Projektowanie połączeń stalowych na pojemność (AISC)

1 Nowy projekt

Uruchom IDEA StatiCa (pobierz najnowszą wersję) i otwórz plik projektu źródłowego. Projekt złącza jest ukończony i przygotowany do standardowej analizy Stress/Strain.

2 Obliczenia i sprawdzenie

Uruchom analizę naprężeń/odkształceń przyciskiem Calculate na wstążce. Model obliczeniowy jest generowany automatycznie, obliczenia są wykonywane, a ogólne wyniki sprawdzenia normowego można zobaczyć w lewym górnym rogu widoku. 

Można zauważyć, że na podstawie analizy naprężeń/odkształceń złącze jest dobrze zaprojektowane i spełnia wszystkie sprawdzenia normowe.

Aby zachować te wyniki, skopiuj ten element projektu w lewym górnym rogu w sekcji Elementy projektu. 

3 Sprawdzenie nośności

W nowym elemencie projektu (CON2) zmień następujące dane wejściowe, aby włączyć sprawdzenie limitów wstępnej kwalifikacji według AISC 358:

• Typ analizy: Capacity Design
• Wstępnie kwalifikowane połączenie: Aktywne
• Układ: Specjalna rama momentowa
• Typ połączenia: Zredukowany przekrój belki (RBS)

Należy wybrać element dyssypacyjny. Jako element dyssypacyjny należy wybrać element lub blachę, w której oczekuje się powstania przegubu plastycznego. Do wybranego elementu stosowane są współczynnik nadwytrzymałości materiału oraz współczynnik umocnienia odkształceniowego. W tym przykładzie jako element dyssypacyjny należy wybrać element W16x31. Można go dodać za pomocą polecenia z górnej wstążki i potwierdzić wybór klawiszem spacji/Enter/prawym przyciskiem myszy.

We właściwościach Members należy dostosować parametry elementu W16x31: Ustaw Model type na N-Vz-My, ponieważ połączenie przenosi moment gnący tylko w płaszczyźnie pionowej, a obrót wokół słabej osi belki musi być zablokowany. 

Po wybraniu elementu dyssypacyjnego limity wstępnej kwalifikacji są wyświetlane w lewej górnej części ekranu w obszarze modelu: 

Pierwsze ostrzeżenie dotyczy AISC 341-16: Rozdział D.1.1b i Tabela D1.1. Graniczne smukłości ścianek przekroju. Aby usunąć pierwsze ostrzeżenie, zmień profil słupa na W14X68, klikając prawym przyciskiem myszy na słup, a następnie klikając ikonę plusa: 

Wybierz przekrój dwuteowy szerokostopowy, przewiń w dół, aż znajdziesz W (AISC 15.0), skorzystaj z pola wyszukiwania, kliknij W14X68 i kliknij OK.

Zmień nazwę elementu na Column, klikając na nazwę W12X65 i naciskając klawisz F2 lub klikając prawym przyciskiem myszy i wybierając Rename: 

Kolejne ostrzeżenie do usunięcia dotyczy spoiny łączącej środnik belki ze stopką słupa: 

Spoinę można zmienić w operacji CUT1 – zmień spoinę z dwustronnej spoiny pachwinowej na opcję spoiny czołowej: 

Następne ostrzeżenie dotyczy wymagania dotyczącego blachy ścinającej określonego w AISC 358 Rozdział 5.6 (2) dla specjalnych ram momentowych.

Kliknij New operation i wybierz operację Fin plate, a następnie wprowadź dane jak pokazano: 

Ostatnie ostrzeżenie dotyczy wymagania dotyczącego otworów technologicznych przy spoinach zgodnie z AISC 358 5.5 (2). Aby spełnić to wymaganie konstrukcyjne, dodaj operację Opening, wybierz kolejne dane wejściowe i użyj opcji Pre-design dla podcięć: 

Po tej operacji połączenie spełnia limity wstępnej kwalifikacji według norm AISC 358 i 341. 

Przełącz parametr Forces in na Position, ponieważ wtedy można zdefiniować dokładną pozycję przyłożenia siły. Położenie przegubu plastycznego jest zbliżone do położenia siły działającej: X = 17 cali. 

Jak określić właściwe położenie przegubu plastycznego? Inżynier konstruktor musi zdecydować, gdzie on wystąpi. Zazwyczaj przegub plastyczny jest wyznaczany w belce. W tym przykładzie wystąpi on w środku operacji dog bone. Wygodnie jest odczytać położenie z aplikacji (widok szkieletowy).

W następnym kroku należy zdefiniować efekty obciążeń. Obciążenia do analizy sejsmicznej są zależne od normy (współczynnik nadwytrzymałości materiału, współczynnik umocnienia odkształceniowego) i zależą również od granicy plastyczności, charakterystyk geometrycznych przekroju itp.

