Constructief ontwerp en normtoetsing van een staalframe (AISC)

Nieuw project

Begin met het starten van IDEA StatiCa en selecteer de applicatie Member (download de nieuwste versie).

Maak een nieuw project aan, voer de naam in en selecteer een geschikte map waar het wordt opgeslagen. Kies vervolgens de ontwerknorm/subnorm, de begineigenschappen van het materiaal en het type topologie (een frame).

Vanaf versie 24.1 is het niet meer nodig om een speciaal materiaal met gereduceerde eigenschappen aan te maken - dit wordt nu op het juiste moment in het berekeningsproces door IDEA StatiCa Member verzorgd.

Deze aanpak kan worden toegepast op alle relevante staalsoorten - waardoor de ontwerper zowel bestaande als nieuwe constructies kan controleren.

Stel de beginprofielen in op W10x60.

Voeg coördinaten toe voor de knopen van het constructieve frame en voeg de staafverbindingen toe met behulp van deze knopen. Klik ten slotte op Create Project om te beginnen met het modelleren en aanpassen van het constructieve frame.

Pas de geanalyseerde staven AM2 en AM3 aan naar W16x89 door een nieuwe staaf toe te voegen en het juiste profiel te selecteren uit de database met imperiale I-profielen.

Gerelateerde staven

Om gerelateerde staven toe te voegen, die fungeren als ondersteuningen en lastoverdragende delen voor het constructieve detail, klikt u op de knoopkubus in de 3D-weergave of selecteert u CON2 in de boomstructuur. Hier kunt u eindige of doorgaande gerelateerde staven toevoegen door op de asrichtingen X, Y, Z te klikken volgens het globale coördinatenstelsel. Voeg 2 eindige staven toe in de Y-richting.

Selecteer vervolgens de gerelateerde staaf RM4 in de 3D-weergave of in de boomstructuur en pas de eigenschappen aan, zoals dwarsdoorsnede, lengte, oriëntatie en ondersteuningen aan de vrije uiteinden.

Pas de gerelateerde staaf RM5 dienovereenkomstig aan.

Belastingen

In het menu Belastingen kunt u belastingseffecten toevoegen en aanpassen. Een belastingseffect staat voor een groep waaraan u een of meer verdeelde belastingen op een geanalyseerde of gerelateerde staaf kunt toevoegen. Als alternatief kunt u binnen een belastingseffect knooppuntsinwendige krachten op staafuiteinden invoeren.

Er is automatisch één belastingseffect met een set lijnbelastingen gegenereerd voor alle staven. Verwijder er 2 door met de linkermuisknop op elke rij in het tabblad te klikken en Verwijderen te selecteren of op het pictogram in het lint te klikken.

Wijs vervolgens één verdeelde belasting toe aan staaf AM2 en pas de grootte aan naar -11 kip/ft en de breedte naar 10" om overeen te komen met de ligger.

Verbindingen

Vervolgens kunt u de verbindingen ontwerpen. Selecteer een knoopkubus in de 3D-weergave of selecteer een CON# in de boomstructuur en klik op Edit connection.

Begin met verbinding CON1 aan de voet van de linkerkolom. De IDEA StatiCa Connection applicatiemodule opent, en u kunt de verbinding ontwerpen door bewerkingen toe te voegen.

Voeg in dit geval slechts één Base plate-bewerking toe en pas de parameters aan. Klik op de knop Propose in het lint.

Selecteer daarna een Simple Base Plate en bevestig uw keuze door op OK te klikken.  U zult merken dat de ontwernnorm verschilt, maar in de volgende stappen wordt dit opgelost.

Selecteer lastype E70xx, staaltype A36 en betontype 4000psi.

Druk op het +-symbool naast het boutassemblagetype, kies 1" F1554 Gr. 55 en druk vervolgens op OK om door te gaan.

Configureer daarna de parameters in BP1 volgens de onderstaande afbeelding, sla de verbindingsinstellingen op en sluit de verbindingsapplicatie.  Merk op hoe de verbinding die u heeft gedefinieerd zichtbaar is in het Member-model.

Kies vervolgens verbinding CON2 en klik op 'Edit Connection' in de IDEA StatiCa Connection module.

Stel opnieuw een verbinding voor vanuit de Connection Library.  Dit is een uitstekende manier om verbindingen te maken die zijn gebaseerd op reeds aangemaakte templates.  De voorgestelde verbinding hoeft niet exact overeen te komen, maar zoals we al hebben gezien, is het heel eenvoudig om iets aan te passen zodat het past.

De hoofdstaven worden automatisch overgenomen uit het model.  Het enige wat nodig is, is het koppelen van de aanvullende kenmerken aan de juiste waarden.  Wijzig de hoekstaalmaat naar 3 1/2 x 3 1/2 x 1/4 door via de +-knop naar de relevante L-bibliotheek te navigeren, het staaltype naar A36 en het lastype naar E70xx.  Wijzig ten slotte de boutassemblage naar 3/4 A325 voordat u op OK drukt.

De profielbibliotheken in IDEA StatiCa zijn vrij uitgebreid en omvatten meerdere edities van de AISC-normen.

Uw verbinding zou er dan uitzien zoals op de volgende afbeelding.

Sla deze verbinding op voordat u sluit.

Ga verder met het bewerken van verbinding CON3.

Hier gaan we een plaat-op-plaat-bewerking toevoegen om een staaflas te maken.

Pas de parameters als volgt aan om de verbinding te voltooien.

Sla CON3 op en sluit het.

