Giáo án môn học: Tin ứng dụng trong Thiết kế cầu Version βeta
Bộ môn Cầu Hầm - Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Trang 1

CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN CÁC PHẦN MỀM
ỨNG DỤNG TRONG XÂY DỰNG
1. Tình hình ứng dụng tin học trong nước
Trong những năm gần đây, việc ứng dụng tin học trong xây dựng đã có bước
phát triển vượt bậc. Các phần mềm hỗ trợ thiết kế xây dựng ngày càng hiện đại và
liên tục được cập nhập. Công tác thiết kế và quản lí xây dựng trong các cơ quan
được tin học hóa mạnh mẽ giúp cho công việc được tiến hành một cách nhanh
chóng, khoa học và tiện lợi.
Trong sự phát triển của ngành xây dựng nói chung, ngành Cầu cũng có những
đóng góp tích cực, đặc biệt là với sự hỗ trợ của công nghệ thông tin. Đa số các phần
mềm ứng dụng trong thiết kế cầu đều được viết dựa trên cơ sở phương pháp số mà
trong đó việc phân tích kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM - Finite
Element Method) được sử dụng nhiều nhấ
t và có nhiều ưu việt hơn cả. Phương
pháp FEM giúp cho việc tính toán kết cấu chính xác và nhanh chóng.
2. Giới thiệu các phần mềm ứng dụng trong xây dựng
Các phần mềm hỗ trợ vẽ thiết kế và kiến trúc.
• AUTOCAD : Là phần mềm hỗ trợ vẽ kĩ thuật
• PHOTOSHOP
• 3D-STUDIO Max
Các phần mềm hỗ trợ phân tích kết cấu và công trình cầu
• SAP2000
• RM2000
• MIDAS
• STADD III
Các phần mềm phân tích địa kỹ thuật, nền móng
• FB-FIER
• GEO-SLOPE

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 [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 đi
ểm 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 .
3.2. Khái niệm về cách mô hình hóa bài toán trong Sap2000
(Version 9.03)
• Mô hình là gì? Mô hình là mô tả khái quát một đối tượng nhằm mụ
c
đích nghiên cứu sự làm việc của đối tượng đó. Cùng một đối tượng có
thể có nhiều mô hình khác nhau.
• Mô hình hóa kết cấu là mô tả đối tượng thành một sơ đồ tính nhằm
giải quyết bài toán kết cấu. Kết quả dung để thiết kế hay đánh giá sự
làm việc của đối tượng.
• Trong Sap2000, việc mô hình bài toán được thực hiện thông qua giao
diện đồ họa nên người s
ử dụng có thể mô hình và sau đó gán các tải
trọng

Giáo án môn học: Tin ứng dụng trong Thiết kế cầu Version βeta
Bộ môn Cầu Hầm - Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Trang 4
CHƯƠNG 2 : THỰC HÀNH PHẦN MỀM SAP 2000 VERSION
9.03 TRONG THIẾT KẾ CẦU
A. CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN
1. Những khái niệm cơ bản
1.1. Sơ đồ kết cấu - sơ đồ tính
1.1.1. Nút (Joint)
a/ Vị trí của nút:
• Điểm liên kết các phần tử .
• Điểm thay đổi về đặc trưng vật liệu.
• Điểm cần xác định chuyển vị & điểm có chuyển vị cưỡng bức.
• Điểm xác định điều kiện biên.
• Tải trọng tập trung (trừ t
ải trọng tập trung trên Frame).
• Khối lượng tập trung.
b/ Khai báo nút trong SAP:
• Các nút được tạo tự động khi tạo phần tử .
• Số hiệu nút được gán tự động.
• Có thể thêm nút tại vị trí bất kỳ.
• Hệ toạ độ cho nút có thể lấy mặc định theo hệ toạ độ tổng thể hoặc hệ toạ
độ riêng của nút.
• Nút có các loại h
ệ toạ độ riêng cho: liên kết, bậc tự do, lực tập trung, khối
lượng tập trung…
c/ Bậc tự do của nút:
• Một nút có 6 bậc tự do: U1, U2, U3 (thẳng); R1, R2, R3 (xoay).
• Chiều dương quy ước của các bậc tự do tương ứng với 6 thành phần trong
hệ toạ độ tổng thể.
• Bậc tự do tính toán (DOF = Degree of Freedom): Số bậc tự do tính toán

• Thanh coi là thẳng đứng nếu góc nghiêng với trục Z không quá 10°.
• Khi vẽ các phần tử nên theo trật tự từ trái sang phải, từ dưới lên trên.
• Thanh có thể có tiết diện không đổi (Primastic) hoặc thay đổi (Non-
Primastic).
• Thanh có thể có các loại liên kết khác nhau tại các nút (Release, Regid)
•
Các đặc trưng hình học của phần tử thanh: (do chương trình tự tính nếu dùng
các tiết diện mẫu của SAP)
+ Section modulus : mô men chống uốn
+ Plastic modulus: mô men dẻo
+ Radius of Gyration: bán kính quán tính
• Các loại tải trọng tác dụng lên phần tử thanh:
+ Tải trọng tập trung trên phần tử
+ Tải trọng phân bố (đều hoặc không đều)
+ Trọng lực, tải trọng bản thân
+ Tải trọng nhiệt
+ Tải trọng
ứng suất trước
+ Tải trọng động (Response Spectrum & Time history)
+ Tải trọng di động
• Nội lực của phần tử thanh: 6 thành phần: P, V1,V2, T, M22, M33. Với bài
toán phẳng chỉ có 3 thành phần: P,V2, M33.
b/ Phần tử vỏ (shell)
• Có thể có 3 hoặc 4, là mặt phẳng trung bình của các kết cấu loại tấm, vỏ,
bản,… được khai báo qua chiều dày của phần tử.
• Có các loại: (Type)
+ Membrane: phần tử màng chịu kéo (nén), chuy
ển vị trong mặt
phẳng và xoay quanh trục vuông góc với mặt phẳng phần tử.
+ Plate : phần tử tấm chỉ chịu uốn:( 2 chiều trong mặt phẳng và ngoài

1.1.3. Liên kết: có các loại liên kết sau:
• Liên kết tại giao điểm của các phần tử (nút)
• Liên kết nối đất
• Ràng buộc chuyển vị
a/ Liên kết cứng (Restraints)
•
Chuyển vị theo phương các bậc tự do mà nút gán bằng 0, tương ứng
vớicác thành phần phản lực của nút đó.
• Các thành phần gán Restraints có thể có chuyển vị cưỡng bức theo loại
tải trọng Displacement Load( chuyển vị của các bậc tự do có giá trị bằng
chuyển vị cưỡng bức, chuyển vị này cũng gây ra nội lực trong mô hình).
• Liên kết Restraint đảm bảo cho mô hình khác bị biến hình. Nếu kế
t cấu bị
biến hình, chương trình sẽ thông báo “ Structure to be unstable”.
b/ Liên kết đàn hồi (Spring)
• Cũng có các thành phần chuyển vị:
o Translation U1, U2, U3 = UX, UY, UZ
o Rotation R1, R2, R3 = RX, RY, RZ
• Độ cứng của gối liên kết có giá trị hữu hạn
• Giá trị chuyển vị của liên kết hữu hạn và phụ thuộc vào gối đàn hồi
• Phản lực gối là phản lực đàn hồi
• Lo
ại cũng phải đảm bảo cho kết cấu không bị biến hình
• Gối đàn hồi cũng có thể chịu các chuyển vị cưỡng bức và phản lực đàn
hồi bằng tổng phản lực của 2 chuyển vị
• Không khai báo liên kết nút Restraints trùng với Spring
c/ Ràng buộc chuyển vị:( Constraints)
• Để mô hình làm việc đúng với tính chất thực của nó và không bị biến
hình
•

đồ kết cấu.
• Các hệ đơn vị sẽ được chương trình tự động quy về một loại.
• Kết quả
đưa ra theo một hệ đơn vị chung (hệ khai báo đầu tiên).
1.4. Những bước chính khi thực hiện phân tích kết cấu
1.4.1. Thiết lập sơ đồ kết cấu
• Xây dựng hệ lưới hoặc chọn thư viện mẫu
• Khai báo vật liệu
• Khai báo các đặc trưng hình học (tiết diện, chiều dày…)
• Vẽ phần tử
• Gán tiết diện cho phần tử

• Khai báo liên kết nối đất
• khai báo các trường hợp tải trọng
• Gán tải trọng cho phần tử đối với từng trường hợp tải trọng: tải trọng bản
thân, tải trọng nút, tải trọng tập trung, tải trọng phân bố đều, tải trọng phân
bố không đều…
• Tổ hợp tải trọng
1.4.2. Phân tích kết cấu:
• Chọn ki
ểu kết cấu: dàn, khung, vỏ…
• Khai báo một số tham số cần thiết (tham số để tính, in, hoặctham số động)
• Thực hiện phân tích (chạy chương trình)
1.4.3. Xem kết quả 2. Giới thiệu về giao diện của SAP2000

nhiên, tại mỗi thời điểm, chỉ có 1 cửa sổ là đang hoạt động và các tác động
chỉ có hiệu quả trong cửa sổ này. Có thể thay đổi một cửa sổ bất kỳ thành
cửa sổ hoạt động bằng cách nhấn vào một điểm bất kỳ trong cửa sổ đó.
• Status Line: cho biết các thông tin về
trạng thái hiện tại. Ở phía phải của
dòng có một hộp nhỏ hiện và thấy đổi hệ đơn vị đang dùng, toạ độ hiện thời
của con trỏ và các điều khiển hoạt động trong trường hợp hiện các biểu đồ
chuyển vị hoặc các dao động.
2.2. Thanh Menu
• Chứa tất cả các hộp thoại và các câu lệnh của SAP2000
• Để vào các lệnh, đ
i từ menu chính→ menu con→ hộp hoại:
o Check box: chọn một phương án
o List box: chọn một giá trị trong số các giá trị liệt kê
o Hộp giá trị: đưa vào một giá trị cụ thể
• Một số lệnh có thể có trạng thái On – Off liên hoàn
2.2.1. Các thao tác với File
• Open – Save – Save as – Close: các chức năng thông thường như mở, lưu,
đóng file.
• New Modal: bắt đầu một mô hình mới qua vi
ệc khai báo hệ lưới gọi như một
thư viện bằng cách sử dụng một trong những kết cấu đã thiết lập sẵn do
chương trình cung cấp. Các kết cấu này có dạng đơn giản và đều nhau về
kích thước. Chúng có thể là giàn, khung phẳng, khung không gian, vỏ trụ, vỏ
cầu…Người sử dụng có thể dùng một hoặc ghép nối nhiều kết cấu mẫu với
nhau tạo thành m
ột kết cấu mới cho mình hoặc dựa trên những mô hình này
biến đổi cho phù hợp với kết cấu thực mong muốn. Khi gọi thư viện mẫu
theo chức năng này thường kết cấu được tạo có kích thước là đều nhau theo
Giáo án môn học: Tin ứng dụng trong Thiết kế cầu Version βeta

2.2.2. Các thao tác với Edit
Chức năng này dùng trong quá trình thay đổi mô hình. Hầu hết các thao tác của
Edit tác động tới một hoặc nhiều đối tượng vừa chọn. Các thao tác này nằm trong
menu Edit. Trước khi dùng các thao tác này, phải lựa chọn các đối tượng cần tác
độ
ng (nút, phần tử, liên kết…).
Một số chức năng cơ bản:
• Undo, Redo: cho phép huỷ hoặc quay lại các thao tác vừa làm.
• Cut, Copy, Paste, Delete: dùng để cắt, sao chép, dán, xoá một nhóm đối
tượng trong quá trình tạo lập sơ đồ kết cấu.
• Add to Model Form Template: nối một kết cấu trong thư viện của
SAP2000 với một mô hình đã có.
• Interactive DataBase Editing: sửa chữa các dữ liệu đưa vào qua các bảng
d
ữ liệu. Các dữ liệu mới được cập nhật ngay vào mô hình nếu chấp nhận
(apply) các dữ liệu này. Trong quá trình sửa chữa, SAP2000 cung cấp các
chức năng để sao chép, xoá, sửa thuận tiện và đôi khi hiệu quả hơn biến đổi
trực tiếp trên đồ hoạ.
• Add Grig at Selected Point: thêm các đường lưới tại các điểm đánh dấu đã
lựa chọn, đường lưới này có thể theo một trong 3 trụ
c của hệ toạ độ bất kỳ.
Giáo án môn học: Tin ứng dụng trong Thiết kế cầu Version βeta
Bộ môn Cầu Hầm - Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Trang 10
• Replicate: cho phép tạo ra một bản sao của một nhóm đối tượng nào đó(nút,
phần tử ) từ một bản gốc và cho phép chuyển đến vị trí mới bằng phương
pháp tịnh tiến hoặc quay theo các trục. Có 3 kiểu:
o Linear: sao chép một số đối tượng đếnvị trí mới (có số gia theo cả 3
phương) với số lượng tuỳ ý.
o Radial: tạo ra một số bản copy và cho phép xoay quanh m
ột trục nào

ăng này để
Realease hoặc Constraint, Restrain).
• Connect : Dùng nối các nút của các phần tử tại cùng một vị trí có tên khác
nhau thành một nút chung,các nút thừa tự loại bỏ (ngược lại của quá trình
Disconect).
• Show Duplicates: chức năng này dùng để hiện (đổi màu) các phần tử trùng
nhau. Sau đó có thể xoá hoặc nhập lại các nút hoặc phần tử giống nhau
(trùng tên).
• Merge Duplicates: ngược lại với Show Duplicates.
• Change Lable: thay đổi lại cách đánh s
ố nút, phần tử theo một tổ hợp mới
gồmcó chữ hoặc số, có thể đánh theo trật tự hướng X,Y, Z tuỳ chọn.
2.2.3. Các thao tác với View
• Set 2D – 3D view: hiển thị 2 chiều là hiện kết cấu trong một mặt phẳng song
song với một trong 3 mặt phẳng X-Y, X-Z hoặc YZ của hệ toạ độ chung, chỉ