木结构柱设计按照NDS 2018使用RF-/TIMBER AWC

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[EN] KB 001714 | 使用RF-/TIMBER AWC模块按照NDS 2018木木柱设计

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2021年06月14日

001714

在本文中，附加模块RF-/TIMBER AWC验证了由2x4尺寸Lumber（锯材）承受双轴受弯和集中受压的柱子的适应性。杆件属性和荷载是根据AWC 2015/2018木结构设计示例E1.8得出的。

该杆件为南方松木2号，名义尺寸为2x4（1.5英寸x 3.5英寸），长3英尺，用作桁架杆件。只在杆件两端提供侧向支撑。另外，自重，雪荷载，雪荷载，风荷载也分别作用在柱子的上，中点，如下所示。

如果在程序中选择了合适的截面和材料，杆件属性就会显示出来。

NDS 2018中表4.3.1中ASD设计的调整系数

将参考_{设计值（F b} ，F_c和E_min ）乘以相关的调整系数，得出调整后的设计值。这些系数在表4.3.1 [1]中给出。 ASD设计中有11种不同的调整系数。在NDS示例[2]中，许多这样的系数都等于1.0。但是，以下内容简要说明RF-/TIMBER AWC如何考虑各个因素。

程序计算的系数

C_l ... 梁稳定性系数。这取决于在3.3.3 [1]中描述的杆件几何形状和侧向支撑。该系数在RF-/TIMBER中自动计算。（注意：用户在RF-/TIMBER AWC的“ 1.7有效长度”模块窗口中定义了计算C_L的有效长度l_e。该选项“ Acc。至表3.3.3“必须与相应的荷载工况一起选择”。下图显示了适用于该示例的荷载工况。

C_[F7] ... 尺寸系数。根据4.3.6 [1]中杆件的高度和厚度设置。该系数在RF-/TIMBER AWC中自动确定。

C_fu ... 平面系数。根据章节4.3.7 [1]设置的考虑杆件短轴的弯曲。该系数在RF-/TIMBER AWC中自动计算。

C_P ... 柱子稳定性系数。这取决于几何形状，杆件端部的约束条件和杆件的侧向支撑，如第3.7.1 [1]节中所述。如果压杆在其整个长度上被完全支撑，则C_P = 1.0。在RF-/TIMBER AWC中自动对该长轴和弱轴方向的该系数进行计算。

用户自定义系数

C_D ... 荷载作用持续时间的系数。根据第4.3.2节[1] ，它根据荷载工况考虑不同的荷载时间例如自荷载，雪荷载和风荷载。 RFEM中选择“ ASCE 7-16 NDS（木）”作为标准激活了“荷载工况”对话框中的“作用持续时间”选项。荷载持续时间类别（永久，十年等）的默认设置是基于荷载工况的“作用类别”。可以由用户在RFEM或RF-/TIMBER AWC中进行调整。程序选择的取值基于表2.3.2 [1] 。

C_M ... 湿度系数。根据章节4.1.4 [1]考虑到杆件的湿度条件。在RF-/TIMBER AWC中的“湿度条件”列中选择“湿”或“干”。

C_t ... 温度系数。它按照2.3.3 [1]中的规定考虑了杆件承受的最高温度为100、100至125°F和125至150°F。在RF-/TIMBER AWC的“气候条件”部分中可以选择三个温度范围。程序选择的取值基于表2.3.3 [1] 。

C_i ... 射孔系数。它考虑了由杆件小切口引起的面积损失，该损失在进行防腐处理时发生，如第4.3.8 [1]节中所述。在RF-/TIMBER AWC中的“附加设计参数”部分中可以选择“非穿孔”或“穿孔”选项。

C_r ... 重复系数该参数用于当多个杆件共同作用按照章节4.3.9 [1]中的规定正确分配荷载时使用。 C_t = 1.15，对于满足紧密间距和通过护套等连接准则的杆件。在RF-/TIMBER AWC中的“附加设计参数”部分中选择“不重复”或“重复”。

提示: 如有需要，用户自定义调整因子的基于标准的值可以通过“标准”选项进行更改。

系数排除在外

C_T ... 屈曲的刚度系数按照4.4.2 [1]中的规定考虑层压板覆层对受压桁架弦屈曲强度的影响。该系数用于增加杆件的E_min 。 C_T可以通过公式4.4-1 [1]手动计算或保守地设为1.0。

