Klauzula 8.4.1 [1] wylicza wymagania dotyczące stateczności, które powinien uwzględnić projekt konstrukcji przy użyciu dowolnej metody. Obejmują one: deformacje wpływające na konstrukcję, efekty drugiego rzędu, w tym P-Δ i P-δ, globalne i członowe niedoskonałości geometryczne, redukcję sztywności uwzględniającą uplastycznienie członów i naprężenia resztkowe, a także niepewność w sztywności i wytrzymałości konstrukcji.
Klauzula 8.4.3 – Uproszczona Metoda Analizy Stateczności
W uproszczonej metodzie analizy stateczności podanej w 8.4.3 [1], wymieniono tylko kilka wymagań.
Nieliniowości Geometryczne
Pierwszym z nich są efekty drugiego rzędu członów, czyli P-Δ, które można bezpośrednio uwzględnić w analizie. Metoda obliczeń analizy drugiego rzędu jest obecnie najczęstsza w przypadku wielu programów do analizy konstrukcji. Alternatywą jest zwiększenie wszystkich osiowych obciążeń członów i momentów zginających uzyskanych z analizy pierwszego rzędu przez współczynnik U2 zdefiniowany w 8.4.3.2(b) [1]. Podejście to może być bardziej odpowiednie do obliczeń ręcznych lub w sytuacji, gdy oprogramowanie do analizy konstrukcji nie uwzględnia automatycznie efektów P-Δ.
Niedoskonałości Geometryczne
Obciążenia boczne to drugie wymienione elementy w ramach uproszczonej metody w Klauzuli 8.4.3.3 [1]. To zastosowane obciążenie równe jest 0.005 razy całkowitemu obciążeniu grawitacyjnemu uwzględnionemu na rozpatrywanym piętrze i powinno być rozłożone podobnie do obciążenia grawitacyjnego. Obciążenia te zawsze stosuje się w kierunku, który generuje największy efekt destabilizujący. Oznacza to, że takie obciążenia powinny być przykładane w tym samym kierunku, co boczne obciążenie wiatrem, aby wywołać największe deformacje i wewnętrzne siły w konstrukcji.
Aneks O.2 – Efekty Stateczności w Analizie Sprężystej
Jako alternatywę dla powyższego uproszczonego podejścia analizy stateczności, inżynierowie mogą wykorzystać Aneks O.2 do spełnienia wymagań stateczności postawionych w Klauzuli 8.4.1 [1]. Podejście to zostało dodane do normy z 2019 roku i ma wiele podobieństw do amerykańskiego podręcznika projektowego stali AISC 360-16 Ch. C Metoda Bezpośredniej Analizy.
Nieliniowości Geometryczne
Nieliniowości geometryczne, czyli efekty drugiego rzędu, są omówione w O.2.2 [1]. Podobnie jak w metodzie uproszczonej, analizę drugiego rzędu można przeprowadzić bezpośrednio, co obejmuje efekty obciążeń działających w miejscach przemieszczeń członów (efekty P-Δ). Dodatkowo, należy rozważyć efekty obciążeń osiowych działających na ugiętą formę członu na całej długości (P-δ). W O.2.2 są podane przepisy, gdzie P-δ można całkowicie pominąć. Z drugiej strony, jeśli P-δ jest uwzględniane bezpośrednio w analizie, współczynnik U1 można ustawić na 1.0 używany w Klauzuli 13.8 - Projektowanie członów z kompresją osiową i zginaniem [1].
Niedoskonałości Geometryczne
Członowe niedoskonałości geometryczne takie jak prostoliniowość członów lub lokalne niedoskonałości geometryczne jak prostoliniowość elementów członów nie muszą być rozważane przy projektowaniu zgodnie z Klauzulą O.2 [1]. Jednak globalne niedoskonałości geometryczne powinny być rozważane za pomocą bezpośredniego modelowania lub z użyciem obciążeń bocznych. Istnieje wyjątek, że te globalne niedoskonałości geometryczne można pominąć tylko w przypadku kombinacji obciążeń bocznych, jeśli spełniają wymagania postawione w Klauzuli O.2.3.1 [1]. Wymagania obejmują, że obciążenia grawitacyjne konstrukcji są wspierane głównie przez pionowe elementy konstrukcyjne, a stosunek maksymalnego ugięcia piętra drugiego rzędu do ugięcia piętra pierwszego rzędu przy użyciu zmniejszonej sztywności członów zgodnie z Klauzulą O.2.4 [1] nie przekracza 1.7 na żadnym poziomie piętra.
Gdy inżynier nie może pominąć tych niedoskonałości, można zastosować pierwszą metodę bezpośredniego modelowania. Punkty przecięcia członów powinny być przesunięte z ich oryginalnych miejsc. Amplituda tego początkowego przesunięcia jest określona w Klauzuli 29.3 [1] i przykładana w największym kierunku destabilizującym, który dla większości budynków wynosi 1/500 nachylenia dla odchylenia kolumny. Istotnym problemem tej metody jest duża liczba scenariuszy modelu, które muszą być brane pod uwagę. Teoretycznie potrzebne są cztery przesunięcia w czterech różnych kierunkach na każdym piętrze. Jeśli efekty prostoliniowości członu są również połączone z odchyleniem kolumny, dodaje to wiele więcej scenariuszy modelowania do rozpatrzenia w celu osiągnięcia największego efektu destabilizującego.
