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Cisca Tjoa, PE

2021-01-20

Armatura di una colonna esistente in RFEM secondo la Guida alla Progettazione AISC 15

A volte una struttura necessita di armatura nei casi in cui viene aggiunto un nuovo solaio o quando si scopre che un'asta esistente è in fase di progettazione a causa di un'ipotesi di carico difficile da prevedere. In molti casi, l'asta strutturale può non essere facilmente sostituita e l'armatura viene implementata per soddisfare il nuovo requisito di carico.

Questo articolo mostra l'uso della sezione trasversale "Parametric-Thin-Walled" disponibile in RFEM sulla base dell'esempio di LRFD mostrato nella Guida alla progettazione AISC 15: Riabilitazione e retrofit [2]. Il modulo aggiuntivo RF-STEEL AISC viene utilizzato per eseguire la verifica sia per le colonne non armate che per quelle armate secondo AISC Capitolo E.

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) viene utilizzata per la colonna lunga 16 piedi.

1 Colonna W10X66 definita dall'utente

I seguenti passaggi descrivono la procedura per creare una sezione trasversale e 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 inserire le proprietà geometriche che si trovano nella Tabella 5-2.1 (pagina 50 della Guida alla progettazione 15 [2]). Il passaggio successivo è creare un nuovo materiale definito dall'utente per l'acciaio F_y = 33 ksi utilizzando il pulsante [Importa materiale dalla libreria dei materiali].

2 Sezione trasversale definita dall'utente W10X66
Compila il filtro nella Libreria dei materiali, quindi "Crea nuovo materiale" in base a "Acciaio A36". Nella finestra successiva, compilare la "Descrizione del materiale" e modificare F_y a 33 ksi.

3 Crea nuovo materiale basato sull'acciaio A36
Disegna l'asta lunga 16 piedi. Fornire un vincolo incernierato (rotazione Z fissa) nella parte inferiore della colonna. Per il vincolo esterno nella parte superiore, solo la traslazione è fissata nelle direzioni X e Y. Applica carico assiale = 550 kips (morto + in tensione).
Risolvi il modello utilizzando 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 di acciaio di armatura (F_y = 36 ksi) saldate alle ali della colonna. Si supponga che le piastre di armatura siano installate su tutta la lunghezza della colonna.

Nota: Le discrepanze minori nella resistenza a compressione tra il modello RFEM e l'esempio di calcolo manuale AISC [2] sono dovute alla differenza nelle aree della sezione trasversale (un raggio dell'angolo non è incluso nella croce di RFEM -sezione).

Creazione di una colonna armata W10X66 definita dall'utente con piastre in acciaio A36

Le piastre di armatura saldate aumenteranno sia l'area che il momento di inerzia della colonna. Ciò si tradurrà in una maggiore resistenza a compressione come determinato dalla sezione delle specifiche AISC E3 [1].

La verifica dell'armatura è un processo iterativo eseguito al meglio utilizzando un foglio di calcolo. Questa soluzione presenterà solo la soluzione finale, in cui due piastre di copertura di 3/8 di pollice di spessore x 8 di larghezza sono saldate alle ali della colonna come mostrato di seguito.

5 Sezione trasversale rinforzata

Scegli la "Sezione a I rinforzata" nella libreria delle sezioni trasversali. Quindi inserire le proprietà geometriche della colonna W10x66 e delle piastre di armatura da 3/8 di pollice x 8 di pollice. Scegli lo stesso materiale definito dall'utente "Acciaio Fy=33" che è stato creato in precedenza (secondo la Guida alla progettazione AISC 15 [2], "La colonna esistente ha una tensione di snervamento di F_y = 33 ksi, mentre le piastre di armatura hanno una tensione di snervamento di F_y = 36 ksi. Per il calcolo della resistenza a compressione disponibile della colonna, considerare prudentemente una tensione di snervamento di 33 ksi per l'intera sezione trasversale della colonna armata.").

6 Sezione trasversale definita dall'utente della colonna armata W10X66
Ripetere la stessa procedura per disegnare la colonna e applicare i carichi come mostrato in precedenza. Risolvi il modello utilizzando RF-STEEL AISC. Come mostrato di seguito, la colonna armata soddisfa il controllo del codice di progetto.

7 Risultato finale del progetto in RF-STEEL AISC

Verifica dei requisiti per le colonne composte secondo AISC Sezione E6 e verifica delle saldature

Dalla specifica AISC, sezione E6.1 [1], i collegamenti alle estremità delle piastre di armatura sono progettati per il pieno carico di compressione all'interno della piastra. Progettare i collegamenti delle estremità per la tensione di snervamento delle piastre di armatura.

Utilizzare saldature d'angolo da 1/4 di pollice su entrambi i lati della piastra di armatura. Lo spessore dell'ala è t_f = 0,748 pollici e la piastra di armatura ha uno spessore di 3/8 di pollice, quindi la dimensione della saldatura soddisfa i requisiti dimensionali minimi della tabella delle specifiche AISC J2.4 [1]. La lunghezza della saldatura richiesta 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_saldatura	Lunghezza saldatura
P_u	Carico di compressione della piastra (1) = F_y. A_g
[F9]_y	Tensione di snervamento della piastra = 36 ksi
A_g	Area lorda della piastra (1) = 0,375 x 8,0 pollici = 3,0 in ²
ΦR_n	Resistenza della saldatura per pollice di saldatura

Saldature longitudinali

Questa lunghezza della saldatura soddisfa i requisiti prescrittivi della sezione AISC E6.2(b) [1] che la lunghezza della saldatura finale non sia inferiore alla larghezza massima dell'asta.

Utilizzare 1/4" di saldatura x saldature longitudinali lunghe 10 pollici su entrambi i lati alle estremità delle piastre.

Dalla sezione AISC E6.1(b) [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 una snellezza modificata, la distanza massima tra le saldature d'angolo 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	Raggio di rotazione della piastra (1)
i_xi	bt ^3/12 = [(8.0in). (0,375 pollici) ³ ]/12 = 0,0352 pollici ⁴ (una piastra)
A_i	Area della piastra (1) = tw = (0,375 pollici) (8 pollici) = 3,0 pollici ²
a_max	Distanza massima tra le saldature d'angolo intermittenti

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

Utilizzare saldature di collegamento intermittenti lunghe 1,5 pollici a 4 pollici al centro (sezione J2.2b per la lunghezza minima della saldatura). Una saldatura lunga 1,5 pollici soddisfa la dimensione della saldatura di 4 * e un minimo di 1,5 pollici.

Dalla sezione AISC E6.2(a) [1], i singoli componenti delle aste compresse devono essere collegati ad intervalli, a, in modo tale che il rapporto di snellezza, a/r_i, non supera di 3/4 volte il rapporto di snellezza determinante dell'asta composta.

\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 .

[LinkToImage02]	Distanze di saldatura
r_i	Raggio di rotazione della piastra (1)
L_c	Lunghezza non controventata della colonna = 5 m = 500 cm
r_o	Raggio minimo di rotazione della sezione trasversale armata (r_z in RFEM)

Rapporto di snellezza determinante dell'asta assemblata

Dalla sezione AISC E6.2(b) [1], la spaziatura massima delle saldature intermittenti non deve superare i tempi di spessore della piastra 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	Spessore della piastra
E	Modulo di elasticità
F_y	Tensione di snervamento della sezione armata

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

Il progetto definitivo della colonna armata 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 delle aste composte di uso comune. Il modulo aggiuntivo RF-STEEL AISC calcola le resistenze di progetto dell'asta ed esegue il controllo del codice.