Báo cáo tốt nghiệp

"Nghiên cứu ứng dụng chương trình
Midas/civil trong phân tích kết cấu và cầu"


Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu
Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 2
MỤC LỤC

PHẦN I ĐẶT VẤN ĐỀ.............................................................................3
PHẦN II: NỘI DUNG ĐỀ TÀI....................................................................5
Chương 1: Tổng quan về Midas/Civil...........................................................................6
Chương 2: Phương pháp Phần tử hữu hạn và ứng dụng trong Midas/Civil...................12
1. Nội dung cơ bản của phương pháp PTHH...........................................................12
1.1 Mô hình hóa rời rạc kết cấu. .............................................................................13
1.2 Chuyển vị nút và lực nút....................................................................................13
1.3 Phương trình cơ bản của của phương pháp phần tử hữu hạn đối với vật rắn.....15
1.4 Các bước tính toán kết cấu bằng phương pháp PTHH......................................15
2. Các loại phần tử chính trong Midas/Civil...........................................................16
3. Phân tích kết cấu ................................................................................................27
Chương 3: Nghiên cứu chương trình Midas/Civil......................................................44
1. Nghiên cứu dữ liệu đầu vào, đầu ra.........................................................................44
1.1 Số liệu đầu vào..................................................................................................44
1.2 Số liệu đầu ra....................................................................................................46
1.3 Các dạng file khác.............................................................................................47
2. Mô hình hoá kết cấu................................................................................................47
2.1 Hệ tọa độ. .........................................................................................................47
2.2 Sơ đồ tính..........................................................................................................48
2.3 Mô hình hóa mặt cắt..........................................................................................52
2.4 Mô hình hóa vật liệu..........................................................................................54
2.5 Mô hình hóa điều kiện biên ...............................................................................57
2.6 Tải trọng và hệ số tải trọng. ..............................................................................59
2.7 Mô hình hóa tổ hợp tải trọng.............................................................................66
3. Phân tích kết cấu và đánh giá kết quả......................................................................68
3.1 Phân tích tĩnh....................................................................................................69

toán thiết kế kết cấu. Nội dung phân tích kết cấu cầu bao gồm việc mô hình hóa kết cấu
và tiến hành các phân tích như:
- Phân tích tĩnh.
- Phân tích động.
- Phân tích phi tuyến.
- Phân tích P-delta.
- Phân tích các giai đoạn thi công.
- .v..v..
Đây là những quá trình phân tích, tính toán hết sức phức tạp và tốn rất nhiều thời gian.
Đã có những giả thiết được đưa ra nhằm giảm bớt tính phức tạp của bài toán nhưng việc
này dẫn đến sai số lớn, không phản ánh hết sự làm việc thực tế của kết cấu. Do đó, khi
thiết kế người ta thường thiết kế với hệ số an toàn lớn dẫn tới lãng phí.
Ngày nay, với sự trợ giúp của máy tính mà đặc biệt là việc ứng dụng các sản phẩm
phần mềm chuyên dụng thì công việc mô hình hóa và phân tích kết cấu trở nên nhanh
chóng và tương đối chính xác.
Hiện có một số phần mềm phân tích kết cấu nổi tiếng như Sap2000, RM2000,
Midas/Civil... Với Sap2000 là phần mềm rất quen thuộc với kỹ sư công trình, tuy nhiên
Sap2000 chưa tối ưu hóa cho công việc phân tích thiết kế cầu. RM2000 thì lại quá đắt vì
vậy sinh viên ít có cơ hội được tiếp xúc và tìm hiểu. Gần đây bộ môn TĐHTKCĐ có phối
hợp với công ty CIP Hanoi và công ty MidasIT trong phân phối và chuyển giao đào tạo
sử dụng phần mềm Midas/Civil, phần mềm phân tích và thiết kế kết cấu được thiết kế
riêng cho kết cấu dân dụng, đặc biệt là kết cấu cầu lớn. Đối với sinh viên cũng như các kỹ
sư vừa ra trường phần mềm này còn rất mới và họ chưa biết nhiều về khả năng tính toán
của nó, bên cạnh đó tài liệu tiếng Việt giới thiệu Midas/Civil chưa có nhiều nên hạn chế
khả năng tự tìm hiểu của sinh viên. Nhận rõ vấn đề vừa nêu đề tài đi sâu vào tìm hiểu ứng
dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu cầu với mục tiêu xây dựng một tài
Processed by We Batch PDF Unlocker
Buy a license to remove it.
Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu
Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 4 Processed by We Batch PDF Unlocker
Buy a license to remove it.
Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu
Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 5

PHẦN II: NỘI DUNG ĐỀ TÀI
Processed by We Batch PDF Unlocker
Buy a license to remove it.

