板构件稳定性分析:交错层压木墙 2

技术文章

下面的文章介绍了根据 [1] 中第 6.3.2 章的等效杆件方法设计,并且以在本系列第一部分中描述的交错层压木墙为例子。这里屈曲分析将作为降低抗压强度的压应力验算分析来进行,另外还要计算与结构部件的长细比和支座条件相关的屈曲系数 kc。

图 01 - Structure of Layers with Stiffness and Strength Properties for Stora Enso CLT 100 C5s

长细比的计算需要有效的惯性矩 I 等等,有效惯性矩是通过板面在 y 方向上的抗弯刚度(见第一部分中图 3)计算得来,另外还要计算净面积 Anet, 为此只考虑在 y 方向长层的部分(见图 2)。由于要确定临界屈曲应力的较低的分数值,要应用正态分布 5% 情况下的弹性模量 E,对于软木材,按照 EN 338 取弹性模量平均值的 2/3。缺陷系数 βc 按照材料考虑初弯度振幅,对于实木该系数取 0.2 (L/300),对于胶合层压板取 0.1 (L/500),其它计算中对于交错层压木按照 [2] 附录 K.6.3 缺陷系数取 0.2。 荷载作用持续时间被考虑为“中等”,得出的交错层压木的修正系数 kmod 是 0.8。

图 02 - Equivalent Member Design According to EN 1995-1-1, Section 6.3.2

折减抗压强度的屈曲系数取值为 0.37,如图 2 所示,得出的稳定性验算结果 1.44 > 1.00,因此稳定性设计没有满足。

为了避免手动计算,可以在模块 RF-TIMBER Pro 中进行等效杆件设计,对此将模型中杆件的类型设置为“结果梁”(见图 3)。该结果梁在系统中没有额外的刚度,并且将面上内力集成到定义的集合区域。为了能在模块 RF-TIMBER Pro 中设计该杆件,必须要给杆件设置相应的截面和材料。在这种情况下材料 Stora Enso CLT 100 C5s 的刚度参数已经偏离了规范,需要创建一个新的用户定义的材料并且调整刚度属性。为了正确表示验算中的惯性矩,必须创建一个具有有效宽度的截面,这可以通过抗弯刚度和截面高度来计算(见图 3)。

图 03 - Axial Force Distribution of Result Beam and Determination of Effective Width

对均匀杆件要得到相同的抗弯刚度,需要截面的尺寸为宽 92.56 mm 、高 1000 mm,在屈曲验算中确定正确的惯性矩,但是由于应用的受压面积 Anet 在这种情况下太大,必须在验算中进行折减, 例如可以通过调整有效长度 lef 来实现折减,为此在 EXCEL 中使用目标值搜索计算屈曲长度 lef,z,TIMBERPro ,该值由效屈曲系数 kc,z,ef 得出(见图 4)。

图 04 - Correction of Cross-Section Area Using Effective Lengths

这样调整的有效长度考虑屈曲分析中不同与有效截面的截面面积。设计与手动计算相同(见图 5)。

图 05 - Design Ratio in RF-TIMBER Pro

除了轴力外还应该有弯矩(例如由于风荷载),也可以在模块 RF-TIMBER Pro 以相同的步骤考虑,因为截面模量 Sz 已经在弯曲应力中考虑了。在双轴弯曲的情况下,为了确定正确的弹性截面模量 Sy 在国家附录中系数 km 还有乘以系数 bef/bnet。

参考

[1] Eurocode 5: Design of timber structures - Part 1-1: General - Common rules and rules for buildings; DIN EN 1995-1-1:2010-12
[2] Eurocode 5: Design Of Timber Structures - Part 1-1: General - Common Rules And Rules For Buildings - National Specifications For The Implementation Of OENORM EN 1995-1-1, National Comments And National Supplements; ÖNORM B 1995-1-1:2015-06-15

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