Báo cáo tốt nghiệp "Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/civil trong phân tích kết cấu và cầu"

Chia sẻ: Trần Quốc Hùng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:0

0
206
lượt xem
119
download

Báo cáo tốt nghiệp "Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/civil trong phân tích kết cấu và cầu"

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

kỹ thuật nuôi trồngTrong vòng nửa thế kỷ nay, một ngành toán học mới- lý thuyết qui hoạch toán học- đã hình thành và phát triển mạnh mẽ do đòi hỏi cấp bách về kinh tế để thực hiện các chỉ tiêu tối ưu: nhiều nhất, ít nhất, nhanh nhất, rẻ nhất, tốt nhất,… Ngày nay sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật máy tính điện tử đã tạo khả năng thực tế cho việc tự động hóa thiết kế trên rất n thủy sản....

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Báo cáo tốt nghiệp "Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/civil trong phân tích kết cấu và cầu"

  1. Báo cáo tốt nghiệp "Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/civil trong phân tích kết cấu và cầu"
  2. Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN KHOA CÔNG TRÌNH r Tên đề tài: ke l oc it. n NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MIDAS/CIVIL e U TRONG PHÂN TÍCH KẾT CẤU VÀ CẦU ov F m PD re h to atc se e B en W Sinh viên thực hiện: lic y a b Lê Đắc Hiền y ed Buess Bùi Văn Sáng Trần Quang Thức oc Pr Đào Quang Huy Lớp Tự động hoá thiết kế Cầu đường khoá 42. Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Lê Đắc Chỉnh KS Nguyễn Trọng Nghĩa Bộ môn Tự động hoá thiết kế Cầu đường Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 1
  3. Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu MỤC LỤC PHẦN I ĐẶT VẤN ĐỀ............................................................................. 3 PHẦN II: NỘI DUNG ĐỀ TÀI .................................................................... 5 Chương 1: Tổng quan về Midas/Civil ...........................................................................6 Chương 2: Phương pháp Phần tử hữu hạn và ứng dụng trong Midas/Civil...................12 1. Nội dung cơ bản của phương pháp PTHH. ..........................................................12 1.1 Mô hình hóa rời rạc kết cấu. .............................................................................13 1.2 Chuyển vị nút và lực nút. ...................................................................................13 1.3 Phương trình cơ bản của của phương pháp phần tử hữu hạn đối với vật rắn.....15 1.4 Các bước tính toán kết cấu bằng phương pháp PTHH......................................15 2. Các loại phần tử chính trong Midas/Civil. ..........................................................16 r ke 3. Phân tích kết cấu . ...............................................................................................27 oc Chương 3: Nghiên cứu chương trình Midas/Civil......................................................44 1. Nghiên cứu dữ liệu đầu vào, đầu ra. ........................................................................44 l it. n 1.1 Số liệu đầu vào..................................................................................................44 e U 1.2 Số liệu đầu ra. ...................................................................................................46 ov F 1.3 Các dạng file khác.............................................................................................47 m PD 2. Mô hình hoá kết cấu................................................................................................47 2.1 Hệ tọa độ. .........................................................................................................47 re h 2.2 Sơ đồ tính..........................................................................................................48 to