Эта статья демонстрирует использование поперечного сечения "Параметрический-Тонкостенный", доступного в RFEM 6, на основе примера LRFD, показанного в AISC Design Guide 15: Rehabilitation and Retrofit [2]. Дополнение Steel Design используется для выполнения проверки проектирования как для неусиленных, так и для усиленных колонн в соответствии с Главой E AISC.
Ниже показан Пример 6.2 AISC Design Guide 15 [2], где историческая форма AISC W10X66 (Fy = 33 ksi) используется для колонки длиной 16 футов.
Следующие шаги описывают процедуру создания пользовательского поперечного сечения и материала.
Создание пользовательского поперечного сечения W10X66
- Выберите "Тонкостенный I-профиль" в Библиотеке поперечных сечений. Затем введите геометрические свойства, найденные в Таблице 5-2.1 (страница 50 Руководства по проектированию 15 [2]). Следующий шаг — создать новый пользовательский материал для стали с Fy = 33 ksi, используя кнопку "Импорт из библиотеки материалов".
- Перейдите на вкладку “Основное” в “Новом поперечном сечении”. Откройте Библиотеку материалов, затем создайте новый материал на основе "Сталь A36". В следующем окне выберите "Пользовательский материал", затем перейдите на следующую вкладку, “Значения материала”, и измените Fy на 33 ksi.
- Нарисуйте элемент длиной 16 футов. Обеспечьте шарнирную опору (фиксация вращения Z) внизу колонки. Для опоры наверху фиксируйте только перемещения в направлениях X и Y. Примените осевую нагрузку = 550 кипов (Постоянная + Временная).
- Решите модель, используя дополнение Steel Design.
Как показано выше, требуемая прочность превышает доступную на 23%, и поэтому колонка требует усиления стальными пластинами (Fy = 36 ksi), приваренными к фланцам колонки. Предположим, что усиливающие пластины установлены по всей длине колонны.
Примечание: Небольшие расхождения в прочности на сжатие между моделью RFEM и примером ручного расчёта AISC [2] обусловлены разницей в площадях поперечного сечения (радиус скругления не включён в поперечное сечение RFEM).
Создание пользовательской усиленной колонки W10X66 с пластинами из стали A36
Приварные усиливающие пластины увеличат как площадь, так и момент инерции колонки. Это приведет к увеличению прочности на сжатие, определяемой из Раздела E3 Спецификации AISC [1].
Проектирование усиления — это итеративный процесс, лучше всего осуществляемый с использованием электронной таблицы. В этом решении будет представлено только окончательное решение, где две пластины 3/8 дюйма толщиной и 8 дюймов шириной приварены к фланцам колонки, как показано ниже.
- Выберите "Одинарно Симметричный I-профиль с 2 Плоскими Прутками" в Библиотеке поперечных сечений. Затем введите геометрические характеристики колонны W10x66 и усиливающих пластин размером 3/8 дюйма х 8 дюймов. Выберите тот же пользовательский материал "Сталь Fy =33", который был создан ранее (по AISC Design Guide 15 [2], "Существующая колонна имеет предел текучести Fy = 33 ksi, в то время как усиливающие пластины имеют предел текучести Fy = 36 ksi. Для расчёта доступной прочности на сжатие колонны консервативно рассматривайте предел текучести 33 ksi для всего усиленного поперечного сечения колонны.").
- Повторите ту же процедуру рисования колонны и применения нагрузок, как показано ранее. Решите модель с помощью дополнения Steel Design. Как показано ниже, усиленная колонна соответствует проверке по проектному коду.
Проверка требований для сложенных 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 на предел текучести усиливающих пластин.
Используйте 1/4-дюймовые угловые швы с обеих сторон усиливающей пластины. Толщина фланца составляет tf = 0.748 дюйма, а усиливающая пластина имеет толщину 3/8 дюйма, таким образом, размер шва соответствует минимальным требованиям Спецификации AISC Таблица J2.4 [1]. Требуемая длина шва составляет:
|
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 шва соответствует предписанию Раздела E6.2(b) AISC [1], что длина концевого шва не должна быть меньше максимальной ширины элемента.
Используйте 1/4" сварной шов х 10-дюймовые продольные швы с обеих сторон на концах пластин.
Согласно Подразделу (b) Раздела E6.1 AISC [1], для сложенных колонн требуется модифицированное отношение гибкости, когда a/ri > 40, где a — это расстояние между сварками. Чтобы избежать необходимости использования модифицированной гибкости, максимальное расстояние между прерывистыми угловыми сварками 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 прерывистые соединительные сварки длиной 1.5 дюйма с интервалом 4 дюйма по центрам (Раздел J2.2b(e) для минимальной длины сварки). Сварка длиной 1.5 дюйма соответствует размерам 4*размер сварки и минимум 1.5 дюйма.
Согласно Разделу E6.2(a) AISC [1], отдельные компоненты сжимающих элементов должны быть соединены на интервалах a, так чтобы отношение гибкости a/ri не превышало 3/4 от управляющего отношения гибкости сложенного 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 прерывистых сварок не должно превышать ни толщину пластины, умноженную на 0.75 √(E/Fy), ни 12 дюймов.
|
t |
Толщина пластины |
|
E |
Модуль упругости |
|
Fy |
Предел текучести армированного сечения |
Окончательное проектное решение усиленной колонны показано ниже.
Как показано на приведенном выше примере, поперечное сечение "Параметрический Тонкостенный" RFEM может быть использовано для расчета геометрических характеристик часто используемых сложенных элементов. Дополнение Steel Design вычисляет проектные прочности элемента и выполняет проверку по кодам.
