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Alex Bacon, EIT

2020-08-14

按照规范 CSA O86-19 设计木柱

使用模块 RF-TIMBER CSA 可以按照 CSA O86-19 对木结构柱进行设计。准确地计算木结构杆件的抗压承载力和调整系数对于安全设计是非常重要的。下面的文章将验证RFEM附加模块RF-TIMBER CSA中的设计值，使用按照CSA O86-19规范的解析公式逐步计算，包括柱子调整系数，设计值和最终设计值。比值。

木结构柱分析

设计一个 10 米长、直径 89 mm ⋅ 89 mm 的简支座，花旗松-落叶松组合柱(DF-L SS)，轴向荷载为 500 牛。分析的目的是确定调整的柱子的压力系数和抗压承载力。假定荷载作用持续时间为标准项。本例中使用了简化的荷载准则。可在第4节中找到典型荷载组合的相关信息。 5.2.4 ]] #参见 [1]]]。在图 01 中显示了尺寸和荷载的简易柱子。

1 知识库文章 | 木结构 CSA 柱和截面尺寸

柱属性

本例中使用的截面是 89 mm ⋅ 89 mm 的方木。下面是各项计算锯材柱的实际截面属性：
b = 3.50 英寸，d = 3.50 英寸，L = 10 米

毛截面面积：

$A_{g} = b \cdot d = (3.50 in) \cdot (3.50 in) = 12.25 {in}^{2}$

总截面面积
截面模量:

$S_{x} = \frac{b \cdot d^{2}}{6} = \frac{(3.50 in) \cdot {(3.50 in)}^{2}}{6} = 7.15 {in}^{3}$

截面模量
惯性矩:

$I_{x} = \frac{b \cdot d^{3}}{12} = \frac{(3.50 in) \cdot {(3.50 in)}^{3}}{12} = 12.50 {in}^{4}$

惯性矩

本例中使用的材料是 DF-L SS。材料属性如下。

参考抗压设计值: f_c = 2001.52 psi
弹性模量： E = 1740.00 psi

柱调整系数

对于按照 CSA O86-19 规范对木杆件进行设计，必须对参考抗压设计值 (f_c ) 应用修正系数。按照上述方法计算，最终可以得出调整后的抗压设计值 (F_c )。

F_{c} = f_{c} \cdot (K_{D} \cdot K_{H} \cdot K_{SC} \cdot K_{T})

调整的抗压设计值

下面将针对该例题对每个修正系数进行说明和确定。

K_D

荷载持续时间系数考虑了不同的荷载周期。通过 K_D考虑雪荷载、风荷载和地震荷载。也就是说，K_D取决于荷载工况，在这种情况下，根据表 5.3.2.2 将 K_D设为 0.65 {%！

K_SE

潮湿环境系数考虑了锯材的干燥或潮湿条件以及截面尺寸。在本示例中，我们假设在极端纤维和潮湿条件下受压。根据表 6.4.2 [1]，K_s等于0.84。

K_T

处理调整系数考虑了经过阻燃或其他化学品处理的木材。该系数是根据记录的时间、温度和湿度试验，根据强度和刚度容量确定的。对于这个系数， 6.4.3 {%！在本示例中弹性模量乘以 0.95，在假设潮湿条件下所有其他属性乘以 0.85。

K_Zc

尺寸系数考虑了不同尺寸的木材以及荷载是如何施加在柱子上的。关于该系数的更多信息可以在 24.2 节中找到。 6.4.5 ]] #参见 [1]]]。对于本示例，根据尺寸标注、受压构件和受剪构件以及表 6.4.5 中的规定[[{Refer [1]]]，K_Z等于 1.30 。

K_H

系统系数考虑了由三个或更多个平行构件组成的锯材。这些杆件之间的间距不能超过 610 mm，并且相互支撑荷载。该准则与 3.4 节中情况 1 相同。 6.4.4 ]] #参见 [1]]]。在本例中，根据表 6.4.4，K_H等于 1.10，因为我们假设它为受压杆件，采用工况 1。

