặt trên của móng cách mặt nền -1m.
- Vật liệu: BTCT#200.
- Tiết diện: sàn dày 80mm. Đà kiềng & Dầm 200x300mm, Cột biên tầng 1-> 5: 200x200mm, cột giữa tầng 1 -> 2: 250x250, tầng 3 -> 5: 200x200mm.
- Tải trọng: Lực phân bố đều trên bản sàn gồm tĩnh tải sàn gct ≈ 100 kg/m2 và hoạt tải sàn p = 150*1.3 = 195 kg/m2. Tường gạch 100mm xây bao che xung quanh nhà gt = 180*(3.6-0.3) ≈ 600 kg/m, 180*1.5*5/8 ≈ 170 kg/m trên dầm mái. Mái ngói có gm = pm = 100*2 ≈ 200 kg/m trên dầm nghiêng.
1.1. Xây dựng sơ đồ tính
1.1.1. Chọn đơn vị Chọn đơn vị kgf-m-C.
1.1.2. Tạo mô hình mới File > New Model…
⇒ Chọn sơ đồ 2.1 (hàng 2 cột 1) 3D Frames (Khung không gian).
Sau khi chọn biểu tượng 3D Frames trong hộp thoại New Model, sẽ xuất hiện hộp thoại cho phép định các thông số cho hệ không gian cần tạo ra.
- 3D Frame Type (Loại khung 3D): Chọn Beam – Slab Building
- Number of Stories (Số tầng): 5 Story Height (Chiều cao 1 tầng): 3.6
- Number of Bays, X (Số nhịp x): 3 Bay Width, X (Chiều dài 1 nhịp x): 5
- Number of Bays, Y (Số nhịp y): 1 Bay Width, Y (Chiều dài 1 nhịp y): 4
Do chiều cao của các tầng đầu tiên =3.6+1 = 4.6m không bằng các tầng bên trên nên chọn phương án xây dựng mô hình từ các đường lưới.
Chọn v Use Custom Grid Spacing and Locate Origin. Sau đó click vào nút vào Edit Grid … để mở hộp thoại khai báo dữ liệu các đường lưới định vị.
Sửa z1 = 0 thành z1 = -1 (vị trí chân khung).
- Nhấp OK để đóng hộp thoại khai báo lưới định vị, nhấp OK để đóng hộp thoại 3D Frame, lúc này trên màn hình hiện ra sơ đồ hệ không gian khung sàn cần tạo.
- Hiển thị: cửa sổ trái 3D, cửa sổ phải 2D XY, Z = -1, nút trên thanh công cụ dùng để chuyển đổi tăng giảm mặt phẳng lưới.
1.1.3. Hiệu chỉnh và hoàn thiện mô hình
- Gán ngàm chân cột: Chọn các nút chân cột (mp XY, Z = -1) ⇒ Assign > Joints > Restrains… ⇒ Chọn liên kết ngàm, OK.
- Copy sàn lầu 1 xuống dưới 3.6m để làm đà kiềng:
Di chuyển lên mp xy, z = 3.6, chọn các dầm lầu 1, vào menu Edit > Replicate…
⇒ chọn Linear , dx = 0, dy = 0, dz = -3.6, n = 1. OK.
- Tạo thêm một mặt lưới z0 = 0 (để xem được mặt bằng đà kiềng):
Nhấp đúp vào 1 đường lưới bất kỳ ⇒ mở ra hộp thoại khai báo lưới, chọn 1 dòng ngang của 1 đường lưới bất kỳ (giả sử chọn đường z6 = 18) ⇒ Bấm tổ hợp phím Ctrl+C = copy, chọn ô đầu tiên bên dưới z6 ⇒ Bấm tổ hợp phím Ctrl+V = paste, sửa z6 = 18 thành z0 = 0, OK.
- Tạo ban công trước 1m:
mp xy, z = 3.6, chọn dầm biên trái (x=-7.5) của lầu 1, vào menu Edit > Replicate…
⇒ chọn Linear , dx = -1, dy = 0, dz = 0, n = 1. OK. Vẽ thêm 2 consol nối dầm vừa tạo với dầm dọc nhà.
Vẽ thêm sàn ban công trước: Draw > Rectangular Area ⇒ chọn 2 điểm trên đường chéo của sàn cần tạo.