atc 2.3 Mô hình hóa mặt cắt..........................................................................................52 2.4 Mô hình hóa vật liệu..........................................................................................54 se e B 2.5 Mô hình hóa điều kiện biên ...............................................................................57 en W 2.6 Tải trọng và hệ số tải trọng. ..............................................................................59 2.7 Mô hình hóa tổ hợp tải trọng.............................................................................66 lic y 3. Phân tích kết cấu và đánh giá kết quả ......................................................................68 a b 3.1 Phân tích tĩnh....................................................................................................69 y ed 3.2 Phân tích động ..................................................................................................69 Buess 3.3 Phân tích phi tuyến............................................................................................69 3.4 Phân tích P-Delta..............................................................................................69 oc 3.5 Phân tích các giai đoạn thi công .......................................................................69 3.6 Xem và đánh giá kết quả ...................................................................................73 Pr Chương 4: Tính bài toán cầu bê tông dự ứng lực thi công theo phương pháp đúc hẫng cân bằng .....................................................................................................................75 1. Giới thiệu bài toán...............................................................................................75 2. Chuẩn bị số liệu ..................................................................................................75 3. Nhập số liệu ........................................................................................................76 3.1 Phát sinh phần tử nút ........................................................................................76 3.2 Định nghĩa mặt cắt và gán mặt cắt ....................................................................78 3.3 Định nghĩa vật liệu............................................................................................84 3.4 Điều kiện biên ...................................................................................................84 3.5 Chia các giai đoạn thi công...............................................................................86 3.6 Khai báo các trường hợp tải trọng, nhóm tải trọng............................................89 3.7 Nhập tải trọng và xem kết quả ...........................................................................90 PHẦN III: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................... 107 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................... 108 Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 2
  4. Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu PHẦN I ĐẶT VẤN ĐỀ Phân tích kết cấu nói chung và kết cấu cầu nói riêng trong thiết kế công trình là công việc rất quan trọng. Phân tích kết cấu quyết định tới an toàn trong khai thác sử dụng và tính kinh tế của công trình. Kết quả đạt được của phân tích là các giá trị nội lực và chuyển vị của kết cấu dưới tác dụng của các tải trọng, tổ hợp tải trọng, là số liệu đầu vào cho bài r toán thiết kế kết cấu. Nội dung phân tích kết cấu cầu bao gồm việc mô hình hóa kết cấu ke và tiến hành các phân tích như: oc - Phân tích tĩnh. l it. n e U - Phân tích động. ov F - Phân tích phi tuyến. - Phân tích P-delta. m PD re h - Phân tích các giai đoạn thi công. to atc - .v..v.. se e B Đây là những quá trình phân tích, tính toán hết sức phức tạp và tốn rất nhiều thời