钢结构混凝土柱按照规范SAEM 318-14在RFEM中设计

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混凝土柱按照规范ACI 318-14可以使用RF-CONCRETE Members。 精确设计混凝土柱子剪力和纵向钢筋对于安全考虑非常重要。 下面的文章将根据ACI 318-14规范使用逐步分析公式(包括要求的纵向钢筋,总截面面积和系杆尺寸/间距)确定RF-CONCRETE构件中的配筋设计。

混凝土柱设计

对于钢筋混凝土方柱,如图01所示,设计轴向和施加的荷载为135或175 kips,根据ACI 318-14 [1]在极限状态(ULS)下进行设计。 ]中使用LRFD荷载组合。 混凝土材料具有压缩强度f'C的4千磅,而钢筋具有60千磅的屈服强度f 。 钢筋的百分比初始假定为2%。

图片 01 - 混凝土柱 - 立面视图

验算

首先计算截面尺寸。 由抗剪控制的方柱是压力控制的,因为所有纵向荷载仅受压力作用。 根据表21.2.2 [1] ,强度折减系数Φ为0.65。 对于最大轴向强度的确定,参考表22.4.2.1 [1] ,其中α系数(α)设定为0.80。 设计荷载P u

P u = 1.2(135 k)+ 1.6(175 k)

基于这些因素,P u等于442千磅。 接着,总截面A g由公式得出 22.4.4.2。

P U =(Φ)(α)[0.85 F'C(A -A ST)+ F y一个ST]

442k =(0.65)(0.80)[0.85(4 kips)(A g -0.02 A g )+((60 ksi)(0.02)A g )]

如果求解A g ,则面积为188 in 2 。 取A G的平方根并向上取圆,定义柱的截面为14''x 14''。

钢筋规定

定义A g后 ,可以使用公式计算钢筋A st的面积 使用了22.4.2.2,在22中使用已知值A g = 196

442k =(0.65)(0.80)[0.85(4 kips)(196 in 2 - A st )+((60 ksi)(A st ))]。

求解A st得出的值为3.24 in 2 。 由此得出设计所需的杆件数目。 按章节 10.7.3.1 [1] ,带抗剪钢筋的方柱必须至少有4个杆件。 根据这些规范和要求的最小面积3.24 in 2 ,(8)No.6使用附录A [1]中的钢筋。 这里的加固区域为下部的加固区域。

A st = 3.52 in 2

选择受拉支座

计算受拉构件的最小值,参见章节 25.7.2.2 [1] 在上一个对话框部分中,我们选择了6个长度小于或等于10个杆件的长度杆件。 基于该信息和本节,我们选择拉杆的尺寸3。

受拉杆支座距离

确定受拉柱的最小距离见章节 25.7.2.1 [1]作为参考。 由变截面环组成的变截面支座的间距必须与本节(a)和(b)相一致。

(a)纯距离必须至少为(4/3)d agg 。 计算所需的总直径(d agg )为1.00 in。

s min =(4/3)d agg =(4/3)(1.00 in。)= 1.33 in。

(b)从中心到中心的距离不应大于钢筋纵向钢筋直径的16d b,拉杆的48d b或者钢筋的最小尺寸的最小值。

s Max = Min(16d b ,48d b ,14 in)

16d b = 16(0.75 in)= 12 in

48d b = 48(0.375 in。)= 18 in。

受拉构件计算的纯最小距离为1.33 in 计算得出的最大距离为12 in。 对于这种设计,最大值为12 in 这取决于受剪钢筋的距离。

详细检查

详细设置为详细设置,以检查配筋的百分比。 根据ACI 318-14 [1]的要求,所需的钢含量必须在1%到8%之间。

钢筋百分比= $ \ frac {{\ mathrm A} _ {\ mathrm {st}}} {{mathrm A} _ {\ mathrm g}} \; = \; \ frac {3.52 \; \ mathrm {in} ^ 2} {196 \; \ mathrm {in} ^ 2} \; = \; 0.01795 \; \ cdot \; 100 \; \; = \; 1.8 \%$ OK

杆件在纵向上的间距

在纵向上的最大杆间距可以根据纯中性间距以及受拉构件和纵向构件的直径来计算。

纵向最大钢筋间距:

$\frac{14\;\mathrm{in}.\;-\;2\;(1.5\;\mathrm{in}.)\;-\;2\;(0.375\;\mathrm{in}.)\;-\;3\;(0.75\;\mathrm{in}.)}2\;=\;4.00\;\mathrm{in}.$

