将设计一根 10 英尺长,名义尺寸为 8 英寸 ⋅ 8 英寸的 Alaska Cedar Select 结构柱,轴向荷载为 30.00 kips。 该分析的目的是确定调整后的柱的受压系数和调整的受压设计值。 假设杆件两端为正荷载,并且杆件两端有销钉支撑。 在本例中对荷载准则进行了简化。 法向荷载准则见第 3 章。 1.4.4 [1]. 在图 01 中显示了简单的柱子的荷载和尺寸。
柱属性
在这个例子中使用的截面是一根 8 inch ⋅ 8 inch 的木柱和木结构。 木柱的实际截面属性计算如下:
b = 7.50 in, d = 7.50 in, L = 10.00 ft
总截面积:
Ag = b ⋅ d = 7.50 in ⋅ 7.50 in = 56.25 in²
截面模量:
转动惯量:
在本例中使用的材料是 Alaska Cedar, 5"x5" and Larger, Beam and Stringer, 选择 Structural。 材料属性如下:
参考抗压设计值:
Fc = 925 psi
最小弹性模量:
E最小值= 440 ksi
柱调整系数
按照 2018 NDS 规范和 ASD 方法进行木杆件设计时,抗压设计值 (fc ) 必须采用稳定性系数(或调整系数)。 这将最终提供调整后的抗压设计值 (F'c )。 系数 F'c由以下公式确定,很大程度上取决于表 4.3.1 [1]中列出的调整系数:
F'c = Fc ⋅ CD ⋅ CM ⋅ Ct ⋅ CF ⋅ Ci ⋅ CP
下面确定每个调整系数:
CD - 考虑不同的荷载作用周期,使用荷载持续时间系数。 CD考虑了雪、风和地震。 该系数必须乘以所有参考设计值,除了弹性模量 (E)、梁和柱稳定性的弹性模量 (Emin ) 和垂直于晶粒的压力 (Fc )(基于 Sec. 3)。 4.3.2 [1]. CD在这种情况下按秒设置为 1.00。 2.3.2 [1]假设正常荷载持续时间为 10 年。
CM - 潮湿使用系数参考了锯材结构的设计值,该值基于在第 21 章中规定的潮湿使用条件。 4.1.4 [1]. 在这种情况下,基于秒。 4.3.3 [1] , CM取0.910。
Ct - 温度系数由杆件在高达 150 华氏度的高温环境中的持续作用控制。 所有参考设计值都将乘以Ct 。 利用表 2.3.3 [1] ,假设温度等于或小于 100 华氏度,所有参考设计值的 Ct均设置为 1.00。
CF - 锯材的尺寸系数不考虑木材作为均质材料。 考虑到柱子的尺寸和木材的类型。 在本例中,我们的柱子的高度小于或等于 12 英寸。 参照表 4D,根据柱的大小,使用系数 1.00。 该信息可以在第二节中找到。 4.3.6.2 [1].
Ci - 切入系数考虑木材防腐处理和防止真菌生长。 大多数情况下,这涉及压力处理,但在某些情况下需要对木材进行切割,从而增加化学覆盖的表面积。 在本例中,我们假设木材是切割的。 杆件属性的乘积系数见表 4.3.8 [1] 。
调整后的弹性模量
还必须调整参考弹性模量值(E 和 Emin )。 调整后的弹性模量(E' 和 E'min )由表 4.3.1 [1]确定,切入系数 Ci等于 0.95,由表 4.3.8 [1]确定。
E' = E ⋅ CM ⋅ Ct ⋅ Ci = 1,140,000.00 psi
E'min = Emin ⋅ CM ⋅ Ct ⋅ Ci = 418,000.00 psi
柱稳定系数 (CP )
在计算调整后的柱受压设计值和抗压设计利用率时,需要使用柱稳定系数 (CP )。 以下步骤将包括计算 CP所必需的方程和数值。
Cp的计算公式为:式(3.7-1)详见 3.7.1.5。 平行于晶粒的受压设计参考值 (Fc ) 计算如下:
F'c = Fc ⋅ CD ⋅ CM ⋅ Ct ⋅ CF ⋅ Ci = 673.40 psi
下一个需要在公式中计算的值。 (3.7-1) 是受压构件的屈曲临界设计值(FcE )。
长细比的计算公式如下:
将长细比应用于公式 FcE并计算出以下值:
FcE = 1342.17 psi
最后需要的变量是 (c),对于锯材,该变量等于 0.8。 所有变量都可以应用于公式。对于 CP ,计算公式 (3.7-1) 并计算以下值。
现在,所有调整系数都由表 4.3.1 [1]确定。 因此,可以计算调整的顺纹抗压设计值(F'c )。
F'c = Fc ⋅ CD ⋅ CM ⋅ Ct ⋅ CF ⋅ Ci ⋅ Cp = 585.86 psi
柱设计利用率
本例的最终目标是获得该简单柱的设计利用率。 这将决定在给定荷载下杆件尺寸是否足够,或者是否需要进一步优化。 计算设计比率时需要调整的绕两个轴的平行于晶粒的抗压设计值(F'c )和平行于晶粒的实际压应力(fc )。 在这种情况下,截面是对称的,因此 F'c在 x 轴和 y 轴上都是等效的。
实际压应力 (fc ) 按下式计算:
平行于晶粒的抗压设计值(F'c )和实际压应力(fc )被调整后的设计比率(η)按照规范计算。 3.6.3.
RFEM中的应用
对于在 RFEM 中按照 2018 NDS 标准进行木结构设计,附加模块 RF-TIMBER AWC 根据荷载规范和杆件承载力对单个或一组杆件的截面进行分析和优化。 这适用于 LRFD 或 ASD 设计方法。 在 RF-TIMBER AWC 中对上述柱子进行建模和设计时,可以对计算结果进行比较。
在附加模块 RF-TIMBER AWC 的常规数据表中选择了杆件、荷载条件和设计方法。 材料和截面由 RFEM 定义,荷载持续时间为 10 年。 湿度使用条件设置为潮湿,并且温度等于或低于 100 华氏度。 弯扭屈曲的定义见表 3.3.3 [1] 。 模块计算得出的平行于晶粒的实际压应力(fc )为535.57 psi,调整后的平行于晶粒的抗压设计值(F'c )为583.66 psi。 由这些值确定的设计系数 (η) 为 0.92。