BÀI 6 MÔ HÌNH HOÁ CÁC CẤU KIỆN DẠNG THANH BẰNG PHẦN TỬ FRAME CỦA SAP2000 doc

BÀI 6
MÔ HÌNH HOÁ CÁC CẤU KIỆN DẠNG THANH
BẰNG PHẦN TỬ FRAME CỦA SAP2000
1. ĐẶT VẤN ĐỀ.
2. KHAI BÁO CÁC THÔNG TIN VỀ MẶT CẮT CỦA PHẦN TỬ FRAME
3. QUI ƯỚC DẤU CỦA CÁC THÀNH PHẦN NỘI LỰC
4. CÁC KHAI BÁO KHÁC ĐỂ XÁC ĐỊNH CÁCH TÍNH TOÁN PHẦN TỬ
FRAME.
5. KHAI BÁO TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN PHẦN TỬ FRAME.
6. XEM SỐ LIỆU ĐÃ NHẬP VÀ KẾT QUẢ TÍNH CỦA CÁC PHẦN TỬ
FRAME.
7. VẤN ĐỀ TỰ ĐỘNG LỰA CHỌN LOẠI MẶT CẮT VÀ TÍNH TOÁN
CÁC PHẦN TỬ FRAME CÓ TIẾT DIỆN MCNGANG THAY ĐỔI.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ.
1.1. Sự làm việc của các cấu kiện dạng thanh
- Khái niệm các cấu kiện dạng thanh (trong tính toán kết cấu)
- Các thuật ngữ : mặt cắt ngang, trọng tâm, trục quán tính chính trung tâm, mặt phẳng
quán tính chính trung tâm của cấu kiện dạng thanh thẳng.
- Mục tiêu khi tính toán các kết cấu dạng thanh là phải xác định được 6 thành phần nội
lực (P, V2, V3, M2, M3, T) tại các mặt cắt bất kỳ do ta chọn trên thanh, tức là phải vẽ
được 6 biểu đồ nội lực P, V2, V3, M2, M3, T. Sau đó tiến hành thiết kế để xác định cách
cấu tạo của các cấu kiện này
Muốn mô tả một cấu kiện dạng thanh, ta cần khai báo các loại dữ liệu sau:
- Vị trí của cấu kiện dạng thanh đang xét trong kết cấu, chiều dài của cấu kiên và liên kết
ở hai đầu của cấu kiện…
- Các số liệu liên quan đến vật liêu và mặt cắt (mô tả các đặc trưng về vật liệu, hình dạng
và kích thước mặt cắt, loại cấu kiện và cách cấu tạo cốt thép)
- Chỉ rõ hướng chịu lực chính của mặt cắt, tức là xác định vị trí các mặt phẳng quán tính
chính trung tâm của cấu kiện trong không gian.
- Khai báo thêm một số đặc điểm đặc biệt (nếu cần) để xác định cách tính toán cấu kiện
Chú ý: Ta thấy khả năng chịu lực của cấu kiện khi bố trí mặt cắt ở 2 trường hợp như

trong hình vẽ này là khác xa nhau (là do hướng bố trí các mặt phẳng quán tính chính trung
tâm trong hai trường hợp này là khác nhau)
1.2. Giới thiệu loại phần tử Frame của
SAP2000N:
- Mỗi phần tử Frame là một đoạn thẳng nối từ
điểm đầu I (End I) đến điểm cuối J (End J) và
được gán các đặc điểm tương ứng với loại cấu
kiện dạng thanh trong thực tế.
- Các đặc điểm được gán cho các phần tử
Frame bao gồm:
Sử dụng các phần tử Frame để mô hình hoá kết cấu hệ khung không gian.
1.3. Giới thiệu cách chung để khai báo các phần tử Frame của SAP2000
Muốn khai báo các phần tử Frame để mô tả cho các cấu kiện dạng thanh, ta làm:
- Vẽ sơ đồ hình học của phần tử Frame (chính là một đoạn thẳng) bằng các lệnh vẽ.
- Mỗi khi vẽ xong một đoạn thẳng, SAP liền gán cho nó các đặc tính cần thiết về vật liệu,
mặt cắt, hệ trục toạ độ địa phương,… (theo các giá trị mặc định của SAP) để biến nó thành
một phần tử Frame của mô hình.
- Kiểm tra lại các số liệu mà SAP đã tự gán cho các phần tử Frame, nếu thấy chưa phù
hợp, ta tiến hành khai báo và sửa đổi lại cho dúng với kết cấu cần tính.
Giải thích hệ trục toạ độ địa phương của phần tử Frame.
- Để lưu trữ các số liệu kích thước của các mặt cắt. SAP cung cấp cho mỗi mặt cắt một hệ
trục tọa độ tham khảo là hệ trục 2-2 và 3-3, chính là các trục quán tính chính trung tâm
của mặt cắt đó. Mọi giá trị kích thước đều được nhập theo hệ tọa độ tham khảo này
- Khi mỗi phần tử Frame được tạo ra đều được SAP2000 gắn cho một hệ trục tọa độ địa
phương có các trục là 1 (màu đỏ), trục 2 (màu trắng) và trục 3 (màu xanh). Và SAP luôn
hiểu rằng các trục quán tính trung tâm (2-2 và 3-3) của mặt cắt ngang sẽ cùng hướng với
hướng của các trục toạ độ tương ứng (2 và 3) của hệ toạ độ địa phương này.
Khi định nghĩa
mặt cắt
Vị trí các măt phẳng qtctt theo như SAP hiểu