C_B ... 支座截面系数根据3.10.4 [1]中的规定，可以增大对垂直于晶粒方向的集中荷载的抗压设计值（F_cp ）。 C_b可以通过公式3.10-2 [1]手动计算或保守地取为1.0。

柱子中的实际应力

在本示例中，荷载组合简化为CO1： DL + SL + WL。

来自自重和雪荷载的压应力，f_c = 171 psi

风荷载作用下的长轴弯曲应力f_bx = f_b1 = 353 psi

自重和雪荷载引起的弱轴弯曲应力，f_by = f_b2 = 1.029 psi

根据NDS 2018表4.3.1 ASD方法计算调整后的设计值

压杆截面_{屈曲临界设计值F cEx}

主轴受压构件屈曲临界设计值FcEx

$F_{cEx} = F_{cE 1} = \frac{0.822 \cdot E_{\min}'}{{[\frac{l_{e 1}}{d_{1}}]}^{2}} F_{cEx} = F_{cE 1} = \frac{0.822 \cdot 510, 000 psi}{{[\frac{36.0 in}{3.5 in}]}^{2}} F_{cEx} = F_{cE 1} = 3, 963 psi$

[_{F12] F cEx}	压杆件临界屈曲临界设计值，psi
E_min'	= E_分钟⋅C_M⋅（C_T）⋅C_I = 510000磅
l_e1	有效长度= 36.0 in
[SCHOOLTRAINING.NUMBEROFSTUDENTS]₁	杆件高度= 3.5 in

_{短轴受压杆件}临界屈曲屈曲设计值F cEy

压杆截面屈曲临界设计值FcEy

$F_{cEy} = F_{cE 2} = \frac{0.822 \cdot E_{\min}'}{{[\frac{l_{e 2}}{d_{2}}]}^{2}} F_{cEy} = F_{cE 2} = \frac{0.822 \cdot 510, 000 psi}{{[\frac{36.0 in}{1.5 in}]}^{2}} F_{cEy} = F_{cE 2} = 728 psi$

[_{F12] F}	短轴受压杆件临界设计屈曲，psi
E_min'	= E_分钟⋅C_M⋅（C_T）⋅C_I = 510000磅
l_e2	有效长度= 36.0 in
d₂	杆件厚度= 1.5 in

调整后的纹理方向抗荷载设计值F_c'

调整后的竖向抗压设计值Fc'

$F_{c}' = F_{cy}' = F_{c} \cdot C_{D} \cdot C_{M} \cdot C_{t} \cdot C_{F} \cdot C_{i} \cdot C_{P} F_{c}' = F_{cy}' = 1, 450 psi \cdot 1.6 \cdot 1.0 \cdot 1.0 \cdot 1.0 \cdot 1.0 \cdot 0.29 F_{c}' = F_{cy}' = 673 psi$

[F7]_c'	调整纵向方向抗压验算值psi
F_c	方向纹理设计参考值psi
C_D	荷载作用持续时间系数
C_M	潮湿系数
C_t	温度系数
C_F	尺寸系数
C_i	切入系数
C_P	柱子稳定系数

_弯曲杆件屈曲临界设计值F bE

弯曲杆件屈曲临界设计值FbE

$F_{bE} = \frac{1.20 \cdot E_{\min}'}{{R_{B}}^{2}} F_{bE} = \frac{1.20 \cdot 510, 000 psi}{{9.65}^{2}} F_{bE} = 6, 577 psi$

F_bE	抗弯构件屈曲临界设计值psi
E_min'	= E_分钟⋅C_M⋅（C_T）⋅C_I = 510000磅
R_B	长细比= 9.65 <50（NDS公式3.3-5）

调整长轴抗弯设计值F_bx'

调整了长轴“ Fbx”的弯曲设计值

$F_{bx}' = F_{b 1} = F_{b} \cdot C_{D} \cdot C_{M} \cdot C_{L} \cdot C_{t} \cdot C_{F} \cdot C_{i} \cdot C_{r} F_{bx}' = F_{b 1} = 1, 100 psi \cdot 1.6 \cdot 1.0 \cdot 0.982 \cdot 1.0 \cdot 1.0 \cdot 1.0 \cdot 1.0 F_{bx}' = F_{b 1} = 1, 729 psi$

