TÓM TẮT:
Hiện nay, với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, kết cấu dàn thép không gian được ứng dụng khá phổ biến trong ngành xây dựng công nghiệp, đặc biệt đối với các công trình lớn như: sân vận động, nhà ga, sân bay, bảo tàng, nhà thi đấu,… Đây là một loại kết cấu chịu lực được tổ hợp bởi các phần tử dạng thanh liên kết trên nhiều mặt phẳng tạo ra các kết cấu chịu lực đa chiều, rất chắc chắn có thể vượt qua những khẩu độ rất lớn mà đối với kết cấu bê tông, gạch đá thì khó làm hoặc làm không hiệu quả. Có nhiều hình thức của kết cấu dàn thép không gian góp phần làm tăng vẻ đẹp thẩm mỹ cho công trình, các bộ phận kết cấu hợp lý nên hình thức liên kết của kết cấu rất nhẹ, ít tốn nguyên vật liệu. Đây là giải pháp kinh tế nhất cho các công trình không gian nhịp lớn trên 30m. Bên cạnh những ưu điểm của kết cấu này, việc xây dựng mô hình chính xác đưa vào bài toán thiết kế là yếu tố vô cùng quan trọng, bởi liên quan đến khả năng chịu lực, hình dạng tiết diện của kết cấu. Chính vì vậy, để giúp cho người làm công tác thiết kế xây dựng mô hình hóa được dễ dàng và độ chính xác cao, trong phạm vi bài viết này, tác giả chọn hướng dẫn xây dựng mô hình kết cấu các loại dàn thép không gian bằng phần mềm SAP2000 V16 trong quá trình thiết kế kết cấu.
Từ khóa: Sap2000, thiết kế dàn thép không gian bằng Sap2000, thực hành trong Sap2000.
1. Đặt vấn đề
Từ những năm 1950, kết cấu dàn thép không gian đã được ứng dụng trong các công trình lớn tại các quốc gia phát triển như Đức, Pháp, Nga, Mỹ,… Khoảng 10 năm trở lại đây, kết cấu dàn không gian của Việt Nam cũng bắt đầu có những bước tiến vượt bậc. Đặc biệt trong vài năm gần đây, kết cấu dàn thép không gian đã dần thay thế cho những kết cấu mái thép và bê tông thông thường, bởi kết cấu dàn thép không gian đã đáp ứng nhu cầu công trình vượt nhịp lớn (> 40m) như sân vận động, nhà ga, sân bay, bảo tàng, nhà thi đấu,… Đây là giải pháp tối ưu cho sự dung hòa giữa mỹ thuật và kinh tế; hệ kết cấu dàn gồm các phần tử chịu lực theo nhiều chiều trong không gian và được thiết mô phỏng theo mô hình kết cấu phân tử hóa học của Natri, Cacbon, kim cương… Kết cấu dàn thép không gian có kết cấu vững chắc, kiến trúc đẹp, độc đáo được sử dụng nhiều trong xây dựng các công trình công cộng trên thế giới do tận dụng tối đa khả năng làm việc của phần tử thanh dẫn đến tiết kiệm vật liệu và an toàn trong sử dụng. Bên cạnh những ưu điểm của kết cấu này, việc xây dựng mô hình chính xác đưa vào bài toán thiết kế là yếu tố vô cùng quan trọng, vì nó liên quan đến khả năng chịu lực, hình dạng tiết diện của kết cấu. Để giúp cho người làm công tác thiết kế xây dựng mô hình hóa được dễ dàng và độ chính xác cao, trong phạm vi bài viết này tác giả chọn hướng dẫn xây dựng mô hình kết cấu các loại dàn thép không gian bằng phần mềm SAP2000 V16.
SAP2000 là phần mềm thiết kế kết cấu thông dụng được ưa chuộng và sử dụng rộng rãi, do có nhiều tính năng ưu việt trong lĩnh vực xây dựng. Trong thanh công cụ File/new model của phần mềm SAP2000, ta thấy có nhiều thư viện kết cấu mẫu được lập trình sẵn rất phong phú, hỗ trợ tốt cho người làm công tác thiết kế, cũng như là sinh viên đang học tập và vận dụng làm đồ án tốt nghiệp tại các trường.
Qua khảo sát trên người sử dụng và các sinh viên cho thấy rằng việc tạo được mô hình kết cấu dàn thép không gian có độ chính xác và đơn giản trong việc khai báo số liệu bằng phần mềm SAP2000 là phù hợp, đã giúp cho người sử dụng thao tác được dễ dàng hơn trong quá trình thiết kế kết cấu.