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 trình khác:
Processed by We Batch PDF Unlocker
Buy a license to remove it.
Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu
Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 7
- 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.

Buy a license to remove it.
Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu
Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 9
+ Structure Wizard: Mô hình hóa theo các mẫu kết cấu có sẵn
+ User Coordinate System: Định nghĩa hệ tọa độ người dùng (User Coordinate System)
+ Grids: Khai báo các hệ thống lưới tọa độ
+ Nodes: Các thuộc tính của nút cũng như các công cụ để mô hình nút
+ Elements: Các thuộc tính của phần tử cũng như các công cụ để mô hình phẩn tử
+ Properties: Thuộc tính của kết cấu: Vật liệu, mặt cắt...
+ Boundaries: Khai báo các điều kiện biên.
+ Masses: Khai báo khối lượng.
+ Named Plane: Gán tên cho mặt phẳng.
+ Group: Định nghĩa các nhóm kết cấu, điều kiện biên, nhóm tải trọng....
+ Check Structure Data: Kiểm tra dữ liệu kết cấu đã nhập.

- Menu Results (Kết quả) Hình 1.3 Menu kết quả.
Processed by We Batch PDF Unlocker
Buy a license to remove it.
Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu
Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 10
- Menu Load (Tải trọng).
Hình 1.4 Menu tải trọng
Processed by We Batch PDF Unlocker
Buy a license to remove it.

tự do của nút. Các tác động lên kết cấu tất cả lên kết cấu đều được quy đổi về các nút.
Việc chia lưới phần tử và nút, mô tả liên kết, các điều kiện biên cần tương thích với kết
cấu thực tế, nếu đảm bảo được điều này thì mô hình phần tử hữu hạn sẽ làm việc giống
hay gần giống với kết cấu thực tế. Việc tính toán mô hình PTHH là trước hết phân tích
trạng thái làm việc tổng thể của kết cấu từ đó theo điều kiện liên kết tìm được trạng thái
làm việc của từng phần tử hữu hạn.
Trạng thái làm việc của từng phần tử được phụ thuộc vào quan hệ ứng suất và biến
dạng của phần tử cũng là quan hệ giữa nội lực và chuyển vị nút của phần tử. Quan hệ đó
biểu hiện ở độ cứng của phần tử, mà với những mẫu phần tử ta có thể xác định nhờ giải
các bài toán cơ học.
Trạng thái làm việc của kết cấu được thể hiện thông qua sự làm việc của các nút. Các
nút này liên hệ với nhau thông qua các phần tử nối giữa chúng, vì vậy từ điều kiện nối tiếp
giữa các phần tử và độ cứng của từng phần tử có thể xác định được quan hệ giữa các nút .
Đó là quan hệ giữa chuyển vị nút và nội lực tác dụng từ phần tử lên nút. Từ điều kiện cân
bằng nội lực tại các nút, ta thiết lập được hệ phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa các
Processed by We Batch PDF Unlocker
Buy a license to remove it.
Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu
Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 13
chuyển vị nút với các lực tác dụng tại nút. Trong hệ phương trình biểu diễn quan hệ sẽ có
những thành phần đã biết như lực nút hay chuyển vị nút, từ đó ta có thể tìm ra những
thành phần còn lại chưa biết .
1.1 Mô hình hóa rời rạc kết cấu.
Ý tưởng của phương pháp PTHH trong tính toán kết cấu là coi vật thể liên tục như là
tổ hợp của nhiều phần tử liên kết với nhau bởi một số hữu hạn các điểm, gọi là các nút.
Các phần tử được hình thành này gọi là các phần tử hữu hạn.
Quan niệm này chỉ là gần đúng, bởi vì khi thay thế kết cấu thực (hệ liên tục) bằng một
số hữu hạn các phần tử trên người ta đã coi rằng năng lượng bên trong mô hình thay thế
phải bằng năng lượng của kết cấu thực.
Đối với các hệ thanh thì các kết (giàn, khung) phẳng cũng như không gian đều do một

phương pháp PTHH điều đó được đảm bảo bằng các cân bằng tại nút.
Gọi {Fi} là véctơ các thành phần lực tại nút i của của phần tử chứa nút thứ i, tại nút này
phải thỏa măn điều kiện cân bằng của nút i:
}{}{
i
e
i
PF =
å

Trong đó :
-
å
e
i
F}{ biểu thị lấy tổng đối với tất cả các phần tử bao quanh nút i và chứa nút i.
Quan hệ giữa các lực nút và các chuyển vị nút trong một phần tử có thể biểu diễn bằng
biểu thức sau đây:
{F}
e
=[K]{d}
e

Trong đó :
e
F}{ là véc tơ lực nút của phần tử, chứa tất cả các thành phần lực nút trong một phần tử.
e
}{
d
là véc tơ chuyển vị nút của phần tử, chứa tất cả các thành phần chuyển vị nút trong

[ ] [ ] [ ]
ò
= dVNNM
T
r

Những biểu thức này sau đó đã xuất hiện trong ba lớp bài toán chính đối với vật rắn
liên quan tới thực tế xây dựng, đó là:
Bài toán cân bằng tĩnh
[ ]
{ } { }
FuK = (1)
Bài toán trị riêng
[ ] [ ]
( )
{ }
0
2
=- uMK
w
(2)
Bài toán truyền sóng
[ ]
{}
[ ]
)(
2
tF
t
u

- Chọn hàm chuyển vị.
- Tính toán ma trận độ cứng phần tử (và các ma trận khác nếu có liên quan) trong hệ tọa
độ địa phương.
- Thiết lập ma trận độ cứng của toàn bộ kết cấu (và các ma trận khác nếu có liên quan).
- Thiết lập ma véctơ trọng nút.
- Thiết lập phương trình cân bằng.
- Xử lý các điều kiện biên.
- Giải hệ phương trình.
- Tính toán nội lực, chuyển vị trong các phần tử.
2. Các loại phần tử chính trong Midas/Civil.
MIDAS/Civil cung cấp cho chúng ta một thư viện phần tử hữu hạn gồm có những loại
phần tử chính sau:

2.1. Phần tử giàn (Truss Element).
Phần tử giàn là phần tử thẳng ba chiều hai điểm nút, có một kích thước lớn hơn nhiều
so với hai kích thước còn lại, kích thước đó chính là trục chịu kéo nén. Phần tử này thường
sử dụng trong những mô hình giàn hoặc mô hình thanh giằng chéo. Phần tử giàn chịu biến
dạng dọc trục.
Bậc tự do và hệ tọa độ (ESC) của phần tử
Chỉ có trục X-ECS có ý nghĩa quan trọng về mặt kết cấu cho các phần tử duy trì độ
cứng thuộc trục đó, ví dụ như phần tử giàn và phần tử chỉ chịu kéo hoặc chịu nén. Tuy

2.2 Phần tử chỉ chÞu kéo(Tension-only Element)
Phần tử chỉ chịu kéo được định nghĩa là phần tử thẳng 3 chiều và 2 nút. Phần tử này
thường sử dụng cho những mô hình dây treo, chỉ chịu biến dạng kéo dọc trục.
Gồm 2 loại sau:
Truss: phần tử chỉ truyền lực kéo dọc trục.
Hook: Phần tử chỉ chịu kéo và nội lực sẽ khác không khi chuyển vị tương đối giữa N1
và N2 lớn hơn không. Hình 2.4 Giản đồ của phần tử chỉ chịu kéo
Bậc tự do và hệ tọa độ phần tử được định nghĩa giống như của phần tử giàn.
2.3. Phần tử cáp (Cable Element)
Processed by We Batch PDF Unlocker
Buy a license to remove it.
Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu
Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 19
Là phần tử chỉ chịu kéo có 2 điểm nút và 3 chiều, chỉ có khả năng truyền được lực kéo,
có tính đến độ võng của dây cáp. Phần tử cáp phản ánh sự thay đổi không ổn định của độ
cứng với nội lực kéo.

Hình 2.5 Giản đồ của phần tử cable
Phần tử cáp này sẽ được thay đổi thành phần tử giàn nếu là phân tích tuyến tính hình học
và một phần tử dây đàn hồi nếu là phân tích phi tuyến hình học. Khi tính toán độ cứng của
cáp thì ta phải quy đổi độ cứng của cáp về độ cứng của một thanh giàn tương đương.

2.4 Phần tử chỉ chịu nén(Compression-only Element)
Phần tử chỉ chịu nén được định nghĩa là phần tử 3 chiều có 2 nút. Thông thường nó
được sử dụng trong điều kiện biên đỡ. Phần tử này chỉ chịu nén dọc.
Gồm những loại sau:
Giàn: phần tử chỉ truyền lực nén dọc trục.

Trong trường hợp phần tử tứ giác, phương ngón cái biểu thị là trục Z -ECS. Phương
quay (N1->N2->N3->N4) được xác định theo quy tắc bàn tay phải. Trục Z của ECS bắt
đầu tử trọng tâm của bề mặt phần tử và vuông góc với mặt phần tử. Đường nối trung điểm
của 2 cạnh N1N4 và N2N3 được định nghĩa là phương của trục X ECS. Phương vuông
góc với trục X trong mặt phẳng phần tử là phương của trục Y, chiều xác định theo quy tắc
bàn tay phải.
Đối với phần tử tam giác, đường song song với phương từ N1 tói N2 bắt đầu từ trọng
tâm của phần tử là trục X-ECS, Y và Z-ECS được xác định như phần tử tứ giác.

Processed by We Batch PDF Unlocker
Buy a license to remove it.
Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu
Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 21 (a) ECS cho phần tử tứ giác (b) ECS cho phần tử tam giác
Hình 2.7 Tọa độ ECS trong phần tử ứng suất phẳng

2.7. Phần tử biến dạng phẳng hai chiều (Two-Dimensional Plane Strain Element).
Phần tử phẳng hai chiều là loại phần tử thích hợp cho những cấu trúc dạng băng có mặt
cắt ngang không đổi ví dụ như đập chắn nước và hầm. Phần tử này không thể phối hợp với
những loại phần tử khác. Nó chỉ áp dụng cho phân tích tĩnh.
Những phần tử này được đưa ra xem xét trong mặt phẳng X-Z.Độ dày phần tử tự động
chia cho đơn vị dày, như trên hình vẽ bên dưới.
Công thức tính toán cho phần tử được dựa vào bài toán biến dạng phẳng trong lí thuyết
đàn hồi. Giả thiết: Biến dạng theo phương vuông góc với mặt phẳng không tồn tại. Các
Processed by We Batch PDF Unlocker


(b) Phần tử tam giác
Hình 2.9 Sự xắp xếp hệ tọa độ ECS và lực nút trong phần tử phẳng Processed by We Batch PDF Unlocker
Buy a license to remove it.
Nghiên cứu ứng dụng chương trình Midas/Civil trong phân tích kết cấu và cầu
Lê Đắc Hiền – Bùi Văn Sáng – Đào Quang Huy – Trần Quang Thức – TĐHTKCĐ 42 24
2.8. Phần tử hai chiều đối xứng trục (Two-Dimensional Axisymmetric Element).
Phần tử hai chiều đối xứng trục phù hợp cho những mô hình kết cấu với dạng hình học có
bán kính đối xứng, vật liệu đối xứng, tải trọng đối xứng. Có thể áp dụng cho các ống dẫn,
các bình hình trụ.
Phần tử này không thể kết hợp với những loại phần tử khác. Nó chỉ thích hợp phân tích
tuyến tÝnh tĩnh đèi với những đặc trưng của phần tử. Trục Z–GCS là trục quay, các phần
tử phải được đặt trong mặt phẳng chung X-Z. Bằng mặc định, chiều dày của phần tử sẽ tự
động được xác định trước tới một đơn vị (1.0 radian), minh họa trên hình vẽ: Hình 2.10 Đơn vị dày của phần tử đối xứng trục
Bậc tự do và hệ tọa độ phần tử: Giống phần tử biến dạng phẳng hai chiều.

2.9. Phần tử tấm (Plate Element)
Phần tử tấm uốn thường hay được sử dụng là phần tử tam giác hoặc tứ giác. Phần tử
này có khả năng tính toán trong mặt phẳng cho các trường hợp như: kéo/nén, biến dạng
trượt trong mặt phẳng hoặc theo phương vuông góc với mặt phẳng và uốn theo phương
vuông góc với mặt phẳng.
Độ cứng theo phương vuông góc với với mặt phẳng tấm sử dụng trong Midas/Civil
gồm hai loại : DKT/DKQ (Discrete Kirchhoff element) và DKMT/DKMQ (Discrete
Kirchhoff-Mindlin element). DKT và DKQ được phát triển trên cơ sở của lý thuyết tấm