G=ql−¿ trọng lượng bản thân cần. Các đại lượng cần tìm là :
Các thành phần ngang và thành phần đứng của lực R
Để xác định trị số các đại lượng cần tìm trên cầu theo hình 7.14a, ta sử dụng ba phương trình tĩnh học cơ bản sau :
. 45375.0,03 136 136 10.1 bt max i G v q N gt = = = . 45375.0,03 136 10.1 bt max i G v q N gt = = = . 45375.0,03 136 10.1 bt max i G v q N gt = = =
. 45375.0,03 136 136 10.1 bt max i G v q N gt = = =
Phản lực hay lực kéo ở đầu cần bằng :
. 45375.0,03 136 136 10.1 bt max i G v q N gt = = =
Trị số mômen xoắn phụ dưới tải trọng của gió :
. 45375.0,03 136 136 10.1 bt max i G v q N gt = = =
Do làm việc trong nhà nên mômen xoắn
0
x
M =
Hình 6.20 mặt cắt ngang kết cấu dàn
Ta tính chọn thanh biên trên, thanh xiên và các thanh đứng tại mặt cắt liên kết với cơ cấu nâng hạ dàn.
• Thanh biên trên :
Diện tích tiết diện bằng :
0
x
M =
Mômen tĩnh của tiết diện đối với trục 1 1
x −x 0 x M = Khoảng cách từ trục 1 1 x −x
đến trọng tâm của tiết diện :
0
x
M =
Mômen quán tính của tiết diện đối với trục x-x :
0
x
M =
Mômen chống uốn của tiết diện đối với trục x-x :
0
x
M =
o Đối với cạnh trên của tiết diện
0
x
M =
Bán kính quán tính đối với trục x-x :
0
x
M =
Độ mảnh của thanh đối với trục x-x :
0
x
M =
Hệ số giảm ứng suất cho phép φx=0,93 (bảng 6.1. [9])
• Chọn tiết diện thanh xiên :
Thanh xiên gồm các thanh thép góc ghép lại, lực nén lớn nhất ở thanh xiên là :
0
x
M =
Tiết diện thanh xiên là một thanh thép góc 60x60 mm. có mômen quán tính nhỏ nhất : 0 x M = Độ mảnh của thanh : 0 x M =
Hệ số giảm ứng suất cho phép φ1=0,82 .
Độ ổn định của thanh xiên :
0
x
M =
Chọn tiết diện thanh đứng :
Để đảm bảo độ cứng vững ta dung thép tấm dày 8mm để làm thanh đứng, đồng thời làm tấm che chắn bên ngoài để vật liệu không vương vãi ra ngoài trong quá trình cào liệu.
6.4 Ứng dụng tin học trong tính toán thiết kế kết cấu thép. 6.4.1 Cơ sở chung
Trước khi tin học ra đời, để tính kết cấu thép con người ta chủ yếu tính toán bằng tay. Công việc đó đòi hỏi thời gian và lao động trí óc rất nhiều, và đôi lúc cũng dẫn tới những sai sót không thể lường trước được, hoặc bài toán không thể
có lời đáp. Để hỗ trợ cho con người trong việc tính kết cấu thép, người ta đã tìm ra phương pháp giải quyết những bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Phương pháp phần tử hữu hạn là một phương pháp đặc biệt có hiệu quả để tìm dạng gần đúng của một hàm chứa biến trong miền xác định của nó. Phương pháp phần tử hữu hạn ra đời từ thực tiễn phân tích kết cấu, sau đó được phát triển một cách chặt chẽ để giải quyết các bài toán vật lý khác.
Phương pháp phần tử hữu hạn được ứng dụng trong các bài toán kết cấu, trong đó hàm cần tìm được xác định trên những miền phức tạp, bao gồm nhiều miền nhỏ có tính chất khác nhau. Các miền tính toán được thay thế bởi một số hữu hạn các miền con còn gọi là phần tử, và các phần tử xem như chỉ được nối kết với nhau qua một số điểm xác định trên biên của nó gọi là điểm nút. Trong phạm vi mỗi phần tử đại lượng cần tìm được lấy xấp xỉ theo dạng phân bố xác định nào đó. Ví dụ trong bài toán kết cấu đại lượng cần tìm là chuyển vị hay ứng suất nhưng nó cũng có thể được xấp xỉ hoá bằng một dạng phân bố nào đó.
Tuỳ theo ý nghĩa của hàng xấp xỉ trong bài toán kết cấu người ta chia làm ba mô hình sau :
• Mô hình tương thích: biểu diễn dạng phân bố của chuyển vị trong phần
tử, ẩn số là các chuyển vị và đạo hàm của nó được xác định từ hệ phương trình thành lập trên cơ sở nguyên lý biến phân Lagrange hoặc định lý dừng của thế năng toàn phần.
• Mô hình cân bằng: biểu diễn một cách gần đúng dạng gần đúng của ứng
suất hoặc nội lực trong phần tử. Ẩn số là các lực tại nút và được xác định từ hệ phương trình thiết lập trên cơ sở nguyên lý biến phân Castigliano hoặc định lý dừng của năng lượng bù toàn phần.
• Mô hình hỗn hợp: biểu diễn gần đúng dạng phân bố của cả chuyển vị và
ứng suất trong phần tử. Coi chuyển vị và ứng suất là hai yếu tố độc lập riêng biệt, các ẩn số được xác định từ hệ phương trình thành lập trên cơ sở nguyên lý biến phân Reisner-Hlinge.
Trong những năm 1980 trở lại đây, công nghệ máy tính có những phát triển vượt bậc, nó đã góp phần thúc đẩy quá trình nghiên cứu mở rộng và hoàn thiện phương pháp phần tử hữu hạn cũng như các phương pháp số cho quá trình tính toán. Trước đây các chương trình phần tử hữu hạn chỉ được viết phục vụ cho các nghiên cứu là chính, chúng chạy trên các hệ thông máy tính lơn như: VAX, CDC, CRAY…. Ngày nay do máy tính cá nhân ngày càng mạnh và công nghệ phần
mềm có rất nhiều đột phá, trên thị trường xuất hiện ngày càng nhiều phần mềm phần tử hữu hạn mang tính thương mại. Chúng sử dụng ngày càng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của kỹ thuật công nghệ như Xây dựng, Cơ khí, hàng không không gian, đóng tàu, điện, điện tử, hoá học … .
6.4.2 Một số phần mềm thông dụng
Trên thế giới hiện đã có rất nhiều phần mềm tính toán cơ học nổi tiếng như ANSYS (Mỹ), STAAD-III (Mỹ), SAP90, SAP2000 (Mỹ), SAMCEF (Bỉ), STRAND-6 (Úc) …. Mỗi phần mềm đều có những thế mạnh riêng và những ưu điểm riêng, và cũng tùy vào khả năng sử dụng của mỗi người mà ta sử dụng chương trình phù hợp.
Ở Việt Nam, ngoài những phần mềm đã nói trên, còn có một số phần mềm do các công ty trong nước sản xuất như FBTW, CASA (Hài Hoà), các phần mềm trong nước sản xuất tuy chưa mạnh trong tính toán các bài toán phức tạp nhưng rất dễ sử dụng và rất tiện lợi.
Phần mềm được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất là phần mềm SAP2000. Sau đây ta tìm hiểu sơ qua phần mềm này :
Bộ phần mềm SAP được bắt đầu từ các kết quả nghiên cứu phương pháp số, phương pháp phần tử hữu hạn của giáo sư Edward L. WILSON của Mỹ. Thuở ban đầu chúng chỉ là các chương trình đơn lẻ như SOLIDSAP … chạy trên các hệ thống máy tính lớn, với mục đích hầu như chỉ phục vụ nghiên cứu là chính. Phiên bản đầu tiên của hương trình được mang tên SAP vào măm 1970, và sau đó lần lượt xuất hiện SAP3, SAP-IV, SAP80 được nâng cấp và hoàn thiện vào cuối những năm 80, Nó ra đời đánh dấu sự xuất hiện phần mềm tính toán kết cấu có tính thương mại đầu tiên của họ chương trình SAP, phần mềm này được phát triển bởi công ty COMPUTER and STRUCTURE INC (CIS). Vào năm 1992, CIS cho ra đời phiên bản tiếp theo là SAP90, cho đến hiện nay nó vẫn được sử dụng rất rộng rãi. SAP2000 là một bước đột phá của họ phần mềm SAP, theo hãng CIS tuyên bố SAP2000 là công nghệ ngày nay cho tương lai. SAP2000 đã tích hợp các chức năng phân tích kết cấu bằng phần tử hữu hạn và tính năng thiết kế kết cấu thành một. Ngoài khả năng phân tích được bài toán thường gặp của kết cấu công trình, phiên bản SAP2000 đã bổ sung thêm các loại phân tử mẫu và tính năng phân tích kết cấu phi tuyến. Giao diện SAP2000 thuận tiện cho người sử dụng hơn rất nhiều, do chương trình được thiết kế làm việc hoàn toàn trên môi trường
WINDOWS9Xnt. Toàn bộ quá trình từ xây dựng mô hình kết cấu, thực hiện các phân tích và biêu diễn kết quả đều có dao diện đồ hoạ trực quan. Thư viện kết cấu mẫu cung cấp một số dạng kết cấu thông dụng nhất, từ đấy cũng có thể dễ dàng sửa đổi để có được kết cấu theo ý muốn.
Khả năng làm việc của phần mềm SAP2000 được thể hiện thông qua các tính năng sau :
Các tính năng giao tiếp :
• Dễ dàng sử dụng, giao tiếp đồ hoạ trực tiếp trên các cửa sổ màn hình. • Hỗ trợ các công cụ tương tự như CAD để nhanh chóng xây dựng mô hình
kết cấu.
• Hỗ trợ các tiêu chuẩn thiết kế của Hoa Kỳ và các nước khác.
• SAP2000 cung cấp nhiều tính năng mạnh để mô tả lớp các bài toán kết cấu phổ biến trong thực tế kỹ thuật, chúng bao gồm: cầu, đập chắn, bồn chứa, các toà nhà …. Các giao tiếp đồ hoạ dựa trên các cửa sổ, cho phép nhanh chóng tạo ra các mô hình kết cấu từ các mẫu thư viện sẵn có. Tất cả việc chỉnh sửa, thay đổi … phân tích nội lực cũng như biểu diễn và thiết kế đều được thực hiện cùng một cách giống nhau. Người dùng hoàn toàn có thể thao tác trực tiếp trên các hình ảnh đồ hoạ hai, ba chiều.
Các tính năng tính toán :
• Phần tử mẫu gồm có: thanh dàn, dầm, tấm vỏ-màng, phần tử hai chiều - ứng suất phẳng biến dạng phẳng, đối xứng trục, phần tử khối cho tới phần tử phi tuyến.
• Vật liệu có thể là tuyến tính đẳng hướng hoặc trực hướng và phi tuyến. • Các liên kết bao gồm: liên kết cứng, liên kết đàn hồi, liên kết cục bộ khử
bớt các thành phần phản lực.
• Đa hệ toạ độ: có thể dùng nhiều hệ tọạ độ để mô hình hoá từng phần của kết cấu.
• Nhiều cách thức ràng buộc các phần khác nhau của kết cấu.
• Tải trọng bao gồm các lực tập trung tại nút, áp lực lên phần tử, ảnh hưởng của nhiệt độ, tải trọng phổ gia tốc, tải trọng điều hoà và tải trọng di động
… . Chúng có thể đặt tại nút, hoặc phân bố đều, hình thang, tập trung và áp lực trên phần tử…
• Khả năng giải các bài toán lớn không hạn chế số ẩn số, giải thuật ổn định và hiệu suất cao.
• Các phân tích cho bài toán kết cấu bao gồm:
Phân tích tĩnh.
Tính tần số dao động riêng và các dạng dao động.
Tính đáp ứng động lực học với tải trọng ngoài thay đổi theo thời gian, hay phổ gia tốc.
• Các phương án tải có thể kết hợp với nhau. • Một kết cấu có thể có nhiều loại phân tử mẫu.
Các phiên bản chính của SAP2000 có bốn loại khác nhau :
• Bản phi tuyến có khả năng thực hiện phân tích bài toán tĩnh, động lực học, phi tuyến, thiết kế kết cấu thép, bê tông…, với bốn loại phân tử mẫu khác nhau, số lượng nút của kết cấu không giới hạn.
• Phiên bản chuẩn, số lượng nút tối đa của kết cấu khoảng 1500, không phân tích được bài toán phi tuyến.
• Phiên bản nâng cao khả năng tương tự bản phi tuyến nhưng không phân tích được bài toán phi tuyến.
• Bản dành cho học tập khả năng tương tự như bản phi tuyến nhưng số nút kết cấu giới hạn tối đa 30 nút và một số tính năng bị hạn chế.