Армирование колонны в RFEM по AISC Design Guide 15

В этой статье показано применение «параметрического тонкостенного сечения» в программе RFEM на основе примера LRFD, приведенного в AISC Design Guide 15: Реконструкция и реконструкция {%ref#Refer [2]]]. Дополнительный модуль RF-STEEL AISC будет применен для расчета как неармированных, так и армированных колонн согласно главе E AISC.

Ниже показан пример 6.2 из AISC Design Guide 15 {%ref#Refer [2]]], в котором для колонны длиной 16 футов используется историческая форма AISC W10X66 (F_y = 33 ksi).

• 3D Viewer | Google
• 3D Viewer | Babylon
• Виртуальная реальность

1 W10X66 Пользовательская колонна

Последующие шаги объясняют порядок создания пользовательского сечения и материала.

Создание пользовательского сечения W10X66

1. В базе данных сечений выберите «Симметричный двутавр». Затем введите геометрические свойства из таблицы 5-2.1 (страница 50 в Руководстве по расчету 15 [2]). На следующем этапе создадим новый пользовательский материал для стали F_y = 33 тыс.фунтов/кв.дюйм с помощью кнопки [Импорт материала из библиотеки материалов].
   

   2 Пользовательское сечение W10X66
2. Заполните фильтр в базе данных материалов, а затем нажмите «Создать новый материал» на основе «Сталь A36». В последующем окне введите «Описание материала» и измените F_y на 33 тыс.фунтов/кв.дюйм.
   

   3 Создать новый материал на основе стали А36
3. Затем нарисуйте стержень длиной 16 футов. В основании колонны предусмотрена шарнирная опора (защемление против поворота по оси Z). Для опоры на оголовке колонны ограничено только перемещение в направлениях X и Y. Затем приложим осевую нагрузку = 550 тыс.фунтов (собственный вес + полезная нагрузка).
4. Выполним расчет модели в дополнительном модуле RF-STEEL AISC.
   

   4 Результат неармированной колонны в RF-STEEL AISC

Как показано выше, требуемая прочность превышает имеющуюся прочность на 26 %, поэтому в колонне требуются армирующие стальные пластины (F_y = 36 ksi), приваренные к полкам колонны. Предполагается, что армирующие пластинки установлены по всей длине колонны.

Внимание! Небольшие различия в прочности на сжатие между моделью RFEM и расчетом вручную примера [2] AISC вызваны отличием площадей сечения (радиус закругления не входит в расчет RFEM -сечение).

Создание пользовательской армированной колонны W10X66 со стальными пластинами A36

Сварные армирующие пластинки увеличивают как площадь, так и момент инерции колонны. Это приводит к увеличению прочности на сжатие, как указано в спецификации AISC, раздел E3 {%><#Refer [1]]].

Расчет армирования - это итерационный процесс, который лучше всего выполнять с помощью таблиц. В данном решении представлен только окончательный вариант, в котором к полкам колонны приварены две накладные пластины толщиной 3/8 дюйма и шириной 8 дюймов, как показано ниже.

5 Усиленное сечение

1. В базе данных сечений выберите «Армированный двутавр». Затем зададим геометрические свойства колонны W10x66 и арматурных пластин 3/8 дюйма x 8 дюймов. Выберите пользовательский материал «Сталь Fy = 33», который был создан ранее (согласно AISC Design Guide 15 {%><#Refer [2]]], «Существующая колонна имеет предел текучести F_y = 33 ksi, в то время как армирующие пластины имеют предел текучести F_y = 36 ksi. Для расчета действующей прочности колонны на сжатие, предел текучести нужно консервативно принять равным 33 тыс.фунтов/кв.дюйм для целого армированного сечения колонны.»).
   

   6 Пользовательское сечение армированной колонны W10X66
   # Тот же порядок выполните для создания колонны и применения нагрузок, как показано выше. Рассчитайте модель в модуле RF-STEEL AISC. Как показано ниже, армированная колонна соответствует требованиям к расчету.
   

   7 Конечный результат расчета в RF-STEEL AISC
   == Проверка требований к сборным колоннам по AISC, раздел E6 и расчет сварных швов == Согласно AISC, раздел E6.1 {%ref#Refer [1]]], соединения на концах армирующих пластин рассчитаны на полную сжимающую нагрузку в пластине. Выполним расчет концевых соединений с учетом предела текучести армирующих пластинок. Используйте угловые швы 1/4 дюйма с обеих сторон армирующей пластины. Толщина полки составляет t_f = 0,748 дюйма, а толщина арматурной плиты 3/8 дюйма, таким образом, размер сварного шва соответствует требованиям к минимальному размеру таблицы спецификации AISC J2.4[[#Refer [1]]]. Требуемая длина шва составляет:
   $${\mathrm{l}}_{\mathrm{weld}} =\frac{{\mathrm{P}}_{\mathrm{u}}}{(2 \mathrm{welds}) \cdot \left({\mathrm{\varphi R}}_{\mathrm{n}}\right)}$$

