Baigiang SAP2000

BÀI GIẢNG SAP2000 - PHẦN CƠ BẢN BIÊN SOẠN: NGUYỄN ANH DÂN

PAGE: 1

ĐỀ CƯƠNG MÔN HỌC

Phần 1: Lý thuyết cơ bản và giới thiệu phần mềm SAP2000 I. Giới thiệu về phần mềm SAP2000 II. Sơ lược về phương pháp Phần tử hữu hạn III. Một số khái niệm và thuật ngữ trong SAP IV. Giao diện đồ họa của SAP2000

Phần 2: Bài tập

Bài tập 1: Vẽ biểu đồ nội lực của các sơ đồ kết cấu: Bài tập 2: Trường hợp tải trọng và tổ hợp tải trọng Bài tập 3: Tải trọng thay đổi Bài tập 4: Khung phẳng Bài tập 5: Dàn phẳng Bài tập 6: Khung phức tạp Bài tập 7: Khung không gian Bài tập 8: Dầm trực giao Bài tập 9: Thực hành thiết kế nhà


PAGE: 2

PHẦN 1: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VÀ GIỚI THIỆU PHẦN MỀM SAP2000

I. GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM SAP2000

+ SAP: là viết tắt của cụm từ Structure Analysis Program. Là sản phẩm phần mềm của hãng CSI (Computer and Stucture Inc.) + Sự phát triển của phần mềm SAP bắt đầu từ năm 1970 tới nay với các phiên bản: SAP, SAP IV, SAP 86, SAP 90, SAP 2000 + Hiện nay phần mềm SAP có thể xem như giải quyết được đầy đủ các bài toán kết cấu thường gặp trong thực tế, thân thiện với người dùng và được nhiều nước trên thế giới ưa chuộng. + Phần mềm SAP tính toán kết cấu dựa trên phương pháp Phần tử hữu hạn, là phương pháp số được sử dụng rộng rãi. + Hiện nay đã có phiên bản SAP2000 – Version14 với nhiều tính năng mới được cập nhật. Trong tương lai phần mềm này vẫn liên tục được cập nhật và phát triển đáp ứng hơn nữa nhu cầu của người dùng.

Hình 1: Mô hình công trình bằng SAP2000


PAGE: 3

II. SƠ LƯỢC VỀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

II.1.Giới thiệu chung

Sự tiến bộ của khoa học, kỹ thuật đòi hỏi người kỹ sư thực hiện những đề án ngày càng phức tạp, đắt tiền và đòi hỏi độ chính xác, an toàn cao.

Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là một phương pháp rất tổng quát và hữu hiệu cho lời giải số nhiều lớp bài toán kỹ thuật khác nhau. Từ việc phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng trong các kết cấu cơ khí, các chi tiết trong môtơ, máy bay, tàu thuỷ, khung nhà cao tầng, dầm cầu, v.v, đến những bài toán của lý thuyết trường như: lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chất lỏng, thuỷ đàn hồi, khí đàn hồi, điện-từ trường v.v. Với sự trợ giúp của ngành Công nghệ thông tin và hệ thống CAD, nhiều kết cấu phức tạp cũng đã được tính toán và thiết kế chi tiết một cách dễ dàng.

Để có thể khai thác hiệu quả những phần mềm PTHH hiện có hoặc tự xây dựng lấy một chương trình tính toán bằng PTHH, ta cần phải nắm được cơ sở lý thuyết, kỹ thuật mô hình hóa cũng như các bước tính cơ bản của phương pháp.

II.2. Rời rạc hóa kết cấu trong phương pháp PTHH

Giả sử V là miền xác định của một đại lượng cần khảo sát nào đó (chuyển vị, ứng suất, biến dạng, nhiệt độ, v.v.). Ta chia V ra nhiều miền con ve có kích thước và bậc tự do hữu hạn. Đại lượng xấp xỉ của đại lượng trên sẽ được tính trong tập hợp các miền ve.

Phương pháp xấp xỉ nhờ các miền con ve được gọi là phương pháp xấp xỉ bằng các phần tử hữu hạn, nó có một số đặc điểm sau:

− Xấp xỉ nút trên mỗi miền con ve chỉ liên quan đến những biến nút gắn vào nút của v

e và biên của nó.

− Các hàm xấp xỉ trong mỗi miền con ve được xây dựng sao cho chúng liên tục trên ve và phải thoả mãn các điều kiện liên tục giữa các miền con khác nhau.

