3. Cỏch tiếp cận và phương phỏp nghiờn cứu
3.4. Giới thiệu về phần mềm sử dụng trong luận văn: SAP2000
SAP2000 là chương trỡnh tớnh toỏn kết cấu theo phương phỏp phần tử hữu hạn (PTHH) với mụ hỡnh tương thớch. Để tiện cho việc trỡnh bày và phõn tớch kết quả tớnh toỏn kết cấu tấm chịu uốn ở cỏc phần sau, tỏc giả giới thiệu túm tắt nội dung lý thuyết đàn hồi viết cho bài toỏn tấm và tỡm lời giải của cỏc bài toỏn này bằng phương phỏp PTHH.
Phần mềm SAP2000 là một trong số cỏc phần mềm ứng dụng thuật toỏn của phương phỏp PTHH hiện đang được sử dụng khỏ rộng rói trong việc tớnh toỏn kết cấu cụng trỡnh. Đõy cũng là phần mềm chớnh sẽ được sử dụng trong luận văn để tớnh toỏn độ bền kết cấu của tấm bờ tụng chịu uốn [5].
Cỏc bước giải bài toỏn kết cấu bằng phần mềm SAP2000 như sau: 1. Bước 1
- Xỏc định yờu cầu tớnh toỏn.
- Xỏc định dạng hỡnh học của kết cấu. - Xỏc định sơ đồ tải trọng.
2. Bước 2
- Rời rạc húa kết cấu, chọn loại phần tử. - Đỏnh số cỏc điểm nỳt, phần tử.
- Phõn chia cỏc phương ỏn tải trọng. - Nhập dữ liệu vào mỏy.
3. Bước 3
- Thực hiện giải bài toỏn. - Kiểm tra kết quả.
- Hiệu chỉnh dữ liệu nếu cần. 4. Bước 4
- Biểu diễn kết quả tớnh toỏn bằng hỡnh vẽ.
Hỡnh 3.6. Sơ đồ giải bài toỏn kết cấu bằng phần mềm SAP2000 3.4.1. Hệ thống đơn vị (Unit Sytem) – SAP2000
Hệ thống đơn vị cho phộp người sử dụng chọn một trong số hệ đơn vị thường gặp, danh sỏch cỏc hệ đơn vị nằm ở cửa sổ nhỏ bờn phải phớa dưới của màn hỡnh. Trong cựng một bài toỏn cho phộp chọn nhiều hệ đơn vị ở mỗi bước tớnh toỏn khỏc nhau, song kết quả của bài toỏn sẽ cú hệ đơn vị tương ứng với hệ đơn vị được chọn ban đầu và cũng cú thể đổi kết quả tớnh này sang hệ đơn vị khỏc.
Bước 1
Xỏc định cỏc yếu tố đầu vào
Bước 2 Nhập dữ liệu gồm: - Dữ liệu điều khiển - Dữ liệu về nỳt - Dữ liệu về phần tử - Dữ liệu về tải trọng
Bước 4
Biểu diễn kết quả bằng đồ thị Bước 3
3.4.2. Hệ thống toạ độ (Coordinate Systems)
- Hệ toạ độ chung (Global Coordinate Systems): Hệ toạ độ chung (hệ toạ độ
kết cấu hay hệ toạ độ tổng thể) thường dựng là hệ toạ độ thuận vuụng gúc được ký hiệu là XYZ, chiều dương mặc định của trục Z hướng thẳng đứng từ phớa dưới lờn phớa trờn màn hỡnh. Chiều của trọng lượng bản thõn cú chiều mặc định ngược với
chiều của trục Z trong hệ toạ độ chung.
- Hệ toạ độ phụ trợ (Set Coordinate Systems): SAP2000 cho phộp đưa thờm
vào một hoặc nhiều hệ toạ độ phụ trợ giỳp cho quỏ trỡnh mụ hỡnh hoỏ một bộ phận nào đú của kết cấu được thuận lợi hơn. Hệ toạ độ phụ trợ cũng thường dựng là hệ toạ độ thuận vuụng gúc được định vị trong hệ toạ độ chung, vỡ thế nú cú thể dựng thay hệ toạ độ chung, nờn cũng được ký hiệu là XYZ. Chiều mặc định của trục Z trong hệ toạ độ phụ trợ cũng thẳng đứng và hướng từ dưới lờn trờn được quy ước là dương. Cần lưu ý điều này trong bài toỏn cú xột tới tỏc dụng của trọng lượng bản thõn của kết cấu.
Để tạo hệ toạ độ phụ trợ ta dựng menu Options:
Options > Set Coordonate System > Add System
sẽ xuất hiện hộp hội thoại, chọn hệ toạ độ vuụng gúc (Cartesian), ta cú hệ toạ độ
phụ trợ thuận vuụng gúc cú tờn (System Name) mặc định là: CSYS1, nhập cỏc số
liệu từ bàn phớm về số khoảng cỏch lưới (Number of Grid Spaces) theo cỏc phương X,Y,Z và độ lớn cỏc bước lưới (Grid Spacing) theo cỏc phương X,Y,Z, nhấn nỳt
Advanced sẽ xuất hiện hộp hội thoại để khai bỏo về vị trớ hệ toạ độ mới, dịch
chuyển (Translatians) theo X,Y,Z và gúc xoay của hệ toạ độ phụ trợ quanh cỏc trục Z, X’, Y’ tớnh bằng độ so với hệ toạ độ chung (Global), OK,OK,OK.
- Hệ toạ độ địa phương (Local Coordinate System): Mỗi thành phần của kết cấu
(nỳt, phần tử, liờn kết hay ràng buộc...) đều được gắn với một hệ toạ độ địa phương của riờng nú. Hệ tọa độ địa phương dựng để định nghĩa cỏc đặc trưng hỡnh học, xỏc định tải trọng tỏc dụng lờn phần tử và xuất ra cỏc kết quả nội lực. Cỏc hệ toạ độ địa phương cũng là hệ toạ độ vuụng gúc thuận cú cỏc trục được ký hiệu là 1, 2 và 3. Khi
hiển thị ở chế độ chọn mầu mặc định, SAP2000 quy định trục 1 màu đỏ, trục 2 màu trắng, trục 3 màu xanh da trời.
Với phần tử thanh, trục 1 của phần tử luụn luụn dọc theo thanh và cú chiều dương hướng từ nỳt i (nỳt được chỉ định trước) đến nỳt j, cũn trục 2 và 3 nằm trong mặt phẳng quỏn tớnh chớnh của mặt cắt ngang của thanh và tạo thành hệ toạ độ thuận. Khi cần thay đổi gúc của tọa độ địa phương cho phần tử, ta chọn một phần tử
hay một nhúm phần tử cần thay đổi, rồi từ menu Assign: Assign > Frame > Local Axes
Nhập gúc xoay tớnh bằng độ (Angle in Degree), nếu cần thay đổi trục 1 từ nỳt j
tới nỳt i của phần tử thanh (Frame), ta nhỏy chuột vào [*] Reverse Start and End Connectivity.
Với phần tử tấm và màng là hỡnh tam giỏc cú 3 nỳt j1, j2, j3 hoặc tứ giỏc cú 4 nỳt j1, j2, j3, j4 cú hệ toạ độ địa phương là hệ toạ độ thuận vuụng gúc cú cỏc trục tọa độ được ký hiệu là 1, 2 và 3, trục 1 màu đỏ, trục 2 màu trắng, trục 3 màu xanh da trời. Với phần tử tam giỏc thỡ trục 1 đi qua trung điểm của cỏc cạnh j1j3 và j2j3 vàcú chiều theo thứ tự nỳt j1j2 , trục 1 và 2 nằm trong mặt trung bỡnh, trục 3 là phỏp tuyến của mặt trung bỡnh tạo thành hệ toạ độ thuận. Để tiện khai bỏo tải trọng phõn bố và biểu diễn nội lực của cỏc phần tử, nhiều khi ta cần thay đổi hướng của cỏc trục cục
bộ của phần tử. Khi cần đổi hướng cỏc trục, từ menu Assign: Assign > Shell > Local Axes
Nhấn chuột vào [*] Reverse direction of normal để thay đổi chiều trục 3, hoặc muốn thay đổi hướng trục 2 ta nhập gúc xoay quanh trục 3 (Angle in Degrees) theo
quy tắc bàn tay phải từ 1 đến 2 là dương (+).