gian. en W Đã có những giả thiết được đưa ra nhằm giảm bớt tính phức tạp của bài toán nhưng việc lic y này dẫn đến sai số lớn, không phản ánh hết sự làm việc thực tế của kết cấu. Do đó, khi a b y ed thiết kế người ta thường thiết kế với hệ số an toàn lớn dẫn tới lãng phí. Buess Ngày nay, với sự trợ giúp của máy tính mà đặc biệt là việc ứng dụng các sản phẩm phần mềm chuyên dụng thì công việc mô hình hóa và phân tích kết cấu trở nên nhanh oc chóng và tương đối chính xác. Pr Hiện có một số phần mềm phân tích kết cấu nổi tiếng như Sap2000, RM2000, Midas/Civil... Với Sap2000 là phần mềm rất quen thuộc với kỹ sư công trình, tuy nhiên Sap2000 chưa tối ưu hóa cho công việc phân tích thiết kế cầu. RM2000 thì lại quá đắt vì vậy sinh viên ít có cơ hội được tiếp xúc và tìm hiểu. Gần đây bộ môn TĐHTKCĐ có phối hợp với công ty CIP Hanoi và công ty MidasIT trong phân phối và chuyển giao đào tạo sử dụng phần mềm Midas/Civil, phần mềm phân tích và thiết kế kết cấu được thiết kế riêng cho kết cấu dân dụng, đặc biệt là kết cấu cầu lớn. Đối với sinh viên cũng như các kỹ sư vừa ra trường phần mềm này còn rất mới và họ chưa biết nhiều về khả năng tính toán của nó, bên cạnh đó tài liệu tiếng Việt giới thiệu Midas/Civil chưa có nhiều nên hạn chế khả năng tự tìm hiểu của sinh viên. Nhận rõ vấn đề vừa nêu đề tài đi sâu vào tìm hiểu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu cầu với mục tiêu xây dựng một tài Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 3
  5. Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu liệu đầy đủ hỗ trợ mọi người bước đầu tiếp cận với Midas/Civil, một phần mềm mạnh cả về tính toán cũng như giao diện người dùng. Việc đánh giá kết quả của các chương tình phân tích kết cấu nói chung cũng như Midas/Civil nói riêng đòi hỏi người kỹ sư phải thực sự am hiểu về kết cấu và quá trình mô hình hóa kết cấu. Vì chương trình tính chỉ là công cụ phục vụ cho việc tính toán, kết quả phân tích đúng hay sai phụ thuộc số liệu đầu vào trong quá trình mô hình hóa. Để làm được điều đó đề tài giành phần lớn thời gian vào việc tìm hiểu phương pháp Phần tử hữu hạn và ứng dụng của phương pháp này trong Midas/Civil. Đề tài được chia thành 3 phần chính: r ke Phần 1: Các nội dung cơ bản trong phân tích kết cấu: oc - Phương pháp Phần tử hữu hạn. l it. n e U - Phân tích P-Delta. ov F - Phân tích tĩnh. m PD - Phân tích động... re h Phần 2: Hướng dẫn sử dụng phần mềm Midas/Civil to atc Giới thiệu cụ thể cách mô hình hóa, tính toán, phân tích và xử lý kết quả trong se e B Midas/Civil. Giới thiệu những tính năng nổi bật của chương trình so với các chương trình en W khác hiện có tại Việt Nam. lic y Phần 3: Ví dụ chi tiết ứng dụng Midas/Civil tính bài toán cầu bê tông dự ứng lực thi a b y ed công theo phương pháp đúc hẫng cân bằng ( Xử lý các số liệu nhập, Giải bài toán, Xử lý Buess các kết quả tính toán ). Thông qua ví dụ này các sinh viên hoàn toàn có thể dễ dàng nắm bắt những kiến thức cơ bản của Midas/Civil vào việc tính các kết cấu nói chung . oc Pr Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 4
  6. Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu r ke l oc it. n e U ov F m PD re h to atc PHẦN II: NỘI DUNG ĐỀ TÀI se e B en W lic y a b y ed Buess oc Pr Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 5