2. Xây dựng mô hình tính toán
Việc xây dựng mô hình kết cấu dàn thép không gian bằng phần mềm SAP2000 đòi hỏi các thông số phải thật chính xác, vì vậy để giải quyết vấn đề cho người học tại trường cũng như giúp ích cho người dùng SAP2000 có được phương pháp thực hiện tốt nhất và mang lại hiệu quả cao, tác giả thực hiện xây dựng mô hình kết cấu dàn thép không gian bằng phần mềm SAP2000 thông qua việc giải quyết trực tiếp vấn đề được bàn đến trong nội dung bài viết dưới đây.
2.1. Mô hình kết cấu dàn không gian mạng tinh thể
Thông số yêu cầu: Các thanh dạng ống, thanh ngang dọc ở mặt dưới có D40, dày 5mm; Thanh ngang, dọc ở mặt trên có D30, dày 5mm; Thanh xiên có D20, dày 5mm.
Hình 1: Kết cấu dàn không gian mạng tinh thể
Vật liệu thép có Modul đàn hồi E = 2.3E6 KN/cm2; Hệ số Poisson µ = 0.3
Trình tự thực hiện như sau:
- Mở phần mềm SAP2000, chọn đơn vị phía dưới màn hình là KN, m, C. Vào menu File/ new model, sau đó chọn tạo sơ đồ theo hệ lưới Grid Only, với các thông số trong hộp thoại Quick Grid Lines như sau:
+ Number of Grid Lines: X direction = 6, Y direction = 6, Z direction = 2.
+ Grid Spacing: X direction = 2, Y direction = 2, Z direction = 2.
+ First Grid Line Location: X direction = 0, Y direction = 0, Z direction = 0.
- Tiến hành tạo vật liệu cho dàn thép, vào menu Define/Materials chọn A992Fy50, sau đó chọn Modify/Show Material. Xuất hiện hộp thoại Material property data, chúng ta điền các thông số của thép, Modul đàn hồi, chọn nút Ok như sau:
+ Weight and Mas: Weight per Unit Volume = 78.50, Units = KN, m, C.
+ Isotrolic Property Data: Modulus of Elasticity (E) = 2.3E+08, Poissons Ratio (U) = 0.3; Coefficient of Thermal Expansion (A) = 1.170E-0.5; Shear Modulus (G) = 76903069.
+ Other Properties for Steel Materials: Minimum Yeild Stress (Fy) = 344737.9, Minimum Tensile Stress (Fu) = 448159.3, Effective Yeild Stress (Fye) = 379211.7, Effective Tensile Stress (Fue) = 492975.2.
- Vào menu Define/Section properties/Frame Sections, chọn tạo mới tiết diện Add New Property, trong hộp thoại Add Frame Section Property chọn tiết diện dạng ống Pipe, sau đó khai báo tiết diện các thanh ống với đường kính, độ dày cho ban đầu (Outside diameter, t3 = 0.4; Wall thickness, tw = 5E-3) trong hộp thoại Pipe Section, chọn Ok.
- Dùng lệnh Draw Frame/Cable trên thanh công cụ để vẽ 4 thanh dàn D40 ở phía dưới tại vị trí A-B và 1-2, sau đó thực hiện vẽ thanh xiên D20 bằng cách chọn một điểm rồi vào Edit/Extrude/Extrude Point to Frame/Cables, trong hộp thoại Extrude Point to Lines khai báo các thông số trong Increment Data (dx = 1, dy = 1, dz = 2, Number = 1), nhấn ok.
- Tiếp theo ta vào Edit/Replicate nhân bản thanh xiên ra thêm 3 phần tử nữa tạo thành hình tháp như Hình 2.
Hình 2: Nhân bản phần tử
- Tiếp tục vào Edit/Replicate nhân bản hình tháp theo phương X, Y, rồi vẽ thanh ở mặt trên, ta được kết quả như Hình 3.
Hình 3: Kết quả mô hình kết cấu dàn không gian mạng tinh thể
2.2. Mô hình kết cấu dàn vòm thép không gian mạng tinh thể
Hình 4: Kết cấu dàn vòm thép không gian mạng tinh thể (nguồn tác giả)
Hình 5: Kết quả tạo tinh thể dàn
Hình 6: Kết quả nhân bản tinh thể dàn
Hình 7: Kết quả tạo liên kết 15 tinh thể dàn
Hình 8: Kết quả vẽ thanh dưới dàn
Hình 9: Kiểm tra tiết diện thanh dàn sau khi gán
Hình 10: Kết quả mô hình kết cấu dàn vòm thép không gian mạng tinh thể
Thông số yêu cầu: Bán kính vòm R = 15m, vòm được cấu tạo bằng 15 tinh thể liên kết khớp, mỗi phần tử là một tứ diện đều cạnh 1m, theo phương Y có 9 hệ dàn khoảng cách 1m.
Nhịp dàn 12.7064m, góc rãi 3.5798o, thép có Modul đàn hồi E = 2.3E6 KN/cm2; Hệ số Poisson µ = 0.3; Các thanh dàn thép tròn có thanh trên D30, thanh dưới D20 và thanh xiên D25.
Trình tự thực hiện như sau:
- Mở phần mềm SAP2000, chọn đơn vị phía dưới màn hình là KN, m, C. Vào menu File/ new model, sau đó chọn tạo sơ đồ theo hệ lưới Grid Only như sau:
+ Number of Grid Lines: X direction = 3, Y direction = 3, Z direction = 2.
+ Grid Spacing: X direction = 0.5, Y direction = 0.5, Z direction = 1.
+ First Grid Line Location: X direction = 0, Y direction = 0, Z direction = 0.
- Tiến hành tạo vật liệu cho vòm thép trong menu Define/Materials như phần trước.
- Vào menu Define/Section properties/Frame Sections, chọn tạo mới tiết diện Add New Property, trong hộp thoại Add Frame Section Property chọn tiết diện dạng ống Pipe, sau đó khai báo tiết diện các thanh ống với đường kính, độ dày cho ban đầu trong hộp thoại Pipe Section, như phần trước.
- Dùng lệnh Draw Frame/Cable trên thanh công cụ để vẽ thanh trên, thanh xiên. Sau đó vào Edit/Replicate/Radian, chọn Parallel to Z để xoay quanh trục Z, điền các thông số, chọn Ok, cụ thể:
+ Intersection of Line with XY Plane: X = 0.5, Y = 0.5
+ Increment Data: Number = 3, Angle = 90
- Tiếp theo, ta nhân bản tinh thể dàn cho đủ 15 như yêu cầu của bài toán. Chọn tinh thể dàn nhân bản về bên phải 7 tinh thể, vào Edit/ Replicate/Radial, chọn xoay quanh trục Y với các thông số cần điền (X = 0.5, Z = -15, Number = 7, Angle = 3.5798o), nhấn Ok cho kết quả như Hình 6.
- Tiếp tục nhân bản 7 tinh thể dàn về bên trái, ta làm như trên và chọn góc xoay là -3.5798o, kết quả được như hình 7.
- Sau đó vẽ thanh dưới bằng cách vào Edit/Extrude/Extrude Points to Frames /Cables chọn Radial/Y và khai báo như sau: Property For Added Objects = D30, Point X = 0.5, Point Z = -15, Angle = 3.5798, Number = 7, Total Rise (Y) = 0); và nhấn Ok.
- Tiếp tục thực hiện như trên để vẽ thanh dưới cho 7 thanh còn lại bên trái.
- Vào menu View/Set 3d View chọn khung nhìn xz để chọn các thanh dàn, sau đó vào Assign/Frame/Frame Section để gán tiết diện cho thanh dàn theo yêu cầu bài toán.
- Sau khi gán tiết diện để kiểm tra, ta vào Set Display Options/View by Colors op, chọn Section để hiển thị tiết diện theo màu như hình 9.
- Chọn tất cả thanh dàn, vào Edit/Replicate nhập thông số (dx = 0, dy = 1, dz = 0, Number = 8), nhấn Ok cho kết quả như sau:
2.3. Mô hình kết cấu dàn thép không gian Cupon
Thông số yêu cầu: thép có trọng lượng riêng là 7.85T/m3, hệ số Poisson µ = 0.3. Các thanh cánh thượng, cánh hạ và thanh bụng chọn là các thanh thép tròn rỗng có D30, dày 5mm.
Hình 11: Kết kết cấu dàn thép không gian Cupon
Bán kính chỏm cầu R = 30m, góc ở tâm T = 450, số lưới chia theo kinh tuyến là 16, số lưới chia theo vĩ tuyến là 8.
Trình tự thực hiện như sau:
- Mở phần mềm SAP2000, chọn đơn vị phía dưới màn hình là KN, m, C. Vào menu File/ new model, sau đó chọn tạo sơ đồ theo dạng Shell/Shell type chọn Spherical Dome và khai báo như sau: Radius, R = 30 với Num. of Divisions, Angular = 16; Roll Down Angle, T = 45 với Num. of Division, Z = 8; Areas = Defaut, nhấn Ok cho kết quả như minh họa tại Hình 12.