− Các miền con ve được gọi là các phần tử.

(V) (ve) Hình 2: Rời rạc hóa kết cấu bằng SAP2000


PAGE: 4

II.3. Qui tắc chia miền thành các phần tử

Việc chia miền V thành các phần tử ve phải thoả mãn hai qui tắc sau:

Hai phần tử khác nhau chỉ có thể có những điểm chung nằm trên biên của chúng. Điều này loại trừ khả năng giao nhau giữa hai phần tử. Biên giới giữa các phần tử có thể là các điểm, đường hay mặt (Hình 1.1).

Tập hợp tất cả các phần tử ve phải tạo thành một miền càng gần với miền V cho trước càng tốt. Tránh không được tạo lỗ hổng giữa các phần tử.

II.4. Phương trình cơ bản của phương pháp PTHH

Phương trình cơ bản của phương pháp PTHH:

[K]e.[u]e = [F]e

Trong đó:

• [K]e: Ma trận độ cứng của PTHH, chứa các đặc trưng cơ học và hình học của PTHH. Đó là ma trận vuông, đối xứng.

• [u]e: Véc tơ chuyển vị nút

• [F]e: Véc tơ lực nút tác dụng tại đỉnh, tương ứng với các thành phần chuyển vị nút, còn gọi là lực nút tương đương của PTHH

II.5. Sơ đồ tính toán bằng phương pháp PTHH

Một chương trình tính bằng PTHH thường gồm các khối chính sau:

Khối 1: Đọc các dữ liệu đầu vào: Các dữ liệu này bao gồm các thông tin mô tả nút và phần tử (lưới phần tử), các thông số cơ học của vật liệu (môđun đàn hồi, hệ số dẫn nhiệt...), các thông tin về tải trọng tác dụng và thông tin về liên kết của kết cấu (điều kiện biên);

Khối 2: Tính toán ma trận độ cứng phần tử k và véctơ lực nút phần tử f của mỗi phần tử;

Khối 3: Xây dựng ma trận độ cứng tổng thể K và véctơ lực nút F chung cho cả hệ (ghép nối phần tử);

Khối 4: Áp đặt các điều kiện liên kết trên biên kết cấu, bằng cách biến đổi ma trận độ cứng K và vec tơ lực nút tổng thể F;

Khối 5: Giải phương trình PTHH, xác định nghiệm của hệ là véctơ chuyển vị chung U;

Khối 6: Tính toán các đại lượng khác (ứng suất, biến dạng, gradiên nhiệt độ, v.v.) ;

biên giới biên giới

v2 v1

biên giới

v2 v1 v1 v2

Hình3: Các dạng biên chung giữa các phần tử


PAGE: 5

Sơ đồ tính toán với các khối trên được biểu diễn như hình sau

III. MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ THUẬT NGỮ TRONG SAP

III.1.Bài toán: - Tĩnh học. - Động học: Dao động riêng, Phổ phản ứng (Tải trọng đông đất, Tải trọng thay đổi

theo thời gian). - Bài toán Cầu: Tải trọng di động. - Bài toán ổn định: ổn định hình học ( P-Delta) - Bài toán thiết kế tiết diện: BTCT(Reinforce Concrete); KC thép (Steel). KC thanh

III.2. Hệ tọa độ - Hệ tọa độ tổng thể (Global Coordinate) - Hệ tọa độ địa phương (Local Coordinate)

Tính toán ma trận độ cứng phần tử k Tính toán véctơ lực nút phần tử f

Giải hệ phương trình KQ = F (Xác định véctơ chuyển vị nút tổng thể Q)

Đọc dữ liệu đầu vào - Các thông số cơ học của vật liệu - Các thông số hình học của kết cấu - Các thông số điều khiển lưới - Tải trọng tác dụng - Thông tin ghép nối các phần tử - Điều kiện biên

Xây dựng ma trận độ cứng K và véctơ lực chung F

Áp đặt điều kiện biên (Biến đổi các ma trận K và vec tơ F)

Tính toán các đại lượng khác (Tính toán ứng suất, biến dạng, kiểm tra bền, v.v)

In kết quả - In các kết quả mong muốn - Vẽ các biểu đồ, đồ thị

Hình 3. Sơ đồ khối của chương trình PTHH


PAGE: 6

III.3. Kiểu phần tử - Thanh =Frame - Tấm = Shell, plate, membrance - Asolid: Trạng thái phẳng. - Solid: Phần tử khối.

