Ứng dụng SAP2000 xác định nội lực hệ phẳng tĩnh định chịu tải trọng bất động

1. ÑAÏI HOÏC ÑOÂNG AÙ
2014
68
TRAO ĐỔI
ỨNG DỤNG SAP2000 - V14 ĐỂ XÁC ĐỊNH
NỘI LỰC TRONG MỘT SỐ BÀI TOÁN ĐƠN
GIẢN CỦA HỆ PHẲNG TĨNH ĐỊNH CHỊU
TẢI TRỌNG BẤT ĐỘNG
 CN. Nguyễn Tấn Vân - Cựu SV Khoa kỹ thuật Xây Dựng
 CN. Trần Hữu Trọng - Khoa kỹ thuật Xây Dựng
1. Đặt vấn đề
Hiện nay phần mềm kết cấu Sap 2000 với nhiều phiên bản mới đang được sử dụng
rất phổ biến và rộng rãi trong các trường đại học khối kỹ thuật xây dựng nói chung. Đây
là công cụ hỗ trợ đắc lực và đáng tin cậy trong việc tính toán và phân tích các dạng kết
cấu xây dựng. Đã có rất nhiều những nghiên cứu ứng dụng phần mềm kết cấu Sap 2000
trong triển khai thực tế, cũng như trong quá trình phục vụ giảng dạy và học tập. Trong
khuôn khổ giới hạn của bài viết này chỉ đề cập đến việc sử dụng phần mềm kết cấu
Sap 2000 với phiên bản V14 để xác định nội lực trong một số bài toán đơn giản của hệ
phẳng tĩnh định chịu tải trọng bất động: hệ dầm, hệ khung ghép và dàn phẳng. Với việc
trình bày khá chi tiết việc khai báo một số hình thức tác dụng đặc biệt của tải trọng và
các liên kết cùng với những ví dụ minh họa cụ thể. Bài viết sẽ góp phần giúp ích cho sinh
viên đang học môn học cơ học kết cấu 1 - phần hệ tĩnh định có một cách nhìn nhận tổng
quát hơn, hệ thống hóa kiến thức đang học, đồng thời có khả năng sử dụng phần mềm để
phục vụ cho việc học, cụ thể là giải các bài toán và kiểm tra quá trình giải tay của mình
bằng phần mềm Sap 2000.
2. Nội dung
2.1. Khai báo tải trọng
2.1.1. Khai báo Mômen tập trung
- Khi đã dựng được 1 mô hình như yêu cầu.
- Chọn nút để gán mômen, vào menu Assign Joint Load Forces…
hoặc kích vào biểu tượng . Tùy theo chiều của mômen mà ta nhập số liệu mang dấu
-, +,

2. ÑAÏI HOÏC ÑOÂNG AÙ
2014
69
TRAO ĐỔI
2.1.2. Lực tập trung xiên góc
Ta phân tích thành 2 lực P1, P2.
α
1
P = P.sin
P1
P2
P
Q
P = P.cos
- Chọn nút, vào menu Assign → Joint Load → Forces…( ), hoặc kích
vào biểu tượng , nhập số liệu tải trọng tập trung theo phương X, Z.
2.2. Khai báo liên kết
2.2.1. Khai báo gối cố định hoặc gối di động theo phương ngang
Để khai báo liên kết gối theo phương nằm ngang cần chọn 1 nút hoặc số nút đó
bằng cách kích chuột vào vị trí các nút đó hoặc rê chuột xung quanh các nút muốn chọn.
Sau khi chọn, vào menu Assign → joint → restraints ( ) hoặc kích vào
biểu tượng . Chọn gối cố định hoặc di động, .
2.2.2. Xoay hệ trục tọa độ địa phương tại nút
Khi bạn muốn thay đổi chiều tải trọng, thay đổi điều kiện biên, thay đổi đối tượng
đặt tại nút thì có thể đổi hệ tọa độ địa phương như sau: Assign → Joint → Load Axes …
Chọn góc xoay hệ tọa độ địa phương theo trục xoay hệ tọa độ tổng thể x, y, z.
2.2.3. Giải phóng liên kết hai đầu phần tử thanh:
Trong kết cấu nhiều phần tử mà tại đó không có mômen, lực cắt hay lực dọc. Vậy
để giải phóng chúng ta thực hiện:
- Chọn phần tử muốn giải phóng liên kết.
- Vào Assign → Frame → Releases/Partial Fixity …, hoặc kích vào biểu tượng
Ví dụ 1: Giải phóng mômen
Tại nút 1 mômen (M3-3 = 0). M3-3
M3-3
I II
1
- Chọn thanh I → kích vào biểu tượng M3-3 tại điểm kết thúc bằng 0.
- Chọn thanh II → kích vào biểu tượng M3-3 tại điểm bắt đầu bằng 0.
- Kiểm tra giải phóng: kích vào biểu tượng → Frame/Cables/Tendons →
Releases.
Ví dụ 2: Vẽ các biểu đồ nội lực trong hệ đã cho như hình vẽ sau:

3. ÑAÏI HOÏC ÑOÂNG AÙ
2014
70
TRAO ĐỔI
30
o
40
o
P = 50 kN
q = 20 kN/m
A
B C D
E
2m
1m
2m
1m
Trình tự cách làm:
Bước 1: Khởi động Sap 2000 _ V14.
Bước 2: Chọn đơn vị KN-m-o
C ( ).
Bước 3: Vào menu File → chọn lệnh New Model…, hoặc kích biểu tượng .
Kích chọn Beam (Dầm liên tục)
Trong phần Edit Grid… ta chọn kiểu Spacing để nhập khoảng cách các ô lưới:
→
→

4. ÑAÏI HOÏC ÑOÂNG AÙ
2014
71
TRAO ĐỔI
Ta được hệ dầm như sau:
Bước 4: Khai báo liên kết gối:
Các gối trong hệ như trên chưa đúng với bài toán đặt ra:
+ Thay gối trục E bằng gối cố định: sau khi kích chuột vào vị trí nút, vào menu
Assign Joint restraints ( ) hoặc kích vào biểu tượng
chọn
+ Cần thay liên kết gối di động ở trục B, C, D bằng các nút: ta chọn các nút tại trục
B, C, D, kích vào biểu tượng chọn .
+ Thay gối trục A bằng gối di động: Sau khi kích chuột vào vị trí nút, kích vào biểu
tượng chọn .
+ Xoay hệ trục tọa độ tại nút trục A: Chọn nút tại trục A, vào menu Assign Joint
Load Axes … .
Bước 5: Khai báo trường hợp tải trọng:
Để khai báo trường hợp tải trọng: Vào Define Load patterns…( )
+ Đối với trường hợp Tĩnh tải:
- Tên: Tĩnh Tải (TT), Loại: DEAD
- Hệ số TLBT: 0 (Không tính đến trọng lượng bản thân cấu kiện).
Sau khi sửa giá trị chọn Modify Load ( ) .
Chọn để chấp nhận.
- Vào menu Define Load Cases ( ). Kích vào Modal chọn Delete
Load Case
Bước 6: Gán tải trọng phân bố đều:

5. ÑAÏI HOÏC ÑOÂNG AÙ
2014
72
TRAO ĐỔI
Chọn thanh BC, vào menu Assign Frame Load Distributed…
( ), hoặc kích vào biểu tượng , (Load Case Name là TT, Direction
là Gravity), đặt giá trị Uniform Load = 20 .
Bước 7: Gán tải trọng tập trung:
Phân tích lực tập trung góc xiên thành 2 lực P1, P2.
0 0
1
P = P.sin40 = 50.sin40 = 32,14(kN)
0 0
2
P = P.cos40 = 50.cos40 = 38,30(kN)
Chọn nút tại D, vào , (Load Case Name là TT), kích chọn ,
đặt giá trị Force Global X = -38,30 và Force Global Z = -32,14.
Bước 8: Xem đầy đủ các lực tập trung và phân bố đều trên màn hình:
Vào Display Show Load Assign Frame … ( ), Load
Pattern Name.
Bước 9: Khai báo dạng kết cấu:
- Vào menu Analyze Set Analysis Options … ( ). Hệ dầm cũng
được coi là hệ khung phẳng (kết cấu chịu uốn XZ) nên ta chọn XZ Plane OK.
Bước 10: Lưu và chạy chương trình tính: Vào menu Analyze Run Analysis
( hoặc F5) chọn
- Sau khi chạy chương trình tính thì Sap sẽ khóa số liệu (biểu tượng khóa trên màn
hình sẽ đóng lại ), nếu muốn sửa số liệu đã nhập thì phải mở khóa bằng cách kích
vào biểu tượng , lúc đó sẽ trở thành .
Bước 11: Xem kết quả nội lực:
Vào menu Display Show Forces/Stresses Frames/Cables … (hoặc kích
vào mũi tên trên biểu tượng chọn (Frames/Cables).

6. ÑAÏI HOÏC ÑOÂNG AÙ
2014
73
TRAO ĐỔI
+ Axial Force: Lực dọc.
- Shear 2-2: Lực cắt theo phương 2.
- Moment 3-3: Mômen uốn quanh trục 3.
Do Sap2000 quy định dấu lực cắt ngược dấu với quy định dấu của VN, nên khi
xem biểu đồ lực cắt trong phần khai báo tỷ lệ ta chọn tỷ lệ mang dấu “-”, để được biểu
đồ đúng quy định.
Biểu đồ lực dọc của Tĩnh Tải
Biểu đồ lực cắt Q2-2 của Tĩnh Tải
Biểu đồ mômen M3-3 của Tĩnh Tải
Ví dụ 3: Vẽ các biểu đồ nội lực trong hệ đã cho như hình vẽ sau:
Trình tự cách làm:
Bước 1: Khởi động Sap 2000 V14.
Bước 2: Chọn đơn vị KN-m-o
C ( )
Bước 3: Vào menu File chọn lệnh New Model… hoặc kích biểu tượng .

7. ÑAÏI HOÏC ÑOÂNG AÙ
2014
74
TRAO ĐỔI
Kích chọn Grid Only (Hệ lưới).
Dùng chuột kích vào biểu tượng để vẽ nhanh, kích chuột vào 1 đường lưới sẽ
được 1 phần tử thanh nằm tại lưới đó và giới hạn bằng các mắt lưới ở 2 đầu, nếu dùng
chuột kéo thành 1 hình chữ nhật thì ta sẽ được các phần tử thanh nằm trong hình chữ
nhật đó.
Bước 4: Khai báo liên kết gối:
Tương tự khai báo liên kết gối như ví dụ 2.
- Ta chọn nút tại A, kích vào biểu tượng chọn .
- Tiếp tục chọn nút tại B, kích vào biểu tượng chọn .
- Đối với trường hợp gối di động nằm ngang ta cũng chọn nút tại E, kích vào biểu tượng
chọn kích vào Translation 1 ( ) và kích bỏ Translation 3.
Bước 5: Giải phóng liên kết hai đầu phần tử thanh:
Tại nút C mômen (M3-3 = 0).
- Chọn thanh BC Assign Frame Releases/Partial Fixity…, hoặc kích
vào biểu tượng M3-3 tại điểm kết thúc bằng 0.
- Chọn thanh CD kích vào biểu tượng M3-3 tại điểm bắt đầu bằng 0.
- Kiểm tra giải phóng: Kích vào biểu tượng Frame/Cables/Tendons
Releases
Như vậy, ta đã tạo được sơ đồ tính của hệ dầm (ở phần này, ta phải tạo được 1 hệ
dầm có kích thước các nhịp và liên kết gối theo yêu cầu).
: Khai báo trường hợp tải trọng:
Để khai báo trường hợp tải trọng: Vào Define Load patterns…
- Đối với trường hợp Tĩnh tải:

8. ÑAÏI HOÏC ÑOÂNG AÙ
2014
75
TRAO ĐỔI
- Tên: Tĩnh Tải (TT)
- Loại: DEAD
- Hệ số TLBT: 0
Sau khi sửa giá trị chọn Modify Load ( ) .
Chọn để chấp nhận.
- Vào menu Define Load Cases ( ). Kích vào Modal chọn Delete
Load Case
Bước 7: Gán tải trọng tải trọng phân bố đều:
Chọn thanh BC, vào menu Assign Frame Load Distributed…
hoặc kích vào biểu tượng , (Load Case Name là TT, Direction là Gravity), đặt giá
trị Uniform Load = 2
Bước 8: Gán tải trọng tập trung:
Chọn nút tại điểm F, kích , (Load Case Name là TT), nhấn chọn
, đặt giá trị Force Global Z = -4 .
Bước 9: Khai báo mômen tập trung:
Chọn nút tại điểm G, vào menu Assign Joint Load Forces ( ),
hoặc kích vào biểu tượng , nhấn chọn , đặt giá trị Moment
about Global Y = 8.
Bước 10: Xem đầy đủ các lực tập trung, phân bố đều và mômen trên màn hình:
Vào Display Show Load Assign Frame… ( ), Load
Pattern Name: TT.
Hình 3. Trục xz Hình 4. Ảnh 3-d

9. ÑAÏI HOÏC ÑOÂNG AÙ
2014
76
TRAO ĐỔI
Bước 11: Khai báo dạng kết cấu:
Vào menu Analyze Set Analysis Options… ( ). Hệ dầm cũng
được coi là hệ khung phẳng (kết cấu chịu uốn XZ) nên ta chọn XZ Plane.
Bước 12: Lưu và chạy chương trình tính: Vào menu Analyze Run Analysis.
Bước 13: Xem kết quả nội lực:
Vào menu Display Show Forces/Stresses Frames/Cables… (hoặc kích vào
mũi tên trên biểu tượng chọn (Frames/Cables).
3. Kết luận
Bài viết đã trình bày được một số hình thức tác dụng đặc biệt của tải trọng và các
hình thức của liên kết, đồng thời có các ví dụ cụ thể minh họa rõ ràng, giúp người đọc -
đối tượng sinh viên có thể tiếp cận và tham khảo phục vụ cho việc học tập và nghiên cứu.
Trong giới hạn của bài viết này chỉ giải quyết nội dung của 3 dạng toán là: hệ dầm
phẳng, hệ khung ghép và hệ dàn tĩnh định. Còn rất nhiều nội dung cần nghiên cứu để
phục vụ cho việc giảng dạy và học tập môn học này cũng như triển khai việc ứng dụng
phần mềm Sap2000 để phân tích và xác định nội lực trong các bài toán cơ học kết cấu.
Vấn đề này sẽ được tiếp tục trình bày và nghiên cứu trong các bài viết sau.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Bùi Đức Vinh (2010), Phân tích và thiết kế kết cấu bằng phần mềm SAP2000 V. 9.x,
NXB Trường Đại Học Bách Khoa - Tp. Hồ Chí Minh.
[2]. Nguyễn Thị Mai Hương (2011), Ứng dụng Sap2000 V.12 trong các bài toán kết cấu tĩnh
định & siêu tĩnh, Đà Nẵng.
[3]. Berkeley, California, USA, June 2008, CSI Analysis Reference Manual For SAP2000®,
ETABS®, and SAFETM
.