Hình 12: Sơ đồ không gian Cupon được tạo
- Tiến hành tạo vật liệu cho dàn thép trong menu Define/Materials như phần trước.
- Chọn khung nhìn RZ, vẽ các thanh dàn theo yêu cầu, gán thêm liên kết như Hình 13.
Hình 13: Kết quả vẽ một dàn Cupon
- Chọn toàn bộ thanh dàn, vào Edit/Replicate, chọn Radial/Parallel to Z, cho thanh dàn xoay quanh toạ độ X = 0; Y = 0, Number = 16, Angle = 22.5, ta được kết quả như Hình 14.
Hình 14: Kết quả vẽ các khung dàn Cupon
- Tiếp theo, ta vào Select/Properties/Area Sections để chọn xóa các Shell. Chọn 2 điểm đầu cùa một khung dàn, vào Edit/Extrude/Extrude Points to Frame/Cables, chọn Radial, xoay quanh trục Z, được kết quả như Hình 15.
Hình 15: Kết quả mô hình kết cấu dàn thép không gian Cupon
3. Kết luận
Việc xây dựng mô hình kết cấu các loại dàn thép không gian với các thao tác thực hiện đơn giản, giúp cho người kỹ sư tạo ra các dạng mô hình dàn thép không gian chính xác và nhanh chóng, từ đó tính toán nội lực để có giải pháp lựa chọn tiết diện hợp lý, đảm bảo độ bền, độ an toàn cho công trình khi đưa vào sử dụng trong thực tế. Như vậy, bằng nhiều phương pháp, có thể tạo mô hình tính toán cho công trình dàn thép, tác giả sử dụng phần mềm SAP2000 V16 để hướng dẫn thực hiện giúp cho người làm công tác thiết kế, cũng như sinh viên ở các trường đơn giản hóa và mô hình chính xác, rút ngắn thời gian bài toán thiết kế kết cấu các loại dàn thép không gian, đồng thời cho thấy ưu điểm vượt trội của SAP2000 qua các giao diện trực quan, ứng dụng nhiều hơn cho các kỹ sư ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp và các ngành xây dựng cơ bản khác.
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
- Nguyễn Vy Thanh (2022). Tin học ứng dụng 2 - SAP2000 (Hướng dẫn các dạng kết cấu thông dụng). Trà Vinh: Nhà xuất bản Xây dựng.
- Bùi Đức Vinh (2000). Giáo trình Phân tích và thiết kết kết cấu bằng phần mềm Sap 2000. Hà Nội: Nhà xuất bản Thống kê.
- Hồ Đình Thái Hòa (2001). Giáo trình Ứng dụng tin học trong thuyết minh, tính toán và thiết kế kết cấu công trình Sap 2000. Hà Nội: Nhà xuất bản Thống kê.
- Lê Văn Duy (2012). Giáo trình SAP2000, V14.0.0. Trung tâm đồ họa Hoàng Nhi, Hà Nội.
- Hồng Tiến Thắng (2010). Hướng dẫn sử dụng SAP2000, V12.0.0. Khoa Công trình, Đại học Thủy lợi, Hà Nội.
- https://vietmysteel.com/ket-cau-gian-khong-gian/
USING SAP2000 V16 TO DEVELOP STRUCTURAL MODELS
OF SPACE STEEL TRUSS STRUCTURES
• Master’s student NGUYEN VY THANH
• Master. NGUYEN NHAT THANH
Lecturer, Tra Vinh University
ABSTRACT:
With the continuous development of science and technology, the space steel truss structure is now used popularly in the industrial construction industry, especially large projects such as stadiums, railway stations, etc. The space steel truss structure is a type of load-bearing structure that consists of rod-shaped elements on many planes to create a very strong multi-dimensional bearing structure. The space steel truss structure can exceed through very large apertures that are difficult or ineffective for concrete and brick structures. There are many forms of the space steel truss structure that enhance the aesthetic beauty of the building. In addition, the space steel truss structure has reasonable structural parts so the structure is very light. This is the most economical solution for projects which has over 30 meters spans. It is necessary to build an accurate designing model for the space steel truss structure to ensure its bearing capacity and the structure’s shape. This paper is to present how to use SAP2000 V16 to build various types of space steel truss structure during the stage of structural design.
Keywords: SAP2000, design space steel truss with SAP2000, practice in SAP2000.
[Tạp chí Công Thương - Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ, Số 2 tháng 1 năm 2023]