  7. Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu Chương 1: Tổng quan về Midas/Civil Chương trình phân tích và thiết kế kết cấu MIDAS/Civil là một phần của bộ sản phẩm MIDAS được xây dựng từ năm 1989, do MIDAS IT Co., Ltd phát triển. Phiên bản đề tài này tìm hiểu và sử dụng là MIDAS/Civil 6.3.0. MIDAS là một nhóm các sản phẩm phần mềm phục vụ cho việc thiết kế kết cấu. MIDAS r ke bao gồm các sản phẩm sau : oc MIDAS/Civil General Civil structure design system : Chương trình phân tích và thiết kế l it. n kết cấu được tối ưu riêng cho những kết cấu dân dụng, đặc biệt trong thiết kế cầu. e U MIDAS/Gen General Building structure design system : Chương trình phục vụ cho việc ov F m PD thiết kế kết cấu, đặc biệt là thiết kế kết cấu nhà. MIDAS/BDS Building structure Design System : Chương trình phân tích và thiết kế kết re h to atc cấu kiến trúc. se e B MIDAS/SDS Slab & basemat Design System : Chương trình dàmh cho việc phân tích và thiết kế bản & basemat. en W MIDAS/Set-Building Structural Engineer's Tools: Tập hợp những chương trình riêng lẻ lic y a b để xúc tiến thiết kế các đơn vị kết cấu. y ed MIDAS/FEmodeler finite element MESH generator: Chương trình tự động phát sinh ra Buess lưới phần tử hữu hạn. oc MIDAS/ADS Shear wall type Apartment Design System : Chương trình phân tích và thiết Pr kế cho kết cấu tường chắn, công trình ngầm. MIDAS/Civil là một sản phẩm phần mềm phân tích cầu chuyên dụng. Chương trình hỗ trợ cho việc phân tích các bài toán cầu như : Cầu treo dây văng, dây võng, cầu bê tông dự ứng lực khẩu độ lớn thi công theo phương pháp đúc hẫng cân bằng, đà giáo di động, đúc đẩy... MIDAS/Civil được phát triển dựa trên Visual C, Fortran … một ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng mạnh trong môi trường Windows. Chương trình nổi bật về mặt tốc độ mô hình hóa và tính toán, rất dễ giàng sử dụng bởi giao diện thân thiện với người sử dụng. Trong quá trình phát triển MIDAS/Civil từng chức năng đã được kiểm tra và so sánh kết quả với lý thuyết cũng như với một số chương trình khác. Đặc điểm nổi bật của Midas/Civil so với các chương trình khác: Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 6
  8. Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu - Khả năng mô hình hóa: Chương trình hỗ trợ nhiều mô hình kết cấu, đặc biệt là kết cấu cầu, cung cấp nhiều loại mặt cắt khác nhau. Khả năng mô tả được vật liệu đẳng hướng, trực hướng, dị hướng, hay vật liệu phi tuyến. Về tải trọng chương trình hỗ trợ rất đầy đủ và đa dạng về thể loại như: tĩnh tải với các loại lực, nhiệt độ, gối lún, dự ứng lực... hoạt tải với nhiều loại xe tiêu chuẩn kỹ thuật, xe do người dùng định nghĩa... tải trọng động với các phương pháp tính toán tiên tiến. Chương trình có nhiều công cụ trực quan hỗ trợ việc mô hình hóa một cách trực tiếp. Ngoài ra, người sử dụng có thể mô hình kết cấu hoặc mặt cắt thông qua AutoCad. - Giao diện và tốc độ tính toán: Chương trình hoạt động trong môi trường Windows, giao r ke diện thân thiện, khả năng tính toán mạnh. Tốc độ tính toán của chương trình phụ thuộc vào oc khối lượng tính toán nhưng so với một số phần mềm tính toán kết cấu khác như Sap2000 l it. n e U thì tốc độ tính toán nhanh hơn. Kết quả tính toán của chương trình là đầy đủ và tin cậy. ov F - Khả năng nhập và xuất dữ liệu: Dữ liệu đầu vào có thể được nhập trực tiếp hoặc import m PD từ các file của các chương trình khác, kết quả tính có thể xuất ra màn hình đồ họa, văn bản re h hay máy in, hơn nữa có thể xuất kết quả dạng tập tin cho các chương trình thiết kế sau tính to atc toán. se e B - Khả năng phân tích cho bài toán cầu: Đây là một tính năng mạnh của chương trình. en W Midas/Civil cung cấp nhiều phương pháp phân tích kết cấu cầu hiện đại, đặc biệt là phân lic y tích phi tuyến và phân tích các giai đoạn thi công. Kết quả của quá trình phân tích là đáng a b y ed tin cậy, phù hợp với các giai đoạn từ tính toán thiết kế đến thi công và quá trình khai thác Buess sử dụng. - Tính phổ biến của chương trình: Do nhiều ưu điểm trên đặc biệt là độ tin cậy của kết quả oc tính và tính tương thích của chương trình cho nên chương trình được sử dụng trong nhiều Pr dự án lớn. Hiện có hơn 4000 dự án sử dụng MIDAS/Civil, độ tin cậy và hiệu quả nó đem lại đã được công nhận trên thế giới . Giao diện cơ bản của Midas/Civil Hệ thống menu của MIDAS/Civil bao gồm tất cả các chức năng, quá trình vào ra dữ liệu, phân tích.. được thiết kế sao cho thời gian di chuyển chuột là nhỏ nhất. MIDAS/Civil hỗ trợ rất nhiều khả năng nhập liệu: - Thông qua hệ thống Menu trực quan. - Thông qua giao diện dòng lệnh. - Thông qua các bảng dữ liệu tương thích Excel. - Khả năng kéo thả dễ dàng. - Chức năng Undo/Redo không hạn chế. Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 7
  9. Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu - Đặc biệt chức năng phân tích của chương trình này rất mạnh, nó có khả năng tính toán và phân tích theo các giai đoạn thi công. r ke l oc it. n e U ov F m PD re h to atc se e B en W Hình 1.1 Giao diện chính của Midas/Civil lic y Các hệ thống menu cơ bản trong Midas/Civil a b - Menu Model (Mô hình) y ed Buess oc Pr Hình 1.2 Menu Model + Structure Type: Nhập kiểu kết cấu và dữ liệu cơ bản cho phân tích Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 8
  10. Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu + Structure Wizard: Mô hình hóa theo các mẫu kết cấu có sẵn + User Coordinate System: Định nghĩa hệ tọa độ người dùng (User Coordinate System) + Grids: Khai báo các hệ thống lưới tọa độ + Nodes: Các thuộc tính của nút cũng như các công cụ để mô hình nút + Elements: Các thuộc tính của phần tử cũng như các công cụ để mô hình phẩn tử + Properties: Thuộc tính của kết cấu: Vật liệu, mặt cắt... + Boundaries: Khai báo các điều kiện biên. + Masses: Khai báo khối lượng. + Named Plane: Gán tên cho mặt phẳng. r ke + Group: Định nghĩa các nhóm kết cấu, điều kiện biên, nhóm tải trọng.... oc + Check Structure Data: Kiểm tra dữ liệu kết cấu đã nhập. l it. n e U - Menu Results (Kết quả) ov F m PD re h to atc se e B en W lic y a b y ed Buess oc Pr Hình 1.3 Menu kết quả. Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 9
  11. Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu - Menu Load (Tải trọng). r ke l oc it. n e U ov F m PD re h to atc se e B en W lic y a b y ed Buess oc Pr Hình 1.4 Menu tải trọng Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 10
  12. Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu - Menu Analysis (Phân tích). r ke l oc it. n e U Hình 1.5 Menu phân tích. ov F m PD re h to atc se e B en W lic y a b y ed Buess oc Pr Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 11
  13. Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu Chương 2: Phương pháp Phần tử hữu hạn và ứng dụng trong Midas/Civil Phương pháp phần tử hữu hạn được coi là phương pháp có hiệu quả nhất hiện nay để giải các bài toán cơ học trong môi trường liên tục nói chung và trong phân tích kết cấu công trình nói riêng. MIDAS/Civil là một chương trình phân tích và thiết kế kết cấu dựa trên nền tảng là phương pháp phần tử hữu hạn. Trong chương này sẽ trình bày những khái r niệm cơ bản nhất về phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) và việc ứng dụng phương ke pháp này trong MIDAS/Civil. l oc it. n 1. Nội dung cơ bản của phương pháp PTHH. e U ov F Nội dung cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn là: để tính toán một kết cấu với cấu m PD tạo bất kỳ, chia kết cấu thành một số hữu hạn các phần tử riêng lẻ và nối với nhau bởi một re h số hữu hạn các điểm nút riêng lẻ. to atc Sự biến dạng tổng thể của kết cấu được thể hiện thông qua sự biến dạng của lưới nút se e B hay tập hợp các chuyển vị của từng nút riêng biệt. Tính liên tục của các cấu kiện và sự liên en W kết giữa các cấu kiện với nhau được thể hiện qua sự liên kết giữa các phần tử thông qua lic y các nút. Liên kết giữa kết cấu và nền được thể hiện bởi điều kiện biên của các nút hay độ a b tự do của nút. Các tác động lên kết cấu tất cả lên kết cấu đều được quy đổi về các nút. y ed Việc chia lưới phần tử và nút, mô tả liên kết, các điều kiện biên cần tương thích với kết Buess cấu thực tế, nếu đảm bảo được điều này thì mô hình phần tử hữu hạn sẽ làm việc giống oc hay gần giống với kết cấu thực tế. Việc tính toán mô hình PTHH là trước hết phân tích Pr trạng thái làm việc tổng thể của kết cấu từ đó theo điều kiện liên kết tìm được trạng thái làm việc của từng phần tử hữu hạn. Trạng thái làm việc của từng phần tử được phụ thuộc vào quan hệ ứng suất và biến dạng của phần tử cũng là quan hệ giữa nội lực và chuyển vị nút của phần tử. Quan hệ đó biểu hiện ở độ cứng của phần tử, mà với những mẫu phần tử ta có thể xác định nhờ giải các bài toán cơ học. Trạng thái làm việc của kết cấu được thể hiện thông qua sự làm việc của các nút. Các nút này liên hệ với nhau thông qua các phần tử nối giữa chúng, vì vậy từ điều kiện nối tiếp giữa các phần tử và độ cứng của từng phần tử có thể xác định được quan hệ giữa các nút . Đó là quan hệ giữa chuyển vị nút và nội lực tác dụng từ phần tử lên nút. Từ điều kiện cân bằng nội lực tại các nút, ta thiết lập được hệ phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa các Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 12
  14. Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu chuyển vị nút với các lực tác dụng tại nút. Trong hệ phương trình biểu diễn quan hệ sẽ có những thành phần đã biết như lực nút hay chuyển vị nút, từ đó ta có thể tìm ra những thành phần còn lại chưa biết . 1.1 Mô hình hóa rời rạc kết cấu. Ý tưởng của phương pháp PTHH trong tính toán kết cấu là coi vật thể liên tục như là tổ hợp của nhiều phần tử liên kết với nhau bởi một số hữu hạn các điểm, gọi là các nút. Các phần tử được hình thành này gọi là các phần tử hữu hạn. Quan niệm này chỉ là gần đúng, bởi vì khi thay thế kết cấu thực (hệ liên tục) bằng một r ke số hữu hạn các phần tử trên người ta đã coi rằng năng lượng bên trong mô hình thay thế oc phải bằng năng lượng của kết cấu thực. l Đối với các hệ thanh thì các kết (giàn, khung) phẳng cũng như không gian đều do một it. n e U số hữu hạn các dầm và thanh hợp thành. Do đó người ta lấy phần tử thanh làm phần tử mô ov F m PD hình cho kết cấu . Điểm liên kết giữa các PTHH gọi là nút. Với kết cấu tấm, vỏ và các vật thể khối thì không trực quan như hệ thanh. Người ta re h to atc thường dùng các loại phần tử sau: - Kết cấu tấm phẳng : phần tử hình tam giác, phần tử hình chữ nhật, phần tử hình tứ giác. se e B - Kết cấu vỏ: ngoài các phần tử hình tam giác, hình chữ nhật, hình tứ giác, người ta còn en W sử dụng phần tử cong hình tam giác, hình chữ nhật, hình tứ giác. lic y a b - Với vật thể khối: phần tử hình tứ diện, phần tử hình lập phương, phần tử hình lục diện. y ed - Vật thể đối xứng trục: phần tử hình vành khăn. Buess oc Pr Hình 2.1 Sự rời rạc hóa kết cấu theo phương pháp PTHH. 1.2 Chuyển vị nút và lực nút. Khi kết cấu chịu lực, kết cấu sẽ biến dạng, các phần tử cũng sinh ra biến dạng, do dó cũng sinh ra chuyển vị. Chuyển vị của các nút được gọi là chuyển vị nút. Do số lượng nút trên kết cấu là hữu hạn mà số lượng chuyển vị nút là hữu hạn, nên trạng thái biến dạng và trạng thái nội lực của kết cấu có thể biểu diễn bằng một số hữu hạn Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 13
  15. Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu các chuyển vị nút và các lực nút. Hay nói một cách khác phương pháp PTHH lấy một hệ hữu hạn các độ tự do thay cho kết cấu. Để mô tả mối quan hệ giữa chuyển vị (hoặc ứng suất) tại các nút và chuyển vị (hoặc ứng suất) tại một điểm trong kết cấu, người ta sử dụng một hàm xấp xỉ, gọi là hàm chuyển vị (hoặc hàm ứng suất). Những hàm này phải thỏa măn liên tục trên biên các phần tử tiếp xúc với nhau. Phương pháp PTHH, cũng giả thiết rằng: Ngoại lực truyền lên kết cấu thông qua nút việc này thuận tiện cho việc xét cân bằng giữa nội lực và ngoại lực tại các nút. Khi trong phần tử có tải trọng phân bố hoặc tập trung không đặt tại nút, thì cần dựa vào phương pháp năng lượng hoặc các công thức cơ học kết cấu để xác định lực tương đương r ke tại nút. Ta biết rằng khi chịu lực và