Tải trọng do sóng tác dụng lên toàn bộ chiều dài cọc ngập trong nước được xác định theo công thức SPM 1984 Vol.II bên dưới áp dụng cho trường hợp tính sơ bộ.
Tổng lực sóng tác dụng lên cọc bao gồm lực quán tính và lực cản: Fw = Fim + FDm Người sử dụng lấy giá trị lực Fw để nhập vào chương trình Sap2000.
im M im C g D HK F 4 2 Dm D Dm C gDH K F 2 2 1 Với: Fim Lực quán tính (KN) FDm Lực cản (KN)
CM Hệ số lực quán tính, lấy theo Bảng I.16 CD Hệ số lực cản, lấy theo Bảng I.16 Dung trọng nước biển: = 10.3KN/m3 g Gia tốc trọng trường g = 9.81m/s2 D Đường kính cọc (m)
H Chiều cao sóng tính toán (m)
Kim, KDm Hệ số lấy theo đồ thị Hình I.24, Hình I.25 * Xác định chu kỳ sóng T: 2 T , 2 g.k.thkd, L k2 Trong đó: T : Chu kỳ sóng (sec) k : Số sóng (1/m) : Tần số góc (1/sec) L : Chiều dài sóng (m) d : Độ sâu nước (m)
Hình I.24 Xác định hệ số Kim
Hình I.25 Xác định hệ số KDm
PHẦN II: TÍNH TOÁN KẾT CẤU BẾN CẦU TÀU
II.1 TRÌNH TỰ GIẢI MỘT BÀI TOÁN CÔNG TRÌNH BẾN CẦU TÀU BẰNG PHẦN MỀM PHẦN TỬ HỮU HẠN (PTHH)
Tất cả các phần mềm phần tử hữu hạn nói chung có các bước thực hiện cơ bản giống nhau, chỉ có cách thức giao tiếp là khác nhau, trình tự giải một bài toán kết cấu bằng phần mềm phần tử hữu hạn có thể bao gồm các bước cơ bản: Bước 1: - Xác định yêu cầu tính toán, các kết quả cần tìm. - Xác định dạng hình học của kết cấu. - Xác định tải trọng… - Xác định các liên kết giữa phần tử với nhau và phần tử với đất nền. - Chuyển từ sơđồ kết cấu sang sơđồ tính. Bước 2: - Rời rạc hóa các kết cấu, chọn phần tử mẫu thích hợp. - Xác định hệ tọa độ. - Đánh số các điểm nút, phần tử.
- Xác định đặc trưng vật liệu theo tiêu chuẩn thiết kế. - Xác định đặc trưng mặt cắt của các phần tử.
- Phân chia các trường hợp tải trọng. - Nhập dữ liệu
Bước 3:
- Tổ hợp tải trọng.
- Phân tích bài toán kết cấu: động, tĩnh, động lực học.
- Phân tích tuyến tính hoặc phi tuyến tính và phân tích động đất. - Thực hiện giải bài toán. - Kiểm tra độ chính xác của kết quả. - Hiệu chỉnh dữ liệu ban đầu nếu cần thiết. Bước 4: - Biểu diễn kết quả bằng hình vẽ. - Xử lý các kết quả nếu cần. - Sử dụng kết quả.
Hình II.1 Tính toán kết cấu bằng phần mềm phần tử hữu hạn
II.2 CÁC LƯU Ý KHI TIẾN HÀNH CÁC BƯỚC ĐỂ GIẢI CÔNG TRÌNH BẾN BẰNG PHẦN MỀM SAP2000
II.2.1 Bước 1: Tạo sơđồ tính
Các cách tạo sơđồ tính được liệt kê như sau:
Tạo sơđồ tính thông qua giao diện của chương trình Sap2000.
Tạo sơđồ tính bằng cách soạn file text.
Tạo sơđồ tính thông qua chương trình Autocad.
Trong tài liệu hướng dẫn này chỉ hướng dẫn cách tạo sơ đồ tính thông qua chương trình Autocad.
Lưu ý: Trong Autocad cần sử dụng layer là Sap_Frames để nhóm các đối tượng muốn import qua Sap2000.
Người sử dụng cần phải xác định được chiều dài chịu uốn Lu, chiều dài chịu nén Ln, để có thể tạo được khung tính toán cũng như các hệ số để gán vào chương trình (xem thêm ở phần hướng dẫn cách xác định chiều dài tính toán của cọc).