3.4.3. Chọn cửa sổ màn hỡnh (Windows)
Sau khi thực hiện một chức năng nào đú, chẳng hạn chức năng vẽ hệ lưới, màn hỡnh sẽ được chia mặc định thành hai cửa sổ màn hỡnh, cửa sổ bờn trỏi cho hỡnh khụng gian (3D) và đang làm việc, cửa sổ bờn phải là cho hỡnh phẳng (2D), số lượng cửa sổ lớn nhất là 4 và cú thể tuỳ chọn từ 1 đến 4. Muốn thay đổi số cửa sổ
Options > Windows > One/Two/Three/Four
Muốn làm việc với cửa sổ màn hỡnh nào thỡ nhỏy chuột vào một điểm bất kỳ trong ụ cửa sổ đú và cú thể thay đổi hỡnh thức thể hiện từ 3D sang 2D và ngược lại
nhờ menu View:
View > Set 3D View > Fast View >3D/xz/xy/yz > OK 3.4.4. Tạo hệ lưới phẳng và khụng gian
Để thuận tiện cho việc mụ hỡnh hoỏ một kết cấu khụng gian hoặc kết cấu phẳng, trước hết ta cần tạo ra một hệ lưới và thực hiện mụ hỡnh húa kết cấu trờn hệ
lưới đú, từ menu File:
File > New Model > Từ Coordinate System Definition Chọn Cartesian / Cylindrical
- Nhập số cỏc bước lưới (Number of Grid Spaces) theo cỏc phương X,Y,Z.
- Nhập độ dài mỗi bước lưới (Grid Spacing) theo cỏc phương X, Y, Z.
Tuỳ theo hỡnh dạng kết cấu cần mụ hỡnh húa mà chọn một mặt phẳng lưới để
vẽ. Chẳng hạn mặt X-Y cú Z=0, từ menu View:
View > Set 2D View Set 2D View Nhỏy chuột vào [*] X-Y plan với Z=0, OK.
Cú thể thay đổi kớch thước của bước lưới bất kỳ, từ menu Draw:
Draw >Edit Grid > Modify Grid Lines Sửa khoảng cỏch cỏc bước lưới, OK.
3.4.5. Chức năng vẽ cỏc phần tử thanh và phần tử vỏ
Từ menu Draw:
Draw > Add Special Joint dựng để vẽ nỳt.
> Add Frame Element dựng để vẽ phần tử thanh.
> Add Quad Shell Element dựng để vẽ phần tử vỏ cú 4 cạnh. > Add Rectangular Shell Element dựng để vẽ phần tử chữ nhật. > Quick Draw Frame Element dựng để vẽ nhanh phần tử thanh. > Quick Draw Shell Element dựng để vẽ nhanh phần tử vỏ.
3.4.6. Chọn đối tượng để thực hiện cỏc lệnh tiếp theo (xúa, gỏn, sao chộp, nhõn bản, di chuyển, ... ) bản, di chuyển, ... )
Từ menu Select /Deselect (Chọn đối tượng hoặc xoỏ đối tượng chọn):
Select/Deselect > Pointer/Windraw/Intersecting Line/Groups, All, ...
Dựng để chọn đối tượng hoặc xoỏ đối tượng đó chọn bằng nhỏy chuột trực tiếp vào đối tượng hoặc chọn bằng khung bao đối tượng, hoặc dựng đường cắt hoặc chọn nhúm đối tượng đó định nghĩa trước hoặc chọn tất cả,....
3.4.7. Xoỏ một số bộ phận của kết cấu đó vẽ hoặc khụi phục bộ phận vừa xoỏ
Chọn cỏc đối tượng muốn xoỏ theo cỏc cỏch trỡnh bày ở trờn, từ menu Edit:
Edit >Delete/Undo/Redo. 3.4.8. Nhõn bản một bộ phận của kết cấu
Chức năng này cho phộp ta nhõn bản theo kiểu dóy tịnh tiến (Linear), theo kiểu quay quanh một trục (Radial), theo kiểu đối xứng gương (Miror). Để nhõn bản
trước hết ta chọn đối tượng muốn nhõn bản theo một trong cỏc cỏch trỡnh bày ở trờn,
rồi từ menu Edit > Replicate, chọn kiểu nhõn bản:
> Linear Nhập cỏc khoảng cỏch theo cỏc phương X, Y, Z lấy giỏ trị dương khi nhõn bản về phớa chiều dương của cỏc trục tọa độ đang làm việc (hiện hành), theo hướng ngược lại lấy giỏ trị õm và nhập số lượng bản nhõn, OK.