   $${\mathrm{l}}_{\mathrm{weld} }= \frac{108.0\mathrm{kips}}{(2 \mathrm{welds}) · (5.57\mathrm{kips}/\mathrm{in})}$$

   $${\mathrm{l}}_{\mathrm{weld} }= 9.70 \mathrm{in} \to \mathrm{use} 10.0 \mathrm{in}$$

   lweld	Length of weld
   Pu	Compressive load of (1) plate = Fy . Ag
   Fy	Yield strength of plate = 36 ksi
   Ag	Gross area of (1) plate = 0.375 in x 8.0 in = 3.0 in2
   ΦRn	Weld design strength per inch of weld

   Продольные швы
   Данная длина шва соответствует установленному требованию AISC, раздел E6.2 (b) {%><#Refer [1]]], согласно которому длина концевого шва должна быть не меньше максимальной ширины стержня. Используйте продольные швы размером 1/4 дюйма x 10 дюймов с обеих сторон на концах пластин. Согласно AISC, раздел E6.1 (b) {%><#Refer [1]]], преобразованный коэффициент гибкости для составных колонн требуется, если a/ri > 40, где a - расстояние между швами. Чтобы избежать применения преобразованной гибкости, максимальное расстояние между прерывистыми угловыми швами должно быть ограничено:
   $${\mathrm{r}}_{\mathrm{i}} = \sqrt{\frac{{\mathrm{I}}_{\mathrm{xi}}}{{\mathrm{A}}_{\mathrm{i}}}} = \sqrt{\frac{0.0352{\mathrm{in}}^4}{3.0{\mathrm{in}}^2}} = 0.108\mathrm{in}$$

   $${\mathrm{a}}_{\max } = 40{\mathrm{r}}_{\mathrm{i}} = 40·0.108\mathrm{in} = 4.33\mathrm{in} \to \mathrm{use} 4.0\mathrm{in}$$

   $$$$

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

   Максимальное расстояние между прерывистыми угловыми швами по AISC, раздел E6.1 (b)
   Используйте прерывистые соединительные швы длиной 1,5 дюйма с шагом 4 дюйма в центре (сечение J2.2b для минимальной длины шва). Шов длиной 1,5 дюйма соответствует размеру шва 4* и минимуму 1,5 дюйма. Согласно AISC, раздел E6.2 (a) {%><#Refer [1]]], отдельные части сжатых стержней должны быть соединены на расстоянии a таким образом, чтобы коэффициент гибкости a/r_i не превышать 3/4 определяющего коэффициента гибкости составного стержня.
   $$\frac{\mathrm{a}}{{\mathrm{r}}_{\mathrm{i}}} = \frac{4.0\mathrm{in}}{0.108\mathrm{in}} = 37.0$$

   $$\frac{3}{4} \left(\frac{{\mathrm{L}}_{\mathrm{c}}}{{\mathrm{r}}_{\mathrm{o}}}\right)\mathrm{o} = \frac{3}{4} \left(\frac{192\mathrm{in}}{2.529\mathrm{in}}\right) = 57.1 > 37.0 \mathrm{o}.\mathrm{k}.$$

   a	Weld intervals
   ri	Radius of gyration of (1) plate
   Lc	Unbraced length of the column = 16 ft = 192 in
   ro	Minimum radius of gyration of the reinforced section (rz in RFEM)

   Определяющий коэффициент гибкости стержня в сборе
   Согласно AISC, раздел E6.2 (b) {%><#Refer [1]]], максимальный шаг прерывистых швов не должен превышать значения толщины пластины, умноженного на 0,75 √(E/F_y ), ни 12 дюймов.
   $$\mathrm{t} \left\{0.75 \sqrt{\frac{\mathrm{E}}{{\mathrm{F}}_{\mathrm{y}}}}\right\} = (0.375 \mathrm{in}) \left\{0.75\sqrt{\frac{29,000 \mathrm{ksi}}{36 \mathrm{ksi}}}\right\} = 7.98 \mathrm{in} > 4.0 \mathrm{in} \mathrm{o}.\mathrm{k}.$$

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

   Максимальный шаг прерывистых швов по AISC, раздел E6.2 (b)
   Окончательный расчет армированной колонны представлен ниже.
   

   8 Расчет сварного шва сборной колонны
   Как было показано на примере выше, «параметрическое тонкостенное сечение» в RFEM можно применить для расчета геометрических свойств часто используемых составных стержней. Дополнительный модуль RF-STEEL AISC выполнит вычисление расчетной прочности стержня и проверку соответствия норме.

Общие сведения

Армирование колонны в RFEM по AISC Design Guide 15

Общие сведения

Армирование колонны в RFEM по AISC Design Guide 15