Khai báo Shell Section Data trong SAP2000: chọn loại phần tử và chiều dày

Khi mô hình sàn, vách hoặc tấm thép trong SAP2000, chọn vật liệu và nhập chiều dày mới chỉ là một phần của công việc. Loại phần tử quyết định mô hình có xét lực màng, uốn ngoài mặt phẳng và ảnh hưởng của biến dạng cắt ngang hay không.

Bài viết hướng dẫn khai báo Shell Section Data, từ đường dẫn mở hộp thoại đến cách kiểm tra từng trường. Ví dụ sử dụng tấm checker có chiều dày thép nền 6 mm, giúp làm rõ lỗi đơn vị và cách lựa chọn thông số ban đầu. Các ảnh thao tác được chụp trên SAP2000 v27.1.0; vị trí hoặc tên nút có thể khác đôi chút ở phiên bản khác.

1. Mở hộp thoại Shell Section Data

Để tạo một tiết diện Area mới, thực hiện theo trình tự:

1. Chọn Define → Section Properties → Area Sections, như Hình 1.

2. Trong hộp thoại Area Sections, chọn Shell tại danh sách loại tiết diện cần thêm.

3. Chọn nút tạo tiết diện mới, thường là Add New Section hoặc Add New Property, để mở Shell Section Data.

4. Nếu sửa tiết diện đã có, chọn tên tiết diện rồi dùng Modify/Show Section.

Khai báo tiết diện và gán tiết diện là hai thao tác riêng. Sau khi tạo thuộc tính, chọn các đối tượng Area cần sử dụng rồi gán qua Assign → Area → Sections. Cần kiểm tra lại thuộc tính đã gán trước khi chạy phân tích.

2. Phân biệt Shell, Plate và Membrane

Có thể ghi nhớ cơ chế làm việc như sau:

• Shell: xét cả làm việc trong mặt phẳng và uốn ngoài mặt phẳng.

• Plate: xét làm việc uốn ngoài mặt phẳng, không xét độ cứng màng.

• Membrane: xét làm việc trong mặt phẳng, không có độ cứng uốn bản ngoài mặt phẳng.

Bảng dưới đây phân biệt các lựa chọn trong hộp thoại theo cơ chế phân tích.

Khi nào cân nhắc từng loại?

Shell-Thin là lựa chọn khởi đầu thường gặp cho tấm mỏng khi cần xét đồng thời lực màng và uốn. Shell-Thick cần được xem xét khi ảnh hưởng biến dạng cắt ngang đáng kể, chẳng hạn bản tương đối dày hoặc bài toán cục bộ.

Plate-Thin/Plate-Thick phù hợp với bài toán chủ động chỉ xét cơ chế ngoài mặt phẳng. Membrane dùng khi chỉ cần cơ chế màng; không chọn loại này để lấy mô men uốn hoặc độ võng bản do tải vuông góc mặt tấm.

Một phần tử Membrane cũng không tự tạo giả thiết diaphragm cứng. Nếu mô hình cần ràng buộc diaphragm, phải khai báo phù hợp với giả thiết phân tích. Việc truyền tải đứng xuống dầm cần được xử lý bằng cơ chế phân phối tải hoặc mô hình riêng, thay vì trông chờ độ cứng uốn của Membrane.

Shell-Layered/Nonlinear phục vụ bài toán có cấu tạo lớp hoặc yêu cầu phi tuyến. Chọn tên loại phần tử chưa đủ; còn phải khai báo lớp, vật liệu, cơ chế làm việc và trường hợp phân tích tương ứng.

3. Ý nghĩa các trường trong hộp thoại

Hình 2 thể hiện các nhóm Type, Thickness, Material và các nút khai báo bổ sung.

Với tấm đồng nhất, hai chiều dày thường bằng nhau. Material Angle không ảnh hưởng đáp ứng vật liệu đẳng hướng; với vật liệu có tính định hướng, phải kiểm tra phương vật liệu và trục phần tử. Cơ sở định nghĩa nằm trong The Shell Element → Section Properties của CSI.

4. Kiểm tra đơn vị và khai báo checker 6 mm

Chiều dày phải nhập theo đơn vị hiện hành

Trước khi nhập, kiểm tra đơn vị chiều dài đang dùng trong SAP2000. Cùng một tấm dày 6 mm nhưng giá trị nhập khác nhau theo hệ đơn vị:

Ở góc dưới bên phải Hình 1, đơn vị đang hiển thị Kgf, m, C, tức đơn vị chiều dài là mét. Hình 2 không hiển thị bộ chọn đơn vị. Nếu hộp thoại này thuộc cùng mô hình và đơn vị chưa đổi, giá trị 0.25 sẽ là 0,25 m, tương đương 250 mm; không phải 6 mm.

Bộ thông số minh họa

Ví dụ giả thiết checker có thép nền dày 6 mm, kê trên dầm phụ với khoảng cách 600 mm. Không tính chiều dày đến đỉnh gân nổi để tự tăng độ cứng của tấm nền.

Tỷ số nhịp và chiều dày trong ví dụ là:

$$\frac{L}{t} = \frac{600}{6} = 100$$

• $L$ — khoảng cách gối đỡ đang xét trong ví dụ, bằng 600 mm.

• $t$ — chiều dày thép nền, bằng 6 mm.

Với giả thiết tấm mỏng như trên, Shell-Thin là lựa chọn khởi đầu hợp lý. Bảng sau dùng hệ đơn vị có chiều dài là mét.

Các mác thép nêu trên là ví dụ tên vật liệu, không phải các lựa chọn mặc nhiên tương đương. Cần kiểm tra mô đun đàn hồi, cường độ, khối lượng riêng và các thông số liên quan trong định nghĩa vật liệu.

Tỷ số $L/t$ chỉ hỗ trợ nhận diện ban đầu. Không dùng một ngưỡng tỷ số duy nhất để quyết định Thin, Thick hoặc Solid cho mọi trường hợp; cần xem điều kiện đỡ, vùng đặt tải, hình học và mục tiêu lấy kết quả. Ví dụ này là hướng dẫn khai báo, chưa phải kết luận về khả năng chịu lực của tấm.

Tự trọng phần gân checker

Kiểm tra chiều dày danh nghĩa và khối lượng trên đơn vị diện tích theo hồ sơ sản phẩm. Nếu shell được mô hình bằng chiều dày thép nền, khối lượng phần gân nổi có thể cần bổ sung.

Có thể xử lý bằng tải trọng bổ sung hoặc hiệu chỉnh weight/mass theo giả thiết mô hình. Phải kiểm tra cả Self-Weight Multiplier trong Load Pattern và Mass Source để tránh tính thiếu hoặc tính lặp phần bổ sung. Không tăng Bending Thickness chỉ nhằm làm khớp khối lượng catalogue.

5. Tải bánh xe và chia lưới phần tử

Nếu mục tiêu là kiểm tra đáp ứng cục bộ dưới bánh xe, cần mô tả vùng tiếp xúc hoặc vùng truyền tải. Một lực đặt tại một nút có thể gây tập trung kết quả và khiến giá trị cục bộ phụ thuộc mạnh vào lưới phần tử.

Ví dụ số học dưới đây giả thiết tải $Q = 90$ kN phân bố đều trên vùng 200 × 200 mm. Các giá trị này chỉ minh họa cách đổi lực thành áp lực; không phải tải bánh xe hoặc diện tích tiếp xúc mặc định cho một loại xe.

Diện tích chịu tải:

$$A = 0{,}2 \times 0{,}2 = 0{,}04\ \text{m}^2$$

Áp lực tương đương:

$$p = \frac{Q}{A} = \frac{90}{0{,}04} = 2250\ \text{kN/m}^2$$

• $Q$ — lực truyền lên vùng tiếp xúc, đơn vị kN.

• $A$ — diện tích chịu tải giả thiết, đơn vị m².

• $p$ — áp lực phân bố tương đương, đơn vị kN/m².

Trong mô hình, chia vùng Area tương ứng với phạm vi đặt tải, bảo đảm các nút nối đúng với phần tử xung quanh và gán tải phân bố phù hợp. Kiểm tra chiều tác dụng, hệ tọa độ và tổng lực sau khi gán.

Sau đó tinh chỉnh lưới quanh vùng tải và gối đỡ, so sánh độ võng, nội lực tại các vị trí có ý nghĩa và tổng phản lực. Lưới nhỏ hơn không tự khắc phục được giả thiết tải hoặc điều kiện biên sai; tại điểm kỳ dị, nội lực cực đại có thể không hội tụ như kỳ vọng.

6. Đọc kết quả và kiểm tra mô hình

SAP2000 dùng các ký hiệu $F_{11}$, $F_{22}$, $F_{12}$ cho lực màng; $M_{11}$, $M_{22}$, $M_{12}$ cho mô men; $V_{13}$, $V_{23}$ cho lực cắt ngang. Các đại lượng này được đọc theo local axes của phần tử.

Lực shell là lực trên một đơn vị chiều dài; mô men shell là mô men trên một đơn vị chiều dài. Nếu mô hình dùng kN và m, cần phân biệt kN/m với kN, cũng như kN·m/m với mô men dầm kN·m. Đây là quy ước nêu trong Shell Element Internal Forces/Stresses Output Convention của CSI.

Trước khi dùng kết quả để kiểm tra tấm, rà lại:

• Đúng đơn vị, vật liệu và chiều dày đã gán.

• Đúng Type với cơ chế làm việc cần phân tích.

• Đúng phương local axes và chiều tải.

• Các Area và dầm đỡ nối với nhau theo giả thiết mô hình.

• Điều kiện liên kết tấm–dầm phản ánh cách cấu tạo thực tế.

• Tổng phản lực cân bằng với tải đã đưa vào mô hình.

• Kết quả được kiểm tra độ nhạy theo lưới ở vùng quan tâm.

7. Cách áp dụng cho tấm checker 6 mm

Với ví dụ tấm thép nền dày 6 mm, nhịp đỡ 600 mm, có thể bắt đầu bằng Shell-Thin, nhập Membrane và Bending cùng bằng 0.006 khi đơn vị chiều dài là mét. Chọn vật liệu thép theo hồ sơ và kiểm tra tự trọng theo sản phẩm thực tế.

Ba việc nên làm ngay sau khai báo là gán đúng tiết diện cho Area, kiểm tra liên kết với hệ đỡ và đối chiếu tổng tải–phản lực. Khi có tải bánh xe, bổ sung vùng đặt tải và kiểm tra độ nhạy theo lưới trước khi sử dụng nội lực cục bộ.

Tài liệu tham khảo

• Tài liệu gốc: Hướng dẫn khai báo Shell Section Data trong SAP2000, kèm hai ảnh thao tác do người dùng cung cấp.

• CSI — Shell Section Data Form: đường dẫn mở hộp thoại và các trường khai báo.

• CSI — Analysis Reference Manual, chương The Shell Element: Section Properties, Thickness Formulation, Section Material Angle và Internal Force and Stress Output.

• CSI — Shell Element Internal Forces/Stresses Output Convention: ký hiệu, phương và đơn vị nội lực shell.