Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 1 BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN KHOA CÔNG TRÌNH Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MIDAS/CIVIL TRONG PHÂN TÍCH KẾT CẤU VÀ CẦU Sinh viên thực hiện: Lê Đắc Hiền Bùi Văn Sáng Trần Quang Thức 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 Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 2 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 3. Phân tích kết cấu 27 Chương 3: Nghiên cứu chương trình Midas/Civil 44 1. Nghiên cứu dữ liệu đầu vào, đầu ra 44 1.1 Số liệu đầu vào 44 1.2 Số liệu đầu ra 46 1.3 Các dạng file khác 47 2. Mô hình hoá kết cấu 47 2.1 Hệ tọa độ. 47 2.2 Sơ đồ tính 48 2.3 Mô hình hóa mặt cắt 52 2.4 Mô hình hóa vật liệu 54 2.5 Mô hình hóa điều kiện biên 57 2.6 Tải trọng và hệ số tải trọng. 59 2.7 Mô hình hóa tổ hợp tải trọng 66 3. Phân tích kết cấu và đánh giá kết quả 68 3.1 Phân tích tĩnh 69 3.2 Phân tích động 69 3.3 Phân tích phi tuyến 69 3.4 Phân tích P-Delta 69 3.5 Phân tích các giai đoạn thi công 69 3.6 Xem và đánh giá kết quả 73 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 Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 3 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 toán thiết kế kết cấu. Nội dung phân tích kết cấu cầu bao gồm việc mô hình hóa kết cấu và tiến hành các phân tích như: - Phân tích tĩnh. - Phân tích động. - Phân tích phi tuyến. - Phân tích P-delta. - Phân tích các giai đoạn thi công. - .v v Đây là những quá trình phân tích, tính toán hết sức phức tạp và tốn rất nhiều thời gian. Đã có những giả thiết được đưa ra nhằm giảm bớt tính phức tạp của bài toán nhưng việc này dẫn đến sai số lớn, không phản ánh hết sự làm việc thực tế của kết cấu. Do đó, khi thiết kế người ta thường thiết kế với hệ số an toàn lớn dẫn tới lãng phí. 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 chóng và tương đối chính xác. 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 Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 4 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: Phần 1: Các nội dung cơ bản trong phân tích kết cấu: - Phương pháp Phần tử hữu hạn. - Phân tích P-Delta. - Phân tích tĩnh. - Phân tích động Phần 2: Hướng dẫn sử dụng phần mềm Midas/Civil Giới thiệu cụ thể cách mô hình hóa, tính toán, phân tích và xử lý kết quả trong Midas/Civil. Giới thiệu những tính năng nổi bật của chương trình so với các chương trình khác hiện có tại Việt Nam. Phần 3: Ví dụ chi tiết ứng dụng Midas/Civil tính bài toán cầu bê tông dự ứng lực thi công theo phương pháp đúc hẫng cân bằng ( Xử lý các số liệu nhập, Giải bài toán, Xử lý 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 . Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 5 PHẦN II: NỘI DUNG ĐỀ TÀI Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 6 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 bao gồm các sản phẩm sau : MIDAS/Civil General Civil structure design system : Chương trình phân tích và thiết kế kết cấu được tối ưu riêng cho những kết cấu dân dụng, đặc biệt trong thiết kế cầu. MIDAS/Gen General Building structure design system : Chương trình phục vụ cho việc 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 cấu kiến trúc. MIDAS/SDS Slab & basemat Design System : Chương trình dàmh cho việc phân tích và thiết kế bản & basemat. MIDAS/Set-Building Structural Engineer's Tools: Tập hợp những chương