[F7]_bx'	调整长轴弯曲设计值psi
F_b	折弯参照设计值psi
C_D	荷载作用持续时间系数
C_M	潮湿系数
C_L	梁稳定性系数
C_t	温度系数
C_F	尺寸系数
C_i	切入系数
C_r	杆件均布作用系数

调整了短轴弯曲的设计值F_，

调整了短轴“ Fby”的弯曲设计值

$F_{by}' = F_{b 2} = F_{b} \cdot C_{D} \cdot C_{M} \cdot C_{L} \cdot C_{t} \cdot C_{fu} \cdot C_{F} \cdot C_{i} \cdot C_{r} F_{by}' = F_{b 2} = 1, 100 psi \cdot 1.6 \cdot 1.0 \cdot 1.0 \cdot 1.0 \cdot 1.1 \cdot 1.0 \cdot 1.0 \cdot 1.0 F_{by}' = F_{b 2} = 1, 936 psi$

[F7]_by'	调整轴偏移量psi的调整值
F_b	折弯参照设计值psi
C_D	荷载作用持续时间系数
C_M	潮湿系数
C_L	梁稳定性系数
C_t	温度系数
C_fu	平整系数
C_F	尺寸系数
C_i	切入系数
C_r	杆件均布作用系数

双轴弯曲和中心压力的组合使用

通过在NDS公式3.9-3 [1]中插入上面显示的实际应力和设计极限，得出最终设计比。

双轴弯曲和中心压力的组合使用

${(\frac{f_{c}}{F_{c}'})}^{2} + \frac{f_{bx}}{F_{bx}' \cdot [1 - (\frac{f_{c}}{F_{cEx}})]} + \frac{f_{by}}{F_{by}' \cdot [1 - (\frac{f_{c}}{F_{cEy}}) - {(\frac{f_{bx}}{F_{bE}})}^{2}]} ⩽ 1.0 {(\frac{171}{673})}^{2} + \frac{353}{1, 729 \cdot [1 - (\frac{171}{3, 965})]} + \frac{1, 029}{1, 936 \cdot [1 - (\frac{171}{728}) - {(\frac{353}{6, 577})}^{2}]} = 0.98$

f_c	自重和雪荷载产生的压应力
[F7]_c'	调整粒方向的抗压验算值
[F12]_bx	风荷载作用下长轴弯曲应力
[F7]_bx'	调整了主轴弯曲的设计值
[_{F12] F cEx}	主轴受压承载力的临界设计值。
[F12]_by	由自重和雪荷载引起的弱轴弯曲应力
[F7]_by'	调整了短轴弯曲的设计值
[_{F12] F}	短轴方向受压构件屈曲临界设计值
F_bE	弯曲杆件屈曲临界设计值

和NDS公式3.9-4 [1]

双轴弯曲和中心压力的组合使用

$\frac{f_{c}}{F_{cEy}} + {(\frac{f_{bx}}{F_{bE}})}^{2} \leq 1.0 \frac{171}{728} + {(\frac{353}{6, 577})}^{2} = 0.24$

f_c	自重和雪荷载产生的压应力
[_{F12] F}	短轴方向受压构件屈曲临界设计值
[F12]_bx	风荷载作用下长轴弯曲应力
F_bE	弯曲杆件屈曲临界设计值

结果输出到RF-/TIMBER AWC

您可以将手动分析方法中的各个调整系数和调整后的设计值与RF-/TIMBER AWC中的结果摘要进行比较。如图所示，结果相同。最终的最终利用率0.98是根据一阶几何线性分析和计算方法计算得出。请注意，RFEM中荷载组合的默认设置为二阶理论。得出的比例为1.03。用户可以在“计算参数”中选择最适合该结构的方法。

作者

Cisca Tjoa, PE

技术支持工程师

Cisca 负责北美市场的客户技术支持和程序的持续开发。

关键词

design 木结构列 NDS AWC 柱子

参考文献

[1]	National Design Specification (NDS) for Wood Construction 2018 Edition
[2]	Structural Wood Design Examples

链接

Structural Analysis and Design Software for Timber Structures

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