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Truss-Tutorial 3: Beispiel für die Konstruktion eines Dachstuhls

Entwerfen von Dachstühlen mit SkyCiv

In diesem Tutorial, Wir entwerfen einen Dachstuhl für eine Garage mit den folgenden Informationen:

  • Ort: 8050 SW Beaverton Hillsdale Hwy, Portland, ODER 97225, USA
  • Gebäudelänge: 10.0m
  • Gebäudebreite: 7.0m
  • Traufhöhe: 4.0m
  • Höhe des Dachstuhls: 2.0m
  • Dachwinkel: 29.745°
  • Gehege: Offenes Gebäude

Wir werden eine L-Form verwenden (AISC) Abschnitt für den Dachstuhl, Kritisches isolieren Fachwerk (Abstand von 3,33 m) und Analyse als einfach unterstützte Fachwerkanordnung.

Besuchen Sie unsere anderen Tutorials für weitere Informationen über die Definition von Fachwerk und Arten von Fachwerken.

Beispiel für die Konstruktion eines Dachstuhls

Zahl 1. 3D Darstellung der Struktur.

Beispiel für die Konstruktion eines Dachstuhls

Zahl 2. Standort.

 

Dachlasten

Bei der Konstruktion der Komponenten, Wir bewerten die auf die Dachstühle wirkenden Dachlasten. Beachten Sie, dass die hier zu verwendende Windlast für Komponenten und Verkleidungen zum Entwerfen der Dachstuhlelemente gilt.

Bei der Gestaltung der Dachstuhlelemente, ASCE 7-16 LRFD-Lastkombinationen wird verwendet.

Eigengewicht

Wir gehen von folgenden Lasten aus, die von den Dachstühlen getragen werden:

  • Dachplatten und Zubehör: 0.15 kPa (am Obergurt angewendet)
  • Decke: 0.25 kPa (am Untergurt angebracht)

Das Eigengewicht wird überprüft, wenn wir bereits den ersten Abschnitt haben, und das Design anhand dieser Daten iterieren. Für Dachstühle, Verwenden Sie einen Abstand von 3,33 m von Mitte zu Mitte (kritisches Mitglied), die überlagerte Eigenlast ist:

\({W.}_{tot,oben} = 0,15 kPa(3.33m) = 0.5 kN / m \)
\({W.}_{tot,Unterseite} = 0,25 kPa(3.33m) = 0.833 kN / m \)

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Aus der Tabelle 4.3-1 von ASCE 7-16, die Nutzlast für Dächer (gewöhnliche Wohnung, aufgeschlagen, und geschwungene Dächer) entspricht 0.96 kPa. Deshalb, für Dachstühle:

\({W.}_{Leben} = 0,96 kPa(3.33m) = 3.197 kN / m \)

Beachten Sie, dass die Nutzlast auf den Dachstuhl wirkt, es wird angenommen, dass sie auf die horizontale Projektion der Fläche einwirkt. Da wir dies auf den oberen Akkord anwenden werden, Wir werden diese Last einfach mit der Stablänge multiplizieren, und wenden Sie es auf die oberen Akkordknoten an.

Windlast

Für die Windlast, Wir werden die Winddruckberechnung für Komponenten und Verkleidungen verwenden (Kapitel 30 von ASCE 7-16). Wir werden die verwenden SkyCiv Lastgenerator um die auf die Dachstühle wirkenden Windlasten zu berechnen.

Die folgenden Informationen werden für die Berechnung der Winddrücke verwendet:

Ort 8050 SW Beaverton Hillsdale Hwy, Portland, ODER 97225, USA
Risikokategorie ich (Garage)
Gebäudelänge 10.0 m
Gebäudebreite 7.0 m
Mittlere Dachhöhe 5.0 m
Dachwinkel 29.745°

Basierend auf dem Satellitenbild von Google Maps, Wir können sehen, dass alle Richtungen als Expositionskategorie B eingestuft sind.

Beispiel für die Konstruktion eines Dachstuhls

Zahl 3. Standort der Struktur und Expositionskategorie für jede Aufwindrichtung.

Zusätzlich, In einigen Richtungen gibt es Hügel, aber der Einfluss der Topographie ist vernachlässigbar, da sich die Struktur in der unteren Hälfte der Höhe zwischen dem Fuß gegen den Wind und der Gipfelhöhe befindet. Deshalb, Kzt ist gleich 1.0 für alle Richtungen.

Beispiel für die Konstruktion eines Dachstuhls

Zahl 4. Höhendiagramm von Google Maps und der entsprechende topografische Faktor für Wind aus südlicher Richtung.

Auf der Registerkarte Strukturdaten, Wir wählen Open-Pitch/Duopicth als Dachprofil, da die Garage nicht von Wänden umgeben ist. Beachten Sie die Baulänge, L., hier ist der Abstand senkrecht zur Dachneigung, und die mittlere Dachhöhe, h, ist der Durchschnitt aus Traufhöhe und Dachspitzenhöhe.

Dachstuhl-Design

Zahl 5. Daten strukturieren.

Auf der "Berechnen Sie die Windlast” Parameter, Wir müssen den Strukturtyp auf ASCE setzen 7-16 – Gebäude – Bauteile und Verkleidung, da wir den Dachstuhl als Bauteile konstruieren werden. Die Gehäuseklassifizierung ist auf Offene Gebäude eingestellt und die Windblockierung ist auf „Klar oder leer unter“ als eingestellt, während Taifunen, Die Autos unten würden nicht mehr als blockieren 50% des Windbereichs unten. Für den Bereich Dacheindeckung, Wir berechnen die effektive Windfläche für die Dachstühle.

Die effektive Windfläche für den Dachstuhl – Länge beträgt 3,33 m:

\({EIN}_{Fachwerk} \) = Abstand x Länge = 3,33 m(7.0m) =\( 23.31 {m}^{2} \)

jedoch, im Abschnitt 26.2 von ASCE 7-16, nach Definition der effektiven Windfläche, die wirksame Breite muss nicht weniger als ein Drittel der Spannweite betragen. Deshalb:

\({EIN}_{Fachwerk} \) = Abstand x Länge ≥ (Länge/3) x Länge = 3,33 m (7m) ≥ (7m/3) (7m) = \( 23.31 {m}^{2} \)

Die Eingabe für die Windlast ist wie folgt:

Dachstuhl-Design

Zahl 6. Windparameter für offene Gebäude – Komponenten und Verkleidungen.

Aus diesen Parametern, Die Auslegungswinddrücke können berechnet werden:

Dachstuhl-Design

Zahl 7. Winddruck für jede Zone.

Da ist der Winddruck für Zonen 1, 2, und 3 sind alle gleich, die Zoneneinteilung spielt keine Rolle. Deshalb, für Dachlast auf dem Fachwerk, Wir werden zwei Fälle haben – Das Positive (oder max) Fall und negativ (oder mind) Fall:

\({W.}_{wind+} = 0,651 kPa (3.33m) = 2.168 kN / m \)
\({W.}_{Wind-} = -0.453kPa (3.33m) = -1.508 kN / m \)

Beachten Sie, dass der positive Wert hier bedeutet, dass der Druck auf die Dachfläche zu und senkrecht dazu wirkt, und der negative Wert bedeutet, dass der Druck von der Dachfläche weg und senkrecht zur Dachfläche wirkt.

Schneelast

Verwenden der gleichen Standortdaten, die in Wind Load verwendet werden:

Ort 8050 SW Beaverton Hillsdale Hwy, Portland, ODER 97225, USA
Risikokategorie ich (Garage)
Gebäudelänge 10.0 m
Gebäudebreite 7.0 m
Mittlere Dachhöhe 5.0 m
Dachwinkel 29.745°

Zu den Parametern „Schneelast berechnen“., wir müssen die „Terrain Category“ auf „B“ setzen (gleich wie die Expositionskategorie), die „Belichtungsbedingung des Daches“ auf „Vollständig belichtet“ und „Thermische Bedingung“ auf „Unbeheizte und offene Konstruktionen“, da es sich um eine Garage im Freien handelt. Der „Schrägdachzustand“ ist auf „Glatt“ eingestellt, da das zu verwendende Dachmaterial G.I. Blech. Außerdem, Wir betrachten den unausgeglichenen Fall für den Standort mit dem symmetrischen Satteldach.

 

Schneelastparameter,Dachstuhl-Design

Zahl 8. Schneelastparameter.

Erzeugen der Schneelast, die ausgeglichene Dachschneelast gleich ist 0.23 kPa.

Dachstuhl-Design

 

Zahl 9. Ausgeglichenes Schneelastergebnis.

