Báo cáo Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/civil trong phân tích kết cấu và cầu

Báo cáo tốt nghiệp "Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/civil trong phân tích kết cấu và cầu" Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu 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 BuyTr aầ licensen Quang Th toứ removec it. ProcessedĐ àbyo Q Weuang BatchHuy PDF Unlocker 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 Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 1 Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu 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 cácBuy giai đ oaạn licensethi công ...... to..... .remove...................... it......................................69 3.6 Xem và đánh giá kết quả ...................................................................................73 Chương 4Processed: Tính bài toán cầ uby bê tôWeng dự Batch ứng lực t hPDFi công t hUnlockereo 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 Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 2 Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu 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 Buy a license to remove it. chóng và tươProcessedng đối chính xác . by We Batch PDF Unlocker 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 Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 3 Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu 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 . Buy a license to remove it. Processed by We Batch PDF Unlocker Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 4 Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu PHẦN II: NỘI DUNG ĐỀ TÀI Buy a license to remove it. Processed by We Batch PDF Unlocker Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 5 Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu 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 wBuyall typ ea A palicensertment De stoign removeSystem : Chươ it.ng trình phân tích và thiết kế cho kết cProcessedấu tường chắn, cô ngby trì nWeh ngầ mBatch. PDF Unlocker 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: Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 6 Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu - 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 thícBuyh của chaươ licenseng trình ch oto nê nremove chương trìn hit. được sử dụng trong nhiều Processed by We Batch PDF Unlocker 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. Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 7 Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu - 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) Buy a license to remove it. Processed by We Batch PDF Unlocker Hình 1.2 Menu Model + Structure Type: Nhập kiểu kết cấu và dữ liệu cơ bản cho phân tích Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 8 Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu + 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) Buy a license to remove it. Processed by We Batch PDF Unlocker Hình 1.3 Menu kết quả. Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 9 Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu - Menu Load (Tải trọng). Buy a license to remove it. Processed by We Batch PDF Unlocker Hình 1.4 Menu tải trọng Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 10 Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu - Menu Analysis (Phân tích). Hình 1.5 Menu phân tích. Buy a license to remove it. Processed by We Batch PDF Unlocker Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 11 Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu Chương 2: Phương pháp Phần tử hữu hạn và ứng dụng trong Midas/Civil Phương pháp phần tử hữu hạn được coi là phương pháp có hiệu quả nhất hiện nay để giải các bài toán cơ học trong môi trường liên tục nói chung và trong phân tích kết cấu công trình nói riêng. MIDAS/Civil là một chương trình phân tích và thiết kế kết cấu dựa trên nền tảng là phương pháp 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 pháp PTHH. Nội dung cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn là: để tính toán một kết cấu với cấu tạo bất kỳ, chia kết cấu thành một số hữu hạn các phần tử riêng lẻ và nối với nhau bởi một số hữu hạn các điểm nút riêng lẻ. Sự biến dạng tổng thể của kết cấu được thể hiện thông qua sự biến dạng của lưới nút hay tập hợp các chuyển vị của từng nút riêng biệt. Tính liên tục của các cấu kiện và sự liên kết giữa các cấu kiện với nhau được thể hiện qua sự liên kết giữa các phần tử thông qua các nút. Liên kết giữa kết cấu và nền được thể hiện bởi điều kiện biên của các nút hay độ tự do của nút. Các tác động lên kết cấu tất cả lên kết cấu đều được quy đổi về các nút. Việc chia lưới phần tử và nút, mô tả liên kết, các điều kiện biên cần tương thích với kết cấu thực tế, nếu đảm bảo được điều này thì mô hình phần tử hữu hạn sẽ làm việc giống hay gần giống với kếtBuy cấu th aực licensetế. Việc tín hto to áremoven mô hình P Tit.HH là trước hết phân tích trạng thái làProcessedm việc tổng thể c ủbya kế Wet cấu từBatch đó theo đPDFiều kiệ nUnlocker liên kết tìm được trạng thái làm việc của từng phần tử hữu hạn. Trạng thái làm việc của từng phần tử được phụ thuộc vào quan hệ ứng suất và biến dạng của phần tử cũng là quan hệ giữa nội lực và chuyển vị nút của phần tử. Quan hệ đó biểu hiện ở độ cứng của phần tử, mà với những mẫu phần tử ta có thể xác định nhờ giải các bài toán cơ học. Trạng thái làm việc của kết cấu được thể hiện thông qua sự làm việc của các nút. Các nút này liên hệ với nhau thông qua các phần tử nối giữa chúng, vì vậy từ điều kiện nối tiếp giữa các phần tử và độ cứng của từng phần tử có thể xác định được quan hệ giữa các nút . Đó là quan hệ giữa chuyển vị nút và nội lực tác dụng từ phần tử lên nút. Từ điều kiện cân bằng nội lực tại các nút, ta thiết lập được hệ phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa các Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 12 Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu chuy