LẬP CHƯƠNG TRÌNH KẾT HỢP VỚI SAP2000N
ĐỂ TÍNH KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP
THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM
BUILDING OF A SOFTWARE IN COMBINATION WITH SAP2000
TO DESIGN REINFORCED CONCRETE STRUCTURES
ACCORDING TO VIETNAM’S STANDARD
LÊ VIẾT THÀNH
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT
Xây dựng phần mềm kết hợp với phần mềm SAP2000 để tính kết cấu bê tông cốt thép theo
Tiêu chuẩn Việt Nam. Phần mềm này thực hiện các chức năng: Đọc các số liệu về kết cấu đã
nhập vào SAP2000 và các kết quả nội lực, ứng suất mà SAP2000 tính được, sau đó tổ hợp
nội lực và thiết kế cốt thép cho các cấu kiện bê tông cốt thép dạng thanh và tấm theo Tiêu
chuẩn Việt Nam. Các chức năng nói trên được phần mềm thực hiện một cách tự động và
nhanh chóng. Khi dùng kết hợp phần mềm SAP2000 với phần mềm này, chúng ta có thể thiết
kế nhiều dạng kết cấu bê tông cốt thép phức tạp theo Tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành.
ABSTRACT
This paper presents the building of software in combination with SAP2000 to design reinforced
concrete structures with Vietnam’s Standard. This new software carries out such functions as
reading out the data put in SAP2000N and the internal force results calculated by it, then
calculating the internal force and stress combinations, finally designing the required
reinforcement for Frame and Shell elements with Vietnam’s Standard. These functions will be
automatically and rapidly carried out by this new software. The combination of SAP2000N and
this software will enable users to design many kinds of complex reinforced concrete structures
with Vietnam’s Standard.
1. Đặt vấn đề
Hiện nay, nhu cầu xây dựng các kết cấu công trình có hình dạng và cấu tạo phức tạp
bằng vật liệu bê tông cốt thép (BTCT) ở nước ta là rất lớn, và người thiết kế kết cấu hiện nay
đang phải đối mặt với nhiều khó khăn trong công tác thiết kế, đặc biệt là do thiếu các phần
mềm thiết kế các dạng kết cấu BTCT phức tạp theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN). Vì vậy,
việc xây dựng các phần mềm thiết kế các dạng kết cấu BTCT phức tạp theo TCVN đang trở
thành một nhiệm vụ mang tính thiết thực, nhằm giải quyết phần nào các khó khăn trong công
tác thiết kế kết cấu. Đó chính là ý tưởng xuất phát của chúng tôi khi tiến hành xây dựng phần
mềm có tên CD BY VNSTAND kết hợp với phần mềm SAP2000 để tính kết cấu BTCT theo
TCVN và cũng là nội dung của đề tài NCKH cấp cơ sở mã số T03-45-56 đã được chúng tôi
thực hiện trong năm 2003 vừa qua.
2. Vài nét về tình hình sử dụng các phần mềm thiết kế kết cấu BTCT ở Việt Nam
Thiết kế kết cấu BTCT thường gồm ba công đoạn tính toán chính, được tiến hành lần
lượt theo qui trình thể hiện ở hình 1.
Theo qui trình này, chúng ta thấy khối lượng và tính chất phức tạp khi tính toán thiết
kế kết cấu BTCT là rất lớn nên việc sử dụng các phần mềm tin học để tự động hoá quá trình
thiết kế là thật sự cần thiết. Điểm qua một số phần mềm thiết kế kết cấu đang được sử dụng
phổ biến ở Việt Nam hiện nay, chúng ta thấy các phần mềm này có nguồn gốc thuộc một
trong hai nguồn sau:
- Các phần mềm
của Việt Nam: như FBTW,
DTG, KP, CASA,... Các
phần mềm này cho phép
người sử dụng tính toán
nội lực, chuyển vị, tổ hợp
các kết quả theo TCVN và
tính lượng cốt thép cho các
kết cấu BTCT theo TCVN
5574: 1991 nhưng chúng
lại chỉ có khả năng tính
được một số kết cấu tương
đối đơn giản như khung
phẳng (FBTW, KP), hệ
dầm giao nhau (DTG),...
mà thôi. Ngoài ra, các
phần mềm này thường
được bán với giá khá đắt.
