Skip to main content

Studii de validare pentru oțelul ușor

Acest articol rezumă studiile de validare ale calculelor de panou, montant, grindă și stâlp din oțel ușor. Validarea a fost realizată în straturi: proprietățile de secțiune au fost comparate cu catalogul producătorului, mărimile de torsiune cu soluția în formă închisă și cu o aplicație independentă, lanțul de rezistență cu ecuațiile normativului și cu calculul manual, iar derivarea solicitărilor cu calculul manual; întregul flux, de la setări până la raport, a fost rulat cap-coadă pe proiecte-exemplu. Pentru relații, consultați articolul Bazele teoretice ale proiectării din oțel ușor.

1. Proprietățile de secțiune: 527 de profile × catalog​

Pentru fiecare profil din biblioteca de profile de oțel ușor predefinite, proprietățile brute calculate cu modelul cu linii mediane și colțuri ascuțite au fost comparate cu catalogul (model / catalog − 1):

Familie (număr)AIxIy
C (89)+1,4 % … +5,5 %+1,9 % … +5,3 %+3,2 % … +6,6 %
Z (90)+1,4 % … +6,6 %+1,9 % … +6,4 %+3,4 % … +8,3 %
U (88)+0,8 % … +2,5 %+1,2 % … +2,8 %+0,1 % … +1,2 %
Sigma (90)+1,7 % … +6,0 %+2,0 % … +4,6 %+3,8 % … +8,5 %
C+ (87)+2,4 % … +6,4 %+2,5 % … +4,5 %+3,3 % … +6,4 %
Sigma+ (83)+2,7 % … +5,9 %+2,6 % … +3,9 %+4,0 % … +7,2 %
note

Abaterile sunt uniforme și provin din ipoteza colțurilor ascuțite ale modelului (dacă se rotunjesc colțurile, abaterea ariei scade în medie la 1 %). Deoarece în proiectare A, Ix și Iy brute se iau direct din valorile catalogului, abaterea nu se reflectă în proiectare; poziția centrului de greutate coincide cu catalogul în limita a 0,4 mm.

2. Mărimile de torsiune​

VerificareRezultat
Soluție în formă închisă — secțiune U plană (b = 50, h = 100, t = 2 mm)Distanța la centrul de forfecare și constanta de torsiune neuniformă coincid exact cu soluția numerică
Aplicație independentă vs. program, 90 de profile SigmaCea mai mare diferență relativă pentru J, Cw și centrul de forfecare < 3·10⁻⁵

3. Metoda generală pentru flambajul distorsional​

Metoda generală (HCBTİE 4.10.3.3) a fost validată pe trei căi independente: un calcul independent rescris din paginile normativului, două solvere distincte cu benzi finite și revizuirea codului. Calculul independent a reprodus, la șase secțiuni, tensiunea critică și semi-lungimea de undă critică cu o precizie mai bună de o miime:

SecțiuneFcrd compresiune, program / independent (MPa)Fcrd încovoiere, program / independent (MPa)
S200-50x67x16x2183,0 / 183,0377,4 / 377,4
C200x80x16x2169,2 / 169,2300,0 / 300,0
Z200x60x15x2175,6 / 175,6411,7 / 411,7
Z400x100x21x255,2 / 55,2164,6 / 164,6
C+200-89x25x15x4606,5 / 606,5922,4 / 922,4
S+200-55x95x25x15x4574,7 / 574,7850,0 / 850,0

În cazurile cu un mod distorsional evident, metoda generală concordă cu soluția cu benzi finite în banda −7 % … +0 % la compresiune și +4 % … +14 % (conservator) la încovoiere. La secțiunile Sigma, deoarece metoda consideră inima plană, este evident conservatoare; la secțiunile C+, deoarece la compresiune rămâne puțin peste valoarea cu benzi finite, la aceste secțiuni opțiunea benzilor finite a fost făcută implicită.

4. Solverul cu benzi finite​

Solverul cu benzi finite al programului a fost mai întâi testat, cu matrice de bandă unică, față de un solver de referință independent (diferență relativă ≤ 2·10⁻¹⁰), apoi tensiunile critice au fost comparate pe aceeași rețea (placă plană, corniere, secțiuni C, Sigma, Z și C+; rezultate identice). La toate cele 439 de profile cu buze din catalog (861 de cazuri de compresiune/încovoiere), diferența maximă între tensiunile critice ale celor două solvere a fost 9·10⁻⁵, iar media 8·10⁻⁶. Când rețeaua este rafinată de două ori, rezultatele se modifică cel mult cu 0,3 %.

5. Grindă și stâlp (secțiune atribuită elementului)​

Într-un proiect de test, grinzii și stâlpului li s-a atribuit SIGMA S200-50x67x16x2, iar ca material s-a luat S235. Valorile programului au fost comparate cu un calcul independent și cu calculul manual:

MărimeCalcul manual / calcul independentProgram (YDKT)Rezultat
Rezistența grinzii la încovoiere Md (Lb = L = 6,0 m, Cb = 1,579; determinant flambajul lateral cu răsucire)3,222 kNm3,2225 kNmIdentic
Rezistența grinzii la forfecare Vd32,39 kN32,39 kNIdentic
Stâlp Pd / Md,x / Md,y (KL = 3,0 m)54,83 kN / 6,587 kNm / 1,578 kNm54,83 / 6,587 / 1,578Identic

La rezistența grinzii la încovoiere, lungimea nesprijinită lateral este lungimea elementului (Lb = L = 6,0 m), iar Cb se calculează din diagrama de momente a combinației determinante 1,6G+Q: Mmaks = 0,176 (capăt), MA = 0,044, MB = 0,134, MC = 0,094 kNm → Cb = 12,5·0,176 / (2,5·0,176 + 3·0,044 + 4·0,134 + 3·0,094) = 1,583 (program 1,579; diferența provine din rotunjirea momentelor afișate). Pey = π²·206010·325600/6000² = 18 390 N, Pez = 40 886 N, io = 82,68 mm → Mcre = 1,579·82,68·√(18 390·40 886) = 3,580·10⁶ N·mm; Fcre = 83,1 MPa < 0,56Fy → Mne = 3,580 kNm; Md = 0,90·3,580 = 3,222 kNm.

tip

Și valorile GKT (ASD) au coincis exact cu coeficienții de siguranță respectivi.

6. Modelul solicitărilor și fluxul cap-coadă​

  • Derivarea solicitărilor axiale ale montanților intermediar și de capăt din eforturile interne ale panoului, a momentului din vânt la pereții exteriori și a rapoartelor de efect combinat a fost comparată cu calculul manual pentru YDKT și GKT și a coincis exact cu valorile din raport.
  • Regulile rigidizatorului de margine (HCBTİE 4.9.3) și ale secțiunii Z au fost validate cu calculul manual.
  • Ancorajul panourilor, ponderea gips-cartonului, calculul încărcării seismice cu T = 0,2 s, proporționalitatea rigidităților panourilor cu capacitatea și proiectarea fundațiilor cu D au fost verificate separat pe proiecte-exemplu din oțel ușor cu unul și cu trei niveluri.
  • Pe proiectele-exemplu, lanțul setări → analiză → raport → PDF a rulat fără erori în rulări automate; setările au fost salvate atât în format text, cât și în format binar de proiect și citite înapoi identic.

7. Verificările grinzii de planșeu​

Strivirea inimii. Calculul a fost comparat cu o aplicație independentă în 13 situații (secțiuni C, U și C+; reazem de capăt și intermediar; o forță și două forțe opuse; ss/t ≤ 60 și > 60; cazuri în afara domeniului: Sigma, r/t > 6 și hw/t > 200). În toate cele 13 situații, valorile și codurile de stare sunt identice (diferență < 10⁻⁶). Comparația cu un tabel de calcul manual pentru o secțiune dublu C (H = 200 mm, t = 4,95 mm, r = 6 mm, fyb = 350 MPa, ss = 100 mm):

SituațieCalcul manualStatiCAD
Reazem de capăt, talpă rigidizată68,894 kN68,894 kN
Reazem de capăt, talpă nerigidizată, ss/t ≤ 6046,198 kN46,198 kN
Reazem intermediar, ss/t ≤ 60118,551 kN118,551 kN
Reazem intermediar, ss/t > 60 (ss = 400 mm)170,220 kN (calcul independent)170,220 kN

Fluxul cap-coadă. A fost testat cu grinzi de planșeu U100x53x1,5 cu deschiderea de 4 m (YDKT):

  • La strivirea inimii cu reazem rezemat și ss = 40 mm: P = 8,65 kN, Pd = 3,056 kN (la fel ca în calculul independent; raport 2,83).
  • În declarația încărcare de sus la reazem, cu relația celor două forțe opuse, Pd = 3,43 kN (calcul manual 3,426 kN).
  • Cu distanța de susținere a tălpii inferioare de 1250,5 mm, Md− = 1,332 kNm; în declarația talpă superioară legată de placare și rigidizator, Md+ = Mdlo = 1,370 kNm.
  • Săgeata numai din încărcarea utilă δQ = 5,09 cm > L/250 = 1,60 cm și condiția de vibrații (L/d = 40, fn = 3,0 Hz) au fost depistate; declarația antretoazelor a eliminat avertismentul de vibrații.
  • Datele de intrare au fost salvate în format text și în format binar de proiect și citite înapoi identic; în raportul în turcă și în engleză au fost verificate liniile pentru strivirea inimii, rigidizator și vibrații, precum și valorile cu semn.

8. Producerea planșeului și articulațiile grinzilor​

Model: ochi de 4 × 4 m, 4 stâlpi în colțuri, grinzi din oțel ușor pe margini; planșeu t = 2 cm, G = 175 kg/m², Q = 200 kg/m². Cu definiția de planșeu din oțel ușor pe direcția X, cu profil C200x80x16x2 și distanța de 400 mm, au fost produse 9 grinzi de planșeu (ambele capete articulate, talpa superioară legată) și 10 fâșii de 40 cm.

SoluțieGrindă M+ (1,4G + 1,6Q)
Transfer clasic, planșeele nu intră în rigiditate4,896 kNm la toate cele 9 grinzi, V = 4,90 kN (independent de rigiditatea grinzilor de margine). Încărcarea distribuită Q w = 0,7455 kN/m; calcul manual 200 kg/m² × 0,38 m = 0,7456 kN/m
Transfer prin shell, grinzi de margine rigide (S350)3,82 (învecinată cu marginea) … 5,12 kNm (la mijloc); distribuirea încărcării de către placare este mică
Transfer prin shell, grinzi de margine flexibile (U100)17,9 (aproape de stâlp) / 0,9 kNm (la mijloc); săgeata grinzii de margine 17 cm → avertisment de analiză

Momentul de capăt al grinzilor de planșeu este zero (articulațiile sunt aplicate în soluția cu elemente finite). Au fost validate separat și regenerarea (7 grinzi / 8 fâșii cu distanța de 500 mm; direcția Y; placare din placaj; declarația antretoazelor), revenirea planșeului original prin eliminarea definiției și păstrarea, la salvarea proiectului, a definițiilor și a familiei fâșii–grinzi.

9. Diafragma planșeului​

Model: 3 niveluri, 10 × 6 m, 6 panouri din oțel ușor la fiecare nivel; DX = 2,0, DY = 3,0, metoda forței seismice echivalente. La trei niveluri, planșeu din oțel ușor cu profil C200x80x16x2, distanța de 600 mm, pe direcția Y, cu placare OSB și antretoaze (17 fâșii, 16 grinzi).

MărimeStatiCADCalcul manual / verificare încrucișată
Forța netă Fx a nivelului 1 (cu D)123,63 kND·F1 = 2,0 × 6,301 t = 123,6 kN
Nivelul 1, forța F a liniei y = 0 (combinația „−X1 − 0,3Y2”)183,36 kN2,0 × 8,234 + 0,3 × 3,0 × 2,459 = 18,68 t = 183,3 kN
Aceeași linie: B, v, φvn, raport10,00 m; 18,34 kN/m; 6,12 kN/m; 3,00Planșeu 0–1000 cm; 0,6 × 10,2 (valoarea implicită OSB)
Nivelul 1, forța F a liniei x = 0 (combinația „−0,3X1 − Y2”)148,39 kN0,3 × 2,0 × 3,301 + 3,0 × 4,380 = 15,12 t = 148,3 kN
Îmbinarea planșeu → panou: Ps, n, n·Ps4,666 kN; 33; 153,97 kNt1 = t2 = 2,0 mm, dv = 4,8 mm, Fu1 = 360, Fu2 = 420 MPa: Pns = min(10931; 9331; 10886) N → 0,5 × 9331 = 4,666 kN; 9,94 m / 0,3 m → 33
Nivelul 1, forța din cordon Tx / Ty9,272 / 34,117 kN123,63 × 6/(8 × 10); 163,76 × 10/(8 × 6)
Colector (y = 0, pereții acoperă linia)5,50 kN (raport 0,035)Se așteaptă N ≈ 0

Pentru colector și gol, în același model peretele de la parter a fost scurtat la 2 m, iar în mijlocul planșeului nivelului 1 a fost lăsat un gol de 2 × 2 m:

MărimeStatiCADCalcul manual / verificare încrucișată
Forța colectorului liniei y = 0, |N|max (ℓ = 2 m, F = 311,30 kN, B = 10 m)249,04 kN (raport 1,57, avertisment)F·(1 − ℓ/B) = 311,30 × (1 − 2/10) = 249,04 kN
Raportul golului0,067; avertisment la diafragma rigidă4 / 60 m² = 6,7 % > 3 %
Partea familiei de planșeu de 10 × 2 m și forța din cordon Tx66,93 kN; 1,673 kN187,41 × 20/56 = 66,93; 66,93 × 2/(8 × 10) = 1,673

La acest model, în care toate nivelurile sunt din oțel ușor, nu au fost produse liniile diafragmei din beton armat (TBDY 7.11); au fost produse liniile TBDY 10.5 și avertismentele de linie și de îmbinare. Din cauza încărcărilor mari de nivel ale modelului și a lui DY = 3, rapoartele sunt între 1,2 și 6; modelul are scop de verificare.

10. Decalajul axei grinzii și forța axială compozită​

Model: clădirea din articolul Exemplu rezolvat: clădire din oțel ușor cu două niveluri (grinzi de planșeu de 5 m CC C200x80x16x2, distanța 390 mm; buiandrugi CC C200x80x22x4, articulați). Același model a fost rezolvat cu decalajul activat (nodurile intermediare în diafragmă sau „Leagă nodurile intermediare ale grinzilor de diafragma rigidă” activat) și cu decalajele dezactivate.

MărimeStatiCADCalcul manual / verificare încrucișată
ck (e2 = 0 − 20/2 cm)—7,51 × (−10) / (471,9 + 7,51 × 100) = −0,06141 cm⁻¹
Forța axială a tronsonului cu elemente finite, nodurile intermediare în diafragmă (tronson 1 / 5)G: −1,2218 / −6,4586 kN; Q: −2,5366 / −13,4088 kNck·M̄3: −1,2219 / −6,4587; −2,5369 / −13,4091 kN (diferență ≤ 0,01 %)
Forța axială cu elemente finite, un singur lanțG: −4,3638 kN (constantă pe 10 tronsoane)ck·(2/3)·Mmaks = −6,141 × 0,6667 × 1,0659 = −4,364 kN
Forța axială de calcul a grinzii de planșeu și P/Pd + M/Md0,197 kN; 0,564 (cu decalajele dezactivate 0; 0,558)Se scade valoarea de vârf 29,20 kN pentru 1,2G + 1,6Q; reziduul regulii trapezului 1,2 × 0,0435 + 1,6 × 0,0903 = 0,197 kN (0,67 %)
Forța axială de calcul a buiandrugilor0,23 / 0,07 kN0 cu decalajele dezactivate
Diferența dintre soluțiile cu decalaj activat și dezactivat (74 de grinzi)Raport ≤ 0,007; M ≤ 0,12 kNm; săgeată ≤ 0,0005 cmDiferența rămasă de moment este efectul real de rigiditate al decalajului

11. Evaluare generală​

tip

Proprietățile brute ale secțiunilor sunt consecvente cu catalogul; mărimile de torsiune au fost validate cu soluția în formă închisă și cu aplicația independentă; lanțul de rezistență coincide cu ecuațiile normativului și cu calculul manual, iar derivarea solicitărilor cu calculul manual. Modulul este adecvat utilizării în domeniul precizat (secțiunile predefinite C, Z, U, C+, Sigma și Sigma+).

note

Este esențial ca toate rezultatele produse cu software-ul să fie verificate de inginerul responsabil.