Hướng dẫn sử dụng Midas/Civil trong mô hình hóa cầu

Hướng dẫn sử dụng Midas/Civil trong mô hình hóa cầu Hướng dẫn sử dụng Midas/Civil trong mô hình hoá cầu Ngô Văn Minh – Vũ Ngọc Anh 1 1.Xây dựng sơ đồ tính của kết cấu 3 1. Xây dựng sơ đồ tính của kết cấu ..................................................................................... 4 1.1 Lựa chọn đơn vị tính ............................................................................................... 4 1.1.1 Tổng quan........................................................................................................ 4 1.1.2 Ví dụ : .............................................................................................................. 4 1.1.3 Các cách lựa chọn đơn vị trong Midas/Civil ................................................... 4 1.2 Mô hình hoá hình học.............................................................................................. 5 1.2.1 Lựa chọn hệ toạ độ .......................................................................................... 6 1.2.1.1 Hệ trục toạ độ tổng thể (GCS :Global coordinate system) .......................... 6 1.2.1.2 Hệ trục toạ độ phần tử (ECS :Element Coordinate System) ....................... 7 1.2.1.3 Hệ toạ độ tại nút (NCS : Node coordinate system) ..................................... 8 1.2.1.4 Hệ toạ độ tự định nghĩa (UCS : User coordinate system) ........................... 8 1.2.2 Xây dựng hệ thống lưới (Grid) trong Midas/Civil ........................................ 14 1.2.2.1 Hệ thống lưới điểm (Point Grid) ............................................................... 14 1.2.2.2 Hệ thống lưới dạng đường thẳng (Line Grid)............................................ 16 1.2.3 Mô hình hoá nút (Node modeling) ................................................................ 16 1.2.3.1 Tạo nút : Create node ................................................................................ 17 1.2.3.2 Các chức năng điểu chỉnh việc mô hình hoá nút khác .............................. 20 1.2.3.3 Quản lý hệ thống nút bằng bảng nút (Nodes table) ................................... 23 1.2.4 Mô hình hoá phần tử (Elements) ................................................................... 24 1.2.4.1 Các loại phần tử được hỗ trợ bởi Midas .................................................... 24 1.2.4.2 Các lệnh mô hình phần tử.......................................................................... 29 1.2.4.3 Bảng quản lý phần tử (Elements Table). ................................................... 32 Bảng quản lý phần tử lưu giữ các thông số về .......................................................... 32 1.3 Khai báo về vật liệu............................................................................................... 33 1.3.1 Tr×nh tù m« h×nh ®Æc tr−ng vËt liÖu ........................................ 33 1.3.2 Tr×nh tù g¸n vËt liÖu cho c¸c phÇn tö............................................................. 36 1.3.3 Tr×nh tù khai b¸o ®Æc tr−ng vËt liÖu thay ®æi theo thêi gian:......................... 37 1.3.3.1 §Þnh nghÜa th«ng sè vËt liÖu vÒ co ngãt vµ tõ biÕn.................................... 37 1.3.3.2 §Þnh nghÜa hµm sè cña m« ®un ®µn håi cña bª t«ng................................. 38 1.3.3.3 G¸n ®Æc tr−ng vËt liÖu thay ®æi theo thêi gian cho c¸c vËt liÖu ®7 ®−îc ®Þnh nghÜa trø¬c ®ã: ........................................................................................................... 39 1.4 Khai báo về mặt cắt ............................................................................................... 40 1.4.1 Nhập, quản lý đặc trưng mặt cắt cho các phần tử dạng đường thẳng (Section) ....................................................................................................................... 40 1.4.1.1 Gọi chức năng nhập đặc trưng mặt cắt ...................................................... 