Für den unausgeglichenen Fall, Wir müssen die Belastung auf einer Seite in Betracht ziehen (p1) gleich 0 und der andere (p2) gleich 0.42 kPa.

Dachstuhl-Design

Zahl 10. Unausgeglichenes Schneelastergebnis für Satteldach.

Deshalb, Die Schneelast auf den Pfetten und Dachbindern ist wie folgt:

\({W.}_{Fachwerk,ausgewogen} = 0.23 kPa (3.33m) = 0.766 kN / m \)
\({W.}_{Fachwerk,unausgeglichen p1} = 0 kN / m \)
\({W.}_{Fachwerk,unausgeglichen p2} = 0.42 kPa (3.33m) = 1.399 kN / m \)

Dasselbe bei Nutzlast, Die Schneelast wirkt auf die horizontale Projektion der Nutzfläche und ist in eine Schräglast umzurechnen, die auf den Obergurt des Dachstuhls wirkt. Deshalb:

\({W.}_{Fachwerk,ausgewogen} = 0.766 kN / m / cos(29.745°) = 0.882 kN / m \)
\({W.}_{Fachwerk,unausgeglichen p1} = 0 kN / m \)
\({W.}_{Fachwerk,unausgeglichen p2} = 1.399 kN/m /cos(29.745°) = 1.611 kN / m \)

 

Starten Sie die Dachstuhlberechnung mit SkyCiv:

 

Dachstuhl-Design

Mit dem SkyCiv S3D, Wir können den Dachstuhl analysieren: Dachstuhl-Design

Wir gehen davon aus, dass der Dachstuhl einfach gestützt wird und in 2D analysiert wird, indem Stützen an jedem Knoten mit dem Code RRFRRR hinzugefügt werden, um nur die Verschiebung der Z-Achse zu fixieren. Der Anfangsabschnitt, den wir verwenden werden, ist eine AISC-L-Form – 2.5"x2,5"x3/16". Zusätzlich, die Stäbe sind als Fachwerk modelliert – wobei die Knotenfixität für das lokale Y freigegeben wird- und Z-Achse. Wenden Sie die Dachlasten an und multiplizieren Sie jede Last, die wir oben berechnet haben, mit der Elementlänge, um sie in Knotenlasten umzuwandeln:

Eigengewicht

Eigenlast des Dachstuhls, Dachstuhl-Design

Live laden

Nutzlast des Dachstuhls, Dachstuhl-Design

Wind+ Last

Dachstuhl Windlast positiv, Dachstuhl-Design

Wind- Belastung

Windlast Dachstuhl negativ, Dachstuhl-Design

Schneelast – ausgeglichener Fall

Dachstuhl ausgeglichene Schneelast,Dachstuhl-Design

Schneelast – unausgeglichener Fall

Dachstuhl-Design

Verwendung der Lastkombination für ASCE 7-16 LRFD, die zur Bemessung des Stabes erforderlichen Kräfte können erzeugt werden:

Dachstuhl ASCE 7 LRFD-Lastkombination, Dachstuhl-Design

Zahl 18. ASCE 7-16 LRFD-Lastkombination.

Da wir einen Winkelabschnitt verwenden, Wir müssen auch das Knicken berücksichtigen. Lösen des Modells durch Klicken auf Linear Static + Einknicken im Solve-Button, können wir die folgenden Hüllkräfte erhalten:

Ergebnisse der Dachstuhlanalyse, Dachstuhl-Design

Zahl 19. Axialbelastungsergebnis aus der Analyse.

Von diesen Lasten, Wir können das Dachstuhlelement bereits mit dem SkyCiv Member Design Module entwerfen und AISC auswählen 360-16 LRFD:

Konstruktion von Dachstuhlträgern, Dachstuhl-Design

Zahl 20. Mitgliederdesign-Module in S3D.

Konstruktionsmodul für Dachstuhlelemente, Dachstuhl-Design

Zahl 21. AISC 360-16 LRFD-Mitgliederdesign.

Bemessungsergebnis des Dachstuhlträgers, Dachstuhl-Design

Zahl 22. Elemententwurfsergebnisse unter Verwendung von L2,5"x2,5"x3/16" gemäß AISC 360-16 LRFD.

Wir können sehen, dass der Abschnitt, den wir verwendet haben – L2,5 Zoll x 2,5 Zoll x 3/16 Zoll – ausreichend ist und die Designprüfungen bestanden hat.

Verwendung der Stückliste Add-On können wir einen