- Các phần mềm
của nước ngoài: như
SAP2000, STAAD III,
STAAD-PRO, STRAND,
ETABS2000, SAFE,... Các
phần mềm này đều là
những phần mềm tính kết
cấu chuyên nghiệp, có khả
năng tính được gần như
bất cứ dạng kết cấu công
trình từ đơn giản đến phức
tạp mà ta có thể gặp trong thực tế. Tuy nhiên, do chúng là những phần mềm của nước ngoài
và thường đến tay người sử dụng Việt Nam theo những con đường không chính thức nên
phần tổ hợp kết quả nội lực, phần tính toán lượng cốt thép và kiểm tra hàm lượng cốt thép của
các phần mềm này hoàn toàn không theo các qui định trong TCVN.
Theo nhận xét ở trên, chúng ta thấy rằng nếu sử dụng các phần mềm của Việt Nam
(như FBTW, DTG, KP,...) thì chỉ có thể tính toán thiết kế kết cấu BTCT theo TCVN được các
dạng kết cấu đơn giản, còn nếu dùng các phần mềm của nước ngoài (như SAP2000,
ETABS2000,...) thì có thể tính được nội lực, ứng suất, chuyển vị,... của gần như tất cả các
dạng kết cấu có thể gặp trong thực tế, nhưng lại không thể tiến hành việc tổ hợp nội lực, tính
lượng cốt thép theo TCVN được.
3. Sự cần thiết cần phải có một phần mềm kết hợp với SAP2000 để thiết kế kết
cấu BTCT theo TCVN
Phần mềm SAP2000 Nonlinear là một phần mềm chuyên dụng để phân tích và thiết kế
các kết cấu xây dựng của hãng CSI (Mỹ). Đây là một phần mềm cực mạnh, đa năng, có thể
phân tích nội lực và thiết kế cho hầu hết các dạng kết cấu công trình có thể gặp trong thực tế.
Phần mềm này hiện nay được rất nhiều kỹ sư trên khắp thế giới sử dụng để thiết kế các công
trình xây dựng. Do vậy, phần mềm SAP2000 đã được chọn để giảng dạy cho sinh viên tại
Khoa Xây dựng DD & CN, Khoa Xây dựng Cầu đường,... của Trường Đại học Bách khoa,
Đại học Đà Nẵng.
Tuy nhiên, hiện tại SAP2000 chưa có phần tổ hợp nội lực và thiết kế cấu kiện BTCT
theo TCVN. Vì vậy, để các kỹ sư và sinh viên ngành Xây dựng có thể sử dụng SAP2000 thiết
Hình 1. Qui trình tính toán thi
ết kế kết cấu BTCT
B¾t ®Çu
Bíc 1: Chän s¬ bé vËt liÖu,
h×nh d¹ng, kÝch thíc c¸c bé
phËn cña kÕt cÊu
Bíc 2: LÇn lît thùc hiÖn:
- X¸c ®Þnh s¬ ®å tÝnh kÕt cÊu
- TÝnh néi lùc, øng suÊt vµ chuyÓn vÞ t¹i c¸c vÞ trÝ quan
träng cña kÕt cÊu.
- Tæ hîp c¸c kÕt qu¶ (néi lùc, chuyÓn vÞ… ) theo TCVN
Thay ®æi thiÕt
kÕ (nÕu cÇn)
KiÓm tra hµm lîng cèt thÐp vµ
c¸c ®iÒu kiÖn vÒ ®é vâng, tÝnh
hîp lý cña ph¬ng ¸n...
