3319x

001638

Cisca Tjoa, PE

2024-02-27

Verifica di pilastro esistente in RFEM secondo l'AISC Design Guide 15

A volte una struttura necessita di rinforzo nei casi in cui viene aggiunto un nuovo piano o quando un elemento esistente risulta sottodimensionato a causa di un'ipotesi di carico difficile da prevedere. In molti casi, l'elemento strutturale potrebbe non essere facilmente sostituibile e viene implementato un rinforzo per soddisfare il nuovo requisito di carico.

Questo articolo dimostra l'uso della sezione trasversale "Parametric-Thin-Walled" disponibile in RFEM basata sull'esempio LRFD mostrato nella Guida alla Progettazione AISC 15: Riabilitazione e Retrofit [2]. Il modulo aggiuntivo RF-STEEL AISC viene utilizzato per eseguire il controllo di progetto sia per le colonne non rinforzate che per quelle rinforzate secondo il Capitolo E dell'AISC.

Di seguito è mostrato l'esempio 6.2 della Guida alla Progettazione AISC 15 [2], dove la forma storica AISC W10X66 (F_y = 33 ksi) è usata per la colonna di 16 piedi di lunghezza.

1 Colonna W10X66 definita dall'utente

I seguenti passaggi delineano la procedura per la creazione di una sezione trasversale e di un materiale definiti dall'utente.

Creazione di una Sezione Trasversale W10X66 Definita dall'Utente

Scegli la "Sezione a I Simmetrica" nella Libreria delle Sezioni Trasversali. Quindi inserisci le proprietà geometriche trovate nella Tabella 5-2.1 (pagina 50 della Guida alla Progettazione 15 [2]). Il passo successivo è creare un nuovo materiale definito dall'utente per l'acciaio F_y = 33 ksi usando il pulsante [Import Material from Material Library].

2 Sezione trasversale definita dall'utente W10X66
Compila il filtro nella Libreria dei Materiali, quindi "Crea Nuovo Materiale" basato su "Acciaio A36". Nella finestra successiva, compila la "Descrizione del Materiale" e aggiorna F_y a 33 ksi.

3 Crea nuovo materiale basato sull'acciaio A36
Disegna il membro lungo 16 piedi. Fornisci un supporto imperniato (rotazione Z fissata) alla base della colonna. Per il supporto in cima, solo la traslazione è fissata nelle direzioni X e Y. Applica un carico assiale = 550 kips (Mort dead + Live).
Risolvi il modello usando il modulo aggiuntivo RF-STEEL AISC.

4 Risultato della colonna non rinforzata in RF-STEEL AISC

Come mostrato sopra, la resistenza richiesta supera la resistenza disponibile del 26%, e quindi la colonna richiede piastre d'acciaio di rinforzo (F_y = 36 ksi) saldate alle flange della colonna. Si suppone che le piastre di rinforzo siano installate sull'intera lunghezza della colonna.

Nota: Le lievi discrepanze nella resistenza a compressione tra il modello RFEM e l'esempio di calcolo a mano AISC [2] sono dovute alla differenza nelle aree delle sezioni trasversali (un raggio d'angolo non è incluso nella sezione trasversale RFEM).

Creazione di una Colonna Rinforzata W10X66 con Piastre in Acciaio A36 Definite dall'Utente

Le piastre di rinforzo saldate aumenteranno sia l'area che il momento d'inerzia della colonna. Questo si tradurrà in un aumento della resistenza a compressione come determinato dalla Sezione E3 della Specifica AISC [1].

Il progetto del rinforzo è un processo iterativo meglio eseguito usando un foglio di calcolo. Questa soluzione presenterà solo la soluzione finale, dove due piastre di copertura spesse 3/8 di pollice per 8 pollici di larghezza sono saldate alle flange della colonna come mostrato sotto.

5 Sezione trasversale rinforzata

Scegli la "Sezione a I Rinforzata" nella Libreria delle Sezioni Trasversali. Quindi inserisci le proprietà geometriche della colonna W10x66 e delle piastre di rinforzo da 3/8 di pollice x 8 pollici. Scegli lo stesso materiale definito dall'utente "Acciaio Fy=33" creato in precedenza (come per la Guida alla Progettazione AISC 15 [2], "La colonna esistente ha una resistenza a snervamento di F_y = 33 ksi, mentre le piastre di rinforzo hanno una resistenza a snervamento di F_y = 36 ksi. Per il calcolo della resistenza a compressione disponibile della colonna, considerare prudentemente una resistenza a snervamento di 33 ksi per l'intera sezione trasversale rinforzata della colonna.").

6 Sezione trasversale definita dall'utente della colonna armata W10X66
Ripeti la stessa procedura di disegno della colonna e applicazione dei carichi come mostrato in precedenza. Risolvi il modello usando RF-STEEL AISC. Come mostrato di seguito, la colonna rinforzata soddisfa il controllo del codice di progetto.

7 Risultato finale del progetto in RF-STEEL AISC

Controllo dei Requisiti per le Colonne Composte secondo la Sezione E6 dell'AISC e Progetto delle Saldature

Dalla Sezione E6.1 della Specifica AISC [1], le connessioni alle estremità delle piastre di rinforzo sono progettate per il carico a compressione totale nella piastra. Progetta le connessioni di estremità per la resistenza a snervamento delle piastre di rinforzo.

Usa saldature a filetto da 1/4 di pollice su entrambi i lati della piastra di rinforzo. Lo spessore della flangia è t_f = 0,748 pollici e la piastra di rinforzo è spessa 3/8 di pollice, quindi la dimensione della saldatura soddisfa i requisiti minimi di dimensione della Tabella J2.4 della Specifica AISC [1]. La lunghezza richiesta della saldatura è:

l_{weld} = \frac{P_{u}}{(2 welds) \cdot ({ϕR}_{n})}

l_{weld} = \frac{108.0 kips}{(2 welds) \cdot (5.57 kips / in)}

l_{weld} = 9.70 in \to use 10.0 in

l_weld	Length of weld
P_u	Compressive load of (1) plate = F_y . A_g
F_y	Yield strength of plate = 36 ksi
A_g	Gross area of (1) plate = 0.375 in x 8.0 in = 3.0 in²
ΦR_n	Weld design strength per inch of weld

Saldature longitudinali

Questa lunghezza della saldatura soddisfa il requisito prescrittivo della sezione E6.2(b) dell'AISC [1] affinché la lunghezza della saldatura di estremità non sia inferiore alla larghezza massima del membro.

Usa saldature longitudinali da 1/4" x 10 pollici di lunghezza su entrambi i lati alle estremità delle piastre.

Dalla Sezione E6.1(b) dell'AISC [1], è richiesto un rapporto di snellezza modificato per le colonne composte quando a/ri > 40, dove a è la distanza tra le saldature. Per evitare la necessità di utilizzare un rapporto di snellezza modificato, la distanza massima tra le saldature a filetto intermittenti dovrebbe essere limitata a:

r_{i} = \sqrt{\frac{I_{xi}}{A_{i}}} = \sqrt{\frac{0.0352 {in}^{4}}{3.0 {in}^{2}}} = 0.108 in

a_{\max} = 40 r_{i} = 40 \cdot 0.108 in = 4.33 in \to use 4.0 in

r_i	Radius of gyration of (1) plate
I_xi	bt³/12 = [(8.0in) . (0.375in)³]/12 =0.0352in⁴ (one plate)
A_i	Area of (1) plate = t w = (0.375in)(8in) = 3.0in²
a_max	Maximum distance between the intermittent fillet welds

Distanza massima tra saldature d'angolo intermittenti secondo AISC Sezione E6.1(b)

Usa saldature di collegamento intermittenti lunghe 1,5 pollici distanziate di 4 pollici al centro (Sezione J2.2b per la lunghezza minima della saldatura). Una saldatura lunga 1,5 pollici soddisfa le dimensioni 4* della saldatura e 1,5 pollici minimo.

Dalla sezione E6.2(a) dell'AISC [1], i singoli componenti dei membri a compressione devono essere collegati a intervalli, a, in modo che il rapporto di snellezza, a/r_i, non superi 3/4 del rapporto di snellezza prevalente del membro composto.

\frac{a}{r_{i}} = \frac{4.0 in}{0.108 in} = 37.0

\frac{3}{4} (\frac{L_{c}}{r_{o}}) o = \frac{3}{4} (\frac{192 in}{2.529 in}) = 57.1 > 37.0 o . k .

a	Weld intervals
r_i	Radius of gyration of (1) plate
L_c	Unbraced length of the column = 16 ft = 192 in
r_o	Minimum radius of gyration of the reinforced section (r_z in RFEM)

Rapporto di snellezza determinante dell'asta assemblata

Dalla sezione E6.2(b) dell'AISC [1], la spaziatura massima delle saldature intermittenti non deve superare lo spessore della piastra moltiplicato per 0,75 √(E/F_y), né 12 pollici.

t \{0.75 \sqrt{\frac{E}{F_{y}}}\} = (0.375 in) \{0.75 \sqrt{\frac{29, 000 ksi}{36 ksi}}\} = 7.98 in > 4.0 in o . k .

t	Plate thickness
E	Modulus of elasticity
F_y	Yield strength of the reinforced section

Spaziatura massima delle saldature intermittenti secondo AISC Sezione E6.2(b)

Il progetto finale della colonna rinforzata è mostrato di seguito.

8 Verifica di saldature di colonne composte

Come mostrato dall'esempio sopra, la sezione trasversale "Parametric Thin-Walled" di RFEM può essere utilizzata per calcolare le proprietà geometriche dei membri composti comunemente usati. Il modulo aggiuntivo RF-STEEL AISC calcola le resistenze progettuali del membro ed esegue il controllo del codice.

Autore

Cisca è responsabile della formazione dei clienti, del supporto tecnico e dello sviluppo continuo del programma per il mercato nordamericano.

Link

Software di ingegneria strutturale per strutture in acciaio

Bibliografia

Istituto americano per le costruzioni in acciaio. (2016) Specifiche per edifici in acciaio strutturale, ANSI/AISC 360-16. Chicago: AISC.
Brockenbrough, RL, & Schuster, J. S : AISC Design Guide 15: Rehabilitation and Retrofit, 2. Auflage. Chicago: AISC, 2018

;