Giáo án môn học: Tin ứng dụng trong Thiết kế cầu Version βeta
Bộ môn Cầu Hầm - Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Trang 1
CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN CÁC PHẦN MỀM
ỨNG DỤNG TRONG XÂY DỰNG
1. Tình hình ứng dụng tin học trong nước
Trong những năm gần đây, việc ứng dụng tin học trong xây dựng đã có bước
phát triển vượt bậc. Các phần mềm hỗ trợ thiết kế xây dựng ngày càng hiện đại và
liên tục được cập nhập. Công tác thiết kế và quản lí xây dựng trong các cơ quan
được tin học hóa mạnh mẽ giúp cho công việc được tiến hành một cách nhanh
chóng, khoa học và tiện lợi.
Trong sự phát triển của ngành xây dựng nói chung, ngành Cầu cũng có những
đóng góp tích cực, đặc biệt là với sự hỗ trợ của công nghệ thông tin. Đa số các phần
mềm ứng dụng trong thiết kế cầu đều được viết dựa trên cơ sở phương pháp số mà
trong đó việc phân tích kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM - Finite
Element Method) được sử dụng nhiều nhất và có nhiều ưu việt hơn cả. Phương
pháp FEM giúp cho việc tính toán kết cấu chính xác và nhanh chóng.
2. Giới thiệu các phần mềm ứng dụng trong xây dựng
Các phần mềm hỗ trợ vẽ thiết kế và kiến trúc.
• AUTOCAD : Là phần mềm hỗ trợ vẽ kĩ thuật
• PHOTOSHOP
• 3D-STUDIO Max
Các phần mềm hỗ trợ phân tích kết cấu và công trình cầu
• SAP2000
• RM2000
• MIDAS
• STADD III
Các phần mềm phân tích địa kỹ thuật, nền móng
• FB-FIER
• GEO-SLOPE
• PLAXIS
Các phần mềm ứng dụng quản lí trong xây dựng và lập dự toán
• Microsoft PROJECT
• DTBK
• DT2000
3. Các vấn đề cơ bản của phần mềm Sap2000
3.1. Phương pháp tính kết cấu của Sap2000
• Trong bài toán Cơ học kết cấu, việc giải quyết bài toán đều dựa trên lý
thuyết của cơ học môi trường liên tục. Các nguyên lí chính đều dựa
vào
o Sự cân bằng tĩnh học giữa nội lực và ngoại lực của kết cấu hay
từng bộ phận của kết cấu.
o Sự liên tục về về biến dạng và chuyển vị trong toàn bộ kết cấu.
o Quan hệ ứng suất và biến dạng của vật liệu kết cấu.
Việc phối hợp các nguyên tắc trên sẽ cho những hệ phương trình vi
phân phức tạp rất khó tìm lời giải. Chính vì thế ngưới ta đưa ra mô
hình số.Khi xây dựng mô hình số, thường thì đòi hỏi phải bổ sung một
số giả thiết đơn giản hóa. Các giả thiết này sẽ quyết định đến độ chính
Giáo án môn học: Tin ứng dụng trong Thiết kế cầu Version βeta
Bộ môn Cầu Hầm - Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Trang 2
xác của kết quả tính toán. Thường thì kết quả tính toán bằng phương
pháp số đặc biệt là phương pháp Phần tử hữu hạn (PTHH) được chấp
nhận với độ chính xác cho phép.
• Phương pháp PTHH là một trong những phương pháp tổng quát nhất
để xây dựng mô hình số của kết cấu. Phương pháp này chia không
gian liên tục của kết cấu thành một tập hợp các phần tử (chia nhỏ ra)
có tín h chất cơ học và hình học đơn giản hơn so với cả kết cấu. Các
phần tử này liên kết với nhau bằng điểm nút, lúc này các điều kiện
tương thích về chuyển vị hay biến dạng của kết cấu chỉ thỏa mãn tại
nút. Thông thường, ẩn cơ bản của PP PTHH là các chuyển vị của nút.
Dựa vào điều kiện cân bằng của toàn kết cấu ta có được phương trình:
[F] = [K].[U]
Trong đó [F] : Ma trận ngoại lực nút.
[K] : Ma trận độ cứng của kết cấu, được xây dựng từ ma trận
độ cứng của các phần tử.
[U] : Ma trận chuyển vị nút.
Sau khi giải phương trình trên ta tìm được chuyển vị của nút, từ đó
tìm được chuyển vị của một điểm bất kì trong kết cấu thông qua hàm
dạng (hàm biểu diễn chuyển vị của điểm bất kì với điểm nút).
• Ta thấy khi chia càng nhỏ kết cấu tức càng nhiều phần tử thì kết quả
càng chính xác. Như vậy với sự phát triển công nghệ thông tin như
hiện nay, việc giải bài toán kết cấu với độ chính xác cao bằng phương
pháp số là hoàn toàn thuận lợi và có tính ứng dụng cao .