4.00 in 小于6 in in ,按照25.7.2.3(a) [1]要求 , 好的

最小纵梁间距可参照25.2.3 [1]进行计算,其中柱子的最小纵向间距至少应为(a)〜(c)中的最大值。

(a)1.5 in

(b)1.5 d b = 1.5(0.75 in)= 1.125 in

(c)(4/3)d b =(4/3)(1.00 in)= 1.33 in

因此,杆件在纵向上的最小距离为1.50 in。

加工长度(L d )也必须参照25.4.9.2 [1]进行计算。 这与(a)或(b)中计算值的最大值相对应。

($)$ {\ mathrm L} _ {\ mathrm {dc}} \; = \; \ left(\ frac {\ displaystyle {\ mathrm f} _ {\ mathrm y} \; \ cdot \; {\ mathrm \ psi} _ {\ mathrm r}} {\ displaystyle50 \; \ cdot \; \ mathrm \ lambda \; \ cdot \; \ sqrt {\ mathrm f'\; \ cdot \; \ mathrm c}} \ right)\; \ cdot \; {\ mathrm d} _ {\ mathrm b} \; = \; \ left(\ frac {\ displaystyle \ left(60.000 \; \ mathrm {psi} \ right)\; \ cdot \; \ left(1.0 \ right)} {50 \; \ cdot \; \ left(1.0 \ right )\; \ cdot \; \ sqrt {4000 \; \ mathrm {psi}}} \ right)\; \ cdot \; \ left(0.75 \; \ mathrm {in}。\ right)\; = \; 14.23 \; \ mathrm {in} $

(b)$ {\ mathrm L} _ {\ mathrm {dc}} \; = \; 0.0003 \; \ cdot \; {\ mathrm f} _ {\ mathrm y} \; \ cdot \; {\ mathrm \ psi} _ {\ mathrm r} \; \ cdot \; {\ mathrm d} _ {\ mathrm b} \; = \; 0.0003 \; \ cdot \; (60.000 \; \ mathrm {psi})\; \ cdot \; (1,0)\; \ cdot \; (0.75 \; \ mathrm {in}。)\; = \; 13.5 \; \ mathrm {in} $

在这个例子中,(a)是较大的值,L dc = 14.23 in。

加工长度乘以要求钢筋与现有钢筋的比值乘以25.4.10.1 [1]

${\mathrm L}_{\mathrm{dc}}\;=\;{\mathrm L}_{\mathrm{dc}}\;\left(\frac{{\mathrm A}_{\mathrm s,\;\mathrm{provided}}}{{\mathrm A}_{\mathrm s,\;\mathrm{required}}}\right)\;=\;(14.23\;\mathrm{in}.)\left(\frac{1\;\mathrm{ft}.}{12\;\mathrm{in}.}\right)\left(\frac{1.92\;in.^2}{3.53\;in.^2}\right)\;=\;0.65\;\mathrm{ft}$.

设计有剪切钢筋的方形钢筋混凝土柱,截面形状如下图02所示。

图片 02 - 钢筋混凝土柱 - 钢筋设计/尺寸

和RFEM比较

手动设计带抗剪钢筋的方柱是使用RF-/CONCRETE Members附加模块,按照标准ACI 318-14 [1]进行设计 。 该附加模块决定了所需的配筋,以抵抗柱上作用的荷载。 此外,该程序还根据在柱子上输入的纵向荷载计算所提供的配筋,并考虑了有关距离的标准要求。 在结果列表中,用户可以对所提供的钢筋配置进行微调。

根据本例中的荷载,RF-CONCRETE单元确定所需的纵向边缘钢筋面积为1.92 in 2 ,面积为3.53 in 2 。 在附加模块中计算的加工长度为0.81 ft。 上面计算的加工长度与分析公式的偏差是由程序的非线性计算得出,包括分项安全系数γ。 因子γ取决于RFEM的最终作用内力与作用内力之比。 RF-CONCRETE Members中的加工长度是通过将Gamma的倒数乘以从25.4.9.2 [1]确定的长度得出。 对于RF-CONCRETE Members,您可以在下面链接的帮助文件中找到更多关于该非线性计算的信息。 图03显示了该钢筋的预览。

图片 03 - RF-CONCRETE会员 - 提供纵向钢筋

计算在模块RF-CONCRETE Members中杆件的抗剪配筋由(11)3号杆件按照12 in。 现有的配筋配置如图04所示。

图片 04 - RF-CONCRETE会员 - 提供剪力配筋

关键词

RFEM 5 RF-CONCRETE MEMBERS ACI 318-14 混凝土结构 混凝土柱 验算

参考

[1]   ACI 318-14, Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary
[2]   Manual RF-CONCRETE Members. (2017). Tiefenbach: Dlubal Software.

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