40 1.4.1.2 Các dạng mặt cắt được Midas/Civil hỗ trợ................................................ 41 1.4.2 Section Stiffness Scale : ................................................................................. 51 1.4.3 Thay đổi mặt cắt theo nhóm phần tử (Tapered Section Group)................... 51 1.5 Khai báo về điều kiện biên .................................................................................... 53 1.5.1 Beam End Release ......................................................................................... 53 1.5.2 Rigid Link...................................................................................................... 56 1.5.3 Node Local Axis:........................................................................................... 58 2 Mô hình hoá các tác động lên kết cấu (với kết cầu cầu) ............................................... 61 2.1 Mô hình hoá các giai đoạn thi công....................................................................... 61 2.2 Tr×nh tù m« h×nh c¸c giai ®o¹n thi c«ng cña mét kÕt cÊu tæng qu¸t:..................... 62 2.3 M« h×nh c¸c giai ®o¹n thi c«ng cho mét cÇu ®óc hÉng cô thÓ............................... 62 2.3.1 Ph©n chia c¸c giai ®o¹n thi c«ng. .................................................................. 62 2.3.2 M« h×nh ho¸ nhãm kÕt cÊu ............................................................................ 63 Hướng dẫn sử dụng Midas/Civil trong mô hình hoá cầu Ngô Văn Minh – Vũ Ngọc Anh 2 2.3.2.1 §Þnh nghÜa nhãm kÕt cÊu: ......................................................................... 63 2.3.2.2 §Þnh nghÜa nhãm ®iÒu kiÖn biªn: .............................................................. 66 2.3.2.3 §Þnh nghÜa nhãm t¶i träng: ....................................................................... 67 2.3.2.4 §Þnh nghÜa c¸c giai ®o¹n thi c«ng............................................................. 68 2.3.3 Khai b¸o c¸c tr−êng hîp t¶i träng ................................................................. 77 2.3.4 G¸n t¶i träng thi c«ng .................................................................................... 78 2.3.4.1 NhËp träng l−îng b¶n th©n: ...................................................................... 78 2.3.5 NhËp t¶i träng xe ®óc..................................................................................... 79 2.3.6 NhËp t¶i träng bª t«ng −ít ............................................................................. 81 2.3.7 NhËp t¶i träng dù øng lùc: ............................................................................. 85 2.3.7.1 Khai b¸o ®Æc tr−ng c¸p dù øng lùc ............................................................ 85 2.3.7.2 Khai b¸o ®−êng bè trÝ c¸p.......................................................................... 87 2.3.7.3 G¸n t¶i träng dù øng lùc ............................................................................ 91 2.4 Mô hình hoá hoạt tải.............................................................................................. 92 2.4.1 Tr×nh tù khai b¸o ho¹t t¶i............................................................................... 92 2.4.1.1 Chän tiªu chuÈn ho¹t t¶i. .......................................................................... 92 2.4.1.2 Khai b¸o lµn xe.......................................................................................... 93 2.4.1.3 §Þnh nghÜa t¶i träng xe .............................................................................. 96 2.4.1.4 §Þnh nghÜa nhãm xe................................................................................... 99 2.4.1.5 §Þnh nghÜa tr−êng hîp t¶i träng ho¹t t¶i: ............................................... 100 2.5 Mô hình hoá tĩnh tải phần 2................................................................................. 103 3 Tổ hợp tải trọng ........................................................................................................... 105 4 Đặt yêu cầu tính toán, chạy chương trình.................................................................... 106 5 Quản lý kết quả thu được............................................................................................. 106 5.1 KiÓm tra c¸c th«ng sè ®Çu vµo:............................................................................ 106 5.1.1 Chøc n¨ng Display....................................................................................... 106 5.1.2 Chøc n¨ng Display Option........................................................................... 107 5.2 Xem kÕt qu¶ néi lùc tõng giai ®o¹n thi c«ng. ...................................................... 108 5.3 Xuất kết quả nội lực do hoạt tải........................................................................... 111 5.3.1 Kết quả đường ảnh hưởng tại một mặt cắt bất kỳ ....................................... 111 5.4 Xuất kết quả nội lực do hoạt tải........................................................................... 112 5.4.1 Kết quả mômen lớn nhất do hoạt tải gây ra tại một mặt cắt như sau: ......... 112 5.4.2 Kết qủa lực cắt nhỏ nhất tại một mặt cắt dưới tác dụng của HL 93M: ....... 113 5.5 Mét sè ph−¬ng ph¸p xuÊt file kÕt qu¶ d−íi d¹ng text hoÆc h×nh vÏ (B»ng c¸c lÖnh Export, Print...) ................................................................................................................ 113 Hướng dẫn sử dụng Midas/Civil trong mô hình hoá cầu Ngô Văn Minh – Vũ Ngọc Anh 3 Sơ đồ chung phân tích nội lực cầu bằng Midas/Civil Tuỳ thuộc vào quy định trong TC thiết kế sử dụng mà tiến hành tổ hợp các tải trọng. Với 22TCN272-05 thì xét các tổ hợp sau: Tổ hợp tải trọng cường độ 1 Tổ hợp tải trọng cường độ 2 Tổ hợp tải trọng cường độ 3 Tổ hợp tải trọng cho TTGH II Tổ hợp tải trọng cho trạng thái giới hạn III Chuẩn bị các dự liệu cần thiết của bài toán Mô hình hoá kết cấu Mô hình hoá tải trọng Tổ hợp tải trọng Thiết lập thông số cho quá trình giải bài toán Chạy chương trình, phân tích, đánh giá kết quả Bắt đầu Kết thúc Sơ đồ tính Vật liệu Điều kiện biên Tải trọng tác dụng Các tải trọng và tổ hợp tải trọn Nhóm kết cấu, nhóm điều kiện biên và nhóm tải trọng Các giai đoạn thi công Mô hình hoá nút Mô hình hoá phần tử Mô hình hoá điều kiện biên Mô hình hoá vật liêu Mô hình hoá mặt cắt Mô hình các giai đoạn thi công Tải trọng tĩnh -Khai báo tải trọng tĩnh -Khai báo các nhóm tải trọng tĩnh (trong các giai đoạn thi công) -Gán tải trọng tĩnh lên kết cấu -Gán tải trọng tĩnh lên các giai đoạn thi công Tải trọng di động (hoạt tải) -Khai báo làn xe -Khai báo loại tải trọng -Khai báo trường hợp xe Tải trọng động Hướng dẫn sử dụng Midas/Civil trong mô hình hoá cầu Ngô Văn Minh – Vũ Ngọc Anh 4 1. Xây dựng sơ đồ tính của kết cấu 1.1 Lựa chọn đơn vị tính 1.1.1 Tổng quan Midas Civil cung cấp đơn vị tính cho hai yếu tố [thứ nguyên] cơ bản của bài toán phân tích kết cấu là a. [ chiều dài ] : m, cm, mm, ft (feet), in (inch) b. [ Lực ] : N, kN, kgf, tonf, lbf, kips Ứng với các đơn vị khối lượng là kg, tấn (ton), kg, tấn (ton), lb, kips/g. Tất cả các yếu tố khác chiếu dài và lực sẽ có đơn vị tính là tổ hợp của hai thứ nguyên cơ bản trên. 1.1.2 Ví dụ : Ứng suất : [Lực ]×[chiều dài]-2 : 2mm N , 2ft tonf ... Mô men quán tính (I) : [chiều dài]4 : m4, mm4, ft4 ... Các cách mô hình đơn vị tính trong Midas Civil: 1.1.3 Các cách lựa chọn đơn vị trong Midas/Civil Cách 1 : Chọn : Tool -> Unit System -> Xuất hiện bảng sau : Cột “Length” : dùng chọn đơn vị chiều dài Hướng dẫn sử dụng Midas/Civil trong mô hình hoá cầu Ngô Văn Minh – Vũ Ngọc Anh 5 Cột “Force(Mass)” : dùng chọn đơn vị lực Đánh dầu vào “Set/Change Default Unit System” để mặc định sử dụng các đơn vị đã chọn cho toàn bộ quá trình mô hình hoá kết cấu và tải trọng. Chọn xong
Nhấn “OK” để lưu kết quả chọn và trở về màn hình chung
Nhấn “Cancel” để huỷ quá trình chọn và trở về màn hình chung Cách 2 : Ta cũng có thể trực tiếp chọn đơn vị tính trên màn hình như sau: Quan sát trên thanh Status ở góc phải, phía dưới màn hình chính. Ta thấy có hai ô hiển thị các đơn vị hiện hành (trên hình là kN và m). Ta có thể thay đổi đơn vị trực tiếp trên màn hình bằng cách chọn vào nút thả (option buton) : . Ta được bản cuộn lên như sau : Tiến hành di chuột đến đơn vị mong muốn rồi click trái chuột để chọn. Chú ý : Ta hoàn toàn có thể thay đổi đơn vị trong quá trình mô hình hoá mà không làm ảnh hưởng đến kết quả.tính. 1.2 Mô hình hoá hình học Lựa chọn hệ toạ độ -> Tạo lưới mô hình -> Mô hình các nút -> mô hình các phần tử. Hướng dẫn sử dụng Midas/Civil trong mô hình hoá cầu Ngô Văn Minh – Vũ Ngọc Anh 6 1.2.1 Lựa chọn hệ toạ độ Để phục vụ quá trình mô hình hoá kết cấu, Midas Civil cung cấp 4 loại hệ trục toạ độ cơ bản sau đây: a. Hệ trục toạ độ tổng thể : GCS b. Hệ trục toạ độ phần tử (EGS) c. Hệ trục toạ độ nút (NGS) d. Hệ trục toạ độ tự định nghĩa (UCS) 1.2.1.1 Hệ trục toạ độ tổng thể (GCS :Global coordinate system) GCS là một hệ trục toạ độ Đề Các vuông góc bao gồm 3 trục X,Y,Z đôi một vuông góc với nhau, có chiều tuân theo quy tắc bàn tay phải. Các trục ký hiệu bằng ba chữ in hoa : X,Y,Z. Điểm gốc được mặc định có toạ độ (0,0,0). Chiều của GCS hiển thị trên màn hình ở góc phải, phía dưới : Vị trí điểm gốc (0,0,0) được đánh dấu trên màn hình : Trong màn hình chính của Midas Civil, trục Z của GCS mặc định trùng với trục thẳng đứng của màn hình, do vậy trong quá trình mô hình hoá, nên quy ước trục thẳng đứng của kết cấu trùng với trục Z của hệ toạ độ tổng thể. Mỗi điểm trên màn hình Midas đều tương ứng với một toạ độ nhất định trong hệ toạ độ tổng thể, các giá trị (X,Y,Z) này được hiển thị ở thanh Status Bar Theo hình trên, điểm hiện tại (vị trí chuột hiện tại) có toạ độ trong hệ toạ độ tổng thể là X = -1.83 m, Y=-5.49 m, Z = 0 m. Hướng dẫn sử dụng Midas/Civil trong mô hình hoá cầu Ngô Văn Minh – Vũ Ngọc Anh 7 GCS được dùng để mô hình hoá kết cấu (vị trí nút (X,Y,Z) vị trí và, chiều của phần tử) và tải trọng ( điểm đặt và chiều của tải trọng...). GCS cũng được dùng làm mốc để định nghĩa và xác định các hệ toạ độ khác (UCS, ECS, NCS). 1.2.1.2 Hệ trục toạ độ phần tử (ECS :Element Coordinate System) Hệ trục toạ độ phần tử (ECS) cũng có dạng 3 trục đôi một vuông góc (hệ toạ độ Đề Các). Chiều dương của các trục được xác định theo quy tắc tam diện thuận (quy tắc bàn tay phải). Các trục của hệ toạ độ này được kí hiệu bởi các chữ cái thường : (x,y,z). Chiều các trục được quy định như sau : Trục x : dọc theo phân tử, có chiều trùng với chiều của phần tử. Trục z : vuông góc với x, có chiều tạo với Z của GCS một góc nhọn, thường là trục “yếu” của mặt cắt (mômen quán tính của mặt cắt quay trục z thường nhỏ hơn mômen quán tính quanh trục y) Trục y : xác định từ x, y theo quy tắc tam diện thuận. Hướng dẫn sử dụng Midas/Civil trong mô hình hoá cầu Ngô Văn Minh – Vũ Ngọc Anh 8 Gốc của ECS lấy ở điểm giữa phần tử. ECS được dùng để hiển thị các kết quả, dữ liệu liên quan đến phần tử như nội lực trong phần tử, ứng suất... Ví dụ : Tính ra được nội lực dọc trục trong phần tử thứ k là – 9kN, ta biết rằng nội lực dọc đó có phương trùng với phương x, chiều ngược chiều x và có giá trị bằng 9kN. 1.2.1.3 Hệ toạ độ tại nút (NCS : Node coordinate system) Trong đồ giải bài toán kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn (lấy chuyển vị nút làm ẩn), ta chỉ cần sử dụng hệ toạ độ địa phương đặt tại phần tử và hệ toạ độ tổng thể của kết cấu để tính toán. Như vậy, việc xuất hiện hệ toạ độ nút (NCS) thực chất là để thuận tiên cho việc mô hình hoá điều kiện biên tại nút và tải trọng, chuyển vị đặt tại nút. NCS cũng là một hệ toạ độ Đề Các vuông góc, kí hiệu (x,y,z). Gốc đặt tại nút. NCS được dùng để mô hình các điều kiện