Dương Hng Thm. HCMCOUJS-Kthuật ng ngh, 19(2), 67-83
67
Mô hình phân tích kết cu nhà nhiu tng vi phn mm ETABS
A model of structural analysis for multi-storey buildings with ETABS software
ơng Hồng Thm1*
1Trường Đại học Mở Thành phố Hồ Chí Minh, Thành ph H Chí Minh, Vit Nam
*Tác giả liên hệ, email: tham.dh@ou.edu.vn
THÔNG TIN
TÓM TẮT
DOI:10.46223/HCMCOUJS.
tech.vi.19.2.3266.2024
Ngày nhận: 23/02/2024
Ngày nhận lại: 20/03/2024
Duyệt đăng: 02/04/2024
Từ khóa:
hình kết cấu; thiết kế nhà
nhiều tầng; tạo lưới; phân tích
phi tuyến
Keywords:
structural modeling; design of
multi-storey buildings;
meshing; non-linear analysis
Trong quá trình ging dy môn hc Thiết Kế Nhà Nhiu
Tng (NNT) thuộc Chương trình Đào tạo K Xây dựng ca
Khoa Xây Dng, Trường Đại hc M Thành Ph H Chí Minh,
vic hình h kết cu chu lc s dng phn mm chuyên dng
như SAP2000, ETABS, được chú trng ging dy trong ni
dung ca phn thc hành (có thời lượng 30 tiết). Đối vi yêu cu
k ng đầu ra ca môn hc phỏng được đạt mức tương đối
đầy đủ đồ kết cu h chu lc ca tòa nhà, mt vấn đề ct lõi
được đặt ra giúp ngưi hc thông suốt được nhng khúc mc
trong thc hành lp chy hình, c th bng các khai báo cn
thiết, gán ti trng chọn đồ phân giải đúng, để kết qu phân
tích th hu dng chp nhận được. Thc tế, các sinh viên
phỏng chưa đủ rt ráo tòa nhà, nên kết qu lớn, kích thước tiết
din, …) chưa đt tính tin cy cao. Bài báo y nhm ch ra mt
trình t khai báo đầy đủ, thc tin, nêu nhng ni dung ct lõi
trong vic phỏng đồ phân tích tòa nhà, cùng vi nhng th
thut cn thiết, để bảo đảm kết qu phân tích ng dụng được vào
thc tế nếu cn. C th, tính cht ph thuc thi gian ca vt liu
nhằm xét đến hiu ng dùn ct (column shortening), hiu ng th
cp P-Δ đượct đến ra sao, phân tích động lc h kết cu, và nhng
k thut phân ch khác được khai thác.
Nghiên cu phc v ging dy này rt cn thiết cho các đồng
nghip tham gia ging dy, sinh viên bậc Đại Học H) ngành Kỹ
thut Xây Dng, phn nào th giúp ích cho những người
tham gia thiết kế s dng phn mm ETABS trong thiết kế Nhà
Nhiu Tng. Bài báo không nêu phần đánh giá đầu ra ca môn hc,
như một gii hn phm vi nghiên cu.
ABSTRACT
During the process of instructing the course Design of Multi-
storey Buildings in the curriculum for Undergraduate developed by
the Faculty of Civil Engineering in the Ho Chi Minh City Open
University, modeling the structural system using professional
packages such as SAP2000, ETABS, etc., is notably taught in the
practice (within 30 period hours). For the learning outcome of the
course, that is, to properly model the structural system of the
building, one of the main requirements is to help learners easily
practice, create, and solve the model, i.e., by some specific input
68
ơng Hồng Thm. HCMCOUJS-Kỹ thuật và ng ngh, 19(2), 67-83
1. Giới thiệu
Trong chương trình đào tạo k sư xây dựng tại khoa y Dựng Trường Đại học Mở
Thành Ph H CMinh môn Thiết Kế Nhà Nhiều Tầng (sau đây viết gọn lại TK NNT),
thời lượng 45 tiết, phần thực hành chiếm ttrọng 01 tín chỉ, tức 30 tiết thực hành tại lớp.
Ngoài ra, để đảm bảo lợi ích cao nhất cho người học, nhà trường quy định tăng cường 03 buổi
tương tác trên hệ thống quản học tập LMS. Được giảng dạy học kỳ 1 năm thứ 4, môn học
TK NNT hướng đến trang bị người học đủ năng lực thực hiện Đồ Án Tốt Nghiệp (ĐATN).
Môn học được thiết kế với Chuẩn Đầu Ra (CĐR) trong đề cương môn học (Đại học Mở Thành
phố Hồ Chí Minh, 2021) như sau:
Bảng 1
Chuẩn đầu ra của môn học Thiết kế Nhà Nhiều Tầng
Mục tiêu
môn học
CĐR môn học
(CLO)
Mô tả CĐR
CO1
CLO1.1
Phân tích được các giải pháp kết cấu phù hợp với yêu cầu của
kiến trúc và quy mô công trình.
