Sử dụng SAP2000 v10 để thiết kế tối ưu dàn vì kèo

Sau đây là cách sử dụng SAP2000 v10 để tự động hóa thiết kế tối ưu dàn vì kèo thép. Nói cách khác là nhờ SAP2000 tính toán nội lực và tư động chọn tiết diện thanh dàn tối ưu, khắc phục được nhược điểm cách giải tay theo phương pháp gần đúng bằng giản đồ Crêmôna khá phức tạp mà kết quả lại không chính xác.

CÁC KÍCH THƯỚC CỦA DÀN VÌ KÈO

CÁC BƯỚC THỰC HIỆN

Bước 1: Chọn đơn vị: kgf, m (daN, m)

Bước 2: Tạo lưới:
File -> New Model -> Grid Only -> xuất hiện hộp thoại New Coord/Grid System, chọn thẻ Cartesian và khai báo như sau:

Click chọn Edit Grid để hiệu chỉnh lưới, xuất hiện hộp thoại như sau:

Hiệu chỉnh z3 từ 4,4m thành 3,51m, kết quả như bảng sau:

Click OK để đóng hộp thoại Define Grid Data.

Bước 3: Thay đổi khung nhìn cửa sổ chương trình:
Đóng cửa sổ X-Y Plane @ Z=3.51, sau đó Click vào nút XZ (Set XZ View) để đưa về cửa sổ làm việc ở mặt phẳng X-Z như sau:


Bước 4: Vẽ các phần tử cơ bản:
Click vào nút Draw Frame/Cable Element (đóng cửa sổ Properties of Object) và vẽ 4 phần tử thanh cơ sở như sau:


Bước 5: Tạo mảng về bên trái từ thanh cơ sở chính giữa dàn:
Click chọn thanh chính giữa dàn -> vào Edit -> Replicate, xuất hiện hộp thoại Replicate như sau:

Chọn thẻ Linear và khai báo như sau:

Sau đó, Click OK để đóng hộp thoại Replicate, kết quả sau khi tạo mảng như sau:


Bước 6: Bẻ gãy tất cả các phần tử ngay tại chổ giao nhau:
Chọn tất cả các phần tử thanh, sau đó vào menu Edit -> Devide Frames, xuất hiện hộp thoại Devide Selected Frames, chọn Break at intersections with selected Frames and Joints như hình sau:

Click OK để đóng hộp thoại Devide Selected Frames.

Bước 7: Xóa bỏ các phần tử dư:
Chọn các phần tử dư và bấm phím Delete trên bàn phím để xóa. Kết quả như hình sau:


Bước 8: Vẽ thêm 3 phần tử thanh xiên, kết quả như hình sau:


Bước 9: Bẻ gãy tất cả các phần tử ngay tại chổ giao nhau:
Chọn tất cả các phần tử thanh, sau đó vào menu Edit -> Devide Frames, xuất hiện hộp thoại Devide Selected Frames, chọn Break at intersections with selected Frames and Joints như hình sau:

Click OK để đóng hộp thoại Devide Selected Frames.

Bước 10: Xóa bỏ các phần tử dư:
Chọn các phần tử dư và bấm phím Delete trên bàn phím để xóa. Kết quả như hình sau:


Bước 11: Tiếp tục vẽ các thanh bụng còn lại, kết quả như hình sau:


Bước 12: Sao chép đối xứng:
Chọn tất cả các phần tử -> vào menu Edit -> Replicate, xuất hiện hộp thoại Replicate -> chọn thẻ Mirror -> chọn thẻ con Parallel to Y, sau đó nhập vào tọa độ đường đối xứng như hình sau:

Click OK để đóng hộp thoại Replicate và kết quả như hình sau:


Bước 13: Gán điều kiện biên cho dàn:
Gối trái là gối cố định: chọn nút gối trái -> vào Assign -> Joint -> Restraints -> chọn gối cố định như hình sau và Click OK để đóng hộp thoại Joint Restraints.

Gối phải là gối di động: chọn nút gối phải -> vào Assign -> Joint -> Restraints -> chọn gối di động như hình sau và Click OK để đóng hộp thoại Joint Restraints.

Kết quả sau cùng như hình sau:


Bước 14: Khai báo vật liệu:
Vào menu Define -> Materials -> xuất hiện hộp thoại Define Materials như hình sau:

Click vào Add New Material -> xuất hiện hộp thoại Material Property Data và tiến hành khai báo như hình sau:
Trong đó, môđun đàn hồi (Modulus of Elasticity) của thép là:
E = 2,1.10e6 daN/cm2 = 2,1.10e10 daN/m2
Hệ số Poisson (Poisson’s Ratio) của thép là O,3
Khối lượng riêng, trọng lượng riêng và hệ số dãn nở khai báo bằng 0.