- Tạo ban công sau 1.2m:
mp xy, z = 3.6, chọn dầm biên phải (x=7.5) của lầu 1, vào menu Edit > Replicate…
⇒ chọn Linear , dx = 1.2, dy = 0, dz = 0, n = 1. OK. Vẽ thêm 2 consol nối dầm vừa tạo với dầm dọc nhà.
Vẽ thêm sàn ban công sau: Draw > Rectangular Area ⇒ chọn 2 điểm trên đường chéo của sàn cần tạo.
- Tạo ban công trước và ban công sau cho các tầng lầu 2, 3, 4, mái.
mp xy, z = 3.6, chọn dầm & sàn của ban công trước và ban công sau của lầu 1, vào menu Edit > Replicate…
Chọn dầm trục 2, vào menu Edit > Replicate…
⇒ chọn Linear , dx = 2, dy = 0, dz = 0, n = 1. OK. Chọn dầm trục A đoạn 2-3, vào menu Edit > Replicate…
⇒ chọn Linear , dx = 0, dy = 2, dz = 0, n = 1. OK. Vẽ lại 2 ô sàn nhỏ 2x4m và 3x2m (chừa lỗ cầu thang 3x2m)
Draw > Draw Rectangular Section…
click vào các nút trên đường chéo các ô sàn cần vẽ -> được tấm sàn Chia đôi 2 dầm phụ giữa sàn: Chọn 2 dầm phụ, vào menu Edit > Divide Frames…
⇒ chọn Break at intersections with selected Frames and Joints. Xóa bỏ đoạn dầm thừa 2m.
- Tạo lỗ cầu thang cho sàn lầu 2 -> 4:
+ Xóa các ô sàn trục 2-3&A-B của các sàn lầu 2 -> 4: Chọn ô sàn trục 2- 3&A-B của các sàn lầu 2 -> 4 (mp xy, z = 7.2, 10.8, 14.4), bấm phím Delete. + mp xy, z = 3.6, chọn dầm và sàn khu vực cầu thang lầu 1, vào menu Edit > Replicate…
⇒ chọn Linear , dx = 0, dy = 0, dz = 3.6, n = 3. OK. - Xóa bỏ 3 ô sàn mái 4x5m.
- Tạo phần mái nghiêng: mp xz, y=-2, thêm lưới z7 = 19.5, x0 = 0, Vẽ các dầm xiên, vẽ thêm phần cột nối với dầm xiên. Chọn phần mái nghiêng vừa tạo ⇒ Edit > Replicate… dy = 4, n = 1 để được phần mái nghiêng bên kia (y=2), vẽ phần tử dầm nối đỉnh 2 phần mái.
1.2. Đặc trưng vật liệu và tiết diện 1.2.1. Đặc trưng vật liệu
Define > Material …
1.2.2 Đặc trưng tiết diện
- Khai báo các tiết diện dầm: Define > Frame Section…
Add Rectangular ⇒ D200x300, CONC, t3 = 0.3, t2 = 0.2. Add Copy of Property ⇒ C200x200, CONC, t3 = 0.2, t2 = 0.2. Add Copy of Property ⇒ C250x250, CONC, t3 = 0.25, t2 = 0.25. - Khai báo các tiết diện sàn: Define > Area Sections…
⇒ ⇒⇒
⇒ Hộp thoại Area Sections xuất hiện
Chọn ASEC1 -> Modify/Show Section… Section Name (Tên tiết diện): S80
Thickness (Bề dày): Membrance: 0.08, Bending: 0.08 1.2.3 Gán tiết diện
- Tiết diện dầm cột (phần tử Frame):
Chọn tất cả đà kiềng và dầm, Assign > Frame/Cable/Tendon > Frame Section… ⇒ Gán tiết diện D200x300
Chọn tất cả cột biên và cột giữa tầng 3 -> 5, Assign > Frame/Cable/Tendon > Frame Section…⇒ Gán tiết diện C200x200
Chọn tất cả cột giữa tầng 1 -> 2, Assign > Frame/Cable/Tendon > Frame Section… ⇒ Gán tiết diện C250x250.
- Tiết diện sàn: Chọn tất cả phần tử Shell (all), vào menu Assign > Area > Area Sections… (gán tiết diện phần tử shell - tấm)
⇒ Hộp thoại Area Sections xuất hiện, chọn tiết diện S80⇒ chọn 0K.
