Báo cáo nghiên cứu khoa học lập CHƯƠNG TRÌNH kết hợp với SAP2000N để TÍNH kết cấu bê TÔNG cốt THÉP THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM

LẬP CHƯƠNG TRÌNH KẾT HỢP VỚI SAP2000N
ĐỂ TÍNH KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP
THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM
BUILDING OF A SOFTWARE IN COMBINATION WITH SAP2000
TO DESIGN REINFORCED CONCRETE STRUCTURES
ACCORDING TO VIETNAM’S STANDARD

LÊ VIẾT THÀNH
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

TÓM TẮT
Xây dựng phần mềm kết hợp với phần mềm SAP2000 để tính kết cấu bê tông cốt thép theo
Tiêu chuẩn Việt Nam. Phần mềm này thực hiện các chức năng: Đọc các số liệu về kết cấu đã
nhập vào SAP2000 và các kết quả nội lực, ứng suất mà SAP2000 tính được, sau đó tổ hợp
nội lực và thiết kế cốt thép cho các cấu kiện bê tông cốt thép dạng thanh và tấm theo Tiêu
chuẩn Việt Nam. Các chức năng nói trên được phần mềm thực hiện một cách tự động và
nhanh chóng. Khi dùng kết hợp phần mềm SAP2000 với phần mềm này, chúng ta có thể thiết
kế nhiều dạng kết cấu bê tông cốt thép phức tạp theo Tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành.
ABSTRACT
This paper presents the building of software in combination with SAP2000 to design reinforced
concrete structures with Vietnam’s Standard. This new software carries out such functions as
reading out the data put in SAP2000N and the internal force results calculated by it, then
calculating the internal force and stress combinations, finally designing the required
reinforcement for Frame and Shell elements with Vietnam’s Standard. These functions will be
automatically and rapidly carried out by this new software. The combination of SAP2000N and
this software will enable users to design many kinds of complex reinforced concrete structures
with Vietnam’s Standard.

1. Đặt vấn đề
Hiện nay, nhu cầu xây dựng các kết cấu công trình có hình dạng và cấu tạo phức tạp
bằng vật liệu bê tông cốt thép (BTCT) ở nước ta là rất lớn, và người thiết kế kết cấu hiện nay

đang phải đối mặt với nhiều khó khăn trong công tác thiết kế, đặc biệt là do thiếu các phần
mềm thiết kế các dạng kết cấu BTCT phức tạp theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN). Vì vậy,
việc xây dựng các phần mềm thiết kế các dạng kết cấu BTCT phức tạp theo TCVN đang trở
thành một nhiệm vụ mang tính thiết thực, nhằm giải quyết phần nào các khó khăn trong công
tác thiết kế kết cấu. Đó chính là ý tưởng xuất phát của chúng tôi khi tiến hành xây dựng phần
mềm có tên CD BY VNSTAND kết hợp với phần mềm SAP2000 để tính kết cấu BTCT theo
TCVN và cũng là nội dung của đề tài NCKH cấp cơ sở mã số T03-45-56 đã được chúng tôi
thực hiện trong năm 2003 vừa qua.
2. Vài nét về tình hình sử dụng các phần mềm thiết kế kết cấu BTCT ở Việt Nam
Thiết kế kết cấu BTCT thường gồm ba công đoạn tính toán chính, được tiến hành lần
lượt theo qui trình thể hiện ở hình 1.
Theo qui trình này, chúng ta thấy khối lượng và tính chất phức tạp khi tính toán thiết
kế kết cấu BTCT là rất lớn nên việc sử dụng các phần mềm tin học để tự động hoá quá trình
thiết kế là thật sự cần thiết. Điểm qua một số phần mềm thiết kế kết cấu đang được sử dụng
phổ biến ở Việt Nam hiện nay, chúng ta thấy các phần mềm này có nguồn gốc thuộc một


trong hai ngun sau:
- Cỏc phn mm
Bắt đầu
ca Vit Nam: nh FBTW,
DTG, KP, CASA,... Cỏc
Bước 1: Chọn sơ bộ vật liệu,
phn mm ny cho phộp
hình dạng, kích thước các bộ
ngi s dng tớnh toỏn
phận của kết cấu
ni lc, chuyn v, t hp
cỏc kt qu theo TCVN v
tớnh lng ct thộp cho cỏc

Bước 2: Lần lượt thực hiện:
kt cu BTCT theo TCVN
Xác
định
sơ
đồ
tính kết cấu
5574: 1991 nhng chỳng
Tính
nội
lực,
ứng
suất và chuyển vị tại các vị trí quan
li ch cú kh nng tớnh
trọng của kết cấu.
c mt s kt cu tng - Tổ hợp các kết quả (nội lực, chuyển vị ) theo TCVN
i n gin nh khung
phng (FBTW, KP), h
Bước 3:
dm giao nhau (DTG),...
Tính
lượng
cốt
thép
tại
các
vị
trí
quan
trọng

của
m thụi. Ngoi ra, cỏc
kết cấu theo TCVN 5574 : 1991
phn mm ny thng
c bỏn vi giỏ khỏ t.
Kiểm tra hàm lượng cốt thép và
- Cỏc phn mm
Thay đổi thiết
các điều kiện về độ võng, tính
ca nc ngoi: nh
kế (nếu cần)
Không đạt
hợp lý của phương án...
SAP2000, STAAD III,
yêu cầu
STAAD-PRO, STRAND,
Đạt yêu cầu
ETABS2000, SAFE,... Cỏc
Thiết kế cấu tạo các bộ phận của kết cấu theo TCVN
phn mm ny u l
nhng phn mm tớnh kt
cu chuyờn nghip, cú kh
Kết thúc
nng tớnh c gn nh
bt c dng kt cu cụng
Hỡnh 1. Qui trỡnh tớnh toỏn thit k kt cu BTCT
trỡnh t n gin n phc
tp m ta cú th gp trong thc t. Tuy nhiờn, do chỳng l nhng phn mm ca nc ngoi
v thng n tay ngi s dng Vit Nam theo nhng con ng khụng chớnh thc nờn
phn t hp kt qu ni lc, phn tớnh toỏn lng ct thộp v kim tra hm lng ct thộp ca

cỏc phn mm ny hon ton khụng theo cỏc qui nh trong TCVN.
Theo nhn xột trờn, chỳng ta thy rng nu s dng cỏc phn mm ca Vit Nam
(nh FBTW, DTG, KP,...) thỡ ch cú th tớnh toỏn thit k kt cu BTCT theo TCVN c cỏc
dng kt cu n gin, cũn nu dựng cỏc phn mm ca nc ngoi (nh SAP2000,
ETABS2000,...) thỡ cú th tớnh c ni lc, ng sut, chuyn v,... ca gn nh tt c cỏc
dng kt cu cú th gp trong thc t, nhng li khụng th tin hnh vic t hp ni lc, tớnh
lng ct thộp theo TCVN c.
3. S cn thit cn phi cú mt phn mm kt hp vi SAP2000 thit k kt
cu BTCT theo TCVN
Phn mm SAP2000 Nonlinear l mt phn mm chuyờn dng phõn tớch v thit k
cỏc kt cu xõy dng ca hóng CSI (M). õy l mt phn mm cc mnh, a nng, cú th
phõn tớch ni lc v thit k cho hu ht cỏc dng kt cu cụng trỡnh cú th gp trong thc t.
Phn mm ny hin nay c rt nhiu k s trờn khp th gii s dng thit k cỏc cụng
trỡnh xõy dng. Do vy, phn mm SAP2000 ó c chn ging dy cho sinh viờn ti
Khoa Xõy dng DD & CN, Khoa Xõy dng Cu ng,... ca Trng i hc Bỏch khoa,
i hc Nng.
Tuy nhiờn, hin ti SAP2000 cha cú phn t hp ni lc v thit k cu kin BTCT
theo TCVN. Vỡ vy, cỏc k s v sinh viờn ngnh Xõy dng cú th s dng SAP2000 thit


k cỏc kt cu xõy dng ti Vit Nam, chỳng ta cn phi xõy dng thờm mt phn mm liờn
kt vi SAP2000 (c chỳng tụi t tờn l CD BY VNSTAND), nhm s dng cỏc s liu
v kt cu ó nhp cho SAP2000 v kt qu ni lc do SAP2000 tớnh c tip tc thc
hin cụng on t hp ni lc v thit k cu kin BTCT theo TCVN mt cỏch t ng.
4. Vi nột v phn mm CD BY VNSTAND
4.1. í tng chớnh v cỏch hot ng ca phn mm CD BY VNSTAND
Sau khi ó nghiờn cu, phõn tớch tỡnh hỡnh mt cỏch cn thn, chỳng tụi ó xõy dng
c mt phn mm cú tờn CD BY VNSTAND kt hp vi phn mm SAP2000 Nonlinear
version 7.42 tớnh kt cu BTCT theo TCVN, hai phn mm ny kt hp hot ng theo s
hỡnh v 2.

Bắt đầu
NSD chọn sơ bộ vật liệu, hình
dạng, kích thước các bộ phận
của kết cấu

- Khởi động SAP2000 Nonlinear version 7.42
- Nhập sơ đồ kết cấu và khai báo các trường hợp tải trọng (Loadcases).
- Tiến hành phân tích kết cấu (Analysis) để xác định nội lực, ứng suất,
chuyển vị tại các vị trí quan trọng của kết cấu
- Xuất (Export) các số liệu đầu vào đã nhập (Input Data) và các kết quả nội
lực tính được (Output Data) vào một file số liệu theo định dạng .MDB.
- Đóng SAP2000

- Khởi động CD BY VNSTAND
- Nhập (Import) các số liệu đầu vào (Input Data) và các kết quả nội lực tính
được (Output Data) trong file số liệu .MDB mà SAP xuất ra.
- Khai báo cách tổ hợp tải trọng cho các trường hợp tải trọng (Loadcases)
theo cách qui ước của CD BY VNSTAND.
- Tiến hành tổ hợp nội lực để xác định các tổ hợp nội lực bất lợi theo TCVN
- Tính toán lượng cốt thép trong các cấu kiện thanh và tấm theo TCVN
5574 : 1991
- Đóng CD BY VNSTAND

Kiểm tra hàm lượng cốt thép và
các điều kiện về độ võng, tính
hợp lý của phương án...

Không đạt
yêu cầu

Thay đổi thiết
kế (nếu cần)

Đạt yêu cầu
Thiết kế cấu tạo các bộ phận của kết cấu theo TCVN

Kết thúc

Hỡnh 2. Cỏch kt hp hot ng ca CD BY VNSTAND vi SAP2000N


4.2. Phạm vi sử dụng của phần mềm CD BY VNSTAND
Phần mềm CD BY VNSTAND được lập trình nhằm kết hợp với phần mềm
SAP2000N v7.42 để tính toán theo TCVN 5574: 1991 các kết cấu BTCT được cấu thành từ
các cấu kiện dạng thanh (dầm, cột, thanh dàn BTCT) và dạng tấm (tấm sàn phẳng, tấm
tường,...). Số lượng cấu kiện không hạn chế. Các loại cấu kiện BTCT mà chương trình có thể
tính toán bao gồm: dầm chữ nhật chịu uốn hay uốn xoắn, cột tròn và chữ nhật chịu nén lệch
tâm phẳng hay nén lệch tâm xiên, thanh dàn chịu kéo, nén đúng tâm, tấm sàn chịu uốn, tấm
tường chịu nén-uốn.
4.3. Yêu cầu đối với phần mềm CD BY VNSTAND
- Phải có khả năng tính toán các kết cấu BTCT theo TCVN như đã nêu một cách chính
xác, đủ tin cậy, ổn định, nhanh chóng.
- Phải có giao diện hợp lí, thân thiện và dễ sử dụng.
- Phải có khả năng lưu trữ, nhập, xuất, tìm kiếm và sắp xếp dữ liệu trên đĩa cứng một
cách nhanh chóng và có khoa học.
4.4. Các chức năng sử dụng chính của phần mềm CD BY VNSTAND
Phần mềm CD BY VNSTAND được lập trình với 10 cụm chức năng chính như sau:
(1) Chọn file số liệu (*.MDB) cần làm việc mà SAP2000N v7.42 đã xuất ra
(Export) trước đó.
(2) Khai báo cách tham gia tổ hợp của các trường hợp tải trọng (Loadcases) theo qui

ước của chương trình CD BY VNSTAND.
(3) Khai báo các thông số cấu tạo của các dạng mặt cắt các phần tử Frame (là các
phần tử dạng thanh như dầm, cột và thanh dàn) và các phần tử Shell (là các phần
tử dạng tấm như tấm sàn chịu uốn, tấm tường).
(4) Tổ hợp nội lực và tính toán lượng cốt thép cho các phần tử Frame.
(5) Tổ hợp nội lực và tính toán lượng cốt thép cho các phần tử Shell.
(6) Xem các số liệu đầu vào và các kết quả mà CD BY VNSTAND tính được.
(7) Xuất các kết quả chính mà CD BY VNSTAND tính được dưới dạng các bản báo
cáo (Reports) để in ấn.
(8) Cung cấp các tiện ích thường dùng như máy tính cá nhân, chọn khoảng cách
phân bố khi cấu tạo thép sàn, tính cốt thép sơ bộ cho dầm và cột BTCT.
(9) Quản lý sự sắp xếp các cửa sổ hiển thị.
(10) Quản lý hệ thống trợ giúp người sử dụng và giới thiệu về CD BY VNSTAND.
5. Các kết quả chính thu được từ phần mềm CD BY VNSTAND
Các kết quả chính mà CD BY VNSTAND tính được bao gồm các tổ hợp nội lực bất
lợi và lượng cốt thép yêu cầu tại các mặt cắt ta chọn trong các phần tử dạng thanh (Frame) và
phần tử dạng tấm (Shell).
Tại mỗi mặt cắt được xem xét của
phần tử Frame, CD BY VNSTAND sẽ
tính toán lượng cốt thép yêu cầu để bố trí
cho phần tử Frame tại mặt cắt đang xét,
bao gồm: cốt thép dọc F2d, F2tr, F3d,
F3tr (xem hình 3) và khoảng cách giữa
các cốt đai (theo số nhánh đai và loại cốt
đai mà NSD đã khai báo).
Hình 3. Ký hiệu lượng cốt thép dọc yêu cầu
Tại mỗi phần tử Shell, CD BY
VNSTAND sẽ tính toán lượng cốt thép yêu cầu để bố trí cho phần tử Shell, gồm: cốt thép
phân bố ở mặt trên và mặt dưới của phần tử Shell theo phương trục địa phương 1 (F1tr và
F1d); cốt thép phân bố ở mặt trên và mặt dưới của phần tử Shell theo phương trục địa phương

2 (F2tr và F2d). Các kết quả đều được tính theo đơn vị cm2/100cm chiều dài (trong đó, chú ý
rằng: mặt trên của phần tử Shell nằm về phía dương của trục địa phương 3 và mặt dưới nằm ở
phía âm của trục địa phương 3)
Ghi chú: qui ước về hệ trục toạ độ địa phương (Local Axis), các thành phần nội lực
của các phần tử Frame và Shell được dùng trong CD BY VNSTAND đều tuân theo cách qui
ước của SAP2000.
6. Ví dụ tính sử dụng phần mềm CD BY VNSTAND kết hợp với SAP2000 để
thiết kế kết cấu hệ khung-sàn BTCT
6.1. Nhiệm vụ thiết kế
Thiết kế hệ kết cấu chịu lực khung-sàn
BTCT của đài chỉ huy không lưu sân bay Phù Cát
(Bình Định). Theo hồ sơ thiết kế kiến trúc, đài chỉ
huy này phải có hình dạng như hình 4.
Ta thấy đặc điểm làm việc của hệ kết cấu
này có tính không gian rõ rệt do bởi: Hình dạng
tổng thể của kết cấu là hình bát giác (kích thước
mỗi cạnh ở móng là 4m), các cột của các tầng có
mặt cắt ngang bị xoay đi để phù hợp với hình
dạng tổng thể của nhà (hình bát giác). Sàn tầng 2
và 3 có khoét lỗ cầu thang, phía trên có xây tường
ngăn nhưng lại không có dầm bên trong mà chỉ kê
trên dầm bo xung quanh. Các cột tầng 3 còn bị
nghiêng lệch khỏi phương thẳng đứng một góc
khoảng 20o. Ngoài ra, ở sàn tầng mái người ta
Hình 4: Mẫu kết cấu chịu lực khung sàn
tăng cường thêm các dầm chéo để giằng các đầu
cột lại với nhau nhằm tăng độ cứng không gian
của nhà.

Chọn kích thước của các cấu kiện như sau: Cột tầng 1 và 2 (C12): 25x30 cm2; Cột
tầng mái (Cmái): 20x30 cm2 ; Dầm bo của sàn tầng 2 và 3 (D23): 20x30 cm2 ; Dầm bo tầng
mái (Dmái): 20x30 cm2 ; Dầm chéo tầng mái (DAMCHEO): 20x45 cm2 ; Sàn tầng 2 và 3 dày
12 cm; Sàn mái dày 8 cm.
Vật liệu BTCT mác 200; thép dọc có gờ nhóm AII; thép đai nhóm AI
Hoạt tải trên sàn ở dạng phân bố với cường độ 400 kgf/m2.
6.2. Kết quả tính toán bằng SAP2000 kết hợp với CD BY VNSTAND
Để tiện cho việc đọc kết quả, ta gom các phần tử Frame và Shell thành từng nhóm là:
C1: gồm các cột tầng 1; C2: các cột tầng 2; CMAI: các cột tầng mái; DCHEO: các dầm chéo
ở mái; DMAI: các dầm bo ở của sàn mái; SANT2: các dầm bo và phần tử Shell của sàn tầng
2; SANT3: các dầm bo và phần tử Shell của sàn tầng 3.
Dùng CD BY VNSTAND kết hợp với SAP2000 để tính kết cấu nêu trên với 5 trường
hợp tải trọng (Loadcase) gồm: trường hợp tải trọng TT (gồm tĩnh tải và hoạt tải), 4 trường
hợp tải trọng gió thổi vào công trình theo 4 hướng khác nhau (là GX1, GX2, GY1, GY2), ta
thu được kết quả cuối cùng là lượng cốt thép yêu cầu lớn nhất của các phần tử Frame và Shell
trong từng Group, ta thu được các kết quả được trình bày trong các bảng 1 và 2.


Bảng 1. Kết quả tính lượng cốt thép cần thiết cho các nhóm cấu kiện dạng thanh
F2d
(cm2)
12.559
4.094
11.479
8.599
3.029
6.147
3.067

Tên nhóm phần tử Frame

Các cột tầng 1 (C1)
Các cột tầng 2 (C2)
Các cột tầng mái (CMAI)
Dầm chéo ở mái (DCHEO)
Dầm bo ở mái (DMAI)
Dầm bo tầng 2 (SANT2)
Dầm bo tầng 3 (SANT3)

F2tr
(cm2)
12.559
4.094
11.479
6.33
1.218
12.428
9.477

F3d
(cm2)
11.969
7.777
3.72
0.18
0.178
0.036
0.364

F3tr
(cm2)

11.969
7.777
3.72
0.18
0.178
0.036
0.364

Bảng 2. Kết quả tính lượng cốt thép cần thiết cho các nhóm cấu kiện dạng tấm
Tên nhóm
Ptử Shell

Nếu dùng thép AI
(cm2/100cm dài)
F1d

F1tr

F2d

Nếu dùng thép AII
(cm2/100cm dài)
F2tr

F1d

F1tr

F2d

F2tr

SANMAI 1.858
1.57 1.57 2.458 1.57
1.57 1.57 1.912
SANT2 9.179 18.427 8.223 18.829 7.139 14.332 6.396 14.645
SANT3 8.925 15.475 6.891 15.828 6.941 12.036 5.36 12.31
Ghi chú: Để thiết kế cấu tạo sát hơn, chương trình CD BY VNSTAND còn cho phép
NSD xem kết quả tính lượng cốt thép của từng phần tử Frame và Shell của kết cấu. (Công
trình này đã được tác giả trực tiếp thiết kế bằng phần mềm CD BY VNSTAND và đã được xây
dựng tại Sân bay Phù Cát năm 2002).
7. Kết luận
Về cơ bản, chương trình CD BY VNSTAND đã giải quyết tốt nhiệm vụ đề ra một
cách chính xác, nhanh chóng và thuận lợi. Với sự kết hợp của hai phần mềm SAP2000N
v7.42 và CD BY VNSTAND, chúng tôi hy vọng có thể tính toán thiết kế được hầu hết các
dạng kết cấu công trình có thể gặp trong thực tế xây dựng theo tiêu chuẩn thiết kế kết cấu
BTCT hiện hành của Việt Nam (TCVN 5574: 1991). Đây chính là giá trị thực tiễn cho thấy
tính cấp thiết của vấn đề này.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]

Bộ Xây dựng, TCVN 2737: 1995 Tải trọng và tác động. Tiêu chuẩn thiết kế, Nxb Xây
dựng, Hà Nội, 1997.
Bộ Xây dựng, TCVN 5574: 1991 Kết cấu bê tông cốt thép. Tiêu chuẩn thiết kế, Nxb
Xây dựng, Hà Nội, 1997.

Nguyễn Thị Ngọc Mai, Microsoft Visual Basic 6.0 & lập trình cơ sở dữ liệu, Nxb
Giáo dục, Hà Nội, 2000.
Computer and Structure, Inc, SAP2000 Manuals, Berkerley, California, USA, 2000.
Edward L. Wilson, Three Dimensional Static and Dynamic Analysis of Structures,
Computers and Structures Inc, USA, 1998.