Bewerk ten slotte verbinding CON4. Hoewel de software ons aanbiedt om eenvoudig hetzelfde ontwerp als voor CON1 te repliceren, zullen we de verbinding bewerken om een andere te maken.

Open CON4, klik op Propose en selecteer het ontwerp van een voetplaatverankering met verstijvers zoals weergegeven in de volgende afbeelding.

Selecteer lastype E70xx, staal A36, beton 4000psi en boutassemblage 1" F1554 Gr 55.

Voltooi het ontwerp door de bewerking BP1 aan te passen zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.

Controleer ook de dikte van de verstijvers in WID1 zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.

Normtoetsing

Laten we doorgaan naar het tabblad Check en de analyse uitvoeren. De analyse in IDEA StatiCa Member wordt berekend in drie stappen met behulp van de CBFEM-technologie. Voer eerst de MNA (materieel niet-lineaire analyse) uit om de constructieve capaciteit te controleren, bereken vervolgens de LBA (lineaire knkanalyse) om de constructieve stabiliteit te onderzoeken en voer ten slotte de beginimperfecties in voor de toepasselijke knkvormen en bereken de GMNIA (geometrisch en materieel niet-lineaire analyse).

Voor dit specifieke complexe project dient u eerst het Aantal analyse-iteraties te verhogen naar 40 en het Aantal divergente iteraties naar 15 in de Code setup (op het tabblad Check) om voldoende rekencapaciteit voor de berekening te bieden.

Selecteer vervolgens de MNA-analyse en druk op Calculate.

De resultaten van de MNA-analyse worden weergegeven en u kunt de status van elk constructief onderdeel controleren, evenals de resultaten in het 3D-venster, bijvoorbeeld de rekverdeling in het geanalyseerde deel van de constructie.

Schakel vervolgens over naar de LBA-analyse en herhaal de Berekening.

U kunt de factoren van de knikvorm aflezen in het tabblad en de eerste knikvorm 1 gevisualiseerd zien terwijl u de weergave Uy inschakelt voor een beter overzicht van de vervorming.

U kunt door de visualisatie van de andere knkvormen bladeren door ze in het tabblad te selecteren, bijvoorbeeld knikvorm 6.

Omdat ten minste één van de knikvormfactoren kleiner is dan 15, schakelt u over naar GMNIA om de niet-lineaire analyse van de constructieve stabiliteit uit te voeren.  Kies de meest kritische knikvorm of een combinatie van knkvormen en voer de beginimperfectie van de kritische ligger in. Kies in dit geval de eerste knikvorm 1 als de meest kritische.  Schakel over naar het GMNIA-tabblad in het rechterpaneel en bepaal de imperfectie van 1/4" (L/1000 = 18*12/1000 = 0,21", zeg 1/4"), die u invoert als de Amplitude in kolom 1. 

Klik vervolgens opnieuw op de knop Calculate. In dit geval kan de analyse enkele minuten duren.

Laten we er voor het gemak van uitgaan dat de analyse niet wordt voltooid; u kunt zien dat de GMNIA-toegepaste belastingen 100% niet hebben bereikt, wat betekent dat de constructie onder de gegeven belastingen stabiliteit verliest, OF dat u gewoon een hogere minimale knikfactor wilt - u moet het frame versterken.

Bewerkingen

Ga terug naar het tabblad Design en navigeer in het boomstructuurmenu naar Operations, klik met de rechtermuisknop op AM2 en voeg Transversale verstijvers toe om de meest belaste framehoek te versterken en de knkeffecten te verminderen.

Pas de verstijverparameters aan om een reeks regelmatig gespreide verstijvers langs de staaf in te voeren.

Pas vervolgens de verstijverparameters aan en voeg nog een transversale verstijver toe aan dezelfde ligger AM2 en een andere aan de kolom AM3 en stel ze op de juiste positie in.

Kopieer de bewerking STIFF T1 en stel de afstand van een enkele verstijver in (wijzig het aantal naar 1) op 220".

Voor AM2 kunnen we ook rekening houden met de stiffening effect van het dakdek door een laterale kip-beheersingsbewerking in te voeren:

Pas de parameters aan om rekening te houden met de werkelijke positionering van (bijvoorbeeld) de gordingen of, zoals in dit geval, een doorlopend dek.

Ga verder naar AM3, maak een nieuwe verstijvingsbewerking aan en stel de eigenschappen in zoals weergegeven in de volgende afbeelding. 

Ga nu terug naar het tabblad Check en herhaal de berekening in drie stappen - MNA, LBA, GMNIA. Het ontworpen frame heeft de stabiliteits-normtoetsingen doorstaan met toegepaste beginimperfecties, en u kunt de resultaten bekijken, zoals de rekverdeling en het diagram van inwendige krachten.

Zoals u kunt zien bij het bekijken van de nieuwe resultaten, heeft de versterking en de aanvullende beheersing een grote invloed op de knikfactor, waardoor het ontwerp sterker kan zijn zonder dat het profielformaat hoeft te worden vergroot.  In een dergelijke situatie is IDEA StatiCa Member een uitstekende applicatie voor het snel en efficiënt uitvoeren van geavanceerde studies snel en efficiënt.

Rapport

Ga ten slotte naar het tabblad Report. IDEA StatiCa biedt een volledig aanpasbaar rapport om af te drukken of op te slaan in een bewerkbaar formaat.

Gefeliciteerd, u heeft een staalframe ontworpen, geoptimaliseerd en genormtoetst volgens AISC.

Toegevoegde downloads

• AISC-Frame-A.zip (ZIP, 7,3 MB)