Sau khi import vào chương trình Sap2000, người sử dụng cần gán các liên kết để phù hợp với các điều kiện biên tính toán. Ví dụ như là điều kiện biên là ngàm chặt, gối di động, liên kết thanh, liên kết khớp,… (xem thêm ở phần hướng dẫn về cách gán liên kết).
Khung cầu tàu được xét theo khung không gian. Do tính chất làm việc trong không gian, trong trường hợp tổng quát tất cả các thành phần độ cứng kéo, nén, uốn, cắt, xoắn đều
Bước 1 Xác định các yếu tốđầu vào Bước 2 (Pre-processing) Thực hiện xây dựng mô hình kết cấu Bước 3 (Processing) Thực hiện phân tích Bước 4 (Post-processing) Biểu diễn kết quả (GRAPHICS) Đúng Đúng Đúng Sai
tham gia làm việc. Kết cấu chịu kéo, uốn và nén dọc trục được mô phỏng dạng thanh, bản sàn mô phỏng dạng shell, khối mô phỏng dạng solid…
Phần tử thanh dầm (frame) được mô tả bởi đường trục trung hòa của nó là đoạn thẳng giới hạn bởi hai điểm nút có tọa độ xác định trong không gian.
Phần tử cọc (frame) được mô tả bởi đường trục trung hòa của cọc tính từ giao điểm trục cọc với đường trục của dầm đến một điểm ngàm chặt của cọc trong đất, nơi mà mọi chuyển vị và biến dạng bằng không (chiều dài tính toán của cọc)
Phần tử bản sàn (shell) loại phần tử 2 chiều, tam giác và tứ giác phẳng
Mỗi nút có 6 bậc tự do gồm 3 thành phần chuyển vị thẳng và 3 thành phần chuyển vị xoay. Nội lực trong phần tử gồm 6 thành phần: lực dọc, môment xoắn, 2 môment uốn và 2 lực cắt
Dọc theo chiều dài phần tử tiết diện có thể thay đổi theo quy luật tuyến tính, parabol hay bậc 3.
Để dễ dàng trong việc kiểm soát kết quả nội lực và chuyển vị tại các vị trí tính toán, người sử dụng cần đánh số thứ tự phần tử và nút theo quy tắc ma trận từ mép tuyến ngoài bến vào đến mép trong theo quy luật từ trái qua phải, từ trong ra ngoài và từ dưới hướng lên trên.
II.2.2 Bước 2: Gán vật liệu và tiết diện
Các lưu ý khi gán vật liệu và tiết diện cho phần tử:
Người sử dụng cần chuẩn bị trước các tham số tính toán của vật liệu (Bê tông cốt thép thường, bê tông cốt thép ứng suất trước và thép) tùy vào quy trình sử dụng theo yêu cầu của dự án (xem thêm ở phần hướng dẫn về tiêu chuẩn các vật liệu).
II.2.3 Bước 3: Gán tải trọng và tổ hợp tải trọng
Các lưu ý khi gán tải trọng:
Người sử dụng cần phải có các bảng tính toán xác định tải trọng tác dụng lên kết cấu, bao gồm các nhóm tải như sau:
a. Nhóm tĩnh tải: có thể là trọng lượng bản thân của kết cấu (cọc, dầm, bản, gờ chắn xe,lan can, lớp phủ,…), trọng lượng bản thân của thiết bị lắp trên kết cấu (máy bơm, đường ống, dàn thép, đệm, bích neo,…), áp lực đất.
b. Nhóm hoạt tải và các tải trọng khác: là các tải trọng của hàng hóa, cần trục, ôtô, sóng, gió, dòng chảy, nhiệt độ,…(xem cách xác định ở phần tính toán các tải trọng tác dụng lên công trình).
c. Nhóm tải động đất: là tải trọng gây ra bởi trọng lượng bản thân và các thiết bị trên bến trong khi có chấn động (xem cách xác định ở phần tính toán tải trọng do động đất).
Người sử dụng cần phải có các bảng tổ hợp tải trọng, các tổ hợp này phải tuân theo tiêu chuẩn mà dự án yêu cầu (xem hướng dẫn ở phần tổ hợp tải trọng).
Người sử dụng nên tuân thủ theo các quy ước ký hiệu trong hướng dẫn này của các trường hợp tải trọng tác dụng lên công trình.