Khai báo mặt cắt
(Define Section)
Khai báo về vật liệu
(Define Material)
Chọn hình dạng mặt cắt
Nhập kích th ớc mặt cắt
Chọn vật liệu làm mặt cắt
Cách cấu tạo cốt thép
Chọn h ớng các trục của hệ toạ độ
địa ph ơng của phần tử (Local
Axis)
Định
nghĩa
xong phần
tử Frame
SAP tự động
xác định các
số liệu cần
thiết cho việc
tính toán KC
(EF, EJ )
Đánh số thứ tự cho phtử
Các khai báo khác về : sự giải
phóng liên kết, vùng cứng, số
l ợng MC cần xuất số liệu
Nhn xột : Khi khai bỏo
y cỏc s liu ny thỡ
cỏc phn t Frame s cú
cỏch ng x tng ng
vi cu kin dng thanh

trong thc t.
Vic khai bỏo cho cỏc
phn t Frame cú th l:
- Do SAP t gỏn (bng cỏc
giỏ tr mc nh)
- Do NSD khai bỏo li
bng cỏch chn cỏc phn
t mun khai bỏo, ri gi
lnh Assign>Frame>
Ma trận độ cứng phần tử Frame
Trong hệ toạ độ địa phương
(Ma trận độ cứng phần tử [K
e
] cho biết quan
hệ giữa nội lực và chuyển vị của phần tử)
Nhận xét : Khi đã khai báo
đầy đủ các số liệu về phần tử
Frame như trên, SAP2000 có
thể tự động xác định các số
liệu như EF, EJ,…rồi từ đó
xác định ma trận độ cứng
phần tử, Và tiến hành phân
tích kết cấu.
2. KHAI BÁO CÁC THÔNG TIN VỀ MẶT CẮT CỦA PHẦN TỬ FRAME
Các bước thực hiện.
Bước 1: Khai báo các loại mặt cắt dự tính sẽ sử dụng trong mô hình. Mỗi loại mặt cắt là
một hình phẳng có 2 trục quán tính chính trung tâm lần lượt là 2-2 và 3-3. Khi khai báo
mỗi loại mặt cắt, ta phải khai báo: Dạng mặt cắt và kích thước hình học tương ứng, Loại
vật liệu sử dụng để tạo ra mặt cắt đó và cách cấu tạo cốt thép nếu cần.
Bước 2: Gán cho mỗi phần tử Frame tên của một loại mặt cắt nào đó mà ta đã tạo ra (khai

báo) trước đó.
Bước 3: Xác định vị trí cụ thể của các mặt phẳng quán tính chính trung tâm của các phần
tử Frame sao cho giống như sự làm việc của cấu kiện này trong thực tế bằng cách điều
chỉnh lại hướng của các trục tọa độ địa phương 2-2 và 3-3 của phần tử này (nếu cần).
2.1. BƯỚC 1 : Khai báo các loại mặt cắt của phần tử Frame (Frame Section) dự định
sẽ được sử dụng trong mô hình.
Trong SAP, có thể khai báo một phần tử Frame có dạng mặt cắt thuộc một trong các kiểu
như sau :
Để quản lý các khai báo về các loại mặt cắt của các phần tử Frame (Frame Section), ta gọi
lệnh : Define>Frame Sections… SAP mở hộp thoại “Define Frame Section”. Trong hộp
thoại này ta có thể :
- Xoá bỏ các loại mặt cắt (Delete Section).
- Xem hay sửa đổi lại các khai báo về các loại mặt cắt (Show/Modify Section).
- Khai báo thêm các loại mặt cắt có thể sẽ được dùng trong mô hình bằng một trong
hai cách : Tạo mới một loại mặt cắt (cách 1 - Add Section) hay nhập một loại mặt cắt
từ thư viện các loại mặt cắt có sẵn của SAP2000 (cách 2 - Import… Section)
Cách 1 : Khai báo thêm các loại mặt cắt có thể sẽ được dùng trong mô hình bằng cách
Tạo mới từ đầu (Add Section)
Cách 2 : Khai báo thêm một loại mặt cắt có thể sẽ
được dùng trong mô hình bằng cách nhập từ thư viện
các loại mặt cắt có sẵn của SAP2000 (Import…
Section)
2.2. BƯỚC 2 : Gán cho mỗi phần tử Frame tên của một trong các loại mặt cắt đã
được khai báo trước đó.
Chọn các phần tử Frame muốn gán mặt cắt, sau đó chọn: Assign>Frame>Section SAP
mở hộp thoại “Define Frame Section”. Chọn một trong các dạng mặt cắt đã khai báo trong
hộp danh sách “Name” rồi nhấn OK, hộp thoại đóng lại và các phần tử đã chọn liền được
gán dạng mặt cắt đã chọn trong hộp danh sách.
2.3. BƯỚC 3 : Khai báo hệ toạ độ địa phương để xác định cách bố trí mặt cắt ngang
của các phần tử Frame trong không gian.

a) Cách SAP chọn các trục toạ độ 1, 2 và 3 của phần tử Frame theo MẶC ĐỊNH là:
- Trục 1 (màu đỏ) được ưu tiên xác định trước, trục này luôn luôn có phương là phương ij
và chiều hướng từ nút đầu i và nút cuối j.
- Trục 2 (màu trắng) được ưu tiên xác định kế tiếp, trục này vuông góc với trục 1 và có
phương sao cho cùng với trục 1 tạo thành một mặt phẳng (1-2) song song với trục Z (Của
hệ toạ độ Global). Chiều trục 2 sẽ hướng theo chiều dương trục Z (khi phần tử Frame này
gần nằm ngang) hoặc là chiều dương trục X (Của hệ toạ độ Global) (khi phần tử Frame
gần thẳng đứng).
- Trục 3 (màu xanh) được xác định cuối cùng, trục này có phương luôn song song với mặt
phẳng (X-Y) của hệ trục toạ độ Global. Và chiều sao cho tạo với trục 1 và 2 thành một
tam diện thuận.
Chú ý: Hướng của trục 2 và
trục 3 của hệ toạ độ địa
phương rất quan trọng, vì nó
quyết định vị trí của các mặt
phẳng quán tính chính trung
tâm của phần tử, tức là quyết
định hướng chịu lực chính
của phần tử trong không gian.
Cột (thẳng đứng) có trục 1
theo hướng dương trục Z, trục
2 theo hướng dương trục X
của hệ toạ độ Global. (Và suy
ra trục 3 theo hướng dương
trục Y).
Dầm (nằm ngang) có trục 1
theo hướng trục X của hệ toạ
độ Global, trục 2 theo hướng
dương trục Z của hệ toạ độ
Global. (Và suy ra trục 3 theo

hướng âm trục Y).
b) Xoay hệ toạ độ địa phương của phần tử
Frame
Để chương trình có thể tính toán đúng, thì hệ toạ
độ địa phương của một phần tử Frame phải có
các mặt phẳng toạ độ địa phương (Local Axis)
trùng với các mặt phẳng quán tính chính trung
tâm của mặt cắt của phần tử Frame trong thực tế.
Do vậy, nếu không phải như vậy thì ta phải xoay
hệ toạ độ địa phương đó lại (tất nhiên là quanh
trục 1 của nó) một góc nào đó
Giá trị góc xoay quanh trục 1 của hệ toạ độ địa
phương phải được xác định cẩn thận. Nếu gọi
trục 2 là trục mặc định do SAP tự động gán cho
phần tử Frame khi vừa tạo ra, còn trục 2’ là trục
quán tính chính trung tâm của mặt cắt của phần
tử cần có trong thực tế (tức trục 2’ chính là vị trí
mà trục 2 cần xoay tới). Lúc đó góc xoay sẽ là
góc tính từ trục 2 xoay đến trục 2’ và có giá trị
dương nếu xoay theo chiều quay thuận của cái
vặn nút chai khi tiến theo chiều dương trục 1
3. QUI ƯỚC DẤU CỦA CÁC THÀNH
PHẦN NỘI LỰC CỦA PTỬ FRAME
Nhận xét chung.
- Trong trường hợp tổng quát, tại một mặt cắt
bất kỳ của các phần tử FRAME sẽ có 6 thành
phần nội lực là: lực dọc (Axial Force; P); lực
cắt theo phương 1 và 2 (Shear 2 & 3), mômen
uốn quanh trục 2 và 3 (Moment 2 & 3),
mômen xoắn quanh trục 1 (Torsion). Các

thành phần nội lực này sẽ được SAP tính
được sau khi đã phân tích xong mô hình.
- Chiều của các thành phần nội lực được tính
căn cứ theo chiều của các trục của hệ tọa độ
địa phương của từng phần tử Frame.
Ví dụ khai báo kết cấu khung không gian.
- Phân tích nội lực (Analysis) cho kết cấu
khung không gian BTCT như trong hình vẽ.
Cho biết các cấu kiện của các kết cấu này đều
được làm bằng vật liệu BTCT có: Mô-đun
đàn hồi E=2,65.10
9
kgf/m
2
; hệ số Poát-xông =
0,18; Trọng lượng riêng: 2500 kgf/m
3
.
+ Các dầm theo phương x thuộc loại mặt cắt
D1 (20x40cm)
+ Các dầm theo phương y thuộc loại mặt cắt
D2 (20x35cm).
+ Hai cột ở sảnh thuộc loại cột tròn C2
(đường kính 30cm).
+ Các cột còn lại thuộc loại C1 (30x40cm).
Mặt phẳng làm việc chính của cột nằm trong
mặt phẳng OXZ của hệ tọa độ Global (tức
trục 2-2 của các cột này phải song song với
mặt phẳng OXZ)

4. CÁC KHAI BÁO KHÁC ĐỂ XÁC
ĐỊNH CÁCH TÍNH TOÁN PHẦN
TỬ FRAME
4.1. Khai báo sự giải phóng liên kết hai đầu
thanh (Release).
Các tổ hợp giải phóng liên kết không được
phép (UnStable):
- Giải phóng chuyển vị thẳng U
1
(chọn Axial
Load) cho cả hai đầu thanh.
- Giải phóng chuyển vị thẳng U
2
(chọn Shear
Force 2) cho cả hai đầu thanh.
- Giải phóng chuyển vị thẳng U
3
(chọn Shear
Force 3) cho cả hai đầu thanh.
- Giải phóng chuyển vị xoay R
1
(chọn
Torsion) cho cả hai đầu thanh.
- Giải phóng chuyển vị xoay R
2
(chọn Momen
M2) cho cả hai đầu thanh và U
3
(chọn Shear
Force 3) tại một trong 2 đầu thanh.

- Giải phóng chuyển vị xoay R
3
(chọn Momen
M3) cho cả hai đầu thanh và U
2
(chọn Shear
Force 2) tại một trong 2 đầu thanh.
4.2. Khai báo về vùng cứng ở hai đầu phần tử Frame.
5. KHAI BÁO TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN PHẦN TỬ FRAME
Nhận xét chung.
Trong thực tế, tải trọng có thể tác dụng lên một cấu kiện dạng thanh bao gồm:
- Tải trọng bản thân của cấu kiện, tác dụng dưới dạng tải phân bố theo chiều dài thanh.
- Tải trọng (và mô men) phân bố đều trên chiều dài dọc theo chiều dài thanh
- Các tải trọng (và mô men) tập trung tác dụng tại các vị trí khác nhau trên thanh.
- Tải trọng (và mô men) phân bố không đều (dạng tam giác, hình thang ) trên chiều dài .
5.1. Khai tải trọng bản thân:
- Tải trọng này tác dụng lên mọi phần tử trong kết cấu, được khai báo ngay khi định nghĩa
tên của trường hợp tải trọng.
A**swq ρ=
Trong đó:
A: Diện tích mặt cắt
ngang
Sw: Hệ số Self-Weight.
q: Giá trị tải trọng bản
thân, ở dạng phân bố đều
[Lực/cdài]
5.2. Khai tải trọng tập trung và phân
bố đều trên phần tử Frame:
Chú ý chọn <Direction>: Chọn phương
và chiều khai báo của tải trong hộp

combo Direction. Nếu dạng tải ta chọn
là:
- Tải tập trung (Force): phương của tải
cần khai báo sẽ song song với phương
của trục mà ta chọn trong hộp combo
Direction. Còn giá trị của tải sẽ là dương
nếu có chiều cùng chiều với chiều dương
của trục mà ta chọn trong hộp combo
Direction, âm khi ngược lại.
- Moment tập trung: Mặt phẳng tác
dụng của mômen sẽ là mặt phẳng vuông
góc với phương của trục mà ta chọn
trong hộp combo Direction. Còn giá trị
của mô-men sẽ là dương nếu có chiều
cùng chiều với chiều quay thuận của cái
vặn nút chai khi tiến theo hướng dương
của trục mà ta chọn trong hộp combo
Direction, và âm khi ngược lại.
Một số hướng khai báo chính trong hộp chọn Direction: