SOFiSTiK Tutorials Manual
Tổng quan quy trình thiết kế cầu
Cầu Dầm Bê Tông Dự Ứng Lực Trước
Post Tensioned Concrete Beam Bridge – Fatigue Design
Double T-Beam Post Tensioned Concrete
BridgeToggle child pages in navigation
Composite
BridgeToggle child pages in navigation
Balanced Cantilever Bridge
Pushover Analysis – Bridge Piers
Nonlinear temperature
Thiết kế Cầu Bản Bê Tông (Concrete Slab Design)
Giới thiệu
Ở hướng dẫn này, chúng tôi sẽ bắt đầu với cầu bản bê tông 3 nhịp đơn giản. Mô hình phân tích cầu sẽ bao gồm phần tử tấm và phần tử dầm cho cột.
Mục tiêu
Khởi tạo dự án mới
Định nghĩa vật liệu
Định nghĩa mặt cắt ngang
Tạo mô hình và tải trong SOFiPLUS
Phân tích tuyến tính
Phân tích hoạt tải
Phân tích giai đoạn thi công
Thiết kế
Mô tả dự án
Ý tưởng của hướng dẫn này là giúp bạn hiểu thông qua dự án cầu bê tông cốt thép đơn giản và giới thiệu quy trình căn bản: những chương trình và chức năng cần thiết. Tất cả các bước: mô hình hóa, gán tải trọng, tải trọng giao thông, tổ hợp,… đều được đơn giản hóa.
Tim tuyến cầu
Cầu có 3 nhịp với phần công xôn nhỏ tại điểm đầu và cuối.
Spans [m] | 0.50 | 15.70 | 19.60 | 15.70 | 0.50 | – | ||||||
Stations [m] | 10.00 | 10.50 | 11.50 | 25.20 | 26.20 | 27.20 | 44.80 | 45.80 | 46.80 | 61.00 | 61.50 | 62.00 |
Vật liệu cầu
Chúng tôi thiết lập vật liệu như sau.
Number | Title | Strength |
|---|---|---|
1 | Concrete bridge deck | C 40/50 |
2 | Reinforcement steel deck | B 500 |
11 | Concrete Pier | C 40/50 |
12 | Reinforcement Steel Pier | B 500 |
Mặt cắt ngang (Cross sections)
Number | Title | Dimensions |
|---|---|---|
1 | Column | D = 1.100 m |
Tiêu chuẩn thiết kế
Hướng dẫn này sử dụng tiêu chuẩn thiết kế Eurocode EN 1992-2004
Khởi tạo dự án
Đầu tiên, chúng ta cần tạo file SSD mới và lưu trực tiếp trong máy của bạn. Để biết thêm thông tin, bạn có thể tham khảo phần “Tạo dự án mới (SSD) – Start New SSD Project” trong phần “Quy trình tổng quan – General Workflow”
Thiết lập vật liệu
Tạo tất cả vât liệu cần thiết theo như bảng phía trên. Đi theo chi tiết hướng dãn “Thiết lập vật liệu – Material Definition” trong phần “Quy trình tổng quan – General Workflow”
Thiết lập tiết diện ngang
Trong dự án này, chúng ta chỉ có duy nhất một tiết diện ngang mặc định cho trụ cầu. Xin vui lòng tạo tiết diện ngang hình tròn với kích thước và vật liệu được mô tả như danh sách trên. Xin vui lòng theo các bước được mô tả phần “Thiết lập tiết diện ngang – Cross Section Definition” trong phần “Quy trình tổng quan – General Workflow”
Tác động
Với task “Action Manager”, chúng ta thiết lập tất cả các tác động cần thiết trước khi bắt đầu mô hình hóa trong SOFiPLUS.
Mô hình hóa trong SOFiPLUS
Hình học cầu sẽ được mô hình hóa theo ý tuởng CABD (Computer Aided Bridge Design) trong SOFiPLUS. Chúng ta sẽ thực hiện theo các bước sau:
Tạo tim tuyến chính cầu
Tạo điểm đặt dọc theo tim tuyến cầu
Tạo kết cấu tấm với chiều dày biến thiên mô phỏng cho mặt cầu chính.
Sử dụng “Cross Members Editor” để tạo gối tựa trong giai đoạn thi công và trụ cầu bao gồm lò xo (springs) và khớp nối (couplings)
Kiểm tra mô hình và điều chỉnh lại vị trí cấu kiện nếu cần thiết
Tạo tim tuyến cầu
Tạo tim tuyến chính của cầu và hệ trục phụ với thông tin hình học có trong phần mô tả dự án. Để biết thêm thông tin, xin vui lòng tham khảo phần “Start New SSD Project” trong phần “General Workflow”
Mô hình hóa
Video sau đây mô tả quy trình mô hình hóa
Lực
Trong các hướng dẫn của dự án cầu, chúng ta cần tạo toàn bộ các trường hợp tải trọng trong SOFiPLUS bằng “Loadcase Manager”. Xin lưu ý rằng tải trọng bản thân (self-weight) và tĩnh tải bổ sung (additional dead loads) sẽ được cân nhắc sau trong phần “Construction Stage Manager”. Vì vậy, trong phần này chúng ta sẽ lưu tải trọng này với tác động là “NONE”, đảm bảo rằng chúng sẽ không bị lặp hai lần trong phần tổ hợp.
LC | Action | Designation |
|---|---|---|
81 | NONE | constant temperature DT = + 20°C |
82 | NONE | constant temperature DT = – 20°C |
83 | NONE | temperature difference DTZ = -12.3°C |
84 | NONE | temperature difference DTZ = +8.0°C |
Để biết thêm các tải trọng khác bao gồm tổ hợp tải nhiệt độ cần thiết, xin vui lòng xem phần “Xác định trường hợp tải trọng – Define Actions and Loads” trong phần “Quy trình tổng quan – General Workflow”
Phân tích tuyến tính (Linear Analysis)
Sau khi đã tạo tất cả các tải tiêu chuẩn như: tải trọng bản thân, tải nhiệt độ và độ lún, chúng ta thêm task “Linear Analysis” vào trong dự án. Trong phần này, chúng ta thay đổi chế độ chọn từ “Automatic” sang “Manual”. Với điều này, chúng ta đảm bảo rằng chỉ các tải trọng được chọn mới được tính toán trong phần này, ngay cả khi chúng ta có tạo thêm tải trọng mới sau này.
Tải trọng giao thông (Traffic Loads)
Tiếp theo chúng ta sẽ đi tới phần tải giao thông. Bên cạnh phương pháp cơ bản: đánh giá đường ảnh hưởng, chúng tôi muốn giới thiệu với mọi người phướng pháp thứ hai để gán tải giao thông lên mô hình cầu. Phương pháp này gọi là “Load Stepping Method”. Đây là một phương pháp dễ hiểu, với việc phân tích và chồng chất tác dụng của nhiều trường hợp tải trọng đơn lẻ để tạo đường bao kết quả dùng cho các phân tích khác sau này.
Số hiệu các trường hợp tải
Để đánh giá tải trọng giao thông bằng phương pháp này, trước hết chúng ta cần xác định danh sách các trường hợp tải trọng. Chúng tôi khuyến nghị đi theo hệ thống đánh số như bên dưới:
LC | Action | Designation |
|---|---|---|
1201 | NONE | load train with load model LM1and 300 kN axle load |
1202 | NONE | load train with load model LM1and 200 kN axle load |
1203 | NONE | load train with load model LM1and 100 kN axle load |
201 – 225 | NONE | GR_T load stepping TS right most |
301 – 325 | NONE | GR_T load stepping TS left most |
401 – 425 | NONE | GR_T_T load stepping TS center |
501 – 503 | NONE | GR_U load stepping UDL right most; 3 spans |
521 – 523 | NONE | GR_U load stepping UDL left most; 3 spans |
541 – 543 | NONE | GR_U load stepping UDL center; 3 spans |
561 – 563 | NONE | GR_U footway and cycle track; 3 spans |
601 – 628 | GR_T | GR_T envelope GR_T |
701 – 728 | NONE | GR_U envelope GR_U right most + footways; 3 spans |
731 – 758 | NONE | GR_U envelope GR_U left most + footways; 3 spans |
760 – 788 | NONE | GR_U envelope GR_U center + footways; 3 spans |
631 – 658 | GR_U | GR_U envelope GR_U; 3 spans |
Quy trình phương pháp Load Stepping Method
Những bước sau đây là cần thiết để chạy phân tích (tạo “User Tasks” cho mỗi bước và chèn các đoạn code vào):
Xác định làn trong mô-đun SOFiLOAD. Đoạn code như sau:
+prog sofiload
head 'Lanes'
echo lane full
sto#start 10.00 $ station value bridge begin
$ For load stepping method together with SOFiLOAD COPY
$ it is necessary to define the bridge spans
$ this will be done with SA and SE input.
lane 'AXIS' type ec wr 5.90 wl -5.90 yra 6.9750 yla -6.9750 $$
sa #start+0.00 se #start+16.20
sa #start+16.20 se #start+16.20+19.60
sa #start+16.20+19.60 se #start+16.20+19.60+16.20
endVới đoạn code trên, làn đường đã được tạo (phụ thuộc vào khoảng cách xác định giữa các bó vỉa hè). Cài đặt mặc định là các số 10, 11, 12,… biểu thị cho các làn phía bên phải, các số 20, 21, 22,… cho các làn bên trái, và các số 1, 2, 3,… cho các làn giữa.
Tạo tải trọng đường sắt trong mô-đun SOFiLOAD. Các tải trọng sẽ được lưu dưới các trường hợp tải sau:
+prog sofiload head 'Load Models' echo load yes lc 1201 type none ; trai LM1 300 $ LM1 double axle load 300 kN lc 1202 type none ; trai LM1 200 $ LM1 double axle load 200 kN lc 1203 type none ; trai LM1 100 $ LM1 double axle load 100 kN end
Tạo một loạt tải trọng cho Tải Lưu Thông (Traffic Situation) bao gồm các vị trí khác nhau bên trong làn đường (trung tâm, rìa phải, rìa trái)
+prog sofiload
head 'Load Stepping LM1 TS'
echo full no
echo load yes
sto#l_bridge 16.20+19.60+16.20
sto#n_steps 25 $ steps for discrete load-postions
sto#trai 1201,1202,1203 $ load trains, defined in advanced
$ loadcase numbers
sto#lc_min1 201 $ starting loadcase for location in carriageway case 1
sto#lc_min2 301 $ starting loadcase for location in carriageway case 2
sto#lc_min3 401 $ starting loadcase for location in carriageway case 3
sto#lc_max1 0 $ last loadcase
sto#lc_max2 0 $ last loadcase
sto#lc_max3 0 $ last loadcase
$ case 1 (right most +y local)
$ laneset 10
loop#j #n_steps $ loop for loadcases
let#pos 1+#j
lc #lc_min1 type none titl 'LM1:TS Lane 10/11/12 pos#pos'
copy no #trai(0) fact 1.0 type gr0 ref 'axis.10' dx #j*#l_bridge/(#n_steps-1)+#start
copy no #trai(1) fact 1.0 type gr0 ref 'axis.11' dx #j*#l_bridge/(#n_steps-1)+#start
copy no #trai(2) fact 1.0 type gr0 ref 'axis.12' dx #j*#l_bridge/(#n_steps-1)+#start
let#lc_min1 #lc_min1+1
endloop
sto#lc_max1 #lc_min1-1
$ case 2 (left most -y local)
$ laneset 20
loop#j #n_steps $ loop for loadcases
let#pos 1+#j
lc #lc_min2 type none titl 'LM1:TS Lane 20/21/22 pos#pos'
copy no #trai(0) fact 1.0 type gr0 ref 'axis.20' dx #j*#l_bridge/(#n_steps-1)+#start
copy no #trai(1) fact 1.0 type gr0 ref 'axis.21' dx #j*#l_bridge/(#n_steps-1)+#start
copy no #trai(2) fact 1.0 type gr0 ref 'axis.22' dx #j*#l_bridge/(#n_steps-1)+#start
let#lc_min2 #lc_min2+1
endloop
sto#lc_max2 #lc_min2-1
$ case 3 (centric)
$ laneset 1
loop#j #n_steps $ loop for loadcases
let#pos 1+#j
lc #lc_min3 type none titl 'LM1:TS Lane 1/2/3 pos#pos'
copy no #trai(0) fact 1.0 type gr0 ref 'axis.1' dx #j*#l_bridge/(#n_steps-1)+#start
copy no #trai(1) fact 1.0 type gr0 ref 'axis.2' dx #j*#l_bridge/(#n_steps-1)+#start
copy no #trai(2) fact 1.0 type gr0 ref 'axis.3' dx #j*#l_bridge/(#n_steps-1)+#start
let#lc_min3 #lc_min3+1
endloop
sto#lc_max3 #lc_min3-1
end
Tạo một loạt các tải trọng cho tải trạng thái cực hạn (UDL) nhiều vị trí khác nhau trong làn đường (trung tâm, mép phải, mép trái)
+prog sofiload
head 'Load Stepping LM1 UDL'
echo full extr
echo load yes
sto#n_spans 3 $ number of spans
$ loadcase numbers
sto#lc_minu1 501 $ starting loadcase
sto#lc_minu2 521 $ starting loadcase
sto#lc_minu3 541 $ starting loadcase
sto#lc_minur 561 $ starting loadcase
sto#lc_maxu1 0 $ last loadcase
sto#lc_maxu2 0 $ last loadcase
sto#lc_maxu3 0 $ last loadcase
sto#lc_maxur 0 $ last loadcase
$ case 1 (right most +y local)
$ laneset 10
loop#j #n_spans $ loop for loadcases
let#span 1+#j
lc #lc_minu1 type none titl 'LM1:UDL Lane 10/11/12/r span#span'
copy no #trai(0) fact 1.0 type gru ref 'axis.10' dx 0 from #span to - inc 0
copy no #trai(1) fact 1.0 type gru ref 'axis.11' dx 0 from #span to - inc 0
copy no #trai(2) fact 1.0 type gru ref 'axis.12' dx 0 from #span to - inc 0
let#lc_minu1 #lc_minu1+1
endloop
sto#lc_maxu1 #lc_minu1-1
$ case 2 (left most -y local)
$ laneset 20
loop#j #n_spans $ loop for loadcases
let#span 1+#j
lc #lc_minu2 type none titl 'LM1:UDL Lane 20/21/22/r span#span'
copy no #trai(0) fact 1.0 type gru ref 'axis.20' dx 0 from #span to - inc 0
copy no #trai(1) fact 1.0 type gru ref 'axis.21' dx 0 from #span to - inc 0
copy no #trai(2) fact 1.0 type gru ref 'axis.22' dx 0 from #span to - inc 0
let#lc_minu2 #lc_minu2+1
endloop
sto#lc_maxu2 #lc_minu2-1
$ case 3 (centric)
$ laneset 0
loop#j #n_spans $ loop for loadcases
let#span 1+#j
lc #lc_minu3 type none titl 'LM1:UDL Lane 1/2/3/r span#span'
copy no #trai(0) fact 1.0 type gru ref 'axis.1' dx 0 from #span to - inc 0
copy no #trai(1) fact 1.0 type gru ref 'axis.2' dx 0 from #span to - inc 0
copy no #trai(2) fact 1.0 type gru ref 'axis.3' dx 0 from #span to - inc 0
let#lc_minu3 #lc_minu3+1
endloop
sto#lc_maxu3 #lc_minu3-1
$ footways and cycle tracks ! = type gr3
$ laneset 0
loop#j #n_spans $ loop for loadcases
let#span 1+#j
lc #lc_minur type none titl 'LM1: Footways span#span'
copy no #trai(0) fact 1.0 type gr3 ref 'axis.0' dx 0 from #span to - inc 0
let#lc_minur #lc_minur+1
endloop
sto#lc_maxur #lc_minur-1
end
Thực hiện phân tích tuyến tính cho mọi tải trọng đơn lẻ. Thay vì sử dụng task “Linear Analysis”, chúng tôi sẽ dùng “Text Editor (TEDDY)” bao gồm nhiều số hiệu cho các trường hợp tải chúng ta đã tạo trước đó. Cách này giúp chúng ta không thay đổi các tập tin bổ sung của dự án:
+PROG ASE $ Linear Analysis HEAD 'Analysis of Traffic Loads PAGE UNII 0 CTRL OPT SOLV VAL - $ Solution of the system LC (#lc_min1 #lc_max1 1) LC (#lc_min2 #lc_max2 1) LC (#lc_min3 #lc_max3 1) LC (#lc_minu1 #lc_maxu1 1) LC (#lc_minu2 #lc_maxu2 1) LC (#lc_minu3 #lc_maxu3 1) LC (#lc_minur #lc_maxur 1) END
Tạo tổ hợp và chồng chất tác dụng cho kết quả tải trọng lưu thông TS. Tất cả trường hợp tải trọng từ 201 tới 225, từ 301 tới 325, và từ 401 tới 425 tác dụng độc lập. Kết quả sẽ được lưu trong tác động GR_T để dùng cho sau này. Lệnh sử dụng cho tổ hợp cơ bản giống hình bên dưới (tham khảo phần CADINP trong ví dụ để biết thêm chi tiết):
comb 1 stan base 0 type GR_T lc (201 225 1) type a1 $ a1 -> mutually exclusive ...
Tạo tổ hợp và chồng chất tác dụng cho kết quả trạng thái cực hạn (UDL). Trước khi tạo kết quả từ tất cả lực ở trạng thái cực hạn (UDL), chúng ta phải bổ sung thêm các tổ hợp cho ba trường hợp đánh giá (rìa phải, rìa trái, trung tâm) + tải đi bộ. Từ những kết quả trên, chúng ta mới đánh giá được kết quả cuối cùng cho lực ở trạng thái cực hạn (UDL). Xin vui lòng tham khảo phần CADINP để biết thêm chi tiết.
Bạn có thể xóa những trường hợp tải trọng mà bạn không dùng đến trong phân tích bằng task “Text Editor (TEDDY)” theo như ví dụ sau:
+PROG ASE HEAD 'Delete unused LCs' ECHO FULL NO LC (#lc_min1 #lc_max1 1) type del LC (#lc_min2 #lc_max2 1) type del LC (#lc_min3 #lc_max3 1) type del LC (#lc_minu1 #lc_maxu1 1) type del LC (#lc_minu2 #lc_maxu2 1) type del LC (#lc_minu3 #lc_maxu3 1) type del LC (#lc_minur #lc_maxur 1) type del LC (#lcu1 #lcu1+16 1) type del LC (#lcu2 #lcu2+16 1) type del LC (#lcu3 #lcu3+16 1) type del END
Giai đoạn thi công (Construction Stages)
Đối với ví dụ này, bạn có thể không cần thiết phải xác định các giai đoạn thi công. Tuy nhiên, việc tính toán “Construction Stage Manager” là điều kiện tiên quyết để sử dụng task “CSM Design” (xem phần tiếp theo). Vì thế chúng ta cần xác định giai đoạn thi công, thời điểm mà trọng lượng bản thân và tĩnh tải bổ sung kích hoạt. Thêm vào dự án SSD task “Constuction Stages” và hiệu chỉnh các thiết lập như hình bên dưới.
Để biết thêm chi tiết, xin vui lòng tham khảo phần “Construction Stages” trong phần “General Workflow “ và hướng dẫn sử dụng mô-đun CSM.
Tổ hợp
Thêm task “CSM bridge Design – Superpositioning” vào dự án và kích hoạt.
Thiết kế phần tử vùng (Area Elements)
Có vài bước chúng ta cần có để thiết kế phần tử vùng
Xác định thông số thiết kế cho phần tử vùng
Thực hiện phân tích ULS và SLS
Thông số thiết kế (Design Parameters)
Đầu tiên bạn cần thiết lập thông số thiết kế cho phần tử vùng. Bao gồm: hướng của thép, khoảng cách, bán kính và bề rộng vết nứt cho phép. Để thiết lập, bạn cần sử dụng task “Design Parameter Area Elements”
Đường kính và diện tích thép sẽ được thiết lập trong phần “Reinforcement”
Thiết kế ULS
Để thiết kế phần tử vùng, bạn cần thêm vào phần “CSM Bridge Design (Area Elements) vào cây thư mục. Trong phần này, bạn có thể lựa chọn tiêu chuẩn thiết kế mà bạn muốn áp dụng.
Thiết kế phần tử dầm (Beam Elements)
Thiết kế phần tử dầm ta cần thêm phần “CSM Bridge Design (Beams)” vào dự án và chọn tiêu chuẩn thiết kế mà bạn muốn thực hiện.
