Tài liệu Thiết kế cầu với phần mềm midas

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM MIDAS I. Nguồn gốc và lịch sử phát triển. 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. 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 wall type Apartment Design System : Chương trình phân tích và thiết kế cho kết cấu tường chắn, công trình ngầm. II. Các ứng dụng cơ bản của phần mềm 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 - 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 thích của chương trình cho nên chương trình được sử dụng trong nhiều 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 số liệu: -thông qua Menu trực quan -thông quan giao diện dòng lệnh -thông qua các bảng dữ liệu tương thích với Excel -Khả năng kéo thả dễ dàng. -Chế độ undo/redo không hạn chế CHƯƠNG II BỐ TRÍ CHUNG CỦA CẦU 1. mặt cắt ngang của cầu Với số liệu của để bài ta có mặt các ngang của cầu sau: Bề rộng mặt cắt ngang cầu: B = 25.5m (tính đến mép ngoài lan can), trong đó bao gồm 6 làn xe và 2 làn người đi 2. Xác định chiều cao tháp  Theo yêu cầu về độ võng của nút dây treo là nhỏ nhỏ nhất: S L 2 S l i i i i yi = E  A  sin   cos   E  A  sin 2 i i i i i Trong đó: - Si , Li :Là lực dọc và hình chiếu của dây văng thứ i lên phương dọc cầu. -E, Ai :Độ cứng chịu kéo của dây văng thứ i . -ai : Góc nghiêng của dây văng thứ i. Ta thấy yi nhỏ nhất khi sin2ai = 1  2ai = 90o  ai = 45o  Theo yêu cầu về chuyển vị của đỉnh tháp cầu là nhỏ nhất:  2  So  h E  Ao sin  o Trong đó : So :Lực dọc trong dây neo. H :Chiều cao tháp cầu. E.Ao :Độ cứng chịu kéo của dây neo. ai : Góc nghiêng của dây neo so với phương ngang.  nhỏ nhất khi sin2ao = 1  2ao = 90o  ao = 45o Như vậy khi góc nghiêng đạt giá trị 45 o thì độ cứng của cầu đạt giá trị lớn nhất, lúc đó chiều cao của tháp cầu bằng chiều dài nhịp biên.Tuy nhiên góc nghiêng của dây neo lớn thì tháp cầu sẽ rất cao, làm tăng kích thước và khối lượng vật liệu.Khi đó tháp cầu làm việc bất lợi do chịu uốn dọc.Làm tăng lực nhổ, đặc biệt công nghệ thi công gặp nhiều khó khăn.Thực tế cho thấy góc nghiêng hợp lí về chịu lực và kinh tế của dây văng nghiêng nhất là 22 o – 24o . Từ đó xác định được chiều cao hợp lý của tháp cầu. Góc nghiêng của các dây văng còn lại được lựa chon trên cơ sở đảm bảo độ cứng tốt nhất của hệ và tránh mô men uốn lớn trong tháp.Do đó kiến nghị dùng sơ đồ dây hình rẽ quạt là hợp lý nhất, nó khắc phục được nhược điểm cảu sơ đồ dây đồng quy và song song. Căn cứ vào yêu cầu thiết kế, tình hình địa chất, thuỷ văn, yêu cầu mỹ quan, kiến trúc, địa hình của vị trí dựng cầu, ta đưa ra sơ đồ của cầu dây văng như hình vẽ:  Chiều dài khoang: Hiện nay cầu dây văng thường được thi công theo công nghệ đúc hẫng hay lắp hẫng.Trong công nghệ thi công hẫng thì khoang dầm càng nhỏ vừa thích hợp với chiều dài đốt đổ bê tông, vừa làm cho cấu tạo neo đơn giản do lực tác dụng lên dây nhỏ.Khoang dầm nhỏ làm giảm mô men uốn cục bộ trong phạm vi khoang, nâng cao độ an toàn cho công trình khi sửa chữa thay thế dây hoặc neo -Theo đề bài: Chiều dài mỗi khoang là 11m khoang cạnh tháp cầu là 14m Nhịp chính dài 450 m Nhịp biên là 202.5 m Tiết diện tháp cầu là hinh vuông 2,7*2,7m. Ta chọn 17 khoang 11 m và một khoang cạnh tháp cầu là 14m, phần còn lại được là phần chiều dài hợp long. -như vậy ta có sơ đồ cầu : 1.5+17@11+2@14+17@11+48+17@11+2@14+17@11+1.5 - chiều cao tháp cầu được tính theo dây cắp ngoài cùng sao cho góc hợp với phương ngang là : 22o-240 - chiều cao tháp cầu lấy cao hơn vị trí dây ngoài cùng là 3m -Khoảng cách giữa các vị trí bố trí cáp trên tháp chọn 1.5m 3. Mặt cắt dọc của cầu - 17 khoang dầm => 18cáp. - Các nhịp bố trí đối xứng Các sơ đồ xin xem bản vẽ. Chương 3 Mô hình cầu bằng chương trình midas sơ đồ phân tích kết cấu bằng phần mềm midas Bàõdáö t u Chuáø bëcaï dæliãû n c û u cáö thiãúcuí baì toaï n t a i n -Så âäö nh tê -Váûliãû t u -Điãö kiãû biãn u n -Taí troüg taï duûg i n c n -Caï taí troüg vaìtäø p taí troüg c i n håü i n -Nhoï kãúcáú , nhoï âiãö kiãû m t u m u n biãn vaìnhoï taí troüg m i n -Caï giai âoaû thi cäng c n -Mä hç hoaïkãúcáú nh t u -Mä hç hoaïpháö tæ nh n í -Mä hç