Click OK để đóng hộp thoại Material Property Data, tiếp tục Click Ok để đóng hộp thoại Define Materials.

Bước 15: Khai báo 6 trường hợp tải trọng:
Trường hợp 1: Tĩnh tải (TT)
Trường hợp 2: Hoạt tải nửa trái (HTTRAI)
Trường hợp 3: Hoạt tải nửa phải (HTPHAI)
Trường hợp 4: Hoat tải đầy (HTDAY)
Trường hợp 5: Mmax cột trái, Mtu cột phải (MMAXTRAI)
Trường hợp 5: Mtu cột trái, Mmax cột phải (MMAXPHAI)
Vào menu Define -> Load Cases, xuất hiện hộp thoại Define Loads, tiến hành khai báo, kết quả như hình sau:

Click OK để đóng hộp thoại Define Loads.

Bước 16: Khai báo 6 tổ hợp tải trọng:
COMBO1: TT + HTTRAI
COMBO2: TT + HTPHAI
COMBO3: TT + HTDAY
COMBO4: TT + MMAXTRAI
COMBO5: TT + MMAXPHAI
COMBO6 (BAO): ENVELOPE [COMBO1; COMBO2; COMBO3; COMBO4; COMBO5]
Vào menu Define -> Combinations, xuất hiện hộp thoại Define Response Combinations như hình sau:

Click Add New Combo, xuất hiện hộp thoại Response Combination Data, tiến hành khai báo, kết quả như các hình sau:







Click OK để đóng hộp thoại Define Response Combinations.

Bước 17: Gán tải trọng:
(1) Gán Tĩnh tải (TT)
13 nút giữa: G = 3818,07daN và 2 nút biên: G' = 1909,04daN, kết quả như hình sau:

(2) Gán Hoạt tải nửa trái (HTTRAI)
7 nút giữa: P = 885daN và 1 nút biên trái: P' = 442,5daN, kết quả như hình sau:

(3) Gán Hoạt tải nửa phải (HTPHAI)
7 nút giữa: P = 885daN và 1 nút biên phải: P' = 442,5daN, kết quả như hình sau:

(4) Gán Hoạt tải chất đầy (HTDAY)
13 nút giữa: P = 885daN và 2 nút biên: P' = 442,5daN, kết quả như hình sau:

(5) Gán Mmax bên trái và Mtu bên phải
Mômen đầu dàn Mmax và Mtu được phân thành 1 cặp ngẫu lực đặt tại nút trên và nút dưới đầu dàn như sau:
Hmax = Mmax/Ho = 20262,71/2,2 = 9210,32daN
Htu = Mtu/Ho = 12490/2,2 = 5677,27daN
với Ho = 2,2m chính là chiều cao đầu dàn.
Gán Hmax ở bên trái và Htu ở bên phải, kết quả như hình sau:

(6) Gán Mtu bên trái và Mmax bên phải
Gán Htu ở bên trái và Hmax ở bên phải, kết quả như hình sau:


Bước 18: Định nghĩa tiết diện:
Vào menu Define -> Frame Sections, xuất hiện hộp thoại Frame Properties. Tại dòng Choose Property Type to Add, ô đầu tiên Click chọn Import Double Angle (thiết kế hệ thanh dàn là 2 thanh thép góc ghép thành hình chữ T) như hình sau:


Click chọn Add New Preperty, xuất hiện hộp thoại Section Property File (cửa sổ chọn file tiết diện nhập từ bên ngoài vào, file này mặc định nằm trong thư mục cài đặt chương trình SAP2000, thường là C:\Program Files\Computers and Structures\SAP2000 10), chọn file có tên là SECTIONS.PRO, sau đó Click Open để đưa file vào chương trình thiết kế như hình sau:

Sau khi Click Open sẽ xuất hiện 1 hộp thoại chứa tất cả các tiết diện có trong file SECTIONS.PRO vừa chọn để nhập vào chương trình tính toán như sau:

Chọn tất cả các tiết diện có trong cửa sổ Section Labels bằng cách Click chọn tiết diện đầu tiên (2L2X2X1/4), sau đó bấm và giữ tổ hợp phím Ctrl+Shift và Click chọn tiết diện cuối cùng (2L3.5X3.5X5/16-3/8). Như vậy tất cả các tiết diện trong cửa sổ Section Labels đã được chọn như hình sau:

Click OK để chấp nhận và đóng cửa sổ này lại. Tại dòng Choose Property Type to Add của hộp thoại Frame Properties, ô thứ 2 Click chọn Add Auto Select như hình sau:

Click chọn Add New Preperty, xuất hiện hộp thoại Auto Selection Sections như hình sau:

Đặt tên tiết diện tại ô Auto Section Name là CHONTUDONG, sau đó đưa toàn bộ tiết diện (2L ... ) vừa chọn ở trên từ ô List of Sections sang ô Auto Selections bằng cách Click vào nút Add-> như hình sau:

Click OK để đóng hộp thoại Auto Selection Sections, tiếp tục Click OK để đóng hộp thoại Frame Properties.

Bước 19: Gán tiết diện:
Chọn All -> Assign -> Frame/Cable/Tendon -> Frame Sections, xuất hiện hộp thoại Frame Properties. Trong ô Find this property, tìm và chọn tiết diện có tên là CHONTUDONG để gán cho dàn như hình sau:

Sau đó Click OK để chấp nhận và gán cho dàn vì kèo. Sơ bộ ban đầu sau khi gán như hình sau:


Bước 20: Gán thành phần lực giải phóng cho tất cả các phần tử thanh:
Chọn All -> Assign -> Frame/Cable/Tendon -> Releases/Partial Fixity, xuất hiện hộp thoại Assign Frame Releases. Tại dòng Moment 33 (Major), Click vào 2 ô nhỏ Start và End để giải phóng Mômen 33 tại các mắt dàn như hình sau:

Sau đó Click OK để đóng hộp thoại Assign Frame Releases. Kết quả như hình sau:


Bước 21: Khai báo bậc tư do:
Vào menu Analyze -> Set Analysis Options, xuất hiện hộp thoại Analysis Options, Click chọn vào 2 chuyển vị UX và UZ (về cơ bản dàn giống với khung phẳng nhưng khác biệt ở chổ khung phẳng có thêm góc xoay RY, còn dàn phẳng thì không có) như hình sau:

Sau đó Click OK để đóng hộp thoại Analysis Options.

Bước 22: Lưu và giải bài toán:

Bước 23: Chạy thiết kế:
(1) Chọn tiêu chuẩn thiết kế
Vào menu Options -> Preferences -> Steel Frame Design, xuất hiện hộp thoại Steel Frame Design Preferences. Tại dòng 1 Design Code, Click chọn tiêu chuẩn AISC-ASD89, kết quả như hình sau:

(2) Chọn tổ hợp cần thiết kế
Vào menu Design -> Steel Frame Design -> Select Design Combos, xuất hiện hộp thoại Design Load Combinations Selection như hình sau:

Đưa các COMBO1, … COMBO6 vào ô Design Combos bằng cách chọn các COMBO1, … COMBO6, sau đó Click vào nút Add->. Xóa các Combo DSTL1 và DSTL2 bằng cách chọn các Combo DSTL1 và DSTL2, sau đó Click vào nút <-Remove, kết quả như hình sau:

Click OK để đóng hộp thoại Design Load Combinations Selection.
(3) Chạy thiết kế
Vào menu Design -> Steel Frame Design -> Start Design/Check of Structure để chương trình tự động chạy thiết kế, kết quả như hình sau:


Bước 24: Hiển thị kết quả:
(1) Hiển thị chỉ số ứng suất
Vào menu Design -> Steel Frame Design -> Display Design Info, xuất hiện hộp thoại Display Steel Design Results (AISC-ASD89), Click chọn Design Output, kết quả như hình sau:

Sau đó Click OK để đóng hộp thoại Display Steel Design Results (AISC-ASD89) và hiển thị chỉ số ứng suất, kết quả như hình sau:

Chỉ số ứng suất = (ứng suất thực tế)/(ứng suất cho phép)
Chỉ số ứng suất trong các thanh dàn này càng gần = 1 thì tiết diện mà chương trình đã chọn càng tối ưu.
(2) Hiển thị tiết diện tối ưu
Vào menu Design -> Steel Frame Design -> Display Design Info, xuất hiện hộp thoại Display Steel Design Results (AISC-ASD89), Click chọn Design Input, kết quả như hình sau:

Sau đó Click OK để đóng hộp thoại Display Steel Design Results (AISC-ASD89) và hiển thị tiết diện tối ưu mà chương trình đã chọn sẳn, kết quả như hình sau:
 
http://giasutatthanh.vn/