www.phamvanan.com
Da nang Architectural University
Trang 2
CHƯƠNG I : MỞ ĐẦU
Mục tiêu: Học xong chương I, sinh viên sẽ biết ñược lịch sử hình thành và phát triển của chương
trình SAP2000; chức năng phân tích và thiết kế các loại kết cấu công trình; biết ñược phương pháp
phân tích kết cấu của SAP2000; biết và hiểu ñược các khái niệm cơ bản về: Hệ tọa ñộ ñược sử dụng,
phần tử thanh, nút, giao diện cũng như các nút lệnh cơ bản trên giao diện của SAP2000.
1.1. Giới thiệu phần mềm phân tích và thiết kế kết cấu - Sap2000
1. Lịch sử hình thành
Phiên bản ñầu tiên của chương trình ñược mang tên SAP (Structural Analysis Program :
Chương trình phân tích kết cấu) vào năm 1970, sau ñó xuất hiện SAP3, SAP-IV, SAP86,
SAP90 và gần ñây nhất là SAP2000 V14.1.
SAP2000 tích hợp chức năng phân tích kết cấu (tính phản lực, nội lực, chuyển vị, dao ñộng
) bằng phương pháp PTHH với chức năng thiết kế kết cấu (tính hoặc kiểm tra cốt thép ñối
ñộng, có vị trí bất ñộng hoặc di ñộng
Mô hình tính không hạn chế số nút và số phần tử nếu dung lượng trống ổ cứng còn nhiều.
Các phân tích cho bài toán bao gồm : phân tích tĩnh, phân tích ñộng (tính tần số dao ñộng,
tính nội lực ñộng )
SAP2000 có 4 phiên bản :
+ Bản phi tuyến (Nonlinear) : ñầy ñủ các chức năng
+ Bản nâng cao (Advanced) : Thiếu chức năng phân tích phi tuyến.
+ Bản chuẩn (Standard) : Thiếu chức năng phân tích phi tuyến, mô hình tính giới hạn số
nút <1500.
+ Bản học tập (Education) : miễn phí, mô hình tính giới hạn tối ña 30 nút.
File dữ liệu của SAP2000 có phần mở rộng là *.SDB (file gốc dạng nhị phân) hoặc *.S2K
và *.S$K (file dữ liệu dạng tập tin văn bản), các file khác có cùng tên với file dữ liệu nhưng có
phần mở rộng khác do SAP tạo ra trong quá trình tính toán.
1.3. Một số khái niệm cơ bản
1. Hệ toạ ñộ sử dụng trong Sap2000
a. Hệ toạ ñộ tổng thể (Global System):
Tất cả toạ ñộ của các phần tử trong mô hình ñều ñược xác ñịnh thông qua một hệ toạ ñộ
chung gọi là hệ toạ ñộ tổng thể XYZ. Ngoài hệ toạ ñộ tổng thể, người sử dụng có thể ñịnh
Trang 4
nghĩa thêm các hệ toạ ñộ phụ ñể phục vụ cho công việc xây dựng hình dạng hình học của mô
hình, các toạ ñộ của hệ toạ ñộ phụ cuối cùng cũng ñược quy ñổi sang toạ ñộ của hệ toạ ñộ tổng
thể.
Trục Z luôn là trục thẳng ñứng, hướng lên, như vậy mặt phẳng XY là mặt bằng và thường
nên chọn mặt phẳng XZ là mặt phẳng làm việc chính của hệ (ví dụ như phương ngang của hệ
khung không gian hoặc mặt phẳng làm việc của hệ khung phẳng). Toạ ñộ của một vị trí ñược
xác ñịnh bằng 3 toạ ñộ x, y, z của vị trí ñó. Phương của hệ toạ ñộ ñược ký hiệu là ±X, ±Y, ±Z
(hướng + là cùng chiều, - là ngược chiều).
b. Hệ toạ ñộ ñịa phương (Local System):
Trong sơ ñồ tính
, thanh ñư
hình bằng một ñư
ờng thẳng trụ
nối 2 ñiểm ñầu thanh gọi l
à nút i (
ñầu) và nút j (nút cuối). Thư
ờ
thanh ñư
ợc nối với các phần tử
ñó t
ại nút xuất hiện những v
nhau giữa các thanh (
xem hình
khoảng cách chồng lên các ph
ầ
của thanh gọi là i_off và
j_off
từ nút ñến
biên vùng giao nhau
thanh ñang xét v
ới các thanh khác
End offset là m
ột phần của chi
cứng 1 phần (tương ñối). T
ải trọ
Chiều dài uốn của thanh (d
ùng
Trong ñó : L
b
Mặt phẳng 1-2 thường l
à m
Hệ trục mặc ñịnh :
+ Mặt phẳng 1-2 là m
ặt ph
Trang 5
u thanh (End offset)
, thanh ñư
ợc mô
ng trục thanh,
à nút i (
nút
ờng 2
ñầu
ần tử khác, do
ng v
ùng giao
xem hình
1.2.),
ần tử khác
j_off
ñược ño
biên vùng giao nhau
giữa
ới các thanh khác
.
ủa chiều d
ài thanh, có thể cứng tuyệt ñối
ho
phần tử ñó và ñược
ọng l
à c
ần phải nắm vững cách xác ñịnh hệ
ết diện, tải trọng v
à kết quả nội lực.
a thanh ñ
ược xác ñịnh từ hệ trục ñịa ph
ương m
ñịa ph
ương luôn là tr
ục dọc trục thanh, có chiề
à m
ặt phẳng làm việc chính của thanh.
ặt phẳng thẳng
ñứng (mặt phẳng Z-1).
Hình 1.2. Mô hình vùng c
ho
ặc mềm tuyệt ñối, hoặc
n các khoảng cách end of
fset.
ợc xác ñịnh nh
ư sau:
ñầu tha
nh : i (ñầu), j (cuối)
end offset, có giá tr
ị từ 0 ÷ 1 (mềm
vị trí end offset
và tại một số
không
d. N
ội lực, xuất kết quả nộ
Nội lực thanh l
à các thành ph
trên toàn b
ộ tiết diện thanh. Các th
+ Lực dọc (axial) : P
+ L
ực cắt (chính) trong m
+ L
ực cắt (phụ) trong mặ
+ Moment xo
ắn (axial torque) : T
+ Moment uốn (ph
ụ) trong m
+ Moment u
ốn (chính) trong m
Trang 6
ớng l
ên, trừ trư
ờng hợp thanh thẳng ñứng, lúc
ñịnh từ trục 1&2, có ph
n (chính) trong mặt phẳng 1
-
2 (bending moment) : M
Hình 1.3. Hệ tọa ñộ ñịa phương của thanh
ñứng, lúc ñó trục 2 có chiều
ằm trong mặt phẳng XY)
ời sử dụng cần khai báo
n hệ trục thực tế
ừ các th
ành phần ứng suất
2
(xoay quanh trục 2)
2 (bending moment) : M
3
(xoay quanh trục 3)
Các thành phần nội lực n
ày xu
dương của nội lực ñược quy ư
ớ
Nội lực của thanh ñư
ợc tính toán trong t
tại 2 ñầu thanh cùng các ñi
ểm
ng
Hình 1.
Trang 7
ày xu
ất hiện tại tất cả các tiết diện dọc tr
ên chi
ớc nh
ư trên hình sau :
c tính toán trong tất cả các tr
ư
ờng hợp tải trọng v
ểm
cách ñều nhau trên thanh. N
ếu thanh có khai báo End offset th
ặt thanh v
à t
ại các ñiểm cách ñều nhau tr
(Joint, degree of freedom)
:
n nhất
trong việc phân tích kết cấu, nút là ñi
ểm li
ển vị của nút
theo phương gối tựa ñã ñư
ợc biết
ợc xác ñịnh khi phân tích hệ
(
u thanh có khai báo End offset th
ì
u nhau tr
ên chiều dài trống của
ểm li
ên kết giữa các phần
c biết
, các chuyển vị còn lại
phương pháp chuyể
n vị). Chuyển vị
ành h
ệ kết cấu.
ặc
các liên kết ñàn hồi
ng ñ
ược áp dụng thông qua
(Thớ nén)
Trang 8
+ Nút ñược sử dụng như là một vị trí có thể ñặt tải trọng tập trung.
+ Các khối lượng phân bố trên thanh hay tấm ñược dồn về các ñiểm nút.
+ Tất cả tải trọng tác dụng và thanh hoặc tấm ñều ñược ñưa về nút ñể thiết lập phương
trình cân bằng.
+ Chuyển vị của nút chính là ẩn số của bài toán.
Khi nhập số liệu trong Sap2000, nút ñược tự ñộng tạo ra tại các ñầu thanh và tại các góc
của phần tử tấm, nút cũng có thể ñược thêm vào bằng cách khai báo ñộc lập.
Sử dụng tính năng tự phân chia (auto meshing) của phần tử thanh hoặc tấm sẽ tạo ra thêm
những ñiểm nút trong quá trình phân tích.
Bản thân nút cũng có thể ñược xem như là một phần tử, mỗi nút ñều có một hệ toạ ñộ ñịa
phương riêng của nó dùng ñể khai báo bậc tự do, liên kết và tải trọng. Trong nhiều trường hợp,
toạ ñộ tổng thể.
Phương mặc ñịnh này g
ần nh
vì một mục ñích nào ñó (thư
ờ
c
ủa hệ trục 123 bằng cách xoay h
Có 3 góc xoay a, b, c ñ
ể xác
+ Đầu tiên h
ệ trục X Y Z xoay
+ Ti
ếp theo hệ trục X' Y' Z xoay quanh tr
+ Cuối cùng h
ệ trục X'' Y' Z' xoay quanh tr
v
ới hệ trục 123 thực tế cần khai báo.
c. B
ậc tự do (degree of freedom)
Bi
ến dạng của hệ kết cấu ñ
c
ủa các nút. Mỗi nút trong hệ ñề
vị :
+ Ba thành ph
ần chuyển v
ng cách xoay hệ trục 123 từ ph
ương mặc ñịnh ñến ph
ươ
ể xác ñịnh ph
ương của hệ trục toạ ñộ ñịa ph
ươ
c X Y Z xoay
quanh trục Z một góc là a h
ệ trụ
c X' Y' Z xoay quanh trục Y' một góc l
à b h
ệ tr
c X'' Y' Z' xoay quanh trục X'' một góc l
à c
n khai báo.
do (degree of freedom)
ấu ñ
ược xác ñịnh từ chuyển vị
i nút trong hệ ñều có 6 th
ành phần chuyển
ển vị thẳng theo ph
ương hệ toạ
à U1, U2, U3
ển vị xoay theo ph
ương hệ toạ
à R1, R2, R3
ới hệ trục XYZ của hệ
ố các tr
ường hợp, tuy nhiên
ên) ta có th
ể thay ñổi phương
ương th
ực tế.
ươ
ng 123 :
ệ trục X' Y' Z
ệ trục X'' Y' Z'
hệ trục X'' Y'' Z'' trùng
ẽ.
ng sau :
ậc tự do ñó l
à ẩn số của
Z'
Y'
Y''
Hình 1.6. B
ậc tự do của nút
tuy nhiên những bậc tự do
ñó không
Hình 1.7.
Gối di ñộng
G
ối
Ngàm
Khớp cầu
Trang 10
t (restrained) : giá trị chuyển vị ñ
ược cho trư
ớc (bằng 0 ho
ứng theo ph
ương liên kết ñư
ợc xác ñịnh trong quá tr
c (constrained) : giá trị chuyển vị ñ
ược xác ñịnh
thông qua chuy
ển vị không ảnh h
ưởng ñến kết cấu và ñư
ợc b
(unavailable) : nh
ững thành phần chuyển vị
không xét ñến trong
và ph
ản lực (reaction):
a nút theo một phNgàm
Gối cố ñịnh
Nút
Li
Tất cả
1
2
3
U2, R1, R3
U3
U1, U3, R2
U1, U3
Hình1.8.Hệ khung KG
Nút Liên kết
1
2
3
4
U1, U2, U3
U3
U1, U2, U3, R1, R2, R3
Tự do
ối
Li
ên kết
U2, R1, R3
U3
U1, U3, R2
U1, U3
U1, U2, U3, R1, R2, R3Trang 11
1.4. Giao diện chương trình
1. Màn hình Sap2000 : bao gồm
- Cửa sổ chính (Main Windows) : thể hiện toàn bộ giao diện ñồ hoạ của chương trình.
lệnh có thể ñược thể hiện trên màn hình hoặc không thể hiện trên màn hình. Muốn thay ñổi
trạng thái hiện/ẩn nhóm nút lệnh nào ñó thì kích chuột phải vào thanh công cụ và chọn hoặc
hủy chọn nhóm nút lệnh tương ứng, riêng nhóm nút cơ bản không ẩn ñược.
a. Các nút lệnh thuộc nhóm Cơ bản (Standard)
New Model (Mô hình mới): Tạo mô hình ñể tính toán một kết cấu mới.
Open (Mở): Mở mô hình kết cấu ñã ñược lưu trên máy.
Save (Lưu): Lưu mô hình kết cấu vào máy.
Print Graphic (In hình): In hình ảnh ñang thể hiện trên cửa sổ hiện hành ra máy in.
Undo: Hủy tác vụ vừa thực hiện.
Redo: Khôi phục lại tác vụ vừa hủy bằng lệnh Undo.
Refresh Windows (Làm tươi màn hình): Thường sau khi thực hiện lệnh, màn hình
sẽ cập nhật lại những thông tin mới và thể hiện lại mô hình, tuy nhiên có vài trường hợp màn
hình không tự ñộng thể hiện việc cập nhật nên cần phải refresh ñể màn hình thể hiện lại mô
hình với các thuộc tính ñã thay ñổi.
/ Lock/Unlock Model (Khóa/Mở khóa): Sau khi tính toán nội lực, Sap tự ñộng
khóa mô hình ñể ñề phòng các thay ñổi dẫn ñến kết quả tính không còn phù hợp với sơ ñồ tính.
Nếu muốn chỉnh sửa cần phải mở khóa.
Run Analysis (Chạy chương trình): Sau khi nhập ñầy ñủ dữ liệu, cần chạy chương
trình ñể máy phân tích và tính toán hệ.
Rubber Band Zoom (Phóng to 1 khu vực) Kéo chuột quanh một khu vực nào ñó ñể
phóng to khu vực ñó lên.
Restore Full View (Xem toàn hệ) Khi ñang ở chế ñộ phóng to muốn trở lại Zoom
toàn bộ hệ.
Restore Previous Zoom (Trở lại chế ñộ Zoom trước ñó)
Zoom In One Step (Phóng to hình ảnh lên từng cấp)
Zoom Out One Step (Thu nhỏ hình ảnh xuống từng cấp)
Pan (Di chuyển khung nhìn)
Set Default 3D View (Xem hình ảnh hệ dưới dạng 3 chiều theo góc nhìn mặc ñịnh)
Set XY View (Xem hình ảnh hệ theo từng cốt mặt bằng) Các cốt chính là các ñường
lưới, tọa ñộ các ñường lưới phải ñược khai báo trước.
Trang 15
a. Blank : chỉ tạo bài toán mới. Không tạo hệ lưới và ñối tượng.
b. Grid Only (Hệ lưới) :
(Số ñường lưới)
Phương
Y
(Khoảng cách)
Phương
X
Phương Z
Phương
Y
Phương
X
Phương Z
Nếu muốn thay ñổi hệ
lưới thì chọn Edit Grid
Nhập tọa ñộ mới cho các ñường lưới
(Tọa ñộ các ñường lưới theo phương X)
(Tọa ñộ các ñường lưới theo phương Y)
(Tọa ñộ các ñường lưới theo phương Z)
Nếu muốn nhập số liệu
theo khoảng cách các ô
lưới thì chọn Spacing
Trang 16
Nếu muốn nhập kích thước cho dàn không ñều nhịp
thì chỉ cần nhập số ñốt dàn và chọn Use Custom Grid
sau ñó chọn Edit Grid
(Số ñốt dàn)
(chiều cao dàn
)
(Chiều dài 1 ñốt)
Hệ dàn hình chữ nhật
(Vertical Truss)
Nếu muốn nhập kích thước cho dàn không ñều nhịp
thì chỉ cần nhập số ñốt dàn và chọn Use Custom Grid
sau ñó chọn Edit Grid
(Số ñốt dàn)
(chiều cao dàn
)
(Chiều dài 1 ñốt)
Hệ dàn mái
(Pratt Truss)
(Nhịp L
1)
(Nhịp L
2)
(Chiều cao H
1)
(Chiều cao H
3)
(Chiều cao H
2)
1 (Transmission Tower 1)
Trang 19
(
Cao ñộ
)
(
Chiều rộng
)
Hệ dàn tháp dạng
2 (Transmission Tower 2)
(
Cao ñộ
)
(
Chiều rộng
)
Hệ dàn tháp dạng
3 (Transmission Tower 3)
Trang 20
f. 2D Frames (Hệ khung phẳng):
Có 3 dạng khung phẳng: Khung vuông góc (Portal); Khung có thanh giằng chéo
(
Số tầng
)
Hệ Khung vuông góc
(Portal)
(
Số nhịp
)
(
Chiều cao
1
tầng
)
(
Chiều rộng
1
nhịp
)
Nếu muốn nhập kích thước cho khung không ñều nhịp và ñều tầng
thì chỉ cần nhập số tầng, số nhịp và chọn Use Custom Grid
sau ñó chọn Edit Grid
(
Chiều cao
1
tầng
)
(
Chiều rộng
1
nhịp
)
Nếu muốn nhập kích thước ch
o khung không ñều nhịp và ñều tầng
thì chỉ cần nhập số tầng, số nhịp và chọn Use Custom Grid
sau ñó chọn Edit Grid
(
Khoảng hở giữa các thanh giằng
)
Trang 22
g. 3D Frames (Hệ khung không gian):
Có 4 dạng: Khung không gian (Open Frame Building); Khung không gian chỉ có
dầm biên (Perimeter Frame Building); Khung không gian làm việc ñồng thời với sàn (Beam-
Slab Building); Flat Plate Building (Kết cấu sàn phẳng, sàn nấm).
sau ñó chọn Edit Grid
(
Số nhịp Y
)
(
Chiều rộng nhịp Y
)
(
Số tầng
)
Hệ
Khung chỉ có dầm biên
(Perimeter Frame Building)
(
Số nhịp X
)
(
Chiều cao tầng
)
(
Chiều rộng nhịp X
)
Nếu muốn nhập kích thước cho khung không ñều nhịp và ñều tầng
thì chỉ cần nhập số tầng, số nhịp và chọn Use Custom Grid
sau ñó chọn Edit Grid
(
ñể xem hoặc ñiều chỉnh các hệ
l
ư
ớ
i c
ủa
h
ệ
to
ạ
ñ
ộ
chung
b. Chọn Add New System ñể
khai báo thêm hệ toạ ñộ mới
ngo
ài
h
ệ
to
ạ
ñ
(
Số nhịp Y
)
(
Chiều rộng nhịp Y
)
(
Số ñoạn chia trong
1
nhịp X
)
(
Số ñoạn chia trong
1
nhịp Y
)
(
Số tầng
)
Hệ Sàn phẳng không dầm
(Fla
t Plate Building)
(
Số nhịp X
)
(
Chiều cao tầng
)
4. Xoá các ñối tượng thừa :
Sau khi dùng các mô hình mẫu trong Sap2000, có thể có những phần tử thừa, nên cần
xoá bỏ ñể ñược mô hình ñúng yêu cầu. Để xoá các ñối tượng, trước hết phải chọn những ñối
tượng cần xoá. Việc chọn ñối tượng ñược thực hiện bằng cách kích trực tiếp vào ñối tượng,
hoặc kéo chuột từ trái sang phải bao quanh những ñối tượng cần chọn hoặc kéo chuột từ phải
sang trái bao quanh và cắt qua những ñối tượng cần chọn. Những ñối tượng ñược chọn sẽ thể
hiện trên màn hình bằng ñường ñứt nét, kích chuột vào ñối tượng ñang ñược chọn sẽ huỷ chọn
ñối tượng ñó. Lưu ý việc chọn ñối tượng là có tính tích luỹ.
Chọn những ñối tượng cần xoá, bấm phím Del trên bàn phím ñể xoá các ñối tượng ñược
chọn. Không thể xoá ñộc lập một nút nếu nút ñó là nút của một phần tử nào ñó còn lại, khi xoá
các phần tử thì các nút không còn nối với phần tử nào nữa sẽ bị xoá luôn dù không ñược chọn.
5. Vẽ thêm các ñối tượng : Khi vẽ nên ñặt góc nhìn 2D
a. Vẽ ñiểm Draw
Draw Special Joint
Xem cách vẽ trang 28
Khi vẽ chú ý các chế ñộ bắt dính (xem trang 30) ñể ñịnh vị ñiểm vẽ ñược chính xác.
Nếu ñiều chỉnh
: T
ọa ñộ ñường lưới chọn Ordinates
Khoảng cách ô lưới chọn Spacing
Thay ñổi giá trị hoặc xóa ñường lưới (xóa hàng)
hoặc
copy cả hàng và paste xuống ñược ñường lưới mới
Lưới X
Lưới
Y
+ Cung parabol qua 3 ñiểm: có thể nhập tên ñiểm thứ 3 (Paraboloic Arc - 3rd Point ID)
hoặc nhập tọa ñộ ñiểm thứ 3 (Paraboloic Arc - 3rd Point Coords)
- Dạng phần tử sau khi biến ñổi: chia nhỏ thành các phần tử thanh thẳng (Break into
Multiple Equal Length Objects) hoặc giữ nguyên là 1 phần tử thanh cong (Keep Single
Object)
6. Hiệu chỉnh ñối tượng :
a. Chỉnh dạng hình học : Draw
Set Reshape Element Mode
Xem trang 28
b. Sao chép, cắt, dán ñối tượng : Edit
Copy, Cut, Paste
Chọn các phần tử, thực hiện lệnh Copy, hoặc Cut sẽ ñưa các thông tin hình học của ñối
tượng vào bộ nhớ tạm (clipboard) của Windows
Thực hiện lệnh Paste sẽ dán thông tin hình học của ñối tượng từ clipboard vào hệ, ñồng thời
cho phép khai báo khoảng cách dịch chuyển của những ñối tượng ñược paste so với những ñối
tượng ñã copy/cut. Có thể copy thông tin hình học của ñối tượng từ Excel rồi dán vào
Sap2000.
c. Cắt ngắn/kéo dài thanh : Edit
Trim/Extend Frames
Copyright: Tài liệu đại học ©