Устойчивость конструкции - явление не новое при расчете стальных конструкций. Канадская норма для расчета стали CSA S16 и ее последняя версия 2019 года не являются исключением. Подробные требования к устойчивости могут быть выполнены либо с помощью Упрощенного метода расчета на устойчивость в разделе 8.4.3, либо, что является новым для стандарта 2019, метода расчета эффектов на устойчивость, представленного в Приложении O См. [1] .
В разделе 8.4.1 Ссылка [1] перечислены требования к устойчивости, которые при расчете конструкций следует учитывать с помощью любого метода. К ним относятся деформации, вносящие вклад в конструкцию, эффекты второго порядка, включая P-Δ и P-δ, общие геометрические несовершенства и геометрические несовершенства стержня, снижение жесткости с учетом податливости стержня и остаточных напряжений и, наконец, неопределенность жесткости и прочности конструкции.
Раздел 8.4.3 - Упрощенный метод расчета на устойчивость
С помощью упрощенного метода анализа устойчивости, приведенного в 8.4.3 Ссылка [1] , перечислена только пара требований.
Геометрические нелинейности
Первое включает в себя эффекты второго порядка у стержней или P-Δ, которые можно учесть непосредственно при расчете. В настоящее время анализ второго порядка для вычислений используется в большинстве программ для расчета конструкций. Альтернативой является усиление всех осевых нагрузок на стержень и изгибающих моментов, полученных из расчета первого порядка, с помощью коэффициента U2, определенного в 8.4.3.2 (b) См. [1] . Данный порядок больше подходит для ручных расчетов или в тех случаях, когда программное обеспечение для расчета конструкций не учитывает автоматически эффекты P-Δ.
Геометрические несовершенства
Условные боковые нагрузки - это второй элемент, указанный в упрощенном методе в разделе 8.4.3.3 Ссылка [1] . Приложенная нагрузка соответствует 0,005-кратной общей расчетной нагрузке от собственного веса на рассчитываемом этаже и должна распределяться аналогично весовой нагрузке. Условные нагрузки всегда действуют в том направлении, в котором вызовут наибольший дестабилизирующий эффект. Это означает, что данные нагрузки должны быть приложены в том же направлении, что и боковая ветровая нагрузка, для того, чтобы вызвать наибольшие деформации и внутренние силы в конструкции.
Приложение O.2 - Эффекты устойчивости при расчете упругости
В качестве альтернативы упрощенному подходу к анализу устойчивости, описанному выше, инженеры могут использовать Приложение O.2 для удовлетворения требований к устойчивости, изложенных в разделе 8.4.1 Ссылка [1] . Этот подход был добавлен в стандарт 2019 года и имеет много общего с руководством по проектированию стальных конструкций в США AISC 360-16, гл. C Прямой метод анализа.
Геометрические нелинейности
Геометрические нелинейности или эффекты второго порядка рассматриваются в O.2.2 Ссылка [1] . Подобно упрощенному методу, можно выполнить расчет второго порядка, который включает в себя эффекты нагрузок, действующих в смещенных точках пересечения стержней (эффекты P-Δ). Кроме того, необходимо учитывать влияние осевых нагрузок, действующих на изогнутый по длине стержень (P-δ). Существуют положения, приведенные в O.2.2 См. [1] , где P-δ можно полностью пренебречь. С другой стороны, если P-δ включен непосредственно в расчет, коэффициент U1 может быть установлен равным 1,0, используемому в разделе 13.8 - Расчет осевого сжатия и изгиба стержня См. [1] .
Геометрические несовершенства
Геометрические несовершенства стержня, такие как непрямолинейность стержня или местные геометрические несовершенства, такие как непрямолинейность стержней, не должны учитываться при расчете по разделу O.2 [[ # См. [1] {%\}. При этом глобальные геометрические несовершенства необходимо учитывать в прямом моделировании или при применении условных боковых нагрузок. Однако за исключением того, что этими общими геометрическими несовершенствами можно пренебречь для сочетаний боковых нагрузок, только если они соответствуют требованиям, изложенным в разделе O.2.3.1 Ссылка [1] . Требования включают в себя гравитационные нагрузки конструкции, которые поддерживаются в основном вертикальными конструктивными элементами, и соотношение между максимальным смещением этажа 2-го порядка и смещением этажа 1-го порядка с использованием уменьшенной жесткости стержней в соответствии с разделом O.2.4 [[ # См. [1] {%\} не превышает 1,7 на любом уровне рассказа.
Если данными несовершенствами нельзя пренебречь, то можно применить первый метод прямого моделирования. Точки пересечения стержней должны быть перемещены с исходных положений. Амплитуда этого начального смещения указана в разделе 29.3 Ссылка [1] и применяется в направлении наибольшей дестабилизации, которое для большинства строительных конструкций является допуском 1/500 для несущей способности колонны отвесность. Основная проблема данного метода заключается в большом количестве модельных сценариев, которые необходимо рассмотреть. Теоретически на каждом уровне этажа требуется четыре перемещения в четырех различных направлениях. Если эффекты непрямолинейности стержня сочетаются с отклонением от вертикали колонны, то возникает намного больше модельных сценариев для достижения наибольшего дестабилизирующего эффекта.
Альтернативным предпочтительным методом при глобальных геометрических несовершенствах является применение условных боковых нагрузок. Применение этого метода допускается только в том случае, если нагрузки от собственного веса воспринимаются главным образом вертикальными конструктивными элементами. Условные боковые нагрузки были рассмотрены ранее в этой статье и применяются так же, как и упрощенный расчет на устойчивость в разделе 8.4.3.2 Ссылка [1] . Однако предел на соответствующем этаже уменьшается с 0,005 до 0,002-кратной расчетной нагрузки от собственного веса. Снижение величины допускается в разделе O.2.3.3, поскольку эти условные нагрузки учитывают только общие геометрические несовершенства, тогда как условные нагрузки в разделе 8.4.3.2 Ссылка [1] также учитывают неупругость эффекты и другие неопределенности.
Эффекты неупругого деформирования
Для учета эффектов неупругости, а также для учета начальных несовершенств стержня или местных геометрических несовершенств, а также неопределенности жесткости и прочности, уменьшенная осевая жесткость и жесткость при изгибе в соответствии со следующими уравнениями в разделе O.2.4 См. [1 ] следует применять к стержням, способствующим поперечной устойчивости.
- EAr = 0.8τb EA
- EIr = 0,8τb EI
где
- Cf/Cy <0,5; τб = 1,0
- Cf/Cy > 0,5; τb = 4Cf/Cy (1-Cf/Cy )
Во избежание локализованных деформаций, норма предлагает применить данное уменьшение жесткости ко всем стержням. Кроме того, когда жесткость при сдвиге (GA) и жесткость при кручении (GJ) в значительной мере обеспечивают боковую устойчивость, следует рассмотреть возможность снижения жесткости. Снижение жесткости нельзя применять при расчете смещений, прогибов, колебаний или собственных колебаний.
Приложение O.2 Применение в RFEM 6
Программа FEA нового поколения RFEM 6 включает в себя последние требования к устойчивости стандарта CSA S16: 19 в соответствии с положениями приложения O.2.
Геометрические нелинейности
Эффекты второго порядка, изложенные в разделе O.2.2 Ссылка [1] , учитываются непосредственно, когда метод расчета статического анализа установлен на «Второй порядок (P-Δ)». Это можно применить в мастере комбинирования расчетных ситуаций. В свою очередь, для всех сочетаний нагрузок в расчетной ситуации будет автоматически задан анализ второго порядка. Пользователь имеет возможность при желании индивидуально изменить параметры статического расчета сочетания нагрузок.
В расчет стержней включаются не только эффекты P-Δ, но также автоматически учитываются P-δ. Для получения дополнительной информации по этой теме и проверки в RFEM 6, посетите База знаний 1759 .
Поэтому коэффициент U1 может быть установлен на 1,0, как указано в разделе 13.8 для расчета стального стержня. Этот вариант находится в разделе «Аддон для расчета стальных конструкций» - «Конечные конфигурации» - «Устойчивость» - «Параметры расчета».