trình riêng lẻ để xúc tiến thiết kế các đơn vị kết cấu. MIDAS/FEmodeler finite element MESH generator: Chương trình tự động phát sinh ra lưới phần tử hữu hạn. MIDAS/ADS Shear wall type Apartment Design System : Chương trình phân tích và thiết 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: Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 7 - 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 diện thân thiện, khả năng tính toán mạnh. Tốc độ tính toán của chương trình phụ thuộc vào khối lượng tính toán nhưng so với một số phần mềm tính toán kết cấu khác như Sap2000 thì tốc độ tính toán nhanh hơn. Kết quả tính toán của chương trình là đầy đủ và tin cậy. - Khả năng nhập và xuất dữ liệu: Dữ liệu đầu vào có thể được nhập trực tiếp hoặc import từ các file của các chương trình khác, kết quả tính có thể xuất ra màn hình đồ họa, văn bản hay máy in, hơn nữa có thể xuất kết quả dạng tập tin cho các chương trình thiết kế sau tính toán. - Khả năng phân tích cho bài toán cầu: Đây là một tính năng mạnh của chương trình. Midas/Civil cung cấp nhiều phương pháp phân tích kết cấu cầu hiện đại, đặc biệt là phân tích phi tuyến và phân tích các giai đoạn thi công. Kết quả của quá trình phân tích là đáng tin cậy, phù hợp với các giai đoạn từ tính toán thiết kế đến thi công và quá trình khai thác sử dụng. - Tính phổ biến của chương trình: Do nhiều ưu điểm trên đặc biệt là độ tin cậy của kết quả tính và tính tương thích của chương trình cho nên chương trình được sử dụng trong nhiều 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. Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 8 - 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. Hình 1.1 Giao diện chính của Midas/Civil Các hệ thống menu cơ bản trong Midas/Civil - Menu Model (Mô hình) Hình 1.2 Menu Model + Structure Type: Nhập kiểu kết cấu và dữ liệu cơ bản cho phân tích Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 9 + 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. + Group: Định nghĩa các nhóm kết cấu, điều kiện biên, nhóm tải trọng + Check Structure Data: Kiểm tra dữ liệu kết cấu đã nhập. - Menu Results (Kết quả) Hình 1.3 Menu kết quả. Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 10 - Menu Load (Tải trọng). Hình 1.4 Menu tải trọng [...]... phng hai chiu c s dng khi chng trỡnh tớnh toỏn ma trn cng phn t Hỡnh v hin th cho cỏc thnh phn ng sut cng c v trong trong h ta ECS Bc t do thc s ch tn ti trong mt phng X-Z trong GCS ECS s dng X, Y v Z trong h ta Decac theo quy tc bn tay phi Phng ca cỏc trc ECS c nh ngha v mụ t trong hỡnh di Trong trng hp phn t t giỏc, phng ca ngún tay phi biu th trc Z-ECS Phng quay (N1->N2->N3->N4) xỏc nh theo quy... trỡnh Midas/Civil trong phõn tớch kt cu v cu gi l lc nỳt Nh vy, nu bit c giỏ tr cỏc lc nỳt thỡ cú th tớnh c s phõn b ca ni lc trong PTHH ú 1.3 Phng trỡnh c bn ca ca phng phỏp phn t hu hn i vi vt rn Khi s dng phng phỏp phn t hu hn ngi ta ó chng minh c s ging nhau ch yu ca tt c cỏc bi toỏn trong c hc vt rn khi thit lp nhng cụng thc trong phm vi ca cỏc phn t hu hn Nhng c trng ca phn t c trong biu thc ú... Midas/Civil trong phõn tớch kt cu v cu - Menu Analysis (Phõn tớch) Hỡnh 1.5 Menu phõn tớch Lờ c Hin Bựi Vn Sỏng o Quang Huy Trn Quang Thc THTKC 42 11 Nghiờn cu ng dng chng trỡnh Midas/Civil trong phõn tớch kt cu v cu Chng 2: Phng phỏp Phn t hu hn v ng dng trong Midas/Civil Phng phỏp phn t hu hn c coi l phng phỏp cú hiu qu nht hin nay gii cỏc bi toỏn c hc trong mụi trng liờn tc núi chung v trong phõn... trong phõn tớch kt cu v cu Hỡnh 2.12 Nhng loi phn t khi ba chiu v ỏnh s nỳt 3 Phõn tớch kt cu Khi kt cu chu tỏc dng ca ngoi lc S phn ng tng ng ca kt cu cú th th hin bng phi tuyn vt liu mt vựng no ú Tuy nhiờn trong hu ht cỏc phõn tớch kt cu cho vic thit k, ng x ca vt liu trong kt cu c gi thit l tuyn tớnh, cỏc thnh phn ng sut c nm trong vựng gii hn cho phộp Theo ú vt liu phi tuyn ớt khi c xột dn trong. .. bi gia tc trong trng hp s dng h n vi MKS hoc ca Anh, khi lng trong h n v SI cng s dng tng t nh trong h n v MSK MIDAS/Civil l mt cụng c s dng khỏ hiu qu trong phõn tớch ton b khi lng D liu cú th nhp vo t menu chớnh nh sau: Model>Masses>Nodal Masses, Floor, Diaphragm Masses or Loads to Masses Lờ c Hin Bựi Vn Sỏng o Quang Huy Trn Quang Thc THTKC 42 31 Nghiờn cu ng dng chng trỡnh Midas/Civil trong phõn... trong phõn tớch kt cu v cu Người dùng có th nhp vo nhng dy riờng bit cho quỏ trỡnh tớnh trong mt phng v cng ngoi mt phng Thụng thng, chiu dy trờn danh ngha cho cng trong mt phng c s dng cho vic tớnh trng lng bn thõn v khi lng Ngc li dy cho tớnh cng ngoi c s dng Bc t do v h ta phn t: Chuyn v ca phn t tn ti trong trong cỏc mt phngX-Z v Y-Z ca ECS v gúc quay ca phn t tn ti quanh trc X v Y ca ECS H ta... phn t Hỡnh v hin th cho cỏc thnh phn ng sut cng c v trong trong h ta ECS Trong trng hp phn t t giỏc, phng ca ngún tay phi biu th trc Z-ECS Phng quay (N1->N2->N3->N4) xỏc nh theo quy tc bn tay phi Trc Z ca ECS bt u t trng tõm ca b mt phn t v vuụng gúc vi mt phn t ng ni trung im ca 2 cnh N1N4 v N2N3 c nh ngha l phng ca trc X-ECS Phng vuụng gúc vi trc x trong mt phng phng phn t l phng ca trc y, chiu xỏc... Hỡnh v hin th cho cỏc thnh phn ng sut cng c v trong trong h ta ECS Mi nỳt cú ba bc t do, phn t tn ti chuyn v theo ba phng ca GCS l trc X, Y, Z ECS s dng 3 trc X, Y, Z trong h ta Decac, s dng quy tc bn tay phi xỏc nh Gc ti v trớ tõm phn t v cỏc phng ca ECS cng ging nh ca phn t tm v phng Cú 3 loi phn t: 8 nỳt, 6 nỳt, 4 nỳt S khỏc nhau v to hỡnh c mụ t nh trong hỡnh di Cỏc nỳt ny c ỏnh s liờn tip theo... trỡnh Midas/Civil trong phõn tớch kt cu v cu - Chn hm chuyn v - Tớnh toỏn ma trn cng phn t (v cỏc ma trn khỏc nu cú liờn quan) trong h ta a phng - Thit lp ma trn cng ca ton b kt cu (v cỏc ma trn khỏc nu cú liờn quan) - Thit lp ma vộct trng nỳt - Thit lp phng trỡnh cõn bng - X lý cỏc iu kin biờn - Gii h phng trỡnh - Tớnh toỏn ni lc, chuyn v trong cỏc phn t 2 Cỏc loi phn t chớnh trong Midas/Civil... lch s thi gian khụng th cựng nhau Tỡm hiu mt s phõn tớch chớnh trong MIDAS/Civil: 3.1 Phõn tớch tnh ( Linear Static Analysis) Cụng thc c bn c s dng trong MIDAS/Civil cho phõn tớch tuyn tớnh tnh nh sau: [K]{ U} = {P} Trong ú: [K]: Ma trn cng {U}: Vộc t chuyn v {P}: Vộc t ti trng MIDAS/Civil khụng gii hn cỏc trng hp ti trng v t hp ti trng trong phõn tớch tnh 3.2 Phõn tớch tr riờng (Eigenvalue Analysis) . phần tử hữu hạn. Trong chương này sẽ trình bày những khái niệm cơ bản nhất về phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) và việc ứng dụng phương pháp này trong MIDAS/Civil. 1. Nội dung cơ bản của phương. Trong đó : e F}{ là véc tơ lực nút của phần tử, chứa tất cả các thành phần lực nút trong một phần tử. e }{ d là véc tơ chuyển vị nút của phần tử, chứa tất cả các thành phần chuyển vị nút trong. 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