CLO1.2
Phânch đưc các loại tải trọng bản tác dụng vào công trình (tĩnh
tải và hot tải) và phương pháp tính toán c loại tải trọng đó.
CLO1.3
Phân tích được ý nghĩa các đặc trưng động học của công trình, ý
nghĩa của việc phân tích dạng dao động trong bài toán tính toán tải
trọng gió động và động đất.
CLO1.4
Nhận biết đưc các dạng tổ hợp cơ bản tổ hợp đặc bit trong thiết
kế kết cấu nhà nhiều tầng, c phương pháp pn tích nội lực.
CLO1.5
Liệt được các quy trình để kiểm tra độ cứng của công trình khi
chịu tải trọng ngang, các yêu cầu về cấu tạo cốt thép với các cấu
data such as prescribing the element properties, assigning the loads
and solving properly the model, to analyze the output in an
acceptable level of accuracy. The fact is that, during the course,
students have not sufficiently modeled the system, therefore the
results (values of element dimensions, cross-section, etc.) are
unreliable. This paper aims to point out a rigorous procedure of
input data and to introduce the main content of structural
modeling, with some necessary techniques, which in turn, the
results of the analysis could be applied to reality. A few of the
time-dependent properties of the material, concerning the column
shortening, and geometric nonlinear P-Δ effects are considered in
a dynamic analysis and other kinds of analyses.
This study for tutorial purposes is necessary for the teaching
staff, undergraduate engineering students, and partially beneficial
for designers using ETABS in analysing the multi-storey buildings.
Without any course outcome assessment, the limitation of the study
is tentatively outlined.
ơng Hồng Thm. HCMCOUJS-Kỹ thuật ng nghệ, 19(2), 67-83
69
Mục tiêu
môn học
CĐR môn học
(CLO)
Mô tả CĐR
kiện cột, dầm, vách, nút khung, .... đảm bảo điều kiện kháng chấn.
CLO1.6
Áp dụng được phương pháp PTHH để lấy nội lực nhằm thiết kế
các cấu kiện dầm, cột, vách.
CO2
CLO2.1
Phân tích lựa chọn được sơ bộ phương án kết cấu theo quy mô
công trình và đặc điểm kiến trúc.
CLO2.2
Sử dụng được bản được phương pháp PTHH để thiết lập và
phân tích các đặc trưng động học của công trình, tổ hợp tải trọng
và lấy kết quả nội lực cấu kiện.
CO3
CLO3.1
Tích cực tham gia làm việc nhóm, tuân thủ theo các tiêu chuẩn
hiện hành.
Nguồn: Đại hc M Thành ph H Chí Minh (2021)
Như vậy, yêu cầu đặt ra ca môn hc là kh năng chịu lc ca các h kết cu khác nhau,
tính được ti trọng đầu vào, phân tích kết cấu để truy xut ni lc chuyn v đầu ra, s
dụng cơ bản phn mm Phn T Hu Hn (PTHH).
Tuy vậy, để tiến đến trang b năng lực thc hành tính toán NNT, phn mm ETABS
SAP2000 ca hãng CSI (viết tt t ch Computers and Structures, Inc.) ra đời năm 1999
nhiều điểm phải lưu ý để tránh nhm ln thiếu sót, dẫn đến kết qu không tính thc tin,
thm chí ng nhn v độ an toàn cường độ, độ cng và tính vng chãi ca công trình.
Bài báo y lần lượt ch ra nhng trình t cn thiết, để giúp người hc tiến dần đến hoàn
thin k năng phỏng h chu lc ca công trình NNT, đ sau khi ra trưng, th đóng góp
thc s hiu qu vào lãnh vc chuyên môn thiết kế ca ngh nghip.
2. Cơ sở lý thuyết
Hiu lý thuyết nn tng dùng cho phn thực hành giúp người hc hiu rõ phm vi ng
dng ca phn mm, nhng bước khai báo cn thiết và cách biu th d liệu đầu vào đầu ra, cũng
như loại phân tích.
2.1. Phần THữu Hạn (PTHH)
Phương pháp Phn T Hu Hạn (PTHH) được t tóm gọn như sau: Phương pháp
phn t hu hn phương pháp số gần đúng để giải các bài toán được t bởi các phương
trình vi phân đạo hàm riêng trên miền xác định có hình dạng và điều kin biên bt k mà nghim
chính xác không th tìm được bng phương pháp giải tích. Cách làm ca PTHH chia (ri rc
hóa) h ln thành nhng h nh đơn giản hơn, gọi phn t hu hn. Liên kết vi nhau bng
các lưới (mesh). Hình 1 là mô hình công trình tòa nhà được mô phng bằng phương pháp PTHH.