Alternatywna i preferowana metoda dla globalnych niedoskonałości geometrycznych to zastosowanie obciążeń bocznych. Metoda ta jest dozwolona tylko wtedy, gdy obciążenia grawitacyjne są wspierane głównie przez pionowe elementy konstrukcyjne. Obciążenia boczne były omówione wcześniej w tym artykule i stosuje się je w ten sam sposób, co w uproszczonej analizie stateczności w Klauzuli 8.4.3.2 [1]. Jednak amplituda jest zmniejszona z 0.005 do 0.002 razy obciążenie grawitacyjne na odpowiednim piętrze. Redukcja wielkości jest dozwolona w Klauzuli O.2.3.3, ponieważ te obciążenia boczne uwzględniają jedynie globalne niedoskonałości geometryczne, podczas gdy obciążenia w Klauzuli 8.4.3.2 [1] uwzględniają również efekty niesprężystości i inne niepewności.
Efekty Niesprężystości
Aby uwzględnić efekty niesprężystości, a także odnosić się do początkowych lub lokalnych niedoskonałości geometrycznych oraz niepewności w sztywności i wytrzymałości, zmniejszone osiowe i zginające sztywności członu zgodnie z następującymi równaniami w Klauzuli O.2.4 [1] powinny być stosowane do członów przyczyniających się do bocznej stabilności.
(E A)r = 0.8 τb E A (E I)r = 0.8 τb E I Gdzie, Cf / Cy < 0.5 ; τb = 1.0 Cf / Cy > 0.5 ; τb = 4 Cf / Cy (1 - Cf / Cy)
Aby uniknąć lokalnych deformacji, norma sugeruje zastosowanie tej redukcji sztywności do wszystkich członów. Ponadto, gdy sztywność przy ścinaniu (GA) i sztywność skrętna (GJ) przyczyniają się istotnie do bocznej stabilności, należy rozważyć redukcję sztywności. Redukcja sztywności nie powinna być stosowana podczas analizy przemieszczeń, ugięć, drgań lub drgań własnych.
Zastosowanie Aneks O.2 w RFEM
Program FEA RFEM wprowadził najnowsze wymagania dotyczące stateczności zgodnie z normą CSA S16:19 wg nowych postanowień Aneksu O.2.
Nieliniowości Geometryczne
Efekty drugiego rzędu określone w Klauzuli O.2.2 [1] są bezpośrednio rozważane dla każdego przypadku obciążenia lub kombinacji obciążeń, gdy metoda obliczeń jest ustawiona na "analizę drugiego rzędu".
Nie tylko efekty P-Delta są uwzględniane w analizie członów, ale także P-δ. Dlatego współczynnik U1 można ustawić na 1.0 określony bezpośrednio w module projektowania członów RF-/STEEL CSA.
Niedoskonałości Geometryczne
Użytkownik RFEM ma możliwość bezpośredniego modelowania globalnych niedoskonałości geometrycznych przez przesuwanie punktów lub węzłów przecięć członów. Jednak, aby upewnić się, że metoda ta tworzy największy efekt destabilizujący, konieczne będzie przeprowadzenie wielu modeli z różnymi scenariuszami. Jest to dość czasochłonne i kłopotliwe.
Alternatywnym podejściem jest zastosowanie obciążeń ze wbudowanymi opcjami niedoskonałości w RFEM. Okno dialogowe obecnie zawiera normę CSA S16:19 w opcjach rozwijanych. Obciążenie jest przykładane do końca członu (czyli szczytu kolumny) z amplitudą równą 0.002 (lub 0.005, jeśli używa się uproszczonej metody stateczności) pomnożoną przez siłę osiową członu (przyłożone obciążenie grawitacyjne członu). Równa i przeciwna siła jest wewnętrznie wygenerowana na przeciwnym końcu członu, aby uniknąć nierealistycznych siłę podstawowych konstrukcji.
Te przypadki obciążenia niedoskonałości mogą być zastosowane w RFEM dla konkretnych przypadków obciążenia bocznego, aby uzyskać największe działania destabilizujące przy jednoczesnym uniknięciu generowania kombinacji obciążeń, które nie będą kontrolować i dodatkowo zwiększą czas obliczeń (to znaczy, obciążenia w kierunku X powinny być stosowane tylko z obciążeniami wiatru w kierunku X). Ponadto, niedoskonałości mogą być całkowicie wyłączone dla wyrażeń kombinacji obciążeń dotyczących użytkowalności, podczas gdy nadal są stosowane do kombinacji wytrzymałości.
Efekty Niesprężystości
Zakładka modyfikacji sztywności dla członów obecnie zawiera normę CSA S16:19. Kiedy ta opcja jest wybrana, współczynnik modyfikacji 0.8 i obliczony współczynnik τb są stosowane bezpośrednio do sztywności zginającej i osiowej członu. Użytkownicy mają również możliwość dalszego zastosowania tych redukcji do sztywności skrętnej i przy ścinaniu członu.
Ponieważ redukcja sztywności członów nie powinna być rozpatrywana przy projektowaniu użytkowalności (to znaczy, ugięcia), RFEM pozwala użytkownikom wyłączyć wszystkie modyfikacje sztywności członów dla kombinacji obciążeń użytkowalności, podczas gdy pozostawia to aktywne dla kombinacji wytrzymałości.
Podsumowanie
Znaczące aktualizacje projektowe stateczności zgodnie z Aneksem O.2 w najnowszej kanadyjskiej normie projektowania stali CSA S16:19 zostały w pełni wprowadzone do przepływu pracy analizy w RFEM. Te aktualizacje obejmują głównie możliwość rozważenia obciążeń jako niedoskonałości oraz zmniejszone sztywności członów zgodnie z CSA S16:19. Aby zobaczyć te nowe aktualizacje przedstawione w szczegółowym filmie z przykładem, sprawdź webinar CSA S16:19 Projektowanie Stali w RFEM.