Obciążenia dla tego przykładu zostały obliczone według następującej procedury:

M_y = C_pr .R_y .F_y .Z_pl,y(RBS) i odpowiadająca siła ścinająca V_z = –2 M_y / L_h, gdzie:

• R_y – stosunek prawdopodobnej do minimalnej granicy plastyczności – AISC 341-16 – Tabela A3.1; dla A992 – R_y = 1,1
• \( C_{pr}=\frac{F_y+F_u}{2\cdot F_y} \le 1.2 \) – współczynnik umocnienia odkształceniowego; dla A992 – C_pr = 1,15
• F_y – charakterystyczna granica plastyczności; dla A992 – F_y = 50,0 ksi
• F_u – charakterystyczna wytrzymałość na rozciąganie; dla A992 – F_u = 65,0 ksi
• Z_pl,y(RBS) – plastyczny wskaźnik wytrzymałości przekroju; wartość dla zredukowanego przekroju belki – Z_pl,y,(RBS) = 44,80 in³
• L_h – odległość między przegubami plastycznymi na belce; L_h = 250 - (2 . 17) = 216 in

M_y = 1,15 x 1,1 x 50 x 44,80 = 2834 kip.in  = 236,17 kip-ft

\[ V_{\textrm{Ed}} = \frac{2 \cdot M_{\textrm{y}}}{L_{h}} = 2 \cdot \frac{2834}{216} = 26,2 \, \textrm{kip} \]

Dodaj obliczoną siłę ścinającą i moment gnący jako nowy efekt obciążenia (LE).

Siła ścinająca i moment gnący muszą być wprowadzone z odpowiednimi znakami, tak aby moment gnący malał na belce w kierunku od węzła.

Teraz analizę nośności można uruchomić poleceniem Calculate.

Jak widać w wynikach i widoku odkształceń plastycznych, słup wykazuje ekstremalnie duże odkształcenia plastyczne. Głównym celem projektowania na pojemność w połączeniu z wstępnie kwalifikowanymi połączeniami według procedury projektowej AISC 358 jest zaprojektowanie układu silny słup – słaba belka. Dlatego uplastycznienie i tworzenie przegubu plastycznego powinno następować w elemencie dyssypacyjnym (wybranej belce), a w przypadku połączenia typu Reduced beam section intencją jest uzyskanie maksymalnych odkształceń plastycznych w środkowej części zredukowanego przekroju belki. 

Podejście projektowe polega na przeniesieniu zniszczenia do belki. Poniższe kroki mają na celu zwiększenie nośności strefy węzłowej słupa.

Można zacząć od dodania czterech usztywnień do słupa wyrównanych do pasów belki. Ustaw grubość usztywnień na 5/8".

Aby zwiększyć nośność słupa, dodaj blachy wzmacniające po obu stronach środnika (dodaj operację produkcyjną Stiffening plate). 

Usztywnienia przy środniku słupa muszą zostać przycięte i przyspawane do blach wzmacniających za pomocą operacji produkcyjnej Cut of the plate.

Powtórz operację cięcia blachy cztery razy, aby połączyć pozostałe usztywnienia przednie/tylne z blachami wzmacniającymi.
*Wskazówka: Kliknij prawym przyciskiem myszy na pierwszą operację cięcia, skopiuj ją tyle razy, ile potrzeba, i najedź myszą na blachy, aby zobaczyć nazwy blach do przycięcia. 

Wszystkie modyfikacje projektowe są teraz zakończone – uruchom Calculate w zakładce Check. Można zobaczyć, że wszystkie elementy (takie jak spoiny i śruby) przeszły sprawdzenie normowe. Odkształcenia plastyczne blach elementu dyssypacyjnego nie wpływają na ogólne wyniki. 

Wystąpienie przegubu plastycznego można zbadać w oknie analizy Plastic strain.

Przegub plastyczny pojawił się w oczekiwanym miejscu, a złącze spełniło wymagania sprawdzenia normowego wymagane przez projektowanie na pojemność.

Aby lepiej zrozumieć wyniki, zapoznaj się z Podstawami teoretycznymi.

4 Raport

Na koniec możesz przejrzeć Raport. IDEA StatiCa oferuje w pełni konfigurowalny raport do wydrukowania lub zapisania w edytowalnym formacie.

Na końcu szczegółowego raportu znajduje się lista sprawdzeń szczegółowych wstępnie kwalifikowanego połączenia wraz z odniesieniem normowym i statusem: 

Wykonałeś sprawdzenie normowe projektowania na pojemność wstępnie kwalifikowanego połączenia konstrukcyjnego zgodnie z AISC 358 i AISC 341.

Współczynniki nośności

Ponieważ wymagania projektowe dla połączeń „wstępnie kwalifikowanych" są spełnione, a dostępne nośności są obliczane zgodnie z AISC 358-16, współczynniki nośności ϕ należy przyjmować następująco: 

                         Dla plastycznych stanów granicznych ϕ_d = 1,00 

                         Dla nieplastycznych stanów granicznych ϕ_n = 0,90

Współczynniki te można edytować w IDEA StatiCa Connection w sekcji „Code setup":