Теоретичні основи проєктування сталевих конструкцій
У цій статті стисло викладено, які правила норм і з якими припущеннями застосовує модуль проєктування сталевих балок і колон StatiCAD. За основу взято набір правил ÇYTHYE (турецькі норми проєктування, розрахунку та будівництва сталевих конструкцій) і положення TBDY 2018, що стосуються сталі. Щодо користування дивіться статтю Проєктування сталевих балок і колон.
Підхід до проєктування: YDKT (проєктування за коефіцієнтами навантажень і опору, LRFD). Коефіцієнти опору: згин φb = 0,90; зсув φv = 0,90 (для стінки компактного гарячекатаного двотавра 1,00); стиск φc = 0,90.
1. Характеристики матеріалу й перерізу
Клас сталі призначається елементу разом із перерізом; Fy та E зчитуються з бібліотеки матеріалів. Характеристики перерізу (A, Ix, Iy, Wel = Sx, Wpl = Zx, Zy, Sy, J, Cw, h, b, tf, tw, r) беруться з бази даних заводських профілів. Модуль пружності в бібліотеці матеріалів може бути визначений у кг/см² або в МПа; програма розпізнає одиницю автоматично.
2. Згинальна несуча здатність балки (Розділ 9)
Для балок із двоосесиметричним гарячекатаним двотавровим/H-перерізом, що згинаються в площині сильної осі, визначено три зони (Lb — довжина без бокового закріплення):
| Зона | Умова | Номінальна несуча здатність Mn |
|---|---|---|
| Текучість (пластична) | Lb ≤ Lp | Mp = Fy·Zx |
| Непружна крутильно-бокова втрата стійкості | Lp < Lb ≤ Lr | Mn = Cb·[Mp − (Mp − 0,7·Fy·Sx)·(Lb − Lp)/(Lr − Lp)] ≤ Mp |
| Пружна крутильно-бокова втрата стійкості | Lb > Lr | Mn = Fcr·Sx ≤ Mp |
- Lp = 1,76·ry·√(E/Fy)
- Fcr = Cb·π²·E/(Lb/rts)² · √(1 + 0,078·(J·c/(Sx·h0))·(Lb/rts)²)
- Lr = 1,95·rts·(E/(0,7·Fy))·√(J·c/(Sx·h0) + √((J·c/(Sx·h0))² + 6,76·(0,7·Fy/E)²))
- rts² = √(Iy·Cw)/Sx, h0 = h − tf, c = 1 (двоосесиметричний двотавр)
У звіті виводяться Lp, Lr і назва визначального граничного стану, тож інженер може перевірити узгодженість Lb із граничним станом. Класифікується компактність перерізу при згині; для некомпактної полиці вмикається граничний стан місцевої втрати стійкості полиці.
2.1 Незакріплена від бокового зміщення довжина Lb і коефіцієнт поправки моменту Cb
Lb — це довжина стиснутої полиці, не закріплена від бокового зміщення (ÇYTHYE 9.2.2). Якщо поля бокового закріплення (Le) у властивостях елемента залишено автоматичними, приймається Lb = довжина елемента L (між кінцевими вузлами) і вважається, що кінці закріплені від бокового зміщення (ÇYTHYE 9.1(a)). За наявності проміжного бокового закріплення найбільшу незакріплену довжину вводять у поле Le вручну.
- Cb = 12,5·Mmax / (2,5·Mmax + 3·MA + 4·MB + 3·MC) (ÇYTHYE, рівн. 9.1), 1,0 ≤ Cb ≤ 3,0
- Mmax, MA, MB, MC: абсолютні значення найбільшого моменту на незакріпленій довжині та моментів у точках 1/4, 1/2 і 3/4
Моменти беруться зі станцій балки (кінців частин) скінченно-елементного розв’язку; значення в чвертьточках знаходять лінійною інтерполяцією між сусідніми станціями.
- Кожна комбінація за несучою здатністю перевіряється за власною діаграмою моментів. Оскільки Cb змінюється залежно від комбінації, визначальною є не комбінація з найбільшим моментом, а комбінація з найбільшим відношенням потреби до несучої здатності. У звіті розрахунковий момент, назва комбінації та Cb належать саме цій комбінації; поперечна сила й осьова сила беруться з обвідної.
- Консоль (елемент, один кінець якого не з’єднаний з колоною, стіною чи іншою балкою): Lb = L і Cb = 1,0 (ÇYTHYE 9.1(e)).
- Той кінець вторинної балки, що врізається в іншу балку, вважається опорою, як опора на колону чи стіну; Cb обчислюється за діаграмою.
- Якщо в полі Le введено Lb, коротшу за L (проміжне закріплення; діаграма моментів незакріпленої частини окремо невідома), або балку розбито менш ніж на 4 частини скінченних елементів, приймається Cb = 1,0 (із запасом надійності).
3. Несуча здатність балки на зсув (Розділ 10)
Vn = 0,6·Fy·Aw·Cv1, Aw = d·tw
Якщо для стінки гарячекатаного двотавра виконується h/tw ≤ 2,24·√(E/Fy), приймаються Cv1 = 1,0 і φv = 1,00; в іншому разі застосовуються загальні правила для стінки.
4. Комбінований вплив у балці (Розділ 11)
Перевіряється взаємодія згину, зсуву й осьової сили, а у звіт записується єдине відношення; якщо відношення ≤ 1,0, ставиться позначка UYGUN (відповідає).
5. Прогин балки
f = 5/48 · Mmaks · L² / (E·Ix) (проста балка, еквівалент рівномірно розподіленого навантаження); умова f ≤ L/K.
Mmaks — експлуатаційний момент: найбільший із комбінацій G+Q і G+S без коефіцієнтів. Для консольної балки замість 5/48 використовується коефіцієнт 1/3 (еквівалент зосередженого навантаження на кінці; для розподіленого навантаження — консервативний). K береться з вибору K прогину у властивостях елемента (за замовчуванням 300; 200 / 150 / вручну).
6. Несуча здатність колони на стиск (Розділ 8)
Для стиснутого елемента з двоосесиметричним двотавровим/H-перерізом обчислюються три пружні критичні напруги, і визначальною є найменша:
- При згині: Fex = π²·E/(KLx/rx)², Fey = π²·E/(KLy/ry)²
- При крученні: Fez = [π²·E·Cw/(KLz)² + G·J] / (Ix + Iy), G = E/2,6
- Fe = min(Fex, Fey, Fez)
- Fy/Fe ≤ 2,25 → Fcr = 0,658^(Fy/Fe) · Fy (непружна); Fy/Fe > 2,25 → Fcr = 0,877·Fe (пружна)
- Pn = Fcr·Ag, φc = 0,90
Визначальна форма вказується у звіті. Для довжини крутильної втрати стійкості використовується довжина відносно слабкої осі.
Ефективна довжина втрати стійкості: за замовчуванням KL = висота поверху + різниці нижньої/верхньої позначок елемента, K = 1,0. Вводячи K·L вручну в поля Le вікна властивостей вертикального армопояса, можна задати окрему довжину для кожної осі. Якщо KL/r > 200, у звіт виводиться червоне попередження (розрахунок не зупиняється).
Гнучкість перерізу (Таблиця 5.1A, осьовий стиск): полиця b/(2·tf) ≤ 0,56·√(E/Fy); стінка hw/tw ≤ 1,49·√(E/Fy). Для перерізу, що перевищує межу (гнучкого), елемент позначається у звіті як «narin enkesit» (гнучкий переріз) і вважається недостатнім.
7. Несуча здатність колони на згин відносно слабкої осі
Mny = Fy·Zy ≤ 1,6·Fy·Sy (відносно слабкої осі крутильно-бокова втрата стійкості не виникає).
8. Комбінований вплив у колоні (Розділ 11.3)
- Pr/Pc ≥ 0,2: Pr/Pc + 8/9·(Mrx/Mcx + Mry/Mcy) ≤ 1,0 (11.3a)
- Pr/Pc < 0,2: Pr/(2·Pc) + (Mrx/Mcx + Mry/Mcy) ≤ 1,0 (11.3b)
Pc = φc·Pn; Mcx — несуча здатність відносно сильної осі, включно з крутильно-боковою втратою стійкості (Lb = KLy, Cb = 1,0), Mcy обчислюється за правилом для слабкої осі. Використане рівняння вказується у звіті.