II.2.4 Bước 4: Giải kết cấu
II.2.5 Bước 5: Xuất kết quả theo BS 8110-1997
Người sử dụng xuất kết quả nội lực và chuyển vị của các phần tử cọc/dầm/sàn/… theo các nhóm như sau:
+ Trường hợp với ULS
- Nội lực của phần tử dầm: P, V2, V3, T, M2, M3
- Nội lực của phần tử sàn: F11, F22, F12, FMAX, FMIN, FVM, M11, M22, M12, MMAX, MMIN, V13, V23, VMAX
- Nội lực của phần tử solid (nếu có) + Trường hợp với SLS
- Chuyển vị: UX, UY, UZ, RX, RY, RZ - Nội lực của phần tử cọc: V2, V3, T, M2, M3 - Nội lực của phần tử dầm: V2, V3, T, M2, M3
- Nội lực của phần tử sàn: F11, F22, F12, FMAX, FMIN, FVM, M11, M22, M12, MMAX, MMIN, V13, V23, VMAX
II.3 ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH BẾN BẰNG PHẦN MỀM SAP2000
Người sử dụng lưu ý, áp dụng này được thực hiện trên chương trình Sap 2000 Version V8, các version khác có thể không trùng khớp như trong tài liệu này.
II.3.1 Vẽ kết cấu nền cọc, hệ thống dầm trên Autocad 3D
Người sử dụng cần lưu ý hệ trục bên Autocad: - Mặt phẳng Oxy song song mặt bằng bến - Mặt phẳng Oxz song song với mặt trước bến - Mặt phẳng Oyz song song mặt bên bến
II.3.2 Xuất sang file *.DXF
File\Export\*.DXF
X
Z Y
II.3.3 Load file *.DXF từ Acad sang SAP2000
File\Import\*.DXF -Chọn hệđơn vị: Ton_m -Chọn phần tử: Frames
Đểđảm bảo lời giải chính xác và xuất kết quả tại những vị trí mong muốn, người sử dụng cần chia nhỏ phần tử thanh, không nhất
thiết phải chia theo ví dụ này.
- Chọn tất cả phần tử dầm - Assign\Frame\Output Segments
- Number of Segments: nhập số phân đoạn phần tử cần chia nhỏ.
II.3.4 Tạo hệ bản sàn cho kết cấu.
* Draw\Draw Quad Area hoặc chọn biểu tượng để vẽ ô bản sàn *Chia bản sàn thành nhiều phần tử, nhấp vào phần tử bản sàn, dùng lệnh
Edit\Mesh Curved Frame\OK
*Chia hệ thống dầm thành nhiều phần tử, nhấp vào phần tử dầm, dùng lệnh Edit\Divide Frames\Divide into\OK
II.3.5 Khai báo liên kết
II.3.6 Khai báo đặc trưng vật liệu
- Define\Material
- Modify\Show Material\OK
Tham số Mác bê tông cthép thường ốt Mác bê tông cthép ứng suốất t trước
Mác thép
Mass per unit Volume 0 (0.25) 0 (0.25) 0 (0.785)
Weight per unit Volume (T/m3) 2.50 2.50 7.85
Modulus of Elasticity (T/m2) 2.100.000 3.800.000 21.000.000
Poisson’s ratio 0.20 0.20 0.30
Coeff of thermal expansion
12x10-6 (BS5400:Part 4: 1990- Page 11) Hoặc lấy hệ số mặc định từ chương trình tính 12x10-6 (BS5400:Part 4: 1990- Page 11) Hoặc lấy hệ số mặc định từ chương trình tính 12x10-6 (BS5400:Part 4: 1990- Page 14) Hoặc lấy hệ số mặc định từ chương trình tính
II.3.7 Khai báo các loại tiết diện cọc, dầm, bản
*Tiết diện cọc
- Define\Frame Sections\Chọn Add Pipe - Modify\Show Property
Section name: CBTUSTD700 Material name: RECON
Outside diameter (t3): nhập đường kính cọc Wall thickness (t2): nhập bề dày thành cọc -Property Modifiers\Set Modifers
Cross-section (axial) Area : nhập tiết diện quy đổi Torsional Constant: Nhập hệ số momen xoắn