> Radial Chọn phộp nhõn bản kiểu quay (Rotate About) quanh trục X hoặc Y hoặc Z, nhập gia số gúc xoay lấy giỏ trị dương khi vộctơ quay cú chiều cựng chiều với trục quay, theo hướng ngược lại lấy giỏ trị õm và nhập số lượng nhõn bản, OK. Khi trục quay quanh hệ toạ độ hiện hành khụng phự hợp với mục đớch phộp nhõn bản, cần chọn hệ toạ độ phụ trợ thớch hợp cho phộp quay nhõn bản này.
> Mirror Chọn phộp nhõn bản đối xứng gương qua mặt XY hoặc YZ hoặc XZ và nhập toạ độ vị trớ mặt gương, OK.
3.4.9. Chức năng chia phần tử tấm lớn thành nhiều phần tử nhỏ
Chức năng Mesh Shells dựng để chia phần tử lớn thành nhiều phần tử nhỏ. Chọn đối tượng chia, từ menu Edit:
3.4.10. Chức năng chia phần tử dầm thành nhiều phần tử nhỏ
Chức năng Divide dựng để chia phần tử thanh thành nhiều phần tử nhỏ.
Chọn đối tượng chia, từ menu Edit:
Edit > Divide > Nhập thụng số chia, cú thể chia đều hoặc khụng đều, OK. 3.4.11. Chức năng di chuyển nỳt
Chức năng Move dựng để di chuyển một nỳt hoặc nhiều nỳt. Chọn đối tượng chuyển, từ menu Edit:
Edit > Move > Nhập gia số toạ độ chuyển, OK. 3.4.12. Kết cấu mẫu
Trong SAP2000 đó lập sẵn một số kết cấu thường gặp như dầm liờn tục, dàn phẳng, dàn khụng gian, khung phẳng, khung khụng gian, tấm chữ nhật, hệ dầm sàn, vỏ trụ trũn, vũm trũn,... Cú thể thờm bớt, sửa đổi, lắp ghộp cỏc kết cấu mẫu với nhau tạo thành một kết cấu theo ý của người sử dụng. Mỗi một kết cấu mẫu đó mặc định sẵn hệ toạ độ cục bộ của riờng nú, nờn khi lắp ghộp chỳng với nhau chỉ cần định vị trớ của hệ toạ độ này trong hệ toạ độ chung của kết cấu.
Với kết cấu mẫu đầu tiờn, từ menu File:
File > New Model from Template
trong cỏc Model Templates > Chọn kết cấu mẫu thớch hợp và nhập cỏc số liệu cần thiết từ bàn phớm, OK.
Với kết cấu mẫu thứ hai hoặc trờn màn hỡnh đó cú một bộ phận kết cấu rồi, thỡ
từ menu Edit:
Edit > Add to Model from Template
Trong cỏc Model Templates > Chọn kết cấu mẫu thớch hợp và nhập cỏc số liệu
cần thiết từ bàn phớm.
> Advanced sẽ xuất hiện hội thoại Location và Orientation
Nhập cỏc số liệu xỏc định vị trớ của hệ toạ độ cục bộ của kết cấu mẫu vừa chọn trong hệ toạ độ chung của kết cấu, chớnh là để định vị trớ của kết cấu mẫu vào kết cấu tổng thể, OK.
3.4.13. Định nghĩa đặc trưng hỡnh học và vật liệu của cỏc phần tử
Định nghĩa vật liệu (đặt tờn khỏc nếu khụng muốn dựng tờn mặc định) và nhập
đặc trưng vật liệu (Materials), từ menu Define:
Define > Materials > Đặt tờn vật liệu mới> Chọn loại vật liệu >Add Neư Material > Modify/Show Material (sửa đổi hoặc xem cỏc đặc trưng cơ lý của vật
liệu) > OK, OK.
Định nghĩa mặt cắt dầm và vỏ (đặt tờn mặt cắt nếu khụng muốn dựng tờn mặc
định) và nhập đặc trưng hỡnh học của phần tử dầm (Frame)/vỏ (Shell), từ menu
Define:
Define > Frame Sections/Shell Sections
> FSEC1/SSEC1 (cú thể thay đổi tờn mặc định này) > Modify/Show Section (để kiểm tra hoặc thay đổi kớch thước), muốn chọn tờn khỏc và loại vật liệu khỏc > AddI/Wide Flange, đặt tờn mặt cắt, loại vật liệu và nhập kớch thước mặt cắt.