9. Внутрішні зусилля та комбінації навантажень
Для балки M, V (і N), для колони N, Mx, My та V беруться зі скінченно-елементного розв’язку програми як обвідна наведених нижче комбінацій:
- Комбінації програми в перетвореному для сталевого проєктування вигляді: у комбінаціях із землетрусом 1,0G → 1,2G, а Q не менше 1,0Q (TBDY 4.4.4.2). Назви цих комбінацій відображаються у звіті з суфіксом «[1.2G+1.0Q]».
- Комбінації YDKT за ÇYTHYE (з простих завантажень G, Q, S, W): 1,4G; 1,2G + 1,6Q (+0,5S); 1,2G + 1,6S (+1,0Q); якщо вітер визначено, для кожного вітрового завантаження 1,2G + 1,6S + 0,8W, 1,2G + 1,0Q (+0,5S) + 1,6W та 0,9G + 1,6W.
Якщо вітрове завантаження не визначено, видається попередження аналізу. Назва комбінації, що дає обвідну, відображається у звіті поруч із зусиллям.
9.1 Штучна осьова сила, зумовлена зміщенням
Якщо в Загальних параметрах проєкту позначено Враховувати значення Offset1 і Offset2 в матриці жорсткості системи або Враховувати ексцентриситети в матриці жорсткості системи за визначеною віссю, вісь балки моделюється під віссю вузла на e2 = offset2 − h/2. Оскільки жорстка діафрагма або опори утримують осьові переміщення вузлів, у балці виникає осьова сила, якої насправді немає (ефект складеного перерізу з абсолютно жорсткою полицею). Ця сила стала в кожному ланцюгу між вузлами діафрагми:
- Nk = ck · M̄3, ck = A·e2 / (I3 + A·e2²)
- M̄3: середній (зважений за довжиною) момент уздовж ланцюга; M3 — повний момент відносно осі вузла.
Для IPE 300 (A = 53,81 см², I3 = 8356 см⁴, e2 = −15 см) отримуємо ck = −3,944 м⁻¹; зусилля частин скінченних елементів дають це значення з точністю до чотирьох знаків. Якщо цю силу не віднімати, у тестових моделях вона сягає 318–721 кН і збільшує відношення M–N–V приблизно на 30 %. Як і для балок із легкої сталі, програма віднімає цю частку від осьової сили частини в кожному завантаженні (див. Теоретичні основи проєктування з легкої сталі, розділ 12): момент не змінюється; віднімана частка не перевищує |N| і не змінює його знака; ланцюги розпізнаються за послідовними частинами з рівною N (якщо ввімкнено опцію «Не прив’язувати проміжні вузли балок до жорсткої діафрагми», уся балка є одним ланцюгом). Осьова сила, що залишається, — це залишок за правилом трапеції, який виникає внаслідок усереднення кінцевих моментів частин (у разі розподіленого навантаження (2/3)/n² від піка; для 12 частин 0,5 %, із запасом надійності). Вплив зміщення на жорсткість балки є результатом моделі й зберігається: у балці з жорсткими кінцями кінцеві моменти за ввімкненого зміщення можуть виявитися більшими (в одному прикладі 84,8 кНм проти 74,5 кНм).
10. Межі застосування
- Розрахунок несучої здатності обмежений гарячекатаними двоосесиметричними двотавровими/H-профілями; профілі U, L, T, коробчасті та трубчасті можна призначати, але у звіті вони позначаються як «kesit tipi desteklenmiyor» (тип перерізу не підтримується).
- Розрахунок холодноформованих профілів виконується в модулі легких сталевих конструкцій.
- У балці Cb обчислюється за діаграмою моментів комбінації (розділ 2.1); при згині колони відносно сильної осі приймається Cb = 1,0. Для колон приймається K = 1,0; інші умови обпирання задає користувач через поля Le.
- Для гнучкого перерізу метод ефективної площі, а також крутильно-згинальна втрата стійкості моносиметричних перерізів не реалізовані.
- Умови пластичності перерізів для сейсмічних впливів за Розділом 9 TBDY, відношення несучої здатності колони до балки та зв’язкові елементи не входять до сфери цієї версії.
- Бокове закріплення балки приймається як одна довжина; списку проміжних закріплень не передбачено (у балці з проміжним закріпленням Cb = 1,0). Автоматична Lb — це довжина між кінцевими вузлами: для балки, розбитої на частини без проміжних опор в одному напрямку, справжню незакріплену довжину слід ввести в поле Le.