biên và chuyển vị gối như sau: o Gối cứng (Supports) o Gối đàn hồi (Spring supports) o Chuyển vị gối (Displacements of support) 1.2.1.4 Hệ toạ độ tự định nghĩa (UCS : User coordinate system) Để thuận tiên cho việc mô hình hoá kết cấu ở những vị trí đặc biệt hoặc phần kết cấu có dạng đặc biệt (ví dụ mô hình các phần tử thuộc cùng một mặt phẳng trong kết cấu tổng thể là kết cấu không gian), ta có thể tự định nghĩa lấy hệ toạ độ cho phù hợp rồi từ đó mô hình kết cấu, tải trọng. UCS được thiết lập từ là mốc là GCS, UCS cũng là một hệ toạ độ Đề Các vuông góc. Khi định nghĩa UCS, nói chung các yếu tố cần khai báo là : Hướng dẫn sử dụng Midas/Civil trong mô hình hoá cầu Ngô Văn Minh – Vũ Ngọc Anh 9 Toạ độ gốc của UCS (Origin) Phương, chiều của các trục. Midas/Civil cung cấp 8 kiểu khai báo UCS như sau: 1. X-Y plane : Hệ toạ độ phẳng (x,y) trong mặt phẳng X-Y của GCS. Trình tự khai báo : Bước 1 : Gọi X-Y plane UCS. Cách 1 : Model –> User Coordinate System –> X-Y plane Cách 2 : Trên màn hình chính nhấn chuột phải, chọn User Coordinate System –> X-Y plane Hướng dẫn sử dụng Midas/Civil trong mô hình hoá cầu Ngô Văn Minh – Vũ Ngọc Anh 10 Cách 3 : Tại cửa sổ Tree-menu ở bên trái màn hình, chọn Menu –> Geometry-> User Coordinate System – >X-Y plane Hướng dẫn sử dụng Midas/Civil trong mô hình hoá cầu Ngô Văn Minh – Vũ Ngọc Anh 11 Bước 2 : Nhập các thông số về X-Y plane UCS Tại dòng “Coordinate – Origin” nhập toạ độ gốc của UCS trên hệ toạ độ tổng thể. Tại dòng “Rotation Angle – Angle” nhập góc nghiêng (có dấu) tạo bởi chiều dương của trục x trong X-Y plane UCS với chiều dương của trục X của hệ toạ độ tổng thể. Ví dụ như trong bảng nhập trên, gốc của hệ toạ độ tự định nghĩa (USC) sẽ có toạ độ X = 3m, Y = 1m, Z = 4m trong hệ toạ độ GCS, đồng thời, chiều dương của trục x của UCS nghiêng một góc bằng +450 so với chiều dương của trục X trong hệ toạ độ tổng thể 2. X-Z plane UCS : Hệ toạ độ phẳng (x,y) trong mặt phẳng X-Z của hệ toạ độ tổng thể. Cách gọi và nhập dữ liệu hoàn toàn giống với X-Y plane UCS. 3. Y-Z plane UCS : Hệ toạ độ phẳng (x,y) trong mặt phẳng Y-Z của hệ toạ độ tổng thể. Trình tự khai báo hoàn toán giống với X-Y plane UCS. 4. Three – point USC : Hệ toạ độ không gian (x,y,z) được định nghĩa bởi ba điểm. Hệ toạ độ này được đinh nghĩa từ ba thông số là a. Vị trí gốc toạ độ trong hệ toạ độ tổng thể. Hướng dẫn sử dụng Midas/Civil trong mô hình hoá cầu Ngô Văn Minh – Vũ Ngọc Anh 12 b. Toạ độ của một điểm thuộc trục x của hệ toạ độ này trên hệ toạ độ tổng thể c. Toạ độ của một điểm thuộc mặt phẳng x-y của hệ toạ độ này trên hệ toạ độ tổng thể. Các thông số trên được nhập qua bảng sau : Tại dòng Coordinate – Origin : nhập vị trí của gốc hệ toạ độ địa phương trong hệ toạ độ tổng thể (ví dụ (X,Y,Z) = (-3.05,-6.1,0)m) Tại dòng Pt. on x-Axis : nhập toạ độ của một điểm thuộc trục x của hệ toạ độ địa phương trong hệ toạ độ tổng thể ( ví dụ X =1 m, Y=0 m, Z =0 m) Tại dòng Pt.on x-y : Nhập toạ độ của một điểm thuộc mặt phẳng x-y của hệ toạ địa phương trong hệ toạ độ tổng thể ( Ví dụ X =0 m, Y = 1 m, Z =0 m) 5. Three – angle (Ba góc) Dạng Three - angle UCS là một hệ toạ độ Đề các 3 chiều trong không gian (x,y,z), được dựng lên từ hệ toạ độ tổng thể thông qua các phép biến hình lần lượt như sau : a. Tịnh tiến gốc của GCS về vị trí mới ( sẽ là vị trí gốc của UCS sau này) b. Quay hệ toạ độ đã tịnh tiến quanh trục song song với X một góc định trước Hướng dẫn sử dụng Midas/Civil trong mô hình hoá cầu Ngô Văn Minh – Vũ Ngọc Anh 13 c. Quay tiếp hệ toạ độ thu được quay trục song song với Y một góc định trước d. Quay tiếp hệ toạ độ thu được quay trục song song với Z một góc định trước Các bước đó được thể hiện qua bảng trong Midas/Civil như sau : Trong hình, gốc của hệ toạ độ mới có toạ độ (X,Y,Z) bằng (5,-3,-7) m trong hệ toạ độ hệ toạ độ tổng thể. Góc quay quay trục X là 450, quay trục Y là 100, quay trục Z là 250. 6. Named Plane 7. USC