Эта статья демонстрирует использование поперечного сечения "Параметрическое тонкостенное", доступного в RFEM, на основе примера LRFD, приведенного в Руководстве по проектированию AISC 15: Восстановление и модернизация [2]. Дополнительный модуль RF-STEEL AISC используется для выполнения проверки проектных характеристик как для неусиленных, так и для усиленных колонн в соответствии с главой E AISC.
Ниже показан пример 6.2 из Руководства по проектированию AISC 15 [2], где историческая форма AISC W10X66 (Fy = 33 ksi) используется для 16-футовой колонны.
Следующие шаги описывают процедуру создания пользовательского поперечного сечения и материала.
Создание пользовательского поперечного сечения W10X66
- Выберите "Симметричное I-сечение" в библиотеке поперечных сечений. Затем введите геометрические свойства, представленные в Таблице 5-2.1 (страница 50 Руководства по проектированию 15 [2]). Следующим шагом создайте новый пользовательский материал для стали с Fy = 33 ksi, используя кнопку [Импорт материала из библиотеки материалов].
- Заполните фильтр в Библиотеке материалов, затем "Создайте новый материал" на основе "Сталь A36". В следующем окне заполните "Описание материала" и измените Fy на 33 ksi.
- Нарисуйте элемент длиной 16 футов. Обеспечьте шарнирную опору (фиксированное вращение Z) внизу колонны. Для опоры сверху, фиксированы только перемещения в направлениях X и Y. Приложите осевую нагрузку = 550 кип (Постоянная + Временна́я).
- Решите модель, используя дополнительный модуль RF-STEEL AISC.
Как показано выше, требуемая прочность превышает доступную прочность на 26%, и поэтому колонне требуется усиление стальными пластинами (Fy = 36 ksi), приваренными к полкам колонны. Предположим, что усиливающие пластины установлены на всю длину колонны.
Примечание: Небольшие расхождения в прочности на сжатие между моделью RFEM и ручным расчетным примером AISC [2] объясняются разницей в площадях поперечного сечения (радиус закругления не включен в поперечное сечение RFEM).
Создание пользовательской усиленной колонны W10X66 со стальными пластинами A36
Приваренные усиливающие пластины увеличат как площадь, так и момент инерции колонны. Это приведет к увеличению прочности на сжатие, определяемой из раздела E3 Спецификации AISC [1].
Проектирование усиления — итеративный процесс, лучше всего выполняемый с использованием электронной таблицы. В этом решении будет представлено только окончательное решение, когда две накладные пластины толщиной 3/8 дюйма и шириной 8 дюймов приварены к полкам колонны, как показано ниже.
- Выберите "Усиленное I-сечение" в библиотеке поперечных сечений. Затем введите геометрические свойства колонны W10x66 и усилительных пластин размером 3/8 дюйма x 8 дюймов. Выберите тот же пользовательский материал "Сталь Fy=33", который был создан ранее (по Руководству по проектированию AISC 15 [2], "Существующая колонна имеет предельную прочность Fy = 33 ksi, тогда как усиливающие пластины имеют предельную прочность Fy = 36 ksi. Для расчета доступной прочности на сжатие колонны, консервативно примите предельную прочность 33 ksi для всего усиленного поперечного сечения колонны.").
- Повторите ту же процедуру рисования колонны и прикладывания нагрузок, как показано ранее. Решите модель, используя RF-STEEL AISC. Как показано ниже, усиленная колонна соответствует проектным требованиям.
Проверка требований для составных колонн в соответствии с разделом E6 AISC и проектирование сварных швов
Согласно разделу E6.1 Спецификации AISC [1], соединения на концах усиливающих пластин проектируются для полной сжимающей нагрузки в пластине. Проектируйте концевые соединения для предельной прочности усиливающих пластин.
Используйте угловые сварные швы размером 1/4 дюйма с обеих сторон усиливающей пластины. Толщина полки tf = 0.748 дюйма, а усиливающая пластина имеет толщину 3/8 дюйма, таким образом размер сварного шва соответствует минимальным требованиям в Таблице J2.4 Спецификации AISC [1]. Требуемая длина сварного шва:
|
lweld |
Длина сварного шва |
|
Pu |
Сжимающая нагрузка на пластину (1) = Fy . Ag |
|
Fy |
Предел текучести пластины = 36 кси |
|
Ag |
Общая площадь пластины (1) = 0.375 дюйма × 8.0 дюйма = 3.0 дюйма2 |
|
ΦRn |
Расчётная прочность сварного шва на дюйм шва |
Эта длина сварного шва соответствует предписывающему требованию из раздела E6.2(b) AISC [1], что длина сварного шва на конце не должна быть меньше максимальной ширины элемента.
Используйте продольные сварные швы размером 1/4" длиной 10 дюймов на обоих концах пластин.
Согласно разделу E6.1(b) AISC [1], модифицированное отношение гибкости для составных колонн требуется, когда a/ri > 40, где a — расстояние между швами. Чтобы избежать необходимости использования модифицированной гибкости, максимальное расстояние между периодическими угловыми сварными швами должно быть ограничено:
|
ri |
Радиус инерции пластины |
|
Ixi |
bt3/12 = [(8,0in) . (0,375in)3]/12 =0,0352in4 (одна пластина) |
|
Ai |
Площадь (1) пластины = t w = (0.375in)(8in) = 3.0in2 |
|
amax |
Максимальное расстояние между прерывистыми угловыми швами |
Используйте периодические соединяющие сварные швы длиной 1.5 дюйма через каждые 4 дюйма (раздел J2.2b для минимальной длины сварного шва). Сварной шов длиной 1.5 дюйма соответствует 4*размеру сварного шва и минимальной длине 1.5 дюйма.
Согласно разделу E6.2(a) AISC [1], отдельные компоненты сжимающих элементов должны соединяться с интервалами, a, таким образом, чтобы отношение гибкости, a/ri, не превышало 3/4 от управляющего отношения гибкости составного элемента.
|
a |
Интервалы сварки |
|
ri |
Радиус инерции (1) пластины |
|
Lc |
Расчетная длина колонны = 16 фт = 192 дюйма |
|
ro |
Минимальный радиус инерции армированного сечения (rz в RFEM) |
Согласно разделу E6.2(b) AISC [1], максимальное расстояние периодических сварных швов не должно превышать толщину пластин, умноженную на 0.75 √(E/Fy), или 12 дюймов.
|
t |
Толщина пластины |
|
E |
Модуль упругости |
|
Fy |
Предел текучести армированного сечения |
Окончательный проект усиленной колонны показан ниже.
Как показано в приведенном выше примере, поперечное сечение "Параметрическое тонкостенное" RFEM может быть использовано для расчета геометрических характеристик часто используемых составных элементов. Дополнительный модуль RF-STEEL AISC рассчитывает прочность элементов и выполняет проверку на соответствие коду.