3.2. Khái niệm về cách mô hình hóa bài toán trong Sap2000
(Version 9.03)
• Mô hình là gì? Mô hình là mô tả khái quát một đối tượng nhằm mục
đích nghiên cứu sự làm việc của đối tượng đó. Cùng một đối tượng có
thể có nhiều mô hình khác nhau.
• Mô hình hóa kết cấu là mô tả đối tượng thành một sơ đồ tính nhằm
giải quyết bài toán kết cấu. Kết quả dung để thiết kế hay đánh giá sự
làm việc của đối tượng.
• Trong Sap2000, việc mô hình bài toán được thực hiện thông qua giao
diện đồ họa nên người sử dụng có thể mô hình và sau đó gán các tải
trọng
3.3. Các ví dụ tính toán bằng phần mềm Sap2000 giới thiệu
• Tính toán dầm BTCT đơn giản
• Tính toán cầu dàn thép
• Tính toán cầu dầm BTCT ƯST nhịp giản đơn
• Tính toán cầu liên tục
4. Các vấn đề cơ bản của phần mềm DTBK
DTBK hoàn toàn đáp ứng công việc lập dự toán, quyết toán, giá đấu thầu và
quản lý chi phí các công trình xây dựng dân dụng, công nghiệp, cầu đường, thuỷ
lợi, thuỷ điện, đường dây tải điện, trạm biến áp, thí nghiệm điện, hàng không,... theo
các thông tư hướng dẫn của Ban Vật Giá Chính Phủ, Bộ Xây Dựng, Bộ Tài Chính
và các Bộ chuyên ngành như Bộ Giao Thông, Bộ Công Nghiệp,... đã ban hành.
Với 9 phương pháp tính cơ bản đại diện cho 3 nhóm :
• Nhóm phân tích đơn giá (phân tích đơn giá theo thực tế).
Giáo án môn học: Tin ứng dụng trong Thiết kế cầu Version βeta
Bộ môn Cầu Hầm - Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Trang 3
• Nhóm phân tích khối lượng và bù chênh lệch giá.
• Nhóm phân tích đơn giá tổng hợp (phân tích giá tổng hợp theo thực tế).
Đã bao trùm tất cả các phương pháp tính hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong cả
nước. Người sử dụng có thể lập hồ sơ theo một phương pháp bất kỳ và chuyển đổi
dễ dàng dữ liệu và mẫu của một hồ sơ đã lập từ phương pháp này qua phương pháp
khác bằng cách nhấp chuột lên menu lựa chọn. Nhờ tính năng này mà người dùng
có thể nhanh chóng đáp ứng các yêu cầu của chủ đầu tư. Đặc biệt người sử dụng có
thể nhập (Import) hoặc xuất (Export) dữ liệu dưới dạng bảng tính Excel rất dễ dàng
và được máy tự động thiết lập các mối quan hệ, công thức tính đồng thời tự động
định dạng form in trên khổ giấy A4. Các cơ sở dữ liệu được liên kết với nhau thành
1 file duy nhất cho phép sao chép, di chuyển và trình duyệt rất dễ dàng, thuận lợi ở
bất cứ nơi nào, kể cả những nơi mà máy tính chưa cài chương trình DTBK.
Giáo án môn học: Tin ứng dụng trong Thiết kế cầu Version βeta
Bộ môn Cầu Hầm - Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Trang 4
CHƯƠNG 2 : THỰC HÀNH PHẦN MỀM SAP 2000 VERSION
9.03 TRONG THIẾT KẾ CẦU
A. CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN
1. Những khái niệm cơ bản
1.1. Sơ đồ kết cấu - sơ đồ tính
1.1.1. Nút (Joint)
a/ Vị trí của nút:
• Điểm liên kết các phần tử .
• Điểm thay đổi về đặc trưng vật liệu.
• Điểm cần xác định chuyển vị & điểm có chuyển vị cưỡng bức.
• Điểm xác định điều kiện biên.
• Tải trọng tập trung (trừ tải trọng tập trung trên Frame).
• Khối lượng tập trung.
b/ Khai báo nút trong SAP:
• Các nút được tạo tự động khi tạo phần tử .
• Số hiệu nút được gán tự động.
• Có thể thêm nút tại vị trí bất kỳ.
• Hệ toạ độ cho nút có thể lấy mặc định theo hệ toạ độ tổng thể hoặc hệ toạ
độ riêng của nút.
• Nút có các loại hệ toạ độ riêng cho: liên kết, bậc tự do, lực tập trung, khối
lượng tập trung…
c/ Bậc tự do của nút:
• Một nút có 6 bậc tự do: U1, U2, U3 (thẳng); R1, R2, R3 (xoay).
• Chiều dương quy ước của các bậc tự do tương ứng với 6 thành phần trong
hệ toạ độ tổng thể.
