In diesem Beitrag wird die Verwendung von "Parametrischen-Dünnwandigen" Querschnitten, die in RFEM verfügbar sind, anhand des LRFD-Beispiels (Load and Resistance Factor Design) aus dem AISC Design Guide 15: Rehabilitation and Retrofit [2] gezeigt. Mit dem Zusatzmodul RF-STAHL AISC wird die Bemessung sowohl für unverstärkte als auch verstärkte Stützen nach AISC Kapitel E durchgeführt.
Im Folgenden wird das Beispiel 6.2 des AISC Design Guide 15 [2] gezeigt, in dem die historische AISC-Querschnittsform W10X66 (Fy = 33 ksi) für die 16 Fuß lange Stütze verwendet wird.
In den folgenden Schritten wird die Vorgehensweise zur Erstellung eines benutzerdefinierten Querschnitts und Materials erläutert.
Benutzerdefinierten Querschnitt W10X66 erzeugen
- Wählen Sie in der Querschnittsbibliothek das "Symmetrische I-Profil". Geben Sie dann die geometrischen Eigenschaften aus Tabelle 5-2.1 (Seite 50 des Design Guide 15 [2]) ein. Im nächsten Schritt wird über die Schaltfläche [Material aus Material-Bibliothek übernehmen] ein neues benutzerdefiniertes Material für Fy = 33 ksi Stahl angelegt.
- Stellen Sie den Filter in der Materialbibliothek ein; dann müssen Sie auf der Grundlage von "Steel A36" ein "Neues Material anlegen". Im nächsten Fenster tragen Sie die "Material-Bezeichnung" ein und ändern Fy auf 33 ksi.
- Zeichnen Sie dann den 16 Fuß langen Stab. Am Fuß der Stütze ist eine gelenkige Lagerung (Z-Verdrehung fest) vorgesehen. Für die Lagerung am Stützenkopf ist nur die Verschiebung in X- und Y-Richtung festgehalten. Anschließend wird eine Längslast = 550 kips (Eigengewicht + Nutzlast) aufgebracht.
- Berechnen Sie das Modell mit dem Zusatzmodul RF-STAHL AISC.
Wie oben gezeigt, übersteigt die erforderliche Festigkeit die vorhandene Festigkeit um 26 %, weshalb die Stütze Stahlbleche (Fy = 36 ksi) benötigt, die an die Stützenflansche angeschweißt sind. Es wird angenommen, dass die verstärkenden Bleche über die gesamte Stützenlänge montiert werden.
Hinweis: Die geringfügigen Unterschiede in der Druckfestigkeit zwischen dem RFEM-Modell und dem AISC-Handberechnungsbeispiel [2] sind auf den Unterschied in den Querschnittsflächen zurückzuführen (Eckradius nicht im RFEM-Querschnitt enthalten).
Erstellen einer benutzerdefinierten Stütze W10X66 mit A36-Stahlblechen
Die geschweißten Verstärkungsbleche vergrößern sowohl die Fläche als auch das Trägheitsmoment der Stütze. Dies hat eine erhöhte Druckfestigkeit zur Folge, wie sie in der AISC-Spezifikation Abschnitt E3 [1] festgelegt ist.
Die Bemessung der Verstärkung ist ein iterativer Prozess, der am besten mit einer Tabellenkalkulation durchgeführt wird. Die Lösung hier stellt nur die endgültige Lösung dar, bei der zwei 3/8 Zoll dicke x 8 Zoll breite Deckbleche wie unten gezeigt an die Stützenflansche angeschweißt werden.
- Wählen Sie in der Querschnittsbibliothek den Eintrag "Verstärktes I-Profil" aus. Anschließend geben Sie die geometrischen Eigenschaften der Stütze W10x66 und die 3/8 Zoll x 8 Zoll großen Verstärkungsbleche ein. Wählen Sie das benutzerdefinierte Material "Stahl Fy=33" aus, das zuvor erstellt wurde (laut AISC Design Guide 15 [2], "Die vorhandene Stütze hat eine Streckgrenze von Fy = 33 ksi, während die Verstärkungsbleche eine Streckgrenze von Fy = 36 ksi aufweisen. Für die Berechnung der vorhandenen Druckfestigkeit der Stütze ist eine Streckgrenze von 33 ksi für den gesamten verstärkten Stützenquerschnitt konservativ zu berücksichtigen.").
- Wiederholen Sie den gleichen Vorgang zum Erstellen der Stütze und zur Lastaufbringung wie oben gezeigt. Berechnen Sie das Modell mit RF-STAHL AISC. Wie unten dargestellt, erfüllt die verstärkte Stütze den Nachweis.
Überprüfung der Anforderungen an zusammengesetzte Stützen nach AISC Abschnitt E6 und Bemessung von Schweißnähten
Laut AISC-Spezifikation Abschnitt E6.1 [1] sind die Verbindungen an den Enden der Verstärkungsbleche für die volle Druckbelastung im Blech ausgelegt. Bemessen Sie nun die Endanschlüsse für die Streckgrenze der Verstärkungsbleche.
Verwenden Sie 1/4 Zoll Kehlnähte auf beiden Seiten des Verstärkungsblechs. Die Flanschdicke beträgt tf = 0,748 Zoll und das Verstärkungsblech ist 3/8 Zoll dick. Somit erfüllt die Schweißnahtgröße die Mindestanforderungen der AISC-Spezifikationstabelle J2.4 [1]. Die erforderliche Schweißnahtlänge beträgt:
|
lweld |
Length of weld |
|
Pu |
Compressive load of (1) plate = Fy . Ag |
|
Fy |
Yield strength of plate = 36 ksi |
|
Ag |
Gross area of (1) plate = 0.375 in x 8.0 in = 3.0 in2 |
|
ΦRn |
Weld design strength per inch of weld |
Diese Schweißnahtlänge erfüllt die vorgeschriebene Forderung aus AISC Abschnitt E6.2 (b) [1], dass die Endschweißnahtlänge nicht kleiner sein darf als die maximale Breite des Stabes.
Verwenden Sie 1/4" Schweißnaht x 10 Zoll lange Längsschweißnähte an beiden Seiten an den Blechenden.
Laut AISC Abschnitt E6.1(b) [1] ist ein modifizierter Schlankheitsgrad für zusammengesetzte Stützen erforderlich, wenn a/ri > 40 ist, wobei a der Abstand zwischen den Schweißnähten ist. Um zu vermeiden, eine modifizierte Schlankheit verwenden zu müssen, sollte der maximale Abstand zwischen intermittierenden Kehlnähten auf folgendes begrenzt werden:
|
ri |
Radius of gyration of (1) plate |
|
Ixi |
bt3/12 = [(8.0in) . (0.375in)3]/12 =0.0352in4 (one plate) |
|
Ai |
Area of (1) plate = t w = (0.375in)(8in) = 3.0in2 |
|
amax |
Maximum distance between the intermittent fillet welds |
Es sind intermittierende Verbindungsschweißnähte mit einer Länge von 1,5 Zoll bei 4 Zoll an der Mitte zu verwenden (Abschnitt J2.2b für die minimale Schweißnahtlänge). Eine 1,5 Zoll lange Schweißnaht erfüllt das Minimum von 4*Schweißnahtgröße und 1,5 Zoll.
Nach AISC-Abschnitt E6.2(a) [1] müssen die einzelnen Komponenten der Druckstäbe in solchen Abständen a verbunden werden, dass der Schlankheitsgrad a/ri das 3/4-fache des maßgebenden Schlankheitsgrades des zusammengesetzten Stabes nicht überschreitet.
|
a |
Weld intervals |
|
ri |
Radius of gyration of (1) plate |
|
Lc |
Unbraced length of the column = 16 ft = 192 in |
|
ro |
Minimum radius of gyration of the reinforced section (rz in RFEM) |
Nach AISC Abschnitt E6.2(b) [1] darf der maximale Abstand der intermittierenden Schweißnähte weder die Plattendicke mal 0,75 √(E/Fy) noch 12 Zoll überschreiten.
|
t |
Plate thickness |
|
E |
Modulus of elasticity |
|
Fy |
Yield strength of the reinforced section |
Die endgültige Bemessung der verstärkten Stütze ist unten dargestellt.
Wie aus dem obigen Beispiel hervorgeht, können mit dem RFEM-Querschnitt "Parametrisch-Dünnwandig" die geometrischen Eigenschaften von gängigen Verbundstäben berechnet werden. Das Zusatzmodul RF-STAHL AISC berechnet die Bemessungsfestigkeiten des Stabes und führt eine Normenkontrolle durch.
