CHƯƠNG III: PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN KẾT CẤU
1. Tổng quan về phân tích, tính toán kết cấu
Phân tích, tính toán kết cấu là một công việc cơ bản của quá trình thiết kế. Trong quá trình này, các ứng xử của các bộ phận công trình dưới tác dụng của các loại tải trọng sẽ được xác định.
Các kết quả của của phân tích - tính toán kết cấu là cơ sở cho những quyết định về phương án thiết kế: chấp nhận, hủy bỏ phương án hay chỉnh sửa lại thiết kế.
Hình III-54: Vị trí của phân tích kết cấu trong quá trình thiết kế.
Rõ ràng rằng, việc phân tích tính toán kết cấu không thể thực hiện trên không gian thực (với các công trình thực và điều kiện thực) với các lý do sau:
Trong quá trình thiết kế, công trình thực chưa thể hình thành. Bản thiết kế chỉ thể hiện những dự định áp dụng cho công trình trong tương lai và có thể sẽ thay đổi sau chính quá trình phân tích và kiểm toán kết cấu.
Nếu công trình thực đã tồn tại thì việc phân tích, tính toán chi tiết gặp rất nhiều khó khăn và tốn kém.
Do vậy, quá trình này thường được thực hiện dựa trênmô hình mô phỏngcông trình thực. Mô hình này phải thỏa mãn việc mô tả các đối tượng thực với độ chính xác yêu cầu theo khía cạnh xem xét (ở đây là dưới góc độ cơ học). Quá trình tạo ra một mô hình tính toán tương đương với công trình thực gọi làquá trình mô hình hóa kết cấu. Có 2 loại mô hình được sử dụng:
Mô hình thực nghiệm: là mô hình thu nhỏ được chế tạo nhằm mô phỏng công trình thực. Việc chế tạo mô hình thực nghiệm và tiến hành thí nghiệm thường mất nhiều
Xác định các kích thước, bố trí cấu tạo các bộ phận công trình
Bắt đầu
Phân tích, tính toán kết cấu dưới tác dụng của tải trọng
Kiểm toán kết cấu
Kết thúc
Thiếtkế lại hoặc chỉnh sửa
Đạt yêu cầu
Không đạt yêu cầu
http://www.ebook.edu.vn
thời gian và rất tốn kém. Hơn nữa, khi mô hình thực nghiệm đã được chế tạo xong thì việc chỉnh sửa mô hình cho phù hợp hơn với thực tế sẽ gặp nhiều khó khăn. Vì vậy loại mô hình này thường áp dụng đối với những phân tích đặc biệt mà các mô hình lý thuyết gặp khó khăn hoặc cần được kiểm nghiệm thêm. Ví dụ: để phân tích ứng xử của cầu treo nhịp lớn dưới tác dụng của tải trọng gió động, mô hình thu nhỏ của cầu thường được chế tạo và đưa vào hầm gió để thí nghiệm. Các kết quả của mô hình thực nghiệm phải được hiệu chỉnh rồi mới được áp dụng cho công trình thực tế.
Hình III-55: Mô hình thực nghiệm trong hầm gió của cầu Tacoma mới (Nhật Bản)
Mô hình lý thuyết: là mô hình tính toán được tạo ra dựa trên các giả thuyết và lý thuyết cơ học trong đó các đối tượng thực được đơn giản hóa thành những sơ đồ tính.
Quá trình tính toán, phân tích sẽ được thực hiện trên các sơ đồ này theo các phương pháp của cơ học kết cấu và sức bền vật liệu. Với những kết cấu phức tạp, các sơ đồ tính thường được tạo ra dựa trên các chương trình máy tính và được gọi là mô hình số của kết cấu. Việc tính toán mô hình số cũng được thực hiện trên các phần mềm. Tất nhiên, sự phù hợp của kết quả tính toán sẽ phụ thuộc vào sự đúng đắn của mô hình số.
Ứng với một công trình thực, các kỹ sư có thể đưa ra những mô hình số khác nhau.
Tuy vậy, các mô hình này luôn phải tuân theo một yêu cầu cơ bản: mô tả được ứng xử của công trình với độ chính xác phù hợp. Do đó, sau khi một mô hình số được tạo ra thì mô hình đó có thể được chỉnh sửa nhiều lần với mục tiêu mô tả kết cấu thực tốt hơn.
Hình III-56: Mô hình hóa kết cấu là một quá trình lặp Mô hình tính
ban đầu
Kiểm tra tính đúng đắn của mô hình
Chọn mô hình cuối cùng để
thực hiện phân tích, tính toán Thỏa mãn
Không thỏa mãn Chỉnh
sửa
Như vậy, có thể nói rằng mô hình lý thuyết có tính khả thi và linh động hơn so với mô hình thực nghiệm. Việc sử dụng mô hình loại này cũng cho phép thực hiện nhiều phương án thiết kế khác nhau cho các bộ phận của công trình. Hiện nay, sự tiến bộ trong nghiên cứu các phương pháp tính kết hợp với quá trình phát triển như vũ bão của công nghệ thông tin đã khiến cho việc tạo dựng các mô hình mô phỏng lý thuyết trở nên ngày càng dễ dàng và nhanh chóng. Điều đó giải thích tại sao các sơ đồ tính lý thuyết được dùng phổ biến trong phân tích kết cấu.
Hình III-57: Mô hình số của cầu Sungsan Grand II (Seoul, Hàn Quốc) trong MIDAS/ Civil Khi sử dụng mô hình tính lý thuyết, quá trình phân tích kết cấu sẽ được thực hiện theo trình tự sau:
1. Thu thập các số liệu thiết kế.
2. Mô hình hóa kết cấu.
3. Tính toán kết cấu dựa trên mô hình tính đã đề ra.
4. Phân tích đánh giá kết quả.
5. Xuất kết quả.
Trình tự này có thể biểu diễn thành sơ đồ sau:
Hình III-58: Các bước của quá trình mô hình hóa và phân tích kết cấu Mô hình hóa kết cấu
Bắt đầu – thu thập số liệu thiết kế
Phân tích kết cấu với mô hình đề ra
Hiển thị kết quả Kết thúc - xuất
kết quả Phân tích
nguyên nhân
Phù hợp Không phù hợp
Đánh giá kết quả
•• Quá trình mô hình hóa còn có thể được gọi là quá trình tiền xử lý (Preprocessor)
•
• Quá trình phân tích, tính toán còn có thể được gọi là quá trình xử lý (Solve)
•• Các thao tác với kết quả còn có thể được gọi là quá trình hậu xử lý (Postprocessor)
http://www.ebook.edu.vn
Hiện nay, có rất nhiều phần mềm hỗ trợ người dùng trong việc mô hình hóa và phân tích kết cấu như: SAP2000, MIDAS/ Civil, RM2004, ANSYS, LUSAS, Abaqus,…Mỗi phần mềm đều có ưu điểm và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn phần mềm nào để có thể sử dụng phù hợp phải dựa trên sự phân tích yêu cầu công việc, khả năng của phần mềm, năng lực về nhân sự và tài chính của đơn vị.