• Bậc tự do tính toán (DOF = Degree of Freedom): Số bậc tự do tính toán
của mỗi nút có thể hạn chế theo từng loại sơ đồ (Analyze – Option Def).
• Bậc tự do nào không có tải trọng, liên kết hay điều kiện biên thì SAP tự
động bỏ qua bậc tự do đó.
d/ Một số đối tượng khác liên quan đến nút:
• Các lực tập trung có thể khai báo tại nút (Joint Load).
• Khai báo khối lượng tập trung tại nút (Mass).
• Khai báo các mẫu tải trọng tại nút( Joint Pattern).
e/ Các kết quả phân tích nút:
• Các chuyển vị tại nút.
• Các phản lực tại nút.
• Các lực liên kết tại nút (Forces).
1.1.2. Phần tử: có 4 loại phần tử
a/ Phần tử thanh (Frame)
Là một đoạn thẳng biểudiễn trục của các cấu kiện có 2 nút ký hiệu là i và j
Biểu diễn cho các kết cấu dầm, dàn, khung 2D hoặc 3D.
Mỗi thanh có một hệ toạ độ địa phương riêng mô tả các đại lượng của tiết diện,
tải trọng và kết quả nội lực :
Mặc định: trục 1 (đỏ) theo trục thanh từ i đến j, trục 2 (trắng),trục 3 (xanh)
hợp với nhau theo quy tắc bàn tay phải (hay quy tắc vặn đinh ốc). Nếu so
sánh với hệ toạ độ Đêcác thì:
Giáo án môn học: Tin ứng dụng trong Thiết kế cầu Version βeta
Bộ môn Cầu Hầm - Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Trang 5
Trục 1 tương đương với trục X,
Trục 2 tương đương với trục Y,
Trục 3 tương đương với trục Z.
Góc toạ độ phần tử: Khi đổi chiều trục 1, nếu xoay trục 2 và 3 một góc
quanh trục 1: Góc là dương nếu chiều xoay từ 2 đến 3 và ngược lại là âm.
• Thanh coi là thẳng đứng nếu góc nghiêng với trục Z không quá 10°.
• Khi vẽ các phần tử nên theo trật tự từ trái sang phải, từ dưới lên trên.
• Thanh có thể có tiết diện không đổi (Primastic) hoặc thay đổi (Non-
Primastic).
• Thanh có thể có các loại liên kết khác nhau tại các nút (Release, Regid)
• Các đặc trưng hình học của phần tử thanh: (do chương trình tự tính nếu dùng
các tiết diện mẫu của SAP)
+ Section modulus : mô men chống uốn
+ Plastic modulus: mô men dẻo
+ Radius of Gyration: bán kính quán tính
• Các loại tải trọng tác dụng lên phần tử thanh:
+ Tải trọng tập trung trên phần tử
+ Tải trọng phân bố (đều hoặc không đều)
+ Trọng lực, tải trọng bản thân
+ Tải trọng nhiệt
+ Tải trọng ứng suất trước
+ Tải trọng động (Response Spectrum & Time history)
+ Tải trọng di động
• Nội lực của phần tử thanh: 6 thành phần: P, V1,V2, T, M22, M33. Với bài
toán phẳng chỉ có 3 thành phần: P,V2, M33.
b/ Phần tử vỏ (shell)
• Có thể có 3 hoặc 4, là mặt phẳng trung bình của các kết cấu loại tấm, vỏ,
bản,… được khai báo qua chiều dày của phần tử.
• Có các loại: (Type)
+ Membrane: phần tử màng chịu kéo (nén), chuyển vị trong mặt
phẳng và xoay quanh trục vuông góc với mặt phẳng phần tử.
+ Plate : phần tử tấm chỉ chịu uốn:( 2 chiều trong mặt phẳng và ngoài
mặt phẳng), chuyển vị theo phương vuông góc với mặt phẳng.
+ Shell: phần tử vỏ không gian có thể chịu cả kéo, nén, uốn.
• Hệ toạ độ riêng của phần tử là: 1 (đỏ), 2 (trắng), 3 (xanh): trục 1 và 2 nằm
trong mặt phẳng, trục 3 luôn vuông góc với bề mặt phần tử.
+ Theo mặc định, trục 3 hướng ra ngoài màn hình hoặc theo phương Z
+ Cũng có thể sử dụng góc phần tử như phần tử thanh.
• Các loại tải trọng tác dụng lên phần tử vỏ:
+ Tải trọng tập trung tại các nút
+ Tải trọng phân bố đều
+ Trọng lực, tải trọng bản thân
+ Tải trọng nhiệt
+ Tải trọng áp lực: có hướng vuông góc với phần tử (Surface Presure),
tải trọng thay đổi theo các điểm nút (Joint Pattern) dùng cho áp lực nước
hoặc tường chắn.
• Nội lực: