Bài giảng sap 2000: Phân tích kết cấu công trình

Bài giảng SAP 2000

MỤC LỤC
CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM CƠ BẢN SAP 2000
1. Phương pháp tính kết cấu của SAP 2000
2. Tổng quan về SAP 2000
2.1. Giới thiệu
2.2. Một số bài toán thường gặp
2.3. Hệ tọa độ
2.4. Kiểu phần tử
2.5. Bậc tự do tính toán
2.6. Giao diện SAP 2000
CHƯƠNG II: CÁC BƯỚC GIẢI KẾT CẤU BẰNG SAP 2000
1. Khởi động SAP 2000
2. Chọn hệ thống đơn vị
3. Tạo mô hình mẫu
4. Khai báo đặc trưng vật liệu
5. Khai báo đặc trưng hình học
6. Gán đặc trưng hình học cho phần tử
7. Khai báo điều kiện biên
8. Khai báo trường hợp tải, gán giá trị tải trọng
9. Khai báo bậc tự do
10. Khai báo số phân đoạn phần tử
11. Giải bài toán
12. Kết quả hiển thị
13. Xem biểu đồ nội lực
14. Xuất kết quả nội lực thành file
CHƯƠNG III: VÍ DỤ TÍNH TOÁN

GV: Vương Ngọc Huy

trang 1


Bài giảng SAP 2000

CHƯƠNG I
KHÁI NIỆM CƠ BẢN SAP 2000
1. Phương pháp tính kết cấu của SAP 2000
- Trong bài toán Cơ học kết cấu, việc giải quyết bài toán đều dựa trên lý thuyết
của cơ học môi trường liên tục. Các nguyên lý chính đều dựa vào:
+ Sự cân bằng tĩnh học giữa nội lực và ngoại lực của kết cấu hay từng bộ phận
của kết cấu.
+ Sự liên tục về về biến dạng và chuyển vị trong toàn bộ kết cấu.
+ Quan hệ ứng suất và biến dạng của vật liệu kết cấu.
- Việc phối hợp các nguyên tắc trên sẽ cho những hệ phương trình vi phân phức
tạp rất khó tìm lời giải. Chính vì thế người ta đưa ra mô hình số, thường thì đòi
hỏi phải bổ sung một số giả thiết đơn giản hóa. Các giả thiết này sẽ quyết định
đến độ chính xác của kết quả tính toán. Thường thì kết quả tính toán bằng
phương pháp Phần tử hữu hạn (PTHH) được chấp nhận với độ chính xác cho
phép.
- Phương pháp PTHH là một trong những phương pháp tổng quát nhất để xây
dựng mô hình số của kết cấu. Phương pháp này chia không gian liên tục của kết
cấu thành một tập hợp các phần tử (chia nhỏ ra) có tính chất cơ học và hình học
đơn giản hơn so với cả kết cấu. Các phần tử này liên kết với nhau bằng điểm
nút, lúc này các điều kiện tương thích về chuyển vị hay biến dạng của kết cấu
chỉ thỏa mãn tại nút. Thông thường, ẩn cơ bản của PP PTHH là các chuyển vị
của nút.
- Dựa vào điều kiện cân bằng của toàn kết cấu ta có được phương trình:

[F] = [K].[U]

Trong đó

GV: Vương Ngọc Huy

trang 2


Bài giảng SAP 2000

[F] : Ma trận ngoại lực nút.
[K] : Ma trận độ cứng của kết cấu, được xây dựng từ ma trận độ cứng của các
phần tử.
[U] : Ma trận chuyển vị nút.
- Sau khi giải phương trình trên ta tìm được chuyển vị của nút, từ đó tìm được
chuyển vị của một điểm bất kì trong kết cấu thông qua hàm dạng (hàm biểu
diễn chuyển vị của điểm bất kì với điểm nút).
- Ta thấy khi chia càng nhỏ kết cấu tức càng nhiều phần tử thì kết quả càng
chính xác. Như vậy với sự phát triển công nghệ thông tin như hiện nay, việc giải
bài toán kết cấu với độ chính xác cao bằng phương pháp số là hoàn toàn thuận
lợi và có tính ứng dụng cao .
2. Tổng quan về SAP 2000
2.1. Giới thiệu
- Đã được phát triển hơn 40 năm (từ năm 1970): SAP, SAPIV, SAP86, SAP90,
SAP2000.
- Hiện nay, SAP 2000 đã có version 15 (2011).
- Tính theo phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH).
- Dễ sử dụng để tính nội lực trong kết cấu.
2.2. Một số bài toán thường gặp
- Tĩnh học.

- Động học: dao động riêng, phổ phản ứng (tải trọng động đất, tải trọng thay đổi
theo thời gian).
- Bài toán cầu: tải trọng di động.
- Bài toán ổn định.
- Bài toán thiết kế tiết diện: BTCT, KC thép …
- Bê tông theo tiêu chuẩn: ACI, BS, CAN, EURO.
- KC thép: AISC, BS, CAN, EURO.
2.3. Hệ tọa độ

GV: Vương Ngọc Huy

trang 3


Bài giảng SAP 2000

- Hệ tọa độ tổng thể (Global Coordinate) Oxyz hoặc hệ tọa độ trụ.
- Hệ tọa độ địa phương (Local Coordinate)

2.4. Kiểu phần tử
a. Phần tử nút (Joint)
- Nút là thành phần cơ bản nhất làm cơ sở xây dựng cho mọi kết cấu và là điểm
nối giữa các phần tử trong kết cấu và cũng tại nút sẽ có lời giải chuyển vị chính
xác.
- Nút được sử dụng:
+ Nối kết các phần tử tại các vị trí giao nhau.
+ Đặt điều kiện biên.
+ Đặt tải tập trung.
+ Là nơi quy tải trên phần tử về nút.
b. Phần tử thanh (Frame)

- Dùng để mô tả hệ thanh dàn, dầm, cột… trong các kết cấu phẳng và không
gian.
- Các thông tin về Frame:
+ Số hiệu về Frame
+ Số hiệu nút đầu và cuối (End I và End J)
+ Tiết diện thanh và vật liệu
+ Vị trí thanh trong hệ tọa độ tổng thể
+ Tải trọng trên Frame
GV: Vương Ngọc Huy

trang 4


Bài giảng SAP 2000

c. Phần tử tấm (Shell)
- Các loại shell: shell tam giác (3 nút), shell tứ giác (4 nút)
- Shell: tấm có khả năng chịu kéo, nén, uốn;
- Plate: tấm chỉ uốn;
- Membrance: tấm chỉ chịu kéo, nén.

- Asolid: trạng thái phẳng.
- Solid: phần tử khối.

GV: Vương Ngọc Huy

trang 5


Bài giảng SAP 2000

Chú ý:
- Số hiệu (label), hệ tọa độ địa phương, đặc trưng vật liệu, tải trọng trên phần tử.
- Liên kết:
+ Liên kết cứng (Restraints),
+ Liên kết đàn hồi (Spring).
- Một nút có 6 bậc tự do: Translation U1, U2, U3 = UX, UY, UZ.
Rotation R1, R2, R3 = RX, RY, RZ.
- Bậc tự do tính toán: (DOF: degree of Freedom) thường khi tính bài toán phẳng.
- Chuyển vị gối tựa (Displacement Load)
- Không khai báo liên kết nút Restraints trùng Spring theo cùng một phương.
- Không giới hạn số nút (Nonlinear)
2.5. Bậc tự do tính toán (DOF)
- Khi giải một bài toán, các bậc tự do thừa sẽ bị chương trình tự động khóa lại
(chống chuyển vị). Tuy nhiên để giảm thời gian tính toán và các sơ sót chương
trình, các thành phần chuyển vị không cần thiết nên được khóa lại bằng điều
kiện biên thích hợp (Restraint) hoặc dùng chọn lựa mặt phẳng làm việc (Analyze
set options) của kết cấu để chương trình khóa các bậc tự do trước khi giải.
GV: Vương Ngọc Huy

trang 6


Bài giảng SAP 2000

GV: Vương Ngọc Huy

trang 7

Bài giảng SAP 2000

2.6. Giao diện SAP 2000

GV: Vương Ngọc Huy

trang 8


Bài giảng SAP 2000

CHƯƠNG II
CÁC BƯỚC GIẢI KẾT CẤU BẰNG SAP 2000
1. Khởi động SAP 2000
- Từ thanh trạng thái, nhấp chọn Start > All Programs > SAP2000 NonLinear >
SAP2000 NonLinear.

- Cách 2: nhấp chọn biểu tượng SAP2000 trên desktop.
- Khi khởi động cửa sổ Tip of the day xuất hiện, giới thiệu tóm tắt chức năng
chính của chương trình.

GV: Vương Ngọc Huy

trang 9


Bài giảng SAP 2000

2. Chọn hệ thống đơn vị
- Trước khi muốn giải bài toán ta cần phải định đơn vị. Chương trình SAP2000

cung cấp một số đơn vị thường dùng nhất.
- Nhấp vào nút cuộn tam giác nằm góc bên phải của thanh trạng thái, sau đó
nhấp chọn đơn vị mong muốn.
- Khi thực hiện tính toán, tất cả các giá trị đều được chuyển đổi sang hệ đơn vị
được chọn ban đầu.
3. Tạo mô hình mẫu
Cách 1: Tạo mô hình theo ý người dùng
- Để tạo mô hình kết cấu phải tạo hệ thống lưới. Hệ thống lưới dùng để xác định
tọa độ các điểm nút, vẽ trực tiếp các phần tử mà không cần tạo các nút.
Chọn File > New Model

GV: Vương Ngọc Huy

trang 10


Bài giảng SAP 2000

- Hộp thoại Coordinate System Definition xuất hiện. Trong hộp thoại có 2 bảng
tùy chọn hệ tọa độ.

+ Bảng hệ tọa độ vuông góc Cartesian gồm có các mục:
 Number of grid Space: số khoảng cách lưới
 X, Y, Z direction: theo phương X, Y, Z
 Grid Spacing: khoảng cách giữa các đường lưới
+ Bảng hệ tọa độ trụ Cylindrical gồm có các mục:
 Number of grid Space: số khoảng cách lưới
 Along Radius, along theta, along z: theo hướng bán kính của tọa độ trụ,
hướng góc, hướng trục Z.
 Grid Spacing: khoảng cách giữa các đường lưới

Cách 2: Tạo mô hình theo mẫu của chương trình

GV: Vương Ngọc Huy

trang 11


Bài giảng SAP 2000

Chọn File > New Model from Template.

- Hộp thoại Model Template xuất hiện, trong hộp thoại có 15 loại mẫu kết cấu

4. Khai báo các đặc trưng vật liệu
Chọn Define > Materials.
Hộp thoại Define Materials xuất hiện, trong đó mục Materials có 3 tùy chọn:
 CONC: vật liệu bê tông
 OTHER: vật liệu khác
 STEEL: vật liệu thép

GV: Vương Ngọc Huy

trang 12


Bài giảng SAP 2000

Tại mục Click to có 3 tùy chọn:
 Add New Material: thêm vào vật liệu mới

 Modify/Show Material: hiệu chỉnh/hiển thị thông số của vật liệu hiện có
 Delete Material: xóa bỏ loại vật liệu

5. Khai báo các đặc trưng hình học
Chọn Define > Frame Sections
GV: Vương Ngọc Huy

trang 13


Bài giảng SAP 2000

Hộp thoại Define Frame Section xuất hiện, gồm các mục:
 Frame Sections: tiết diện khung
 Name: tên cấu kiện
Trong mục Click to:
 Import: nhập vào tiết diện chuẩn
 Add: thêm tiết diện mới
 Modify/Show Section: hiệu chỉnh/hiển thị thông số của tiết diện
 Delete Material: xóa bỏ tiết diện đã chọn.

6. Gán đặc trưng hình học cho phần tử
- Trước tiên chọn phần tử cần gán.
- Gán tiết diện phần tử khung (frame)
- Chọn Assign > Frame > Sections …
Hộp thoại Define Frame Sections xuất hiện, nhấp chọn tiết diện trong hộp Name
và nhấp OK.

GV: Vương Ngọc Huy

trang 14


Bài giảng SAP 2000

7. Khai báo điều kiện biên
- Chọn các nút cần thay đổi
- Chọn Assign > Joint > Restraints … Hộp thoại Joint Restraints xuất hiện.
Trong hộp thoại này, chọn một trong các kiểu liên kết sau:
 Liên kết ngàm
 Liên kết khớp cố định
 Liên kết khớp di động
 Giải phóng liên kết (dùng để khử điều kiện biên)

GV: Vương Ngọc Huy

trang 15


Bài giảng SAP 2000

8. Khai báo trường hợp tải, gán giá trị tải trọng
* Khai báo trường hợp tải
- Chọn Define > Static Load Cases để mở hộp thoại Define Static Load Case
Names. Trong hộp thoại này có các mục sau:
 Load: tên tải trọng
 Type: loại tải trọng
Dead: tải trọng tĩnh
Live: tải trọng động
Quake: tải trọng động đất

Wind: tải trọng gió
Snow: tải trọng tuyết
Other: các loại tải trọng khác
 Self Weight Multiplier: hệ số vượt tải dành cho trọng lượng bản thân.
 Add New Load: thêm vào một trường hợp tải trọng
 Change Load: thay đổi một trường hợp tải trọng đã có
 Delete Load: xóa một trường hợp tải trọng đã có

* Gán giá trị tải trọng
Gán tải nút:

GV: Vương Ngọc Huy

trang 16


Bài giảng SAP 2000

- Chọn nút cần gán
- Chọn Assign > Joint Static Loads … > Forces để mở hộp thoại Joint Forces.

Load Case Name: tên trường hợp tải
Loads:
 Force Global X, Y, Z: lực theo phương X, Y, Z.
 Moment Global XX, YY, ZZ: mo men theo phương XX, YY, ZZ.
Options:
Add to exitsting loads: thêm giá trị tải trọng
Replace exitsting loads: thay thế giá trị tải trọng
Delete exitsting loads: xóa giá trị tải trọng
Gán tải phần tử Frame:

- Chọn phần tử cần gán.
- Chọn Assign > Frame Static Loads … một trình đơn sổ xuống, chọn tùy chọn
thích hợp

GV: Vương Ngọc Huy

trang 17


Bài giảng SAP 2000

 Gravity: lực trọng trường
 Point and Uniform: lực tập trung và phân bố đều
 Trapezoidal: lực phân bố hình thang
 Temperature: tải trọng nhiệt
 Prestress: ứng suất nước

9. Khai báo bậc tự do
- Chọn Analyze > Set option … để mở hộp thoại Analysis Options.
 UX, UY, UZ: chuyển vị thẳng theo x, y, z.
 RX, RY, RZ: chuyển vị xoay theo x, y, z.
- Fast DOFs: khai báo nhanh số bậc tự do của nút cho toàn kết cấu
 Space Frame: khung không gian
 Plane Frame: khung phẳng
 Plane Grid: lưới phẳng (hệ dầm trực giao)
 Space Truss: giàn không gian
Dynamic Analysis: phân tích bài toán động lực học

GV: Vương Ngọc Huy

trang 18


Bài giảng SAP 2000

Include P-delta: kể đến ảnh hưởng của P-delta
Generate Output: định kết quả xuất ra file.
Nếu muốn chọn nhiều kết quả phân tích lưu trữ trong một file xuất ra kết quả,
nhấp chọn Generate Output > Select Output Options.

GV: Vương Ngọc Huy

trang 19


Bài giảng SAP 2000

10. Khai báo số phân đoạn phần tử
- Chọn Assign > Frame > Output Segments … để mở hộp thoại Frame Output
Segments

11. Giải bài toán
- Chọn Analyze > Run
Sau khi chương trình ngừng giải, kết quả như sau:
 ERROR: quá trình tính toán có lỗi, phải kiểm tra lại dữ liệu và thực hiện
lại bước giải.
 ANALYSIS COMPLETE: quá trình tính toán hoàn thành.