ThiÕt kÕ cÊu t¹o c¸c bé phËn cña kÕt cÊu theo TCVN
Bíc 3:
KÕt thóc
§¹t yªu cÇu
Kh«ng ®¹t
yªu cÇu
TÝnh lîng cèt thÐp t¹i c¸c vÞ trÝ quan träng cña
kÕt cÊu theo TCVN 5574 : 1991
kế các kết cấu xây dựng tại Việt Nam, chúng ta cần phải xây dựng thêm một phần mềm liên
kết với SAP2000 (được chúng tôi đặt tên là CD BY VNSTAND), nhằm sử dụng các số liệu
về kết cấu đã nhập cho SAP2000 và kết quả nội lực do SAP2000 tính được để tiếp tục thực
hiện công đoạn tổ hợp nội lực và thiết kế cấu kiện BTCT theo TCVN một cách tự động.
4. Vài nét về phần mềm CD BY VNSTAND
4.1. Ý tưởng chính và cách hoạt động của phần mềm CD BY VNSTAND
Sau khi đã nghiên cứu, phân tích tình hình một cách cẩn thận, chúng tôi đã xây dựng
được một phần mềm có tên CD BY VNSTAND kết hợp với phần mềm SAP2000 Nonlinear
version 7.42 để tính kết cấu BTCT theo TCVN, hai phần mềm này kết hợp hoạt động theo sơ
đồ ở hình vẽ 2.
B¾t ®Çu
NSD chän s¬ bé vËt liÖu, h×nh
d¹ng, kÝch thíc c¸c bé phËn
cña kÕt cÊu
- Khëi ®éng SAP2000 Nonlinear version 7.42
- NhËp s¬ ®å kÕt cÊu vµ khai b¸o c¸c trêng hîp t¶i träng (Loadcases).
- TiÕn hµnh ph©n tÝch kÕt cÊu (Analysis) ®Ó x¸c ®Þnh néi lùc, øng suÊt,
chuyÓn vÞ t¹i c¸c vÞ trÝ quan träng cña kÕt cÊu
- XuÊt (Export) c¸c sè liÖu ®Çu vµo ®· nhËp (Input Data) vµ c¸c kÕt qu¶ néi
lùc tÝnh ®îc (Output Data) vµo mét file sè liÖu theo ®Þnh d¹ng .MDB.
- §ãng SAP2000
- Khëi ®éng CD BY VNSTAND
- NhËp (Import) c¸c sè liÖu ®Çu vµo (Input Data) vµ c¸c kÕt qu¶ néi lùc tÝnh
®îc (Output Data) trong file sè liÖu .MDB mµ SAP xuÊt ra.
- Khai b¸o c¸ch tæ hîp t¶i träng cho c¸c trêng hîp t¶i träng (Loadcases)
theo c¸ch qui íc cña CD BY VNSTAND.
- TiÕn hµnh tæ hîp néi lùc ®Ó x¸c ®Þnh c¸c tæ hîp néi lùc bÊt lîi theo TCVN
- TÝnh to¸n lîng cèt thÐp trong c¸c cÊu kiÖn thanh vµ tÊm theo TCVN
5574 : 1991
- §ãng CD BY VNSTAND
Thay ®æi thiÕt
kÕ (nÕu cÇn)
KiÓm tra hµm lîng cèt thÐp vµ
c¸c ®iÒu kiÖn vÒ ®é vâng, tÝnh
hîp lý cña ph¬ng ¸n...
ThiÕt kÕ cÊu t¹o c¸c bé phËn cña kÕt cÊu theo TCVN
KÕt thóc
§¹t yªu cÇu
Kh«ng ®¹t
yªu cÇu
Hình 2. Cách kết hợp hoạt động của CD BY VNSTAND với SAP2000N
4.2. Phạm vi sử dụng của phần mềm CD BY VNSTAND
Phần mềm CD BY VNSTAND được lập trình nhằm kết hợp với phần mềm
SAP2000N v7.42 để tính toán theo TCVN 5574: 1991 các kết cấu BTCT được cấu thành từ
các cấu kiện dạng thanh (dầm, cột, thanh dàn BTCT) và dạng tấm (tấm sàn phẳng, tấm
tường,...). Số lượng cấu kiện không hạn chế. Các loại cấu kiện BTCT mà chương trình có thể
tính toán bao gồm: dầm chữ nhật chịu uốn hay uốn xoắn, cột tròn và chữ nhật chịu nén lệch
tâm phẳng hay nén lệch tâm xiên, thanh dàn chịu kéo, nén đúng tâm, tấm sàn chịu uốn, tấm
tường chịu nén-uốn.
4.3. Yêu cầu đối với phần mềm CD BY VNSTAND
- Phải có khả năng tính toán các kết cấu BTCT theo TCVN như đã nêu một cách chính
xác, đủ tin cậy, ổn định, nhanh chóng.
- Phải có giao diện hợp lí, thân thiện và dễ sử dụng.
- Phải có khả năng lưu trữ, nhập, xuất, tìm kiếm và sắp xếp dữ liệu trên đĩa cứng một
cách nhanh chóng và có khoa học.
4.4. Các chức năng sử dụng chính của phần mềm CD BY VNSTAND
Phần mềm CD BY VNSTAND được lập trình với 10 cụm chức năng chính như sau:
(1) Chọn file số liệu (*.MDB) cần làm việc mà SAP2000N v7.42 đã xuất ra
(Export) trước đó.
(2) Khai báo cách tham gia tổ hợp của các trường hợp tải trọng (Loadcases) theo qui
ước của chương trình CD BY VNSTAND.
(3) Khai báo các thông số cấu tạo của các dạng mặt cắt các phần tử Frame (là các
phần tử dạng thanh như dầm, cột và thanh dàn) và các phần tử Shell (là các phần
tử dạng tấm như tấm sàn chịu uốn, tấm tường).
(4) Tổ hợp nội lực và tính toán lượng cốt thép cho các phần tử Frame.
(5) Tổ hợp nội lực và tính toán lượng cốt thép cho các phần tử Shell.
(6) Xem các số liệu đầu vào và các kết quả mà CD BY VNSTAND tính được.
(7) Xuất các kết quả chính mà CD BY VNSTAND tính được dưới dạng các bản báo
cáo (Reports) để in ấn.
(8) Cung cấp các tiện ích thường dùng như máy tính cá nhân, chọn khoảng cách
phân bố khi cấu tạo thép sàn, tính cốt thép sơ bộ cho dầm và cột BTCT.
(9) Quản lý sự sắp xếp các cửa sổ hiển thị.
(10) Quản lý hệ thống trợ giúp người sử dụng và giới thiệu về CD BY VNSTAND.
5. Các kết quả chính thu được từ phần mềm CD BY VNSTAND
Các kết quả chính mà CD BY VNSTAND tính được bao gồm các tổ hợp nội lực bất
lợi và lượng cốt thép yêu cầu tại các mặt cắt ta chọn trong các phần tử dạng thanh (Frame) và
phần tử dạng tấm (Shell).
Tại mỗi mặt cắt được xem xét của
phần tử Frame, CD BY VNSTAND sẽ
tính toán lượng cốt thép yêu cầu để bố trí
cho phần tử Frame tại mặt cắt đang xét,
bao gồm: cốt thép dọc F2d, F2tr, F3d,
F3tr (xem hình 3) và khoảng cách giữa
các cốt đai (theo số nhánh đai và loại cốt
đai mà NSD đã khai báo).