hoaïâiãö kiãû biãn nh u n -Mä hç hoaïváûliãû nh t u -Mä hç hoaïváûliãû nh t u -Mä hç hoaïcaï giai âoaû thi cäng nh c n Mä hç hoaïkãúcáú nh t u Mä hç hoaïtaí nh i troüg n Täø p taí troüg håü i n Thiãúláû thäng säúho t p c quaïtrç giaí baì toaï nh i i n Chaû chæ trç , phán y ång nh tê , daï h giaïkãúquaí ch n t Kãúthuï t c *Taí troüg té i n nh -Khai baï taí troüg té o i n nh -khai baï caï nhoï taí troüg té o c m i n nh (trong caï giai âoaû thi cäng) c n -Gaï taí troüg té lãn kãúcáú n i n nh t u -Gaï taí troüg té lãn caï giai âoaû n i n nh c n thi cäng *Taí troüg di âäüg (hoat taí) i n n i -khai baï laì xe o n -khai baï loaûtaí troüg o i i n -Khai baï træ ng håü xe o åì p *Taí troüg âäüg i n n Tuyìthuäü vaì quy âë trong TC c o nh thiãúkãú íduûg maìtiãú haì h täø p t sæ n n n håü caï taí troüg c i n Våï22TCN272-01 thçxeï caï täø p i t c håü sau : -Täø p taí troüg TTGH cæ ng âäü håü i n åì I -Täø p taí troüg TTGH cæ ng âäü håü i n åì II -Täø p taí troüg TTGH cæ âoü håü i n ång III -Täø p taí troüg TTGH âàû biãû håü i n c t -Täø p taí troüg TTGH sæduûg håü i n í n I. Khai báo các dữ liệu đầu vào. 1.Thiết lập đơn vị -Đơn vị chiều dài là m -Đơn vị lực là KN. 2. Khai báo vật liệu -Sau khi thiết lập các chế độ làm việc cơ bản cho midas như thiết lập đơn vị tính, các các giao diện cơ bản cho người sử dụng. Việc đầu tiên khi chúng ta mô hình là việc khai báo các dạng vật liệu. -Chúng ta phải khai báo đầy đủ tất cả và chính xác các thông số của vật liệu, việc này quyết định đến việc tính toán tĩnh tải và các chế làm việc theo các giai đoạn thi công của Midas sau này. -Để cho tiện lợi trong việc định nghĩa tiết diện và sử dựng các lớp về sau chúng ta định nghĩa lần lượt các vật liệu của: Dầm chính, dầm ngang, giằng ngang trên, giằng ngang dưới, tháp cầu và cáp với các thông số chính trên các hình vẽ sau. 3.Khai báo tiết diện -lần lượt khai báo chính xác các thông số của tiết diện : Tiết diện dầm chủ, tiết diện dầm ngang, tiết diện giằng ngang trên, tiết diện giằng ngang dưới, tiết diện tháp và cáp. Ứng với mỗi tiết diện chọn vật liệu tương ướng. 4. khai báo tĩnh tãi. -sau khi khai báo tĩnh tãi midas sẽ tự động tính tĩnh tải, ứng với tiết diện và vật liệu đã sử dụng 5. khai báo tiêu chuẩn. -midas cho chúng ta một số loại tiêu chuẩn để tính toán hoạt tải. Chúng ta sử dụng tiêu chuấn ASSHTO. 6. khai báo làn xe - Theo bố trí chung mặt cắt ngang của cầu, chúng ta có 6 làn xe và hail an can giành cho người đi bộ. Ứng với 3 sơ đồ sếp tải chúng ta phải khai báo tất cả 24 làn xe. Mỗi làn xe cần khai báo giới hạn của làn, độ lệch tâm của làn xe. 7. Chọn loại hoạt tải. -Hoạt tải sử dụng là HL-93 : +Xe tải 3 trục + tải trọng làn, hệ số xung kích là 25% +Xe tải 2 trục +tải trọng làn, hệ số xung kích 25% +tải trọng người, cần định nghĩa 8. khai báo lớp hoạt tải. 9. Tổ hợp tải trọng Các hình chụp xin xem các trang sau. II.Mô hình kết cấu. -Cần có sơ đồ hình học trước khi tiến hành mô hình trong midas. -Việc mô hình kết cũng tương tự các phần mền khác. Midas cung cấp cho chúng ta rất nhiều lệnh nhằm giúp cho việc mô hình kết cấu nhanh như các lệnh copy, move, miro các phần tử nút hoặc phần tử element. -Việc mô hình kết cấu là tuỳ thuộc vào từng người sử dụng nhanh hay chậm -chú ý việc lựa chọn đúng các dạng phần tử như bean hay truss của các yêu tố element có ý quyết định đến việc tính toán nội lực chính xác sau này. Muốn biết lựa chọn được đúng chúng ta phải có những kiến thức về kết cấu nhất định -Trong bài này, ngoài cáp sử dựng dạng phần tử truss thì còn lại chúng ta sử dụng phần tử dạng beam. III. Liên kết các phần tử - các phần tử cáp được liên kết với dầm chính bằng dạng liên kết Elastic link - tại vị trí mố và dầm chủ liên kết bằng gối, dạng Supports giải phóng Mx và Ry - tháp liên kết bằng ngàm, dạng Support. IV. Kết quả. -Sau khi mô hình xong chúng ta cho phần mền chạy (ấn F5),midas sẽ tự động tính cho chúng ta hết các chuyển vị, nội lực, ngoại lực của các phần tử ứng với các sơ đồ tải trọng khác nhau. Midas còn có thể xuất sang dạng file Excel các nội lực và ngoại lực ứng với từng vị trí của tiết diện. ( các kết quả xem phần sau đây)