(Cách xác định tiết diện quy đổi và hệ số momen xoắn xem ở phần tính toán chiều dài cọc)
*Tiết diện dầm
- Modify\Show Property Section name: DN-MR Material name: CONC
Dedth (t3): nhập chiều cao tiết diện Width (tw): nhập chiều rộng tiết diện
*Tiết diện bản sàn
- Define\ Area Sections - Modify\Show Section Section name: BAN Material name: CONC Area type: Shell Type: Shell -Thickness
Membrane: nhập chiều dày chịu nén, kéo Bending: nhập chiều dày chịu uốn
II.3.8 Khai báo tiết diện cho từng cấu kiện
(Người sử dụng cần phải chọn đối tượng cần gán tiết diện trước khi tiến hành gán tiết diện cho từng cấu kiện tương ứng) Chọn cửa sổ làm việc với mặt phẳng Chọn phần tử cọc BTƯST Assign\Frame\Section\CBTUSTD700\OK Chọn phần tử dầm Assign\Frame\Section\DN-MR\OK Chọn phần tử bản sàn Assign\Area\Section\BAN\OK
II.3.9 Khai báo các trường hợp tải trọng
Quy ước ký hiệu tải trọng (Các quy ước ký hiệu tải trọng căn cứ vào tiêu chuẩn ACI -
CODE 350/350R-101)
STT TRƯỜNG HỢP TẢI KÝ HIỆU
1 TĨNH TẢI (DEAD LOAD) D
. Tải bản thân kết cấu DLS
. Tải bản thân tuyến ống DLP
STT TRƯỜNG HỢP TẢI KÝ HIỆU
2 HOẠT TẢI (LIVE LOAD) L
. Tải cần trục trên bến trường hợp bến hoạt động LVC . Tải cần trục trên bến trường hợp gió bão LVS . Tải do các thiết bị khi sửa chữa cẩu, … LVR
. Tải đoàn xe chạy trên bến LVT
. Tải hàng hóa chất đầy LGF
. Tải hàng hóa chất cách nhịp theo phương dọc bến LGL . Tải hàng hóa chất cách nhịp theo phương ngang bến LGT . Tải va tàu 1 điểm (Tàu đầy hàng) LBFO . Tải va tàu 1 điểm (Tàu không hàng) LBBO . Tải va tàu 2 điểm (Tàu đầy hàng) LBFT . Tải va tàu 2 điểm (Tàu không hàng) LBBT . Tải neo tàu (Tàu đầy hàng - Trường hợp bến hoạt động) LMFW . Tải neo tàu (Tàu đầy hàng - Trường hợp gió bão) LMFS . Tải neo tàu (Tàu không hàng - Trường hợp bến hoạt động) LMBW . Tải neo tàu (Tàu không hàng - Trường hợp gió bão) LMBS
. Tải do tràn dầu (+) LOUP
. Tải do tràn dầu (-) LOUN
3 TẢI TRỌNG DO GIÓ (WIND) W
. Tải gió tác dụng lên tuyến ống theo phương dọc cầu (+) WPLP . Tải gió tác dụng lên tuyến ống theo phương dọc cầu (-) WPLN . Tải gió tác dụng lên tuyến ống theo phương ngang cầu (+) WPTP . Tải gió tác dụng lên tuyến ống theo phương ngang cầu (-) WPTN
. Tải gió tác dụng lên công trình theo phương dọc (+) WSLP . Tải gió tác dụng lên công trình theo phương dọc (-) WSLN . Tải gió tác dụng lên công trình theo phương ngang (+) WSTP . Tải gió tác dụng lên công trình theo phương ngang (-) WSTN
4 TẢI TRỌNG DO SÓNG VÀ DÒNG CHẢY (FLUID) F
STT TRƯỜNG HỢP TẢI KÝ HIỆU
. Tải do sóng tác dụng lên công trình theo phương dọc, max (-) FWLN . Tải do sóng tác dụng lên công trình theo phương ngang, max (+) FWTP . Tải do sóng tác dụng lên công trình theo phương ngang, max (-) FWTN
. Tải do dòng chảy tác dụng lên công trình theo phương dọc, max (+) FCLP . Tải do dòng chảy tác dụng lên công trình theo phương dọc, max (-) FCLN . Tải do dòng chảy tác dụng lên công trình theo phương ngang, max (+) FCTP . Tải do dòng chảy tác dụng lên công trình theo phương ngang, max (-) FCTN