Tại mỗi phần tử Shell, CD BY
VNSTAND sẽ tính toán lượng cốt thép yêu cầu để bố trí cho phần tử Shell, gồm: cốt thép
phân bố ở mặt trên và mặt dưới của phần tử Shell theo phương trục địa phương 1 (F1tr và
F1d); cốt thép phân bố ở mặt trên và mặt dưới của phần tử Shell theo phương trục địa phương
Hình 3. Ký hi
ệu l
ư
ợng cốt thép dọc y
êu c
ầu
2 (F2tr và F2d). Các kết quả đều được tính theo đơn vị cm2/100cm chiều dài (trong đó, chú ý
rằng: mặt trên của phần tử Shell nằm về phía dương của trục địa phương 3 và mặt dưới nằm ở
phía âm của trục địa phương 3)
Ghi chú: qui ước về hệ trục toạ độ địa phương (Local Axis), các thành phần nội lực
của các phần tử Frame và Shell được dùng trong CD BY VNSTAND đều tuân theo cách qui
ước của SAP2000.
6. Ví dụ tính sử dụng phần mềm CD BY VNSTAND kết hợp với SAP2000 để
thiết kế kết cấu hệ khung-sàn BTCT
6.1. Nhiệm vụ thiết kế
Thiết kế hệ kết cấu chịu lực khung-sàn
BTCT của đài chỉ huy không lưu sân bay Phù Cát
(Bình Định). Theo hồ sơ thiết kế kiến trúc, đài chỉ
huy này phải có hình dạng như hình 4.
Ta thấy đặc điểm làm việc của hệ kết cấu
này có tính không gian rõ rệt do bởi: Hình dạng
tổng thể của kết cấu là hình bát giác (kích thước
mỗi cạnh ở móng là 4m), các cột của các tầng có
mặt cắt ngang bị xoay đi để phù hợp với hình
dạng tổng thể của nhà (hình bát giác). Sàn tầng 2
và 3 có khoét lỗ cầu thang, phía trên có xây tường
ngăn nhưng lại không có dầm bên trong mà chỉ kê
trên dầm bo xung quanh. Các cột tầng 3 còn bị
nghiêng lệch khỏi phương thẳng đứng một góc
khoảng 20o. Ngoài ra, ở sàn tầng mái người ta
tăng cường thêm các dầm chéo để giằng các đầu
cột lại với nhau nhằm tăng độ cứng không gian
của nhà.
Chọn kích thước của các cấu kiện như sau: Cột tầng 1 và 2 (C12): 25x30 cm2; Cột
tầng mái (Cmái): 20x30 cm2; Dầm bo của sàn tầng 2 và 3 (D23): 20x30 cm2; Dầm bo tầng
mái (Dmái): 20x30 cm2; Dầm chéo tầng mái (DAMCHEO): 20x45 cm2; Sàn tầng 2 và 3 dày
12 cm; Sàn mái dày 8 cm.
Vật liệu BTCT mác 200; thép dọc có gờ nhóm AII; thép đai nhóm AI
Hoạt tải trên sàn ở dạng phân bố với cường độ 400 kgf/m2.
6.2. Kết quả tính toán bằng SAP2000 kết hợp với CD BY VNSTAND
Để tiện cho việc đọc kết quả, ta gom các phần tử Frame và Shell thành từng nhóm là:
C1: gồm các cột tầng 1; C2: các cột tầng 2; CMAI: các cột tầng mái; DCHEO: các dầm chéo
ở mái; DMAI: các dầm bo ở của sàn mái; SANT2: các dầm bo và phần tử Shell của sàn tầng
2; SANT3: các dầm bo và phần tử Shell của sàn tầng 3.
Dùng CD BY VNSTAND kết hợp với SAP2000 để tính kết cấu nêu trên với 5 trường
hợp tải trọng (Loadcase) gồm: trường hợp tải trọng TT (gồm tĩnh tải và hoạt tải), 4 trường
hợp tải trọng gió thổi vào công trình theo 4 hướng khác nhau (là GX1, GX2, GY1, GY2), ta
thu được kết quả cuối cùng là lượng cốt thép yêu cầu lớn nhất của các phần tử Frame và Shell
trong từng Group, ta thu được các kết quả được trình bày trong các bảng 1 và 2.
Hình 4: Mẫu kết cấu chịu lực khung sàn