1.3.1 Khai báo các trường hợp tải trọng
Define > Load Cases … ⇒Hộp thoại Define Loads xuất hiện - Load name: Nhập tên của trường hợp tải trọng, DEAD. - Type: Loại tải trọng, DEAD.
- Self Weight Multiplier: (Hệ số trọng lượng bản thân) 1.1. Modify Load
- Load name: Nhập tên của trường hợp tải trọng, LIVE. - Type: Loại tải trọng, LIVE.
- Self Weight Multiplier: (Hệ số trọng lượng bản thân) 0. Aad New Load
1.3.2. Gán tải trọng
- Tĩnh tải trên dầm:
Chọn các dầm bao quanh nhà (có tường 100mm) ⇒ Gán gt = 600
Chọn 2 dầm dọc trên mái +18m (có tường 100mm cao 1.5) ⇒ Gán gt = 170 Chọn 4 dầm nghiêng theo mái (có tải mái ngói) ⇒ Gán gm = 200
- Tĩnh tải trên các sàn:
Load Case Name: (chọn trường hợp tải cần gán tải vào) DEAD Load (Giá trị tải): 100
Coord Sys (Hệ tọa độ gán tải): chọn GLOBAL.
Direction (Hướng tác dụng của tảitrọng): chọn Gravity.
Chọn OK -> gán xong tĩnh tải sàn. - Hoạt tải trên các sàn:
Chọn lại các phần tử shell, Assign > Area Loads > Uniform (Shell)…
Load Case Name: (chọn trường hợp tải cần gán tải vào) LIVE Load (Giá trị tải):195
Coord Sys (Hệ tọa độ gán tải): chọn GLOBAL.
Direction (Hướng tác dụng của tảitrọng): chọn Gravity.
Chọn OK -> gán xong hoạt tải sàn.
1.3.3 Khai báo tổ hợp tải trọng
Define > Combination…
=> Chọn Add New Combo… COMB1 = Dead*1 + Live*1
1.4. Giải bài toán 1.4.1 Chia nhỏ ô sàn:
1.4.3 Lưu bài toán
File > Save as => Đường dẫn + tên file. 1.4.4 Giải bài toán
Analyze > Run Analysis hoặc nhấn phím F5 hoặc nhấn nút >Run
Chọn Run Now, chờ máy chạy -> ANALYZE COMPLETE, chọn OK.
1.5. Xử lý kết quả
1.5.1 Xem sơ đồ biến dạng
Display > Show Deformed Shape … 1.5.2 Xem biểu đồ nội lực
- Nội lực khung (dầm cột) - Nội lực sàn
Biểu đồ M11 và M22: Display > Show Force/ Stresses > Shell…
Chọn COMB1 Chọn M11 hoặc M22
=> Rê con trỏ trên hình biểu đồ để hiển thị giá trị mômen
=> Click nút phải chuột trên Shell để xem nội lực cho một Shell.
1.7. Kiểm tra và hiệu chỉnh
1.7.1 Kiểm tra các dữ liệu đã nhập
- Kiểm tra đơn vị.
Xem lại đơn vị lực – chiều dài – nhiệt độ trong hộp đơn vị. - Kiểm tra vật liệu.
Define > Material…
Chọn loại vật liệu cần xem CONC, Chọn Modify/Show Material…
- Kiểm tra khai báo tiết diện.
Define > Frame Sections… Chọn Modify/Show Property…
- Kiểm tra gán tiết diện.
Display > Show Misc Assign > Frame/Cable/Tendon …
- Kiểm tra khai báo các trường hợp tải trọng.
Define > Load Cases…
- Kiểm tra tải trọng đã gán:
Display > Show Load Assign > Frame/Cable/Tendon …
Chọntrường hợp tải trọng cần xem, TINHTAI
- Kiểm tra khai báo các trường hợp tổ hợp.
Define > Combinations…
Chọntrường hợp tổ hợp cần xem, Chọn Modify/Show Combo…
- Kiểm tra bậc tự do.
Analyze > Set Options …
- Kiểm tra số mặt cắt.
Display > Show Misc Assign > Frame/Cable/Tendon …
Chọn Output Stations.
1.7.2 Hiệu chỉnh các dữ liệu đã nhập
Nếu phát hiện sai thì bấm vào ổ khóa để mở khóa (Unlock), sai phần nào thì hiệu chỉnh phần đó.