5 TẢI TRỌNG DO NHIỆT ĐỘ (TEMPERATURE) T
. Tải nhiệt độ tác dụng lên tuyến ống (+) TPP . Tải nhiệt độ tác dụng lên tuyến ống (-) TPN
. Tải nhiệt độ tác dụng lên công trình (+) TSP . Tải nhiệt độ tác dụng lên công trình (-) TSN 6 TẢI ĐỘNG ĐẤT (EARTHQUAKE) E . (+1.0 Dọc) (+0.3 Ngang) (90 độ) ESLPP . (+1.0 Dọc) (-0.3 Ngang) (90 độ) ESLPN . (-1.0 Dọc) (-0.3 Ngang) (90 độ) ESLNN . (-1.0 Dọc) (+0.3 Ngang) (90 độ) ESLNP . (+0.3 Dọc) (+1.0 Ngang) (90 độ) ESTPP . (+0.3 Dọc) (-1.0 Ngang) (90 độ) ESTPN . (-0.3 Dọc) (-1.0 Ngang) (90 độ) ESTNN . (-0.3 Dọc) (+1.0 Ngang) (90 độ) ESTNP 7 TẢI TRỌNG DO ÁP LỰC ĐẤT H
. Áp lực đất tác dụng lên công trình HEPS
Cách tính các giá trị của các trường hợp tải xem ở phần phụ lục tính toán tải trọng.
Người sử dụng không nên thay đổi hệ thống ký hiệu trong bảng trên, tùy theo tải trọng tác dụng mà người sử dụng sẽ mở rộng thêm các ký hiệu bên trên cho thích hợp với dự án.
* Đối với tải trọng bản thân, khai báo: Type: DEAD
Self Weight Multiplier = 1 (Lưu ý: không phải SWM lúc nào cũng bằng 1) * Đối với tải trọng hoạt tải, khai báo:
Type: LIVE
Self Weight Multiplier = 0
* Đối với tải trọng khác, khai báo:
Type: chọn type cho phù hợp với từng loại tải trọng như sóng, gió, động đất,… Self Weight Multiplier = 0
II.3.10 Gán các trường hợp tải trọng II.3.10.1 Tải trọng bản thân Tải trọng bản thân chương trình sẽ tự tính II.3.10.2 Hoạt tải trên bến Assign\Area loads\Uniform(Shell) II.3.10.3 Tải trọng do va tàu
(Cách xác định tải trọng do va tàu xem thêm ở phần tính toán tải trọng do lực va tàu).
Chọn vị trí điểm va Assign\Joint loads\Forces
O O
II.3.10.4 Tải trọng do neo tàu
(Cách xác định tải trọng do neo tàu xem thêm ở phần tính toán tải trọng do lực neo tàu).
Chọn vị trí điểm neo Assign\Joint loads\Forces
II.3.10.5 Tải trọng do nhiệt độ
Người sử dụng lưu ý, cách nhập tải trong nhiệt độ chỉ mang tính minh họa. Ví dụởđây là nhập cho trường hợp nhiệt độ âm -7o.
(Cách xác định tải trọng do nhiệt độ xem thêm ở phần tính toán tải trọng do nhiệt độ).
- Select All
- Assign\Frame loads\Temperature - Assign\Area loads\Temperature
II.3.10.6 Tải trọng do dòng chảy tác dụng lên cọc
(Cách xác định tải trọng do dòng chảy tác dụng lên cọc xem thêm ở phần tính toán tải trọng do dòng chảy)
- Chọn tất cả các cọc
- Assign\Frame Loads\Distributed
II.3.10.7 Tải trọng do thiết bị trên bến
- Chọn phần tử dầm cần trục - Assign\Frame Loads\Point
b. Nhập tải trọng di động từ chương trình.
b-1.Định nghĩa ray cần trục
Define\Moving Load Cases\Lanes Lane1: Đường ray cần trục 1 Lane2: Đường ray cần trục 2
b-2. Khai báo dữ liệu làn xe
Define\Moving Load Cases\Lanes Chọn Lane1\Modify/Show Lane
Frame: Số hiệu của phần tử thanh tạo thành dầm cần trục Eccentricity: Độ lệch tâm của phần tửđối với tâm của làn xe
(Làn xe có độ lệch tâm bằng 0)
Người sử dụng cần lưu ý, đểđảm bảo tính chính xác số hiệu phần tử thanh tạo thành dầm