Vấn đề thứ nhất sự kết nối giữa các phần tử khác loại với nhau đòi hỏi một sự tương
thích (compatibility). Nếu các dịch chuyển khác nhau giữa các phần tử, hàm dạng (shape
function) sẽ không liên tục; thể hình dung ra khoảng trống nào đó khi các phần tử biến dạng
do không tương thích. Việc sử dụng PTHH trước tiên phải bảo đảm tính tương thích y.
Những vấn đề kế tiếp bậc của đa thức biểu diễn hàm dạng, tính ổn định của lời giải khi xem
xét các điều kiện biên được thay đổi (Venkatesh, Prakash, & Murthy, 2013). Một cấu kiện độ
cứng vô cùng nhỏ so với một cấu trúc khác độ cứng vô cùng lớn, độ cứng zero hoặc _vì lý do
70
ơng Hồng Thm. HCMCOUJS-Kỹ thuật và ng ngh, 19(2), 67-83
tính toán sao đó_ độ cứng âm, thể nguyên nhân thiếu tương thích, phần mềm báo
chung là ill-conditioned, tức điều kiện khai báo không tốt; hoặc tải trọng không cùng tổ hợp khai
báo chung với nhau như động đất đi với gió, cũng dẫn đến không tương thích. Trong quá trình
chịu lực, khả năng mất liên kết do khai báo sai, hoặc cấu kiện bị phá hoại, hoặc cơ chế cài đặt
bất hợp , Thông thường điều kiện tương thích về biến dạng tại các điểm lưới giao cắt
nhau giữa các loại phần tử.
Hình 1. Mô hình PTHH tòa nhà nhiều tầng
Nguồn: Computer & Structures, Inc. (n.d.)
2.2. Trình tự của phương pháp PTHH
Mt cách tổng quát, phương pháp PTHH đi theo trình tự như Hình 2 dưới đây:
Hình 2. Lưu đồ tng quát của phương pháp PTHH
Ngun: Daniel (2017)
Cùng với SAP2000, đã hơn 40 năm qua, phn mm ETABS (viết tt t các ch đu ca
thut ng Extended Three-D Analysis of Building Systems) đã được các nhà thiết kế toàn cu s
dng, nhm mô phng m rng phân tích các kết cu không gian (kết cu 3D). Mt trong nhng
ưu điểm ni bt ca ETABS d s dng, nhiu tin ích, giúp cho vic to hình nhanh
chóng, c th như phng hàng lot theo tng ging nhau (chế độ “All stories”) hoặc bit
tng tng.
ơng Hồng Thm. HCMCOUJS-Kỹ thuật ng nghệ, 19(2), 67-83
71
Hình 3. Tin ích mô hình theo cá th hoc hàng lot tng menu ca phn mm
Ngun: Tác gi tng hp
2.3. Những lưu ý
ETABS rt nhiều ưu điểm (đa dạng menu, tích hp tiêu chun ca mt s quc gia,
phát sinh nhanh chóng, xut/nhp t phn mm khác sang, …) nhược điểm duy nht ca
ETABS không điu chnh d liu trong quá trình phân tích. Muốn thay đổi d liu, phi tt
chế độ tin x (pre-processing) để bảo đảm d liu không b hiu sai bi b nh ca máy.
Ngoài ra, phn mm s dng h điều hành iOS mt cách riêng bit, chiếm dng nhiu không
gian đĩa cho những d liu trung gian; ngoài ra, khi s tng ca công trình ln, d liu có th khó
được kim soát bởi người s dng. Mt ưu đim khác ca ETABS sau khi phân tích xong,
hình th nhp (import) sang hình khác (thí d CSI-SAFE) để phân tích cu trúc con
(substructure). sau cùng, bi ETABS chú trng phân tích NNT, nên thích hp vi hình
nhà nhiu tầng, thay vì phân tích cơ cấu bt k như ổ trục, rotor, hay cơ phn khác, vốn được mô
phng rt tt bi các phn mm chuyên dụng như SAP2000, ANSYS,
Do vy, phân tích NNT, tt nht dùng ETABS khai thác triệt để phn mềm này. Đây
cũng chính là mục đích chủ yếu ca bài báo này.
3. Các mô đun của ETABS
3.1. Mô đun ‘Preprocessing’ (tiền xử lý): Dữ liệu và tạo lưới
Theo lưu đồ của phương pháp PTHH Hình 2, hai mng chính to lp b d liu
(Data) và Xây dựng lưới (Meshing).
Hình 4. Các menu chủ yếu trong phần nhập dữ liệu, mục Mesh
Nguồn: Youtube (n.d.)