木杆件横纹方向受压 - 按照规范根据 NDS 2018 和 CSA O86:19

技术文章

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软件限制

在包括 RFEM 在内的所有一般有限元结构分析软件中，每个杆件都由位于截面重心的线单元表示。这称为线框渲染视图。杆件包含材料属性等内部信息以及用于分析和设计计算的宽度和高度等几何属性。但是在对相贯杆件进行建模时，程序没有直接的信息，例如相贯杆件是如何相对于彼此定向的，或者在杆件互相承压的情况下，其承压面积是未知的。程序只识别连接在单个节点上的线单元。

当小型杆件通过在顶面受压连接到较大的梁杆件时，或者当杆件通过一种承压支座类型在任意端部或沿长度方向受到支撑时，垂直于纹理的杆件应力应该包括在设计验算中。 NDS 截面3.10.2 [1] 和 CSA O86 第 6.5.7 条和 7.5.9 [2] 支座的设计验算要想知道横纹方向的净承载面积，因为这个要求，设计软件可能会忽略一些重要的系数，例如局部承压面积系数 C_b、[1]、或者完全忽略承压系数、K_B、[2]，或者完全忽略设计验算。

使用 RFEM 6 的新功能'设计支座'，现在可以定义此类信息，并对垂直于横纹的压应力进行完整的设计验算。

NDS 2018 工作流

在创建一个新的设计支座定义时，Type 应设置为 'timber'。这将按照 NDS 标准激活相关输入数据。勾选直接支座复选框，表示该定义类型将用于垂直于木纹方向的抗压验算。 支座长度是用户自定义的，它应该指定支座区域的总长度。 支座宽度是自动设置的相关杆件的宽度，但可以被覆盖。 边缘支座显示了支座是位于杆件的上部 +z 轴、下部 -z 轴还是两者兼而有之。勾选内部支座复选框，选择是否将 C_b 系数应用于杆件横纹方向抗压设计值 F_c⟂。基于Sect。 3.10.4 [1]。如果勾选该选项，则末端支座将不考虑 C_b。 NDS中给出的杆件受压设计值根据所选的变形限值而变化。

在完成输入设计支座信息后，可以将设计支座应用于结构上的相关节点和杆件。因为在不同的位置可能会出现不同的支座情况，所以可能需要多个设计支座。 RFEM 允许用户在对话框顶部为多个设计支座定义一个用户自定义的名称，从而更快、更方便地应用。

截面验证将在木材设计模块中考虑截面进行。 3.10.2 [1]。例如对于胶合的层板构件，调整的横纹方向抗压设计值 F_c⟂' 在表 5.3.1 [1] 中定义。公式如下。

调整的垂直于纹理的受压设计值

$F'_{c ⟂} = F_{c ⟂} C_{M} C_{t} C_{b} K_{f} φ$

其中，

F_c⟂ = 横纹方向抗压设计值

C_M = 湿度系数

C_t = 温度系数

C_b = 局部承压面积系数

K_F = 格式转换系数 (仅 LRFD)

φ = 阻力系数(仅LRFD)

C_b 系数在第 4 章中有进一步的定义。 3.10.4 [1]。但是，只有当在设计支座定义下定义的支座长度小于 6 英寸并且距离杆件末端不超过 3 英寸时，C_b才适用。此外，C_b 只适用于也必须在上面定义的定义类型下注明的内部支座。如果满足这些准则，木结构设计模块将根据以下公式自动计算和应用 C_b。

局部承压面积系数

$C_{b} = \frac{l_{b} + 0.375}{l_{b}}$

其中，

l_b = 沿纹理方向测量的支座长度

截面验证设计利用率由横纹方向压力要求值与调整后的横纹方向抗压设计值之比确定。所有 NDS 变量、公式和代码引用都直接显示在“木材设计”模块的设计验算详细信息中，结果清晰可见。

木结构设计验算详图受压(横纹) | NDS

CSA O86:19 工作流程

当按照 CSA O86:19 进行设计时，对于设计支座定义类型，可以按照与上述 NDS 相同的工作流程进行设计。虽然与 CSA 标准有一些主要区别。使用新的选项检查临界支座，将确定是否在距支座中心一定距离的范围内施加压力，该距离等于图 3 中显示的杆件的高度 d。 6.2 [2]。如果是这样，如第 6.5.6.3.1 章 [2] 中锯材和第 2/3 章所示，垂直于木纹方向的抗压承载力系数减小 2/3。 7.5.9.3.1 [2] 适用于层板胶合木。也应该使用平均承压面积。

在设计支座定义类型中也可以设置 系数 K_b 的弯应力高限值 。如果在第 6.5.6.5(b) 条中指明的高弯应力位置不出现承压区域，则可以将长度承压系数 K_b 应用于抗压承载力[2]。用户可以设置需求弯矩与抗弯承载力的比值，以考虑高弯矩。

木结构设计支座定义 | CSA O86

例如对于胶合的层板构件，垂直于纹理的抗压承载力系数 Q_r 在 7.5.9.2 [2] 公式如下。

横纹方向抗压承载力系数

$Q_{r} = φ F_{c p} A_{b} K_{b} K_{Z c p}$

其中， Φ = 0.8 F_cp = f_cp(K_DK_ScpK_T) f_cp = 横纹方向抗压强度极限值 A_b = 承载面积 K_B = 支座长度系数 K_Zcp = 支座的尺寸系数截面验证设计利用率由计算的承载力需求与垂直于纹理的抗压承载力之比确定。所有 CSA O86 变量、公式和代码引用都直接显示在“木材设计”模块的设计验算详细信息中。

木结构设计验算详图受压(横纹) | CSA O86

==== 小结 ==== 横纹方向的支座应力，是按照 NDS 2018 和 CSA O86:19 进行杆件设计的重要组成部分。当使用一般分析与设计软件进行计算验算时，承压面积通常是一个未知变量，因为所有杆件都由内部的线单元表示，线单元只连接节点。但是，RFEM 6 中新的'设计支座'功能现在允许用户指定支座区域的长度和宽度，这为以前不可能进行的垂直于纹理的受压设计验算铺平了道路。