Геометрические несовершенства
Пользователь RFEM 6 имеет возможность напрямую моделировать общие геометрические несовершенства путем смещения точек или узлов пересечений стержней. Однако, чтобы гарантировать, что данный метод создаст наибольший дестабилизирующий эффект, необходимо будет выполнить несколько моделей с различными сценариями. Это довольно затратно по времени и трудоемко.
Альтернативный подход заключается в применении условных нагрузок с вариантами несовершенства, представленными в RFEM 6. Для начала необходимо определить случаи несовершенства с типом несовершенства, установленным на «Местные несовершенства» на вкладке «Основные». Они обычно включают случаи в ортогональных направлениях X и Y в зависимости от приложения боковых нагрузок, таких как ветер и сейсмические нагрузки. Затем случай несовершенства можно соотнести на вкладке «Присвоение» конкретным загружениям для создания наибольшего дестабилизирующего эффекта (например, условные нагрузки в направлении + X должны применяться только с ветровыми нагрузками в направлении + X).
После создания случаев несовершенств можно определить несовершенства стержней. Диалоговое окно Несовершенства стержня включает в себя выпадающее значение CSA S16: 19. Условная нагрузка прилагается к концу стержня (то есть к верху колонны) с величиной, равной 0,002 (или 0,005 при использовании упрощенного метода устойчивости), умноженной на осевую силу стержня (приложенная гравитационная нагрузка). Равная и противоположная сила прилагается к противоположному концу стержня, чтобы избежать нереалистичных сдвигов в основании. Определение несовершенства применяется к местным осям стержней в том же направлении, что и приложенная боковая нагрузка, например, ветровая или сейсмическая. Далее определение применяется ко всем вертикальным стержням в модели.
После того, как в модели будут применены несовершенства, по умолчанию задается расчетная ситуация, которая учитывает несовершенства для всех сочетаний нагрузок. Несовершенства следует применять к предельным расчетным ситуациям, но отключать для расчетных ситуаций пригодности к эксплуатации. Это можно настроить, создав новый тип определения мастера сочетаний, отключив параметры учета несовершенств и применив только к расчетным ситуациям пригодности к эксплуатации.
Эффекты неупругого деформирования
Снижение жесткости применяется к конечной расчетной ситуации только еще раз с помощью параметров определения мастера сочетаний и флажка «Учитывать изменение конструкции». Можно создать новое определение модификации конструкции. Флажок «Стержни» установлен на вкладке «Основные» - «Материалы и сечения». При этом откроется новая вкладка Стержни, где определение модификации жесткости стержня определено в соответствии с CSA S1-19 O.2.4 | Стальные конструкции. Этот тип определения позволяет программе либо автоматически рассчитать понижающий коэффициент τb, либо можно задать обобщенное значение 1,0 для всех стержней. Кроме того, коэффициент 0,8 можно применять к различным типам жесткости стержня. Пользователь может определить, следует ли применять коэффициенты τb и 0,8 только к осевой жесткости и жесткости на изгиб или следует также учитывать жесткость на сдвиг и кручение. После ввода свойств изменения жесткости определение можно применить к конкретным стержням, или можно задать термин «Все» для применения ко всем стержням в модели.
Поскольку снижение жесткости стержня не должно учитываться при расчете пригодности к эксплуатации (например, при проверках на прогиб), флажок «Учитывать изменение конструкции» должен оставаться снятым для определения мастера сочетания ситуаций при расчете пригодности к эксплуатации.
После этих модификаций все сочетания нагрузок с коэффициентами будут включать уменьшение жесткости при модификации конструкции, в то время как все сочетания нагрузок без учета поправок будут использовать полную жесткость стержня.
Заключение
Значительные требования к расчёту на устойчивость согласно приложению O.2 канадского руководства по проектированию стальных конструкций CSA S16: 19 полностью включены в рабочий процесс расчета RFEM 6. В частности, эти требования включают в себя анализ второго порядка, возможность рассматривать условные нагрузки как несовершенства, а также уменьшенную жесткость стержня. Чтобы увидеть эту тему в подробном примере видео, посетите вебинар CSA S16: 19 Steel Design в RFEM 6 .
.png?mw=600&hash=49b6a289915d28aa461360f7308b092631b1446e)