biến dạng, kết cấu phải ở trạng thái cân bằng. Trong oc phương pháp PTHH điều đó được đảm bảo bằng các cân bằng tại nút. l it. n e U Gọi {Fi} là véctơ các thành phần lực tại nút i của của phần tử chứa nút thứ i, tại nút này ov F phải thỏa măn điều kiện cân bằng của nút i: å{F } = m PD i {Pi } re h e to atc Trong đó : se e B - å{F } biểu thị lấy tổng đối với tất cả các phần tử bao quanh nút i và chứa nút i. e i en W Quan hệ giữa các lực nút và các chuyển vị nút trong một phần tử có thể biểu diễn bằng lic y a b biểu thức sau đây: y ed {F}e=[K]{d}e Buess Trong đó : oc {F}e là véc tơ lực nút của phần tử, chứa tất cả các thành phần lực nút trong một phần tử. Pr {d }e là véc tơ chuyển vị nút của phần tử, chứa tất cả các thành phần chuyển vị nút trong một phần tử. [K] là ma trận độ cứng của phần tử, phụ thuộc vào đặc trưng hình học và cơ học của phần tử và của vật liệu. Ma trận [K] có thể được thiết lập trên cơ sở nguyên lý cực tiểu thế năng hoặc theo lý thuyết của Kirchhoff hoặc của Mindlin-Reissner. Trong phương pháp PTHH giả thiết rằng: các chuyển vị tại nút trong một phần tử sẽ xác định trạng thái biến dạng của phần tử đó, tức là có thể dùng các chuyển vị nút để biểu thị trạng thái biến dạng của kết cấu. Mặt khác, khi kết cấu chịu tác dụng của ngoại lực (lực và momen uốn). Phương pháp PTHH giả thiết rằng các ngoại lực này được truyền qua nút. Như vậy, nội lực trong PTHH có thể biểu thị bằng lực và mômen tập trung ở nút, Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 14
  16. Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu gọi là lực nút. Như vậy, nếu biết được giá trị các lực nút thì có thể tính được sự phân bố của nội lực trong PTHH đó. 1.3 Phương trình cơ bản của của phương pháp phần tử hữu hạn đối với vật rắn. Khi sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn người ta đã chứng minh được sự giống nhau chủ yếu của tất cả các bài toán trong cơ học vật rắn khi thiết lập những công thức trong phạm vi của các phần tử hữu hạn. Những đặc trưng của phần tử được trong biểu thức đó là ma trận độ cứng phần tử [K ] = ò [B] [D ][B ]dV T r ke và ma trận khối lượng phần tử: oc [M ] = r ò [N ]T [N ]dV l it. n e U Những biểu thức này sau đó đã xuất hiện trong ba lớp bài toán chính đối với vật rắn ov F m PD liên quan tới thực tế xây dựng, đó là: Bài toán cân bằng tĩnh [K ]{u} = {F } (1) re h ([K ] - w 2 [M ]){u} = 0 to atc Bài toán trị riêng (2) se e B [K ]{u} + [M ] ¶ u = F (t ) 2 Bài toán truyền sóng (3) ¶t en W [D] là ma trận đàn hồi của kết cấu. lic y a b [B] là ma trận biểu thị mối quan hệ giữa biến dạng và chuyển vị trong kết cấu. y ed [N] là ma trận các hàm dạng. Buess r là khối lượng riêng của phần tử. oc {u} véctơ chuyển vị nút. Pr {F} véctơ ngoại lực nút. w tần số dao động riêng. Các phương trình trên là những phương trình cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn đối với vật rắn. Phương trình (1) là phương trình tương thích có thể giải đối với lực {F} đã biết để tìm ra chuyển vị {u}, phương trình (2) là phương trình dùng để tìm ra chuyển vị {u} và tần số dao động riêng w của hệ đàn hồi, phương trình (3) dùng để xác định quy luật truyền sóng. Ngoài những phương trình cơ bản trên còn có các phương trình về các bài toán phi tuyến, bài toán về dao động cưỡng bức… 1.4 Các bước tính toán kết cấu bằng phương pháp PTHH - Chia lưới phần tử hữu hạn. Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 15
