Dieser Artikel zeigt die Verwendung des in RFEM verfügbaren "parametrisch-dünnwandigen" Querschnitts. Dieser basiert auf dem in der Bemessungsanleitung von AISC 15: Sanierung und Umbau gezeigten LRFD-Beispiel. Das Add-On RF-STAHL AISC wird verwendet, um die Konstruktionsprüfung sowohl für die unbewehrten als auch für die bewehrten Stützen gemäß AISC-Kapitel E durchzuführen.
Unten ist Beispiel 6.2 der Bemessungsanleitung von AISC 15 [2] dargestellt, in dem die historische AISC-Form W10X66 (Fy = 33 ksi) für eine 16 Fuß lange Stütze verwendet wird.
Im Folgenden wird das Verfahren zur Erstellung eines benutzerdefinierten Querschnitts und Materials beschrieben.
Erstellen eines benutzerdefinierten W10X66-Querschnitts
- Wählen Sie den "Symmetrischen I-Querschnitt" in der Querschnittsbibliothek. Geben Sie dann die geometrischen Eigenschaften aus Tabelle 5-2.1 (Seite 50 des Design Guide 15 [2]) ein. Der nächste Schritt ist das Erstellen eines neuen benutzerdefinierten Materials für Stahl mit Fy = 33 ksi mit der Schaltfläche [Material aus Materialbibliothek importieren].
- Füllen Sie den Filter in der Materialbibliothek aus und erstellen Sie ein "Neues Material" basierend auf "Stahl A36". Geben Sie im nächsten Fenster die "Materialbeschreibung" ein und ändern Sie Fy zu 33 ksi.
- Zeichnen Sie das 16 Fuß lange Bauteil. Stellen Sie eine verschieblich gelagerte Unterstützung (Z-Rotation fixiert) am unteren Ende der Stütze bereit. Bei der Lagerung am oberen Ende ist nur die Translation in X- und Y-Richtung fixiert. Ein axialer Lastwert von 550 kips (Eigenlast + Nutzlast) wird aufgebracht.
- Lösen Sie das Modell mit dem Zusatzmodul RF-STEEL AISC.
Wie oben gezeigt, übersteigt die erforderliche Festigkeit die verfügbare Festigkeit um 26 %, daher erfordert die Stütze verstärkende Stahlplatten (Fy = 36 ksi), die an die Stützenflansche geschweißt werden. Es wird angenommen, dass die Verstärkungsplatten über die gesamte Stützenlänge installiert werden.
Hinweis: Die geringfügigen Abweichungen in der Druckfestigkeit zwischen dem RFEM-Modell und dem AISC-Handberechnungsbeispiel [2] sind auf die unterschiedliche Querschnittsfläche zurückzuführen (ein Eckradius ist im RFEM-Querschnitt nicht enthalten).
Benutzerdefinierte verstärkte W10X66-Stütze mit A36-Stahlplatten erstellen
Die geschweißten Verstärkungsplatten erhöhen sowohl den Flächeninhalt als auch das Trägheitsmoment der Stütze. Dies führt zu einer erhöhten Druckfestigkeit gemäß AISC-Spezifikationsabschnitt E3 [1].
Die Gestaltung der Verstärkung ist ein iterativer Prozess, der am besten mit einer Tabellenkalkulation durchgeführt wird. Diese Lösung präsentiert nur die endgültige Lösung, bei der zwei 3/8-Zoll-dicke x 8-Zoll-breite Abdeckplatten an die Stützenflansche geschweißt sind, wie unten gezeigt.
- Wählen Sie den "Verstärkten I-Querschnitt" in der Querschnittsbibliothek. Geben Sie dann die geometrischen Eigenschaften der W10x66-Stütze und der 3/8 Zoll x 8 Zoll Verstärkungsplatten ein. Wählen Sie das gleiche benutzerdefinierte Material "Stahl Fy=33", das zuvor erstellt wurde (laut AISC Design Guide 15 [2], "Die bestehende Stütze hat eine Streckgrenze von Fy = 33 ksi, während die Verstärkungsplatten eine Streckgrenze von Fy = 36 ksi haben. Für die Berechnung der verfügbaren Druckfestigkeit der Stütze wird vorsorglich eine Streckgrenze von 33 ksi für den gesamten verstärkten Stützenquerschnitt berücksichtigt.").
- Wiederholen Sie das gleiche Verfahren zum Zeichnen der Stütze und Anwenden von Lasten wie zuvor gezeigt. Lösen Sie das Modell mit RF-STEEL AISC. Wie unten gezeigt, erfüllt die verstärkte Stütze den Bemessungsvorschriften-Nachweis.
Überprüfung der Anforderungen für zusammengesetzte Stützen gemäß AISC Abschnitt E6 und Gestaltung der Schweißnähte
Aus AISC-Spezifikationsabschnitt E6.1 [1] werden die Verbindungen an den Enden der Verstärkungsplatten für die volle Druckbelastung in der Platte ausgelegt. Entwerfen Sie die Endverbindungen für die Streckgrenze der Verstärkungsplatten.
Verwenden Sie 1/4 Zoll Kehlnähte auf beiden Seiten der Verstärkungsplatte. Die Flanschdicke ist tf = 0,748 Zoll und die Verstärkungsplatte ist 3/8 Zoll dick, somit erfüllt die Schweißgröße die Mindestanforderungen der AISC-Spezifikation Tabelle J2.4 [1]. Die erforderliche Schweißlänge ist:
|
lweld |
Length of weld |
|
Pu |
Compressive load of (1) plate = Fy . Ag |
|
Fy |
Yield strength of plate = 36 ksi |
|
Ag |
Gross area of (1) plate = 0.375 in x 8.0 in = 3.0 in2 |
|
ΦRn |
Weld design strength per inch of weld |
Diese Schweißlänge erfüllt die Vorschrift aus AISC Abschnitt E6.2(b) [1], dass die Endschweißlänge nicht weniger als die maximale Breite des Bauteils betragen darf.
Verwenden Sie 1/4" Schweißnähte x 10 Zoll lange Längsnähte auf beiden Seiten an den Enden der Platten.
Aus AISC Abschnitt E6.1(b) [1] ist ein modifiziertes Schlankheitsverhältnis für zusammengesetzte Stützen erforderlich, wenn a/ri > 40, wobei a der Abstand zwischen den Schweißnähten ist. Um die Notwendigkeit zu vermeiden, ein modifiziertes Schlankheitsverhältnis zu verwenden, sollte der maximale Abstand zwischen intermittierenden Kehlnaht-Schweißnähten auf begrenzt werden:
|
ri |
Radius of gyration of (1) plate |
|
Ixi |
bt3/12 = [(8.0in) . (0.375in)3]/12 =0.0352in4 (one plate) |
|
Ai |
Area of (1) plate = t w = (0.375in)(8in) = 3.0in2 |
|
amax |
Maximum distance between the intermittent fillet welds |
Verwenden Sie intermittierende Verbindungsnähte, die 1,5 Zoll lang sind, im Abstand von 4 Zoll zentriert (Abschnitt J2.2b für Mindestlänge der Schweißnähte). Eine 1,5 Zoll lange Naht erfüllt die 4*Schweißgröße und das 1,5-Zoll-Mindestmaß.
Aus AISC Abschnitt E6.2(a) [1] müssen die einzelnen Komponenten von Druckelementen in Abständen verbunden werden, sodass das Schlankheitsverhältnis, a/ri, nicht mehr als 3/4 des maßgebenden Schlankheitsverhältnisses des zusammengesetzten Bauteils beträgt.
|
a |
Weld intervals |
|
ri |
Radius of gyration of (1) plate |
|
Lc |
Unbraced length of the column = 16 ft = 192 in |
|
ro |
Minimum radius of gyration of the reinforced section (rz in RFEM) |
Aus AISC Abschnitt E6.2(b) [1] darf der maximale Abstand der intermittierenden Nähte die Plattendicke multipliziert mit 0,75 √(E/Fy) nicht überschreiten, und nicht mehr als 12 Zoll.
|
t |
Plate thickness |
|
E |
Modulus of elasticity |
|
Fy |
Yield strength of the reinforced section |
Das endgültige Design der verstärkten Stütze ist unten gezeigt.
Wie aus dem obigen Beispiel ersichtlich, kann der RFEM "Parametric Thin-Walled"-Querschnitt verwendet werden, um die geometrischen Eigenschaften von häufig verwendeten zusammengesetzten Bauteilen zu berechnen. Das Zusatzmodul RF-STEEL AISC berechnet die Bemessungsfestigkeiten des Elements und führt den Vorschriften-Nachweis durch.