示例
使用AISI手册中的示例III-14 [1] 来对比从RFEM模型获得的结果。由于截面不符合任何薄壁截面,RSECTION被用于创建自定义的西格玛截面。本文底部提供了一个关于如何在RSECTION中创建自定义形状的网络研讨会。
该示例展示了两个情况,其中构件沿其长度完全支撑(情况1)和支撑在66英寸处(情况2)。本文仅检查使用LRFD方法的情况2。选择有限条法(FSM)来计算可用的抗压强度,Pa。 在RFEM中建模两个66英寸长的简支构件,分别使用圆角和角角(图03)。使用直线截面(角角)的原因随后解释。
抗压强度
确定可用抗压强度Pa所需的临界弹性屈曲载荷(Pcrl, Pcrd, Pcre)如下所示。
Pcrl(局部)
临界弹性局部柱屈曲载荷Pcrl等于34.4 kips,显示在全局屈曲设计检查EE2701下,与AISI示例中所示相符。总体曲线显示了一个明显的第一个最小值,其中Pcrl等于33.8 kips,对于圆角和角角截面(图04)都相同。设计检查中列出的数值和图中的小偏差可以忽略不计。
Pcrd(畸变)
临界弹性畸变柱屈曲载荷Pcrd显示在设计检查EE2801下。对于圆角截面(圆角截面),Pcrd等于14.9 kips。从总(总体)曲线上可以看到第二个最小值不明显。在这种情况下,使用畸变曲线识别水平轴上的适当长度。从那里,位置被投影到总体曲线上以获得临界载荷因子。
可从下拉菜单中分别显示单独的曲线(局部、畸变、全局)(图05)。对于自定义截面,加载单个图可能需要一些时间。
14.9 kips在89英寸长度上的最后一个相关最小值在畸变图上。超出此长度的屈曲形状被分类为全局屈曲。RFEM应用“几何因子”来将屈曲形状表征为全局或畸变。
AISI手册指出,“在66英寸长度处对构件的模态形状的检查显示了与挠性(全局)屈曲和畸变屈曲相关的横向平移;因此,此长度的弹性屈曲载荷用于畸变屈曲极限状态检查”[1]。在66英寸长度处,总曲线上Pcrd等于19.4 kips。
由于方法的不同,RFEM在89英寸长度上的14.9 kips值低于AISI示例中列出的66英寸长度上的19.4 kips。
直线截面(角角)
使用圆角截面(圆角)时,FSM解算器将圆角细分为许多小段。这样做时,计算可能偏保守。验证结果的一种选择是使用直线(角角)来建模截面。对于直线截面,Pcrd等于17.7 kips。该值接近AISI示例中列出的19.4 kips(图06)。
Pcre(全局)
显示在设计检查EE2701下的弹性全局(挠性、扭转、挠扭)屈曲载荷Pcre。
对于圆角截面,Pcre等于19.4 kips,对于直线截面为19.2 kips。这些值取自66英寸长度的总曲线上。如图07所示,此长度的屈曲形状包含挠性(全局)屈曲和畸变屈曲。
AISI手册指出,“在图右半部分叠加的虚线代表从其他极限状态中隔离的全局屈曲模式。此长度上从该线处的弹性屈曲载荷用于全局屈曲极限状态检查”[1]。因此,AISI示例中列出的Pcre等于38.9 kips是从单个全局曲线中得出的(图08)。
RFEM采取了从总曲线而不是全局曲线获得Pcre的保守方法。在检查66英寸长度的屈曲形状后,工程师可以根据自己的判断使用全局曲线上显示的更高值。在RFEM中,替代Pcre值等于全局曲线上的44.3 kips(接近AISI示例中列出的38.9 kips值)。
名义抗压强度
名义抗压强度取自下列AISI章节中值的最小值[2]:
- 第E2节 – 屈服和全局屈曲
- 第E3节 – 局部屈曲与屈服和全局屈曲的相互作用
- 第E4节 – 畸变屈曲
在RFEM中,第E3节为决定性情况,Pnl等于16.7 kips(图09)。在AISI手册中,畸变屈曲(第E4节)为决定性情况,Pnl等于21.0 kips。
AISI表B4.1-1适用性限制
章节E到H中使用的安全因子Ω或抗力因子Φ仅适用于符合表B4.1-1限制的截面。对于所有超出任何限制的其他截面,依据第A1.2(C)节,应用更高的安全因子或更低的抗力因子。在RFEM中,默认情况下检查这一限制。用户可以在强度配置中选择停用此检查(图10)。
RFEM中可检查的形状包括C、Z、L、I(背靠背C)、帽形、矩形和圆形HSS。对于示例中使用的西格玛截面等所有其他一般/复杂截面,自动应用更保守的因子。因此,Φc等于0.80显示在RFEM设计检查中(图09)。
AISI手册中的计算[1]显示,西格玛截面实际上满足适用性限制,并可使用Φc等于0.85。
受压加劲元件:
w/t=[8.00-2(0.0451+0.0712)]/0.0451=172 ≤ 500 OK
受压边缘加劲元件:
b/t=[0.875-2(0.0451+0.0712)]/0.0451=14.2 ≤ 160 OK
受压非加劲元件:
d/t=[0.500-(0.0451+0.0712)]/0.0451=8.51 ≤ 60 OK
内折弯半径:
R/t=0.0712/0.0451=1.58 ≤ 20 OK
单边缘加劲长度/宽比:
do/bo=0.500/0.875=0.571 ≤ 0.7 OK
边缘加劲类型:简单或复杂 OK
w中最大中间加劲数量:nf=1 ≤ 4 OK
名义屈服应力:Fy=50 ksi ≤ 95 ksi OK
结论
可以在RSECTION中创建自定义截面并导入到RFEM 6中,以根据AISI S100或CSA S136进行设计。当分析复杂截面时,重要的是查看屈曲形状和签名(总)曲线,确定是否需要进行额外评估(即使用直线截面)。有时,去除圆角的直线截面可以提供更好的签名曲线和结果。
在模态显示同时存在挠性(全局)屈曲和畸变屈曲的情况下,RFEM应用“几何因子”来将屈曲形状表征为全局或畸变屈曲。
默认情况下,RFEM检查表B4.1-1的适用性限制,并对没有适用限制的一般/复杂截面应用更保守的因子。