  17. Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu - Chọn hàm chuyển vị. - Tính toán ma trận độ cứng phần tử (và các ma trận khác nếu có liên quan) trong hệ tọa độ địa phương. - Thiết lập ma trận độ cứng của toàn bộ kết cấu (và các ma trận khác nếu có liên quan). - Thiết lập ma véctơ trọng nút. - Thiết lập phương trình cân bằng. - Xử lý các điều kiện biên. - Giải hệ phương trình. - Tính toán nội lực, chuyển vị trong các phần tử. r ke oc 2. Các loại phần tử chính trong Midas/Civil. l it. n MIDAS/Civil cung cấp cho chúng ta một thư viện phần tử hữu hạn gồm có những loại e U phần tử chính sau: ov F m PD re h to atc se e B en W lic y a b y ed Buess oc Pr 2.1. Phần tử giàn (Truss Element). Phần tử giàn là phần tử thẳng ba chiều hai điểm nút, có một kích thước lớn hơn nhiều so với hai kích thước còn lại, kích thước đó chính là trục chịu kéo nén. Phần tử này thường sử dụng trong những mô hình giàn hoặc mô hình thanh giằng chéo. Phần tử giàn chịu biến dạng dọc trục. Bậc tự do và hệ tọa độ (ESC) của phần tử Chỉ có trục X-ECS có ý nghĩa quan trọng về mặt kết cấu cho các phần tử duy trì độ cứng thuộc trục đó, ví dụ như phần tử giàn và phần tử chỉ chịu kéo hoặc chịu nén. Tuy nhiên trục Y và Z cần phải có để hướng mặt cắt ngang của phần tử được hiển thị một cách trực quan. Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 16
  18. Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu MIDAS/Civil sử dụng quy ước góc Beta để chỉ ra hướng của mặt cắt ngang. Góc này phụ thuộc vào tương quan giữa ECS và GCS, trục X bắt đầu từ nút 1 cho tới nút 2. Trục Z được định nghĩa là trục song song với mặt cắt ngang, trục Y thuộc mặt cắt ngang, có phương vuông góc với trục X, chiều xác định theo quy tắc bàn tay phải. Nếu trục X trong ECS cho phần tử này song song với trục Z của GCS, góc Beta được định nghĩa như một góc được tạo thành từ trục X của GCS và trục Z của ECS. Trục x của ECS trở thành trục quay cho việc định rõ góc sử dụng quy tắc bàn tay phải. Nếu trục X không song song với trục Z của GCS, góc Beta được định nghĩa là góc phải từ trục Z tới mặt phẳng XZ r ke l oc it. n e U ov F m PD re h to atc se e B en W lic y a b y ed (a) Trường hợp X-ECS song song với trục Z-GCS Buess oc Pr (b) Trường hợp trục X-ECS không song song với trục Z-GCS Hình 2.2 Xác định góc Beta Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 17
  19. Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu r ke l oc it. n e U ov F m PD Hình 2.3 ECS của phần tử giàn và quy ước chiều của lực re h to atc se e B 2.2 Phần tử chỉ chÞu kéo(Tension-only Element) en W Phần tử chỉ chịu kéo được định nghĩa là phần tử thẳng 3 chiều và 2 nút. Phần tử này lic y thường sử dụng cho những mô hình dây treo, chỉ chịu biến dạng kéo dọc trục. a b y ed Gồm 2 loại sau: Buess Truss: phần tử chỉ truyền lực kéo dọc trục. Hook: Phần tử chỉ chịu kéo và nội lực sẽ khác không khi chuyển vị tương đối giữa N1 oc và N2 lớn hơn không. Pr Hình 2.4 Giản đồ của phần tử chỉ chịu kéo Bậc tự do và hệ tọa độ phần tử được định nghĩa giống như của phần tử giàn. 2.3. Phần tử cáp (Cable Element) Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 18
  20. Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu Là phần tử chỉ chịu kéo có 2 điểm nút và 3 chiều, chỉ có khả năng truyền được lực kéo, có tính đến độ võng của dây cáp. Phần tử cáp phản ánh sự thay đổi không ổn định của độ cứng với nội lực kéo. Hình 2.5 Giản đồ của phần tử cable r ke Phần tử cáp này sẽ được thay đổi thành phần tử giàn nếu là phân tích tuyến tính hình học oc và một phần tử dây đàn hồi nếu là phân tích phi tuyến hình học. Khi tính toán độ cứng của l it. n e U cáp thì ta phải quy đổi độ cứng của cáp về độ cứng của một thanh giàn tương đương. ov F m PD 2.4 Phần tử chỉ chịu nén(Compression-only Element) re h Phần tử chỉ chịu nén được định nghĩa là phần tử 3 chiều có 2 nút. Thông thường nó to atc được sử dụng trong điều kiện biên đỡ. Phần tử này chỉ chịu nén dọc. se e B Gồm những loại sau: en W Giàn: phần tử chỉ truyền lực nén dọc trục. lic y Gap: Phần tử làm việc khi chuyển vị tương đối giữa N1 và N2 nhỏ hơn không. a b y ed Buess oc Pr Hình2.6 Sơ đồ của phần tử chỉ chịu nén 2.5. Phần tử dầm (Beam Element) Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 19

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản