Midas civil

1. Khoa Xây dựng Cầu Đường - Trường ĐHBK
TẬP SAN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 68
THIẾT KẾ TỐI ƯU BẰNG PHẦN MỀM MIDAS-CIVIL
OPTIMAL DESIGN BY MIDAS-CIVIL SOFTWARE
ThS. NGUYỄN LAN
Khoa XD Cầu Đường, Trường Đại Học Bách Khoa
KS. CAO VĂN LÂM - Cựu sinh viên 01X3B
TÓM TẮT
Phần mềm Midas Civil có rất nhiều tính năng ưu việc trong tính toán, thiết kế cầu như
tính toán cầu đúc hẫng,cầu treo, thiết kế tiết diện BTCT, thiết kế tối ưu. Bài viết này đi sâu
vào nghiên cứu tính năng tối ưu hóa kết cấu bao gồm tối ưu hóa mặt cắt của tiết diện và bài
toán điều chỉnh nội lực trong cầu dây xiên theo mô hình bài toán tối ưu.
ABSTRACT
MIDAS-Civil have many features for Bridge design as Segmental and Cable-stayed
bridge, Optimal design. This paper focus on optimal design included Section Optimal and
determine of modified forces in cable of Cable-stayed Bridge.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong vòng nữa thế kỷ nay, một ngành toán học mới- lý thuyết qui hoạch toán
học- đã hình thành và phát triễn mạnh mẽ do đòi hỏi cấp bách về kinh tế để thực hiện
các chỉ tiêu tối ưu: Nhiều nhất, ít nhất, nhanh nhất, rẻ nhất, tốt nhất,….Ngày nay sự
phát triển nhanh chóng của kỹ thuật máy tính điện tử đã tạo khả năng thực tế cho việc
tự động hóa thiết kế trên rất nhiều lĩnh vực. Chẳng hạn như xác định các tham số của
kết cấu xây dựng tối ưu theo tiêu chuẩn giá thành rẽ nhất, tính toán lực căng chỉnh
trong các dây văng để độ lệch mặt cầu so với đường đỏ mặt cầu mong muốn nhỏ nhất,
chọn kích thước các mặt cắt bộ phận kết cấu sao cho thỏa mãn các tiêu chuẩn kiểm tra
và khối lượng vật liệu nhỏ nhất,… đó là những ví dụ về bài toán thiết kế tối ưu.
Hiện nay có một số chương trình phân tích và thiết kế kết cấu bằng phương
pháp phần tử hữu hạn đã tích hợp thêm môđun thiết kế tối ưu (optimal design) như
SAP2000, MIDAS-Civil. Việc nghiên cứu, tiếp cận các tính năng thiết kế tối ưu của
các phần mềm này để lựa tìm mặt cắt tối ưu, chọn lực căng chỉnh theo mô hình bài
toán tối ưu,… là việc cần thiết đối với các kỹ sư thiết kế kết cấu.
Trong bài viết này, các tác giả giới thiệu một số tính năng phân tích và thiết kế
tối ưu của phần mềm MIDAS-Civil, một phần mềm thiết kế cầu rất mạnh đang được
các kỹ sư thiết kế cầu quan tâm nghiên cứu và ứng dụng.
2- CÁC TÍNH NĂNG THIẾT KẾ TỐI ƯU CỦA MIDAS-CIVIL
2.1. Tính năng thiết kế tối ưu mặt cắt kết cấu thép và kết cấu bê tông-cốt
thép hình (bê tông cốt cứng)- Steel/SRC Optimal Design
Tính năng này cho phép ta có thể lựa chọn một kết cấu tiết kiệm nhất (khối
lượng vật liệu nhỏ nhất). Hiện MIDAS chỉ mới hỗ trợ thiết kế tối ưu mặt cắt cho kết
cấu bê tông cốt thép hình (SRC) và kết cấu thép (Steel) .
Dạng mặt cắt ngang
Hình 1 – Mặt cắt ngang bê tông lõi cốt thép hình (SRC)

2. Khoa Xây dựng Cầu Đường - Trường ĐHBK
TẬP SAN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 69
Hình 2 – Mặt cắt ngang thép hình
Trình tự tự chung thực hiện phân tích và thiết kế tối ưu trong MIDAS như sau:
- Thực hiện bài toán phân tích nội lực: Mô hình hóa kết cấu , khai báo vật liệu,
mặt cắt ban đầu, tải trọng, phân tích nội lực.
- Thực hiện lệnh thiết kế kết cấu: Khai báo các thông số cho bài toán thiết kế,
thực hiện lệnh thiết kế.
Thực hiện lệnh thiết kế tối ưu: Gọi môđun thiết kế tối ưu (Steel optimal
Design…khi thiết kế tối ưu kết cấu thép hoặc SRC optimal Design… khi thiết kế tối
ưu kết cấu bê tông cốt cứng).
Có thể là tối ưu các kích thước cho một tiết diện hoặc tối cho tất cả tiết diện của
kết cấu để đạt được mục tiêu khối lượng vật liệu toàn kết cấu nhỏ nhất.
Hình 3 – Hộp thoại thiết kế tối ưu mặt cắt ngang của kết cấu thép
- Khi thiết kế tối ưu kết cấu thép MIDAS tự động thay đổi dạng mặt cắt hoặc
các kích thước mặt cắt để đạt mục tiêu trọng lượng toàn kết cấu nhỏ nhất nhưng vẫn
thỏa mãn các điều kiện kiểm tra cường độ và độ mãnh theo tiêu chuẩn thiết kế đã lựa
chọn. Khi thiết kế tối ưư kết cấu bê tông cốt cứng (SRC), MIDAS chỉ tự động thay đổi
kích thước mặt cắt phần thép hình bên trong phần bê tông.
2.2 Bài toán tối ưu hóa trong kết cấu cầu dây xiên

3. Khoa Xây dựng Cầu Đường - Trường ĐHBK
TẬP SAN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 70
MIDAS hổ trợ chức năng Get Unknown load factors để tính toán lực điều
chỉnh trong các dây văng trên cở sở thỏa mãn hàm mục tiêu đã chọn.
Hình 4: Hộp thoại khai báo và xác định lực căng chỉnh trong cable
Trình tự khai báo điều chỉnh nội lực trong cầu treo dây xiên như sau:
- Mô hình hóa kết cấu: Khai báo sơ đồ hình học, vật liệu, mặt cắt, tải trọng, tổ
hợp tải trọng.
- Thực hiện lệnh phân tích nội lực.
- Vào lệnh Results Unknown Load Factor… khai báo các về hàm mục tiêu
(Object Function ), các ràng buộc (Constraints), trường hợp tải trọng điều chỉnh, sau
đó bấm nút Get Unknown Load Factors hiển thi kết quả hệ số tải trọng trong các
dây văng. Khi khai báo tổ hợp nội lực cần điều chỉnh gồm tĩnh tải hệ và lực căng đơn
vị trong các dây thì các hệ số tải trọng tìm được lực điều chỉnh trong dây.
MIDAS hổ trợ nhiều kiểu hàm mục tiêu và nhiều dạng điều kiện ràng buột
(Phản lực, chuyển vị, nội lực phần tử dàn, nội lực phần tử dầm) có thể ứng dụng để
thực hiện rất nhiều dạng bài toán điều chỉnh nội lực. Kết quả của bài toán điều chỉnh
nội lực là lực điều chỉnh và cả ma trận ảnh hưởng rất chi tiết. Sau đây là ví dụ tính điều
chỉnh nội lực trong các dây cáp ngoài của cầu kiểu Extradosed với mục tiêu để biểu đồ
bao mô men do tĩnh tải và lực căng dây phù hợp với công nghệ thi công hẫng dầm.
3. VÍ DỤ MINH HỌA
Tính toán điều chỉnh nội lực trong kết cấu cầu kiểu Extradosed
3.1 Các số liệu ban đầu
Sơ đồ cầu: 3 nhịp 87 + 160 +87 (m)
Khổ cầu: 12.5+2x3.25 (m)
Cáp văng: Sử dụng loại cáp có đường kính danh định 15,2mm. 61 tao cho 4 cáp
văng bên trong và 91 tao cho 4 cáp văng bên ngoài.
Thi công theo công nghệ đúc hẫng, thi công đến đâu ta sẽ tiến hành căng cáp
đến đó.

4. Khoa Xây dựng Cầu Đường - Trường ĐHBK
TẬP SAN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 71
Hình 5: Mô hình không gian cầu trong Midas
Hình 6: Sơ đồ tính của cầu
3.2 Hàm mục tiêu của bài toán
Kết cấu này có hai cách căng cáp:
- Xem cáp văng như những bó cáp dự ứng lực ngoài và ta tiến hành căng với
lực căng giới hạn của cáp dự ứng lực (ứng suất căng 0.8fy).
- Căng cáp văng với lực căng điều chỉnh.
Mục tiêu điều chỉnh nội lực là momen dương tại một số vị trí dưới tác dụng tỉnh
tải giai đoạn 1 đạt một giá trị nào đó để biểu đồ môn men do tỉnh tải bản thân dầm và
cáp văng phù hợp với quá trình thi công hẫng dầm (Mô men âm tại gối lớn, mô men
dương ở giữa nhịp lớn).Cụ thể là Mômen tại đoạn giữa nhịp giữa và giữa nhịp biên
nằm trong khoảng -95000 đến 95000 KN.m.
Các phần từ là hàm mục tiêu: (đây chính những phần tử từ dây thứ 2 trở đi ra xa trụ)
Bảng1: Bảng giá trị mục tiêu cần đạt trong dầm
Nhịp Tên phần tử
Giá trị mômen cần đạt
(KN.m)
Biên trái 1;2;3;4;5;6;7;8;9;10;11;12;13 -95000 đến 95000
Giữa
49;50;51;52;53;54;55;56;57;58;59;
60;61;62;63;64;65;66;67;68;69
-95000 đến 95000
Biên phải
105;107;108;109;110;111;112;
113;114;115;116;117
-95000 đến 95000

5. Khoa Xây dựng Cầu Đường - Trường ĐHBK
TẬP SAN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 72
Hình 7: Sơ đồ tính của cầu
3.3 Tổ hợp tải trọng cần điều chỉnh nội lực
Ta tiến hành căng cáp với lực căng đơn vị, sau đó ta tạo ra một tổ hợp bao gồm
lực căng trong cáp văng và trọng lượng bản thân của kết cấu.
DCNL = (DC; Capvang1;2….16)
Sau khi có được tổ hợp tải trọng và điều kiện ràng buộc, ta tiến hành khai báo
vào trong chương trình, thực hiện lệnh Get Unknown factor… ta sẽ có được kết quả
như sau:
3.3.1 Biểu đồ momen trong hai trường hợp căng cáp:
+ Biểu đồ momen do căng cable ngoài (ứng suất căng 0.8f'y) và tỉnh tải bản
thân khi không tính điều chỉnh.
Hình 8: Biểu đồ momen khi căng cáp văng với lực căng 0.8f'y
+ Biểu đồ momen do căng cable ngoài (với lực điều chỉnh) và tỉnh tải bản thân
khi có điều chỉnh.
Hình 9: Biểu đồ momen khi căng cáp văng với lực căng điều chỉnh
3.3.2. Kết quả lực căng trong các bó cáp:
Bảng2: Bảng giá trị lực căng sau khi điều chỉnh nội lực
Cáp
văng
Lực căng
(KN)
Cáp
văng
Lực căng (KN)
1 10456.840 9 10639.954
2 8483.278 10 8478.709
3 6648.248 11 6643.379
4 5092.824 12 5087.521
5 3809.306 13 3808.186
6 2751.586 14 2749.073
7 1898.583 15 1906.881
8 1132.819 16 1190.445

6. Khoa Xây Dựng Cầu Đường - Trường Đại Học Bách Khoa
TẬP SAN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 73
4-KẾT LUẬN
Phần mềm MIDAS-Civil là phần mềm phân tích và thiết kế cầu khá hay và
thuận tiện, ngoài một số ưu điểm nổi bật như: Giao diện đồ họa mạnh, dể khai thác sử
dụng, xuất kết quả chi tiết, hổ trợ nhiều mô hình cầu mẫu theo nhiều dạng công nghệ,
khả năng phân tích phi tuyến hình học, xét các hiệu ứng thay đổi theo thời gian (từ
biến, co ngót, chùng rão vật liệu), tối ưu hóa mặt cắt… còn có tính năng Get
Unknown factor… tính toán lực điều chỉnh theo mô hình bài toán tối ưu. Có thể khai
thác tính năng này để thực hiện một số dạng bài toán điều chỉnh nội lực trong kết cấu
cầu treo, cầu dây văng, cầu kiểu Extradosed, cầu dự ứng lực ngoài, cầu liên hợp, tăng
cường cầu củ …
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN272-05
[2] GS. TS. Lê Đình Tâm, “Cầu bê tông cốt thép trên đường ô tô”, Nhà xuất bản xây dựng
-2005
[3] PGS.TS. Nguyễn Viết Trung & TS Hoàng Hà,”Công nghệ đúc hẫng cầu bê tông cốt
thép”, Nhà xuất bản giao thông vận tải -2004
[4] PGS.TS. Trần Mạnh Tuân,“ Tính toán kết cấu Bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn ACI
318-2002”, Nhà xuất bản X ây dựng - 2005
[5] Ngô Văn Minh & Vũ Ngọc Anh,”Hướng dẫn sử dụng MIDAS Civil trong mô hình hóa
kết cấu cầu”
[6] Cao văn Lâm, “Thiết kế cầu qua hồ Trung tâm tỉnh Đăk Nông”. Luận văn tốt nghiệp
KS cầu đường, Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng năm học năm 2006.

7. Khoa Xây Dựng Cầu Đường - Trường Đại Học Bách Khoa
TẬP SAN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 74