CSA S16: 19 Considerazioni sulla stabilità e il nuovo allegato O.2

Articolo tecnico sul tema Analisi strutturale con Dlubal Software

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La stabilità della struttura non è un fenomeno nuovo quando si parla di progettazione in acciaio. La norma canadese di progettazione in acciaio CSA S16 e l'ultima versione del 2019 non fanno eccezione. Requisiti di stabilità dettagliati possono essere affrontati con il metodo di analisi di stabilità semplificato nella clausola 8.4.3 o, nuovo per la norma 2019, il metodo degli effetti di stabilità nell'analisi elastica fornito nell'Appendice O.

Il paragrafo 8.4.1 [1] elenca i requisiti di stabilità che il progetto strutturale dovrebbe soddisfare con entrambi i metodi. Questi includono le deformazioni che contribuiscono alla struttura, gli effetti del secondo ordine tra cui P-Δ e P-δ, le imperfezioni geometriche globali e delle aste, la riduzione della rigidezza che tiene conto dello snervamento dell'asta e delle tensioni residue e, infine, l'incertezza nella rigidezza e resistenza della struttura.

Paragrafo 8.4.3 - Metodo semplificato dell'analisi di stabilità

Con il metodo di analisi di stabilità semplificato dato in 8.4.3 [1], sono elencati solo alcuni requisiti.

Non linearità geometriche

Il primo include gli effetti del secondo ordine dell'asta, o P-Δ, che possono essere considerati direttamente nell'analisi. Un metodo di calcolo di analisi del secondo ordine è più comune con molti programmi software di analisi strutturale oggi. L'alternativa è amplificare tutti i carichi assiali delle aste e i momenti flettenti ottenuti da un'analisi del primo ordine per il coefficiente U2 definito in 8.4.3.2 (b) [1] . Questo approccio può essere più adatto per i calcoli manuali o se il software di analisi strutturale non include automaticamente gli effetti P-Δ.

Imperfezioni geometriche

I carichi laterali nozionali sono il secondo elemento elencato con il metodo semplificato nel paragrafo 8.4.3.3 [1] . Questo carico applicato è uguale a 0,005 volte il carico gravitazionale totale fattorizzato al piano considerato e dovrebbe essere distribuito in modo simile al carico gravitazionale. I carichi nozionali sono sempre applicati nella direzione che genera il massimo effetto destabilizzante. Ciò significa che tali carichi dovrebbero essere applicati nella stessa direzione di un carico del vento laterale per generare le deformazioni e le forze interne più elevate sulla struttura.

Appendice O.2 - Effetti di stabilità nell'analisi elastica

In alternativa all'approccio di analisi di stabilità semplificato di cui sopra, gli ingegneri possono utilizzare l'Appendice O.2 per soddisfare i requisiti di stabilità di cui alla clausola 8.4.1 [1] . Questo approccio è stato aggiunto alla norma 2019 e ha molte somiglianze con il manuale statunitense di progettazione in acciaio AISC 360-16 Ch. Metodo di analisi diretta C.

Non linearità geometriche

Le non linearità geometriche, o effetti del secondo ordine, sono trattate in O.2.2 [1] . Come il metodo semplificato, può essere eseguita direttamente un'analisi del secondo ordine che include gli effetti dei carichi che agiscono sui punti di intersezione spostati delle aste (effetti P-Δ). Inoltre, si dovrebbero considerare gli effetti dei carichi assiali che agiscono sulla forma dell'asta flessa lungo la lunghezza (P-δ). Ci sono disposizioni date in O.2.2 [1] dove P-δ può essere completamente trascurato. D'altra parte, se P -δ è incluso direttamente nell'analisi, il coefficiente U1 può essere impostato a 1.0 utilizzato nella clausola 13.8 - Compressione assiale e progetto di aste flettenti [1] .

Imperfezioni geometriche

Le imperfezioni geometriche delle aste come il fuori-rettilineità dell'asta o le imperfezioni geometriche locali come il fuori-rettilineità degli elementi per le aste non devono essere considerate quando si progetta secondo la clausola O.2 [1] . Tuttavia, le imperfezioni geometriche globali dovrebbero essere considerate con la modellazione diretta o con l'uso di carichi laterali nozionali. Tuttavia, c'è l'eccezione che queste imperfezioni geometriche globali possono essere trascurate per le combinazioni di carico laterale solo se soddisfano i requisiti stabiliti nella clausola O.2.3.1 [1] . I requisiti includono che i carichi gravitazionali della struttura sono supportati principalmente da elementi strutturali verticali e il rapporto tra la deriva massima del 2 ° ordine del piano e la deriva del 1 ° ordine utilizzando la rigidezza ridotta dell'asta secondo la clausola O.2.4 [1] non supera 1,7 a qualsiasi livello del piano.

Quando l'ingegnere non può trascurare queste imperfezioni, può essere utilizzato il primo metodo di modellazione diretta. I punti di intersezione delle aste devono essere spostati dalle loro posizioni originali. L'ampiezza di questo spostamento iniziale è esposta nella clausola 29.3 [1] e applicata nella direzione più destabilizzante, che per la maggior parte delle strutture edilizie è una tolleranza di 1/500 per il fuori piombo della colonna. Il problema significativo con questo metodo è l'elevato numero di scenari modello che devono essere considerati. Teoricamente, sono necessari quattro spostamenti nelle quattro diverse direzioni ad ogni livello del piano. Se anche gli effetti di fuori rettilineità dell'asta sono accoppiati con il fuori-piombo della colonna, si aggiungono molti altri scenari di modellazione da considerare per ottenere il massimo effetto destabilizzante.

Il metodo alternativo e preferito per le imperfezioni geometriche globali è applicare carichi laterali nozionali. Questo metodo è consentito solo quando i carichi gravitazionali sono supportati principalmente da elementi strutturali verticali. I carichi laterali fittizi sono stati trattati in precedenza in questo articolo e sono applicati nello stesso modo dell'analisi di stabilità semplificata nel paragrafo 8.4.3.2 [1]. Tuttavia, l'ampiezza viene ridotta da 0,005 a 0,002 volte il carico gravitazionale fattorizzato al piano pertinente. La riduzione di grandezza è consentita nella clausola O.2.3.3 poiché questi carichi nozionali rappresentano solo le imperfezioni geometriche globali, mentre i carichi nozionali nella clausola 8.4.3.2 [1] tengono conto anche degli effetti di inelasticità e di altre incertezze.

Effetti di inelasticità

Per tenere conto degli effetti di inelasticità e per prendere in considerazione anche le imperfezioni geometriche dell'asta iniziale o locale, nonché l'incertezza nella rigidezza e nella resistenza, si dovrebbe applicare alle aste la rigidezza assiale e flessionale dell'asta ridotta secondo le seguenti equazioni nella clausola O.2.4 [1] contribuendo alla stabilità laterale.

(EA)r = 0,8 τb EA

(EI)r = 0,8 τb EI

Dove,

Cf/Cy <0,5; τb = 1,0

Cf/Cy > 0,5; τb = 4 Cf/Cy (1 - Cf/Cy )

Per evitare distorsioni localizzate, la norma suggerisce di applicare questa riduzione della rigidezza a tutte le aste. Inoltre, quando la rigidezza a taglio (GA) e la rigidezza torsionale (GJ) contribuiscono in modo significativo alla stabilità laterale, si dovrebbe considerare la riduzione della rigidezza. La riduzione della rigidezza non deve essere utilizzata durante l'analisi di derive, inflessioni, vibrazioni o vibrazioni naturali.

Appendice O.2 Applicazione in RFEM

Il programma FEA RFEM ha incorporato i più recenti requisiti di stabilità della norma CSA S16: 19 secondo le nuove disposizioni dell'Appendice O.2.

Non linearità geometriche

Gli effetti del secondo ordine indicati nella clausola O.2.2 [1] sono direttamente considerati per ogni caso di carico o combinazione di carico quando il metodo di calcolo è impostato su "analisi del secondo ordine".

Non solo sono inclusi gli effetti P-Delta per l'analisi dell'asta, ma sono anche considerati P-δ. Pertanto, il coefficiente U1 può essere impostato su 1.0 specificato nella clausola 13.8 direttamente nel modulo di progettazione delle aste RF-/STEEL CSA.

Imperfezioni geometriche

L'utente di RFEM ha la possibilità di modellare direttamente le imperfezioni geometriche globali spostando i punti o i nodi delle intersezioni delle aste. Tuttavia, per garantire che questo metodo crei il massimo effetto destabilizzante, sarà necessario eseguire più modelli con vari scenari. Questo è piuttosto lungo e macchinoso.

L'approccio alternativo consiste nell'applicare carichi nozionali con le opzioni di imperfezione all'interno di RFEM. Questa finestra di dialogo ora include CSA S16: 19 nelle opzioni a discesa. Il carico figurativo viene applicato all'estremità dell'asta (cioè la parte superiore della colonna) con una grandezza uguale a 0,002 (o 0,005 se si utilizza il metodo di stabilità semplificato) moltiplicata per la forza assiale dell'asta (carico gravitazionale dell'asta applicata). Una forza uguale e opposta viene applicata internamente all'estremità opposta dell'asta per evitare un taglio non realistico della base della struttura.

Questi casi di carico di imperfezione possono essere applicati in RFEM con casi di carico laterale specifici per produrre la massima azione destabilizzante evitando la generazione di combinazioni di carico che non controlleranno e aumenteranno ulteriormente il tempo di calcolo (cioè i carichi nozionali nella direzione X dovrebbero essere solo applicato con carichi del vento in direzione X). Inoltre, le imperfezioni possono essere disattivate completamente per le espressioni di combinazioni di carico come la funzionalità mentre sono ancora applicate alle combinazioni di resistenza.

Effetti di inelasticità

La scheda Modifica rigidezza per le aste ora include la norma CSA S16: 19. Quando si seleziona questa opzione, il coefficiente di modifica 0,8 e il coefficiente τb calcolato vengono applicati direttamente alla rigidezza flessionale e assiale dell'asta. Gli utenti hanno anche la possibilità di applicare ulteriormente queste riduzioni alla rigidezza torsionale e al taglio dell'asta.

Poiché la riduzione della rigidezza dell'asta non dovrebbe essere considerata per la progettazione di esercizio (cioè le flessioni), RFEM consente agli utenti di disattivare tutte le modifiche della rigidezza dell'asta per le combinazioni di carico di esercizio, lasciandola attiva per le combinazioni di carico di resistenza.

Sommario

Gli aggiornamenti significativi del progetto di stabilità secondo l'Appendice O.2 nell'ultimo manuale di progettazione in acciaio canadese CSA S16: 19 sono ora completamente incorporati nel flusso di lavoro dell'analisi di RFEM. Questi aggiornamenti includono in modo più significativo la capacità di considerare i carichi nozionali come imperfezioni e rigidezze delle aste ridotte secondo CSA S16: 19. Per vedere questi nuovi aggiornamenti dimostrati in un video di esempio dettagliato, guarda il webinar CSA S16: 19 Steel Design in RFEM.

Autore

Amy Heilig, PE

Amy Heilig, PE

Amministratore delegato di Dlubal Software, Inc. & Vendite & Ingegnere di supporto tecnico

Amy Heilig è CEO dell'ufficio americano a Filadelfia, in Pennsylvania. Inoltre, è responsabile delle vendite e dell'assistenza tecnica e continua a supportare lo sviluppo dei programmi Dlubal per i mercati statunitense e canadese.

Parole chiave

Acciaio Asta in acciaio CSA CSA S16 CSA S16:19 Instabilità Riduzione di rigidezza Carichi nozionali Imperfezione P-Delta P-Δ

Riferimento

[1]   CSA S16:19, Design of Steel Structures

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  • Aggiornato 4. maggio 2021

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