3.4.14. Gỏn cỏc đặc trưng hỡnh học và vật liệu vào cỏc phần tử của kết cấu
Chọn đối tượng gỏn là cỏc phần tử dầm hay phần tử vỏ, từ menu Assign:
Assign > Frame/Shell > Section > Tờn mặt cắt gỏn cho cỏc phần tử cú thể là
tờn mặc định FSEC1/SSEC1 hoặc cỏc tờn đó định nghĩa ở trờn tương ứng với phần tử được gỏn > Modify/Show Section (sửa hoặc xem lại mặt cắt), OK.
3.4.15. Gỏn liờn kết
Liờn kết cú thể là cỏc gối tựa cứng (Restraints) hoặc gối tựa lũ xo (Springs),
cỏc liờn kết phải được gỏn vào cỏc nỳt. Số lượng liờn kết phải đủ để kết cấu khụng
bị biến hỡnh. Để gỏn liờn kết trước hết phải chọn cỏc nỳt cần gỏn, từ menu Assign:
Assign > Joớnts > Restraints/Springs > Nhỏy chuột vào cỏc phương 1, 2, 3 mà
liờn kết khụng cho dịch chuyển thẳng và vào cỏc trục 1, 2, 3 liờn kết khụng cho chuyển vị gúc hoặc cú thể nhỏy chuột vào cỏc biểu tượng liờn kết tương ứng, OK.
3.4.16. Định nghĩa trường hợp tải trọng
Cỏc tải trọng tỏc dụng lờn kết cấu trong SAP2000 cú thể là trọng lượng bản thõn của kết cấu, tải trọng tập trung, tải trọng phõn bố đều, tải trọng phõn bố cú
dạng hỡnh thang, tỏc động của nhiệt độ, tỏc động của ứng suất trước, ỏp lực bề mặt,...
Định nghĩa trường hợp tải trọng (đặt tờn cho cỏc tải trọng), từ menu Define:
Define > Static Load Cases > Define Static Load Case Name (đặt tờn cho cỏc
tải trọng) > Add New Load.
Ngoài tải trọng bản thõn cú tờn mặc định LOAD1 cú hệ số Self-weight Multiplier lấy bằng 1, đặt tờn cho cỏc tải trọng tiếp theo và nhập hệ số Self-weight Multiplier bằng 0.
Riờng đối với ỏp lực bề mặt tỏc dụng lờn mặt của phần tử (Surface Pressure
Load), với SAP2000 Version 11 cần cú định nghĩa riờng như sau, từ menu Define: Define > Joint Pattern > Define Pattern Names
Chọn tờn Pattern (NUOC chẳng hạn) Add New Pattern Name, cú thể thay đổi hoặc xoỏ tờn Pattern đó định nghĩa trước bằng cỏch nhỏy chuột vào Change/Delete Joint Pattern, OK.
3.4.17. Gỏn tải trọng vào kết cấu
Tải trọng bản thõn (Self-weight Loads) – Tải trọng bản thõn tỏc dụng lờn tất cả
cỏc phần tử và cú chiều ngược với chiều trục Z của hệ tọa độ tổng thể (Global), cú tờn mặc định (LOAD1), chương trỡnh tự tớnh, khụng cần khai bỏo gỡ thờm.
Tải trọng tập trung (Joint Loads) – Nếu đối tượng gỏn là cỏc nỳt, từ menu Assign:
Assign > Joint Static Loads > Forces > Chọn tờn trường hợp tải trọng (Load
Case Name) tương ứng đó định nghĩa ở trờn:
Nhập cỏc thành phần tải trọng tập trung theo cỏc phương X, Y, Z hoặc cỏc thành phần mụmen tập trung cú vectơ mụmen theo cỏc phương X, Y, Z và lấy giỏ trị dương (+) khi cỏc thành phần này cú chiều cựng chiều dương của trục hệ toạ độ tổng thể.
Chọn một trong ba phương ỏn chất tải như sau: cộng vào cỏc lực đó cú trước đú ([*] Add to existing loads), thay thế cỏc lực đó cú trước đú ([*] Replace existing loads) hoặc huỷ bỏ tải trong đó cú trước đú ([*] Delete existing loads), OK.
Tải trọng gồm cả tải trọng tập trung và tải trọng phõn bố đều (Point and Uniform) cú thể gỏn cựng một lỳc cho phần tử thanh , từ menu Assign:
Assign > Frame Static Loads > Point and Uniform