Công nghệ thông tin XD
 
Lập chương trình kết hợp với SAP 2000N để tính kết cấu bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn Việt Nam
5/5/06 12:00 AM

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.

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 nguồn sau:
- Các phần mềm của Việt Nam: như FBTW, DTG, KP, CASA,... Các phần mềm này cho phép người sử dụng tính toán nội lực, chuyển vị, tổ hợp các kết quả theo TCVN và tính lượng cốt thép cho các kết cấu BTCT theo TCVN 5574: 1991 nhưng chúng lại chỉ có khả năng tính được một số kết cấu tương đối đơn giản như khung phẳng FBTW, KP, hệ dầm giao nhau DTG,... mà thôi. Ngoài ra, các phần mềm này thường được bán với giá khá đắt.
- Các phần mềm của nước ngoài: như SAP2000, STAAD III, STAAD-PRO, STRAND, ETABS2000, SAFE,... Các phần mềm này đều là những phần mềm tính kết cấu chuyên nghiệp, có khả năng tính được gần như bất cứ dạng kết cấu công trình từ đơn giản đến phức tạp mà ta có thể gặp trong thực tế. Tuy nhiên, do chúng là những phần mềm của nước ngoài và thường đến tay người sử dụng Việt Nam theo những con đường không chính thức nên phần tổ hợp kết quả nội lực, phần tính toán lượng cốt thép và kiểm tra hàm lượng cốt thép của các phần mềm này hoàn toàn không theo các qui định trong TCVN.
Theo nhận xét ở trên, chúng ta thấy rằng nếu sử dụng các phần mềm của Việt Nam như FBTW, DTG, KP,... thì chỉ có thể tính toán thiết kế kết cấu BTCT theo TCVN được các dạng kết cấu đơn giản, còn nếu dùng các phần mềm của nước ngoài như SAP2000, ETABS2000,... thì có thể tính được nội lực, ứng suất, chuyển vị,... của gần như tất cả các dạng kết cấu có thể gặp trong thực tế, nhưng lại không thể tiến hành việc tổ hợp nội lực, tính lượng cốt thép theo TCVN được.

3. Sự cần thiết cần phải có một phần mềm kết hợp với SAP2000 để thiết kế kết cấu BTCT theo TCVN
Phần mềm SAP2000 Nonlinear là một phần mềm chuyên dụng để phân tích và thiết kế các kết cấu xây dựng của hãng CSI Mỹ. Đây là một phần mềm cực mạnh, đa năng, có thể phân tích nội lực và thiết kế cho hầu hết các dạng kết cấu công trình có thể gặp trong thực tế. Phần mềm này hiện nay được rất nhiều kỹ sư trên khắp thế giới sử dụng để thiết kế các công trình xây dựng. Do vậy, phần mềm SAP2000 đã được chọn để giảng dạy cho sinh viên tại Khoa Xây dựng DD & CN, Khoa Xây dựng Cầu đường,... của Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng.
Tuy nhiên, hiện tại SAP2000 chưa có phần tổ hợp nội lực và thiết kế cấu kiện BTCT theo TCVN. Vì vậy, để các kỹ sư và sinh viên ngành Xây dựng có thể sử dụng SAP2000 thiết kế các kết cấu xây dựng tại Việt Nam, chúng ta cần phải xây dựng thêm một phần mềm liên kết với SAP2000 được chúng tôi đặt tên là CD BY VNSTAND, nhằm sử dụng các số liệu về kết cấu đã nhập cho SAP2000 và kết quả nội lực do SAP2000 tính được để tiếp tục thực hiện công đoạn tổ hợp nội lực và thiết kế cấu kiện BTCT theo TCVN một cách tự động.

4. Vài nét về phần mềm CD BY VNSTAND
4.1. Ý tưởng chính và cách hoạt động của phần mềm CD BY VNSTAND
Sau khi đã nghiên cứu, phân tích tình hình một cách cẩn thận, chúng tôi đã xây dựng được một phần mềm có tên CD BY VNSTAND kết hợp với phần mềm SAP2000 Nonlinear version 7.42 để tính kết cấu BTCT theo TCVN, hai phần mềm này kết hợp hoạt động theo sơ đồ ở hình vẽ 2.
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.
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 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.

' border=0 src='/image/images?img_id=com.vportal.portlet.vcms.model.VcmsArticle.3980.544' />

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.

Nguồn tin: T/C Khoa học công nghệ, số 2/2006


Các bài mới
Các bài đã đăng

LIÊN KẾT WEBSITE