III.4. Nút (Joints) - Điểm liên kết các phần tử. - Điểm xác định chuyển vị - Điểm xác định điều kiện biên - Tải trọng tập trung (trừ tải tập trung trên Frame). - Khối lượng tập trung (Bài toán động). III.5. Liên kết - Liên kết: Liên kết cứng (Restraints), Liên kết đàn hồi (Spring). Một nút có 6 bậc tự

do: U1, U2, U3 (thẳng); R1, R2, R3 (Xoay). - Translation U1, U2, U3= UX,UY,UZ - Rotation R1, R2, R3 = RX, RY, RZ)

III.6. Trình tự vào số liệu trong SAP2000 - Tạo sơ đồ tính: Tạo trên giấy - Tạo sơ đồ hình học (Draw và Edit): - Tạo sơ đồ kết cấu (Define và Assign): nhập đặc trưng tiết diện, tải trọng… - Chọn lựa phân tích - Bài toán thiết kế.

IV. GIAO DIỆN ĐỒ HỌA CỦA SAP2000

Toolbar

Quick draw

Unit

Area draw


PAGE: 7

Cấc trình đơn cơ bản:

+ File: Tạo mới hoặc mở một file có sẵn, nhập và xuất các kết quả liên quan, hiệu chỉnh kết quả in.

+ Edit: Hiệu chỉnh sơ đồ kết cấu + View: Các lựa chọn về góc nhìn, hướng nhìn phối cảnh và đồ họa + Define: Định nghĩa các đặc trưng của kết cấu: vật liệu, tiết diện, điều kiện biên, tải

trọng… + Draw: Nhập sơ đồ hình học của kết cấu + Select: Lựa chọn phần tử và nhóm phần tử + Assign: Gán thuộc tính cho các đối tượng được chọn + Analyze: Lựa chọn kiểu phân tích + Display: Hiển thị trên màn hình các thuộc tính phần tử + Design: Thiết kế kết cấu


PAGE: 8

PHẦN 2: BÀI TẬP Bài tập 1: Vẽ biểu đồ nội lực của các sơ đồ kết cấu:

a)

2 5 3

5KN/m8KN/m

10KN/m

b)

5KN/m

10KN

1.5

1.5

3

c)

5KN/m

8KN/m

10KN

10KN

33

6

5


PAGE: 9

Bài tập 2: Trường hợp tải trọng và tổ hợp tải trọng • Cho sơ đồ với các trường hợp tải trọng , vẽ biểu đồ nội lực cho các tổ hợp tải

trọng sau: Tổ hợp 1 = Bản thân + Tĩnh tải Tổ hợp 2 = Bản thân + Tĩnh tải + Hoạt tải 1 Tổ hợp 3 = Bản thân + Tĩnh tải + Hoạt tải 2 Tổ hợp 4 = Tổ hợp bao của các tổ hợp trên

a) Dầm BTCT có đặc trưng:

+ Kích thước bxh = 25x40 (cm) + Mô đun đàn hổi của bê tông: E = 2.9e7 KN/m2 + Hệ số Poisson: 0.25

2.0 5.0 3.0

10KN/m

2.0 5.0 3.0

12KN/m

2.0 2.5 3.0

5KN/m 10KN

2.5

8KN/m

TÜnh t¶i

Ho¹t t¶i 1

Ho¹t t¶i 2

a) Dầm thép có đặc trưng:

+ Kích thước I300x200x8x10 + Mô đun đàn hổi của thép:

E = 2e8 KN/m2 + Hệ số Poisson: 0.25

3.0 3.0

10KN/m

Ho¹t t¶i 1

Ho¹t t¶i 2

3.0 3.0

5KN/mTÜnh t¶i

3.0 3.0

10KN/m


PAGE: 10

Bài tập 3: Tải trọng thay đổi a. Xác định nội lực trong dầm bê tông cốt thép có đặc trưng sau:

+ Kích thước bxh = 30x60 (cm) + Mô đun đàn hổi của bê tông: E = 2.1e7 KN/m2 + Hệ số Poisson: 0.3

Tải trọng: Tĩnh tải phân bố đều 5KN/m và các trương hợp hoạt tải như sau:

10KN/m

1.0 2.0 1.0

10KN/m 20KN/m

2.0 4.0 2.0

4.0 8.0

12KN/mHo¹t t¶i 1

Ho¹t t¶i 2

b. Xác định nội lực trong dầm thép có đặc trưng sau:

+ Kích thước I 300x250x8x12 + Mô đun đàn hổi của thép: E = 2e8 KN/m2 + Hệ số Poisson: 0.3

Tải trọng: Tĩnh tải phân bố đều 5KN/m và các trương hợp hoạt tải như sau:

10KN/m

Ho¹t t¶i 1

Ho¹t t¶i 2

Ho¹t t¶i 3

10KN/m

4.0 4.0 4.0

10KN/m

4.0 4.0 4.0

10KN/m 10KN/m

15KN/m

1.0 2.0 1.0 1.0 2.0 1.0 1.0 2.0 1.0


PAGE: 11

Bài tập 4: Khung phẳng a. Xác định nội lực trong khung BTCT :

+ Tiết diện dầm như hình vẽ (cm) + Bê tông mác 250: E = 2.65e7 KN/m2 + Hệ số Poisson: 0.3

Tải trọng: Tĩnh tải phân bố đều 3KN/m trên dầm và các trương hợp hoạt tải :

8KN/m

3.0

3.0

6.0

12KN/m

4.0 4.0

8KN/m

3.0

3.0

6.0

12KN/m

4.0 4.0

Ho¹t t¶i 1

Ho¹t t¶i 2

30KN

20KN

30KN

20KN

D22x40D22x40

D22x40D22x40

C25x25

C25x25

C25x25 C25x25

D22x40D22x40

D22x40D22x40

C25x25

C25x25

C25x25 C25x25

b. Xác định nội lực trong khung thép có đặc trưng sau:

+ Kích thước I 300x250x8x12 + Mô đun đàn hổi của thép: E = 2e8 KN/m2 + Hệ số Poisson: 0.3

Tải trọng: Tĩnh tải phân bố đều 5KN/m trên dầm và các trương hợp hoạt tải:

5.0

3.0

11KN/m

2.5 2.5

2.5 2.5

2L75x75x6

2L7

5x75x6

2L75x75x6

2L7

5x7

5x6

2L75x75x6

2L7

5x7

5x6

Ho¹t t¶i 1 Ho¹t t¶i 2

Ho¹t t¶i 3

15KNm

25KN

1.5

5.0

3.0

11KN/m

15KNm

25KN

1.5

5.0

3.0

11KN/m

15KNm

25KN

1.5


PAGE: 12

Bài tập 5: Dàn phẳng • Cho dàn thép có đặc trưng sau:

+ Kích thước thanh cánh thượng và cánh hạ: 2L75x75x6 + Kích thước thanh đứng và xiên: L75x75x6 + Mô đun đàn hổi của thép: E = 2e8 KN/m2 + Hệ số Poisson: 0.3

• Yêu cầu: Vẽ biểu đồ nội lực cho hệ dàn

Hình a:

1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

4KN/m 4KN/mHo¹t t¶i

TÜnh t¶i

1.0

1.0

26KN

26KN26KN

26KN26KN

26KN26KN

26KN26KN

26KN

26KN26KN 26KN

1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

Hình b:

4KN/m

22KN

22KN22KN

22KN22KN

22KN

22KN

2 2 2 2 2 2

Ho¹t t¶i

TÜnh t¶i

1.0

1.0

2 2 2 2 2 2


PAGE: 13

Bài tập 6: Khung phức tạp • Cho khung như hình vẽ , các số liệu như sau: + Vật liệu Bê tông cốt thép mác 300, E = 2.65E7 KN/m2 + Hệ số Poisson: 0.2 + Trọng lượng riêng bê tông: 25KN/m3 + Kích thước cột 40 x 40 cm + Kích thước dầm 30 x 40 cm • Yêu cầu: + Vẽ sơ đồ hình học của khung bằng 2 cách khác nhau, + Vẽ biểu đồ nội lực cho khung

Hình a:

5KN/m

5KN/m

5KN/m

5KN/m

5KN/m

4.0 4.0 4.0 4.0

5.0

5.0

5.0

5.0

5.0


PAGE: 14

Hình b:

5KN/m

5KN/m

7KN/m

7KN/m

6.0 6.0 6.0 6.0 6.0

33

33

33

33

7KN/m

7KN/m

5KN/m

4KN/m

6.0


PAGE: 15

Bài tập 7: Khung không gian • Cho mặt bằng khung nhà 3 tầng như hình vẽ , các số liệu như sau: + Vật liệu Bê tông cốt thép mác 300, E = 2.65E7 KN/m2 + Hệ số Poisson: 0.3 + Trọng lượng riêng bê tông: 25KN/m3 + Kích thước cột, dầm như hình vẽ + Tải trọng phân bố đều trên các dầm tầng 2,3 là: 12KN/m + Tải trọng phân bố đều trên các dầm tầng mái là: 7KN/m • Yêu cầu: + Vẽ sơ đồ hình học của khung bằng 2 cách khác nhau, + Vẽ biểu đồ nội lực cho khung Hình a

5.0

10.0

C(220x220) C(220x220) C(220x220)

C(220x220)C(220x220)C(220x220)

C(220x220) C(220x220) C(220x220)

D(220x350) D(220x350)

D(220x350) D(220x350)

D(220x350) D(220x350)

D(2

20

x3

50)

D(2

20

x35

0)

D(2

20

x3

50)

D(2

20

x35

0)

D(2

20

x3

50)

D(2

20

x35

0)

4.0

4.0

8.0

5.0


PAGE: 16

Hình b

C(220x220) C(220x220) C(220x220)

C(220x220)

C(220x220)

C(220x220)

C(220x220)

C(220x220)

C(220x220)

D(220x400)

D(2

20x350

)D

(22

0x350

)

D(2

20x350

)D

(22

0x350

)

D(2

20x350

)D

(22

0x350

)

5.0

5.0

15.0

6.0 6.0

12.0

D(220x400)

D(220x400) D(220x400)

D(220x400) D(220x400)

D(220x400) D(220x400)

C(220x220)

C(220x220)C(220x220)

5.0


PAGE: 17

Bài tập 8: Dầm trực giao Cho hệ dầm giao như hình vẽ sau:

Yêu cầu:Xác định nội lực trong các dầm và phản lực gối trong hai trường hợp:

• Trường hợp 1: − Vật liệu Bê tông cốt thép mác 300, E = 2.65E7 KN/m2 − Hệ số Poission 0.18 − Dầm ngang kích thước 25x40 cm − Dầm dọc kích thước 30x40 cm − Lực phân bố trên dầm ngang 4KN/m − Lực phân bố trên dầm dọc 6KN/m − Tải tập trung P = 20KN, mômen M = 5KNm

• Trường hợp 2: − Vật liệu thép CT34, E = 2.1 E8 KN/m2 − Hệ số Poission 0.25 − Dầm ngang kích thước H250x150x6x8 − Dầm dọc kích thước H250x200x6x8 − Lực phân bố trên dầm ngang 5KN/m − Lực phân bố trên dầm dọc 6KN/m − Tải tập trung P = 24KN, mômen M = 7KNm


PAGE: 18

Bài tập 9: Thiết kế nhà

• Cho mặt bằng một số bản vẽ thiết kế nhà 3 tầng + Vật liệu Bê tông cốt thép mác 250, E = 2.1E7 KN/m2 + Hệ số Poisson: 0.3 + Trọng lượng riêng bê tông: 25KN/m3 + Chiều cao mỗi tầng 3m + Kích thước cột 22x22 cm + Kích thước dầm như bản vẽ + Sàn dày 10cm

• Tải trọng: + Tĩnh tải tường phân bố đều trên dầm tầng: 7KN/m + Tĩnh tải tường phân bố đều trên dầm mái: 2KN/m + Tĩnh tải phân bố trên sàn: 1.5 KN/m2 + Hoạt tải phân bố trên sàn: 2 KN/m2

• Yêu cầu: Xác định nội lực trong cột, dầm, sàn và phản lực chân cột trong trường hợp nguy hiểm nhất


PAGE: 19

MẶT BẰNG 01


PAGE: 20

MẶT BẰNG 02

31 2 4 5 6

B

AD1(22X40)

DT2(22X40)

DT3(22X40)

D1(22X40)

D3

(11

X4

0)

D4

(22

X4

0)

D5

(22

X4

0)

D5

(22

X4

0)

D5

(22

X4

0)

D5

(22

X4

0)

D5

(22

X4

0)

D5

(22

X4

0)

Documents

Baigiang SAP2000