12. Kết quả hiển thị
- Chọn Display > Show Undeformed Shape… trở lại dạng ban đầu

- Để xem tải trọng về nút Display > Show Loads > Joint

GV: Vương Ngọc Huy

trang 20


Bài giảng SAP 2000

Hộp thoại Show Joint Loads xuất hiện:
 Load Name: tên trường hợp tải cần hiển thị
 Load Type: kiểu tải trọng cần hiển thị
 Show Loading Values: hiển thị giá trị của tải trọng
- Để xem tải trọng về phần tử thanh Display > Show Loads > Frame

Hộp thoại Show Frame Loads xuất hiện:
GV: Vương Ngọc Huy

trang 21


Bài giảng SAP 2000

 Load Name: tên trường hợp tải cần hiển thị
 Load Type: kiểu tải trọng cần hiển thị (lực tập trung, momen, trọng lực,
ứng suất nhiệt… )
 Show Joint Loads with Frame Loads: hiển thị tải trọng nút với tải trọng
tác dụng lên phần tử
 Show Loading Values: hiển thị giá trị của tải trọng

13. Xem biểu đồ nội lực
- Chọn Display > Show Element Forces/Stresses > Joints
Hộp thoại Joint Reaction Forces xuất hiện:
 Load: tên trường hợp tải cần hiển thị
 Type: kiểu tải trọng cần hiển thị
Reactions: phản lực
Spring Forces: lực đàn hồi

- Chọn Display > Show Element Forces/Stresses > Frames

GV: Vương Ngọc Huy

trang 22


Bài giảng SAP 2000

Hộp thoại Member Force Diagram for Frames xuất hiện:

 Load: tên trường hợp tải cần hiển thị
 Component: thành phần nội lực cần hiển thị
Axial Force: lực dọc
Shear 2-2: lực cắt theo phương 2-2
Moment 3-3: momen theo phương 3-3
 Scaling: tỷ lệ biểu đồ
Auto: tỷ lệ hiển thị mặc định
Scale Factor: tỷ lệ theo ý người dùng
 Show Values on Diagram: hiển thị giá trị nội lực trên biểu đồ

14. Xuất kết quả nội lực thành file

- Chọn File > Print Output Tables…
Hộp thoại Print Output Tables xuất hiện:

GV: Vương Ngọc Huy

trang 23


Bài giảng SAP 2000

Type of Analysis Results: kết quả tính toán cần hiển thị
 Displacements: chuyển vị
 Reactions: phản lực
 Frame Forces: nội lực phần tử thanh
Select Loads: chọn loại tải trọng cần hiển thị
Print to File: chỉ đường dẫn lưu file.
File dữ liệu được lưu dưới dạng .txt có thể mở bằng Word hay Excel
Kết quả của bài toán như sau:

GV: Vương Ngọc Huy

trang 24


Bài giảng SAP 2000

CHƯƠNG III
VÍ DỤ TÍNH TOÁN
A. DẦM 1 NHỊP
- Dầm 1 nhịp thường dùng trong kết cấu nhà cửa, cầu đường: dầm thang, dầm

dọc, các dầm hồ nước trong kết cấu nhà, dầm đơn giản trong kết cấu cầu…
- Trong ví dụ đầu tiên này, bạn ứng dụng SAP 2000 để giải bài toán dầm 1 nhịp
cơ bản như hình dưới, từ đó giải các bài toán liên quan tới dầm với mức độ khó
hơn trong kết cấu.
* Dữ liệu ban đầu:
- Chiều dài nhịp tính toán: L = 6m
- Vật liệu bê tông với
Khối lượng riêng M = 2,5 T/m3
Modun đàn hồi E = 2,65E9
Hệ số Poisson  = 0,2
- Tiết diện: b x h = 300 x500 mm
- Tải trọng phân bố đều: q= 5 kN/m
Trình tự giải bài toán:
B1: Khởi động phần mềm Sap 2000
B2: Chọn hệ thống đơn vị là kN-m
B3: Tạo mô hình mẫu
- Chọn File > New Model from Template
- Hộp thoại Model Template xuất hiện, nhấp vào kiểu mô hình dầm đầu tiên

GV: Vương Ngọc Huy

trang 25