K_L

侧向稳定性系数考虑了沿杆件长度方向设置的防止侧向位移和转动的支座。侧向稳定性系数 (K_L ) 的计算如下。

K_sc

方木规范强度应乘以使用条件系数（K_SC ）。该系数请参照表 6.10 [1]。

抗压强度设计值 (F_C )

在下文中可以确定抗压强度 (F_c ) 的调整系数。玻璃钢的抗压强度标准值（f_c ）乘以下列修正系数修正 F_c 。

K_D = 1.00
K_H = 1.00
K_SE = 1.00
K_T = 1.00

现在我们可以使用第23节中的以下公式来计算F_c 。 6.5.4.1 {%!#Refer [1]]]。

F_{c} = f_{c} \cdot (K_{D} \cdot K_{H} \cdot K_{s} \cdot K_{T})

F_{c} = 2001.52 psi

抗压强度设计值

侧向稳定系数_KC

长细比系数 (K_C ) 从第 3 章开始计算。 6.5.5.2.5 {% 查看 [1]]]。在计算 K_C之前，必须计算受压构件的弹性模量设计值 (E₀₅ )。首先，必须参照规范第 3 节计算锯材和 CLT (K_Zc )抗压木材的尺寸系数。 6.5.5.2.4 {%！

K_{Zc} = 6.3 \cdot {(d \cdot L)}^{- 0.13}

K_{Zc} = 1.24

锯材和交错胶合木(CLT)受压的尺寸系数

然后，必须在第 7 章的基础上计算受压构件的长细比 (C_c )。 6.5.5.2.2 {%！

C_{B} = \sqrt{\frac{L_{e} \cdot d}{b^{2}}}

C_{C} = 34.29

受压杆件长细比

接下来，受压杆件的弹性模量 (E₀₅ ) 需要根据表 6.7 [[{Refer [1]]]计算。
E·₀₅ = 8000 MPa = 1160302 psi

现在所有需要的变量都已经计算和确定，接下来可以计算K_C 。

C_{K} = \sqrt{\frac{0.97 \cdot E \cdot K_{SE} \cdot K_{T}}{F_{b}}}

K_{C} = 0.288

侧向稳定性系数

柱子利用率

在这个例子中的最终目标是计算这个简单柱子的利用率。由此可以确定，在给定的荷载下，杆件的尺寸是否合适，还是需要进一步优化。在计算设计利用率时，需要顺纹抗压承载力 (_Pr ) 和轴向荷载设计值 (P_f )。

施加的最大轴向压力 (P_f ) 等于 5.00 兆普。

接下来，由第 3.4 节计算抗压承载力 (_Pr ) 。 6.5.4.1 {%!#Refer [1]]]。

P_{r} = Φ \cdot F_{C} \cdot A \cdot K_{Zc} \cdot K_{C}

P_{r} = 7.00 kips

抗压承载力设计值

最后，可以计算利用率 (η)。

K_{L} = 1 - \frac{1}{3} \cdot {(\frac{C_{B}}{C_{K}})}^{4}

柱子利用率

在 RFEM 中的应用

对于 RFEM 中按照规范 CSA O86-19 {%于#Refer [1]]] 的木结构设计，附加模块 RF-TIMBER CSA 可以根据荷载准则和杆件承载力对截面进行分析和优化单个杆件或杆件集。我们可以对上面在 RF-TIMBER CSA 中柱子示例进行建模和设计的结果进行比较。

2 RFEM模型 | 根据CSA设计木柱

在附加模块 RF-TIMBER CSA 的基本数据表中可以选择杆件、荷载条件和设计方法。材料和截面由 RFEM 定义，荷载持续时间设置为标准术语。含水率设置为干燥，处理设置为无或防腐(未切割)。长细比系数 K_C在规范的基础上进行计算。 6.5.5.2.5 {% 查看 [1]]]。模块计算得出 5.00 kip 的轴压（P_f ）和 7.05 kips 的顺纹抗压承载力（P_r ）。由这些值可以得出，设计利用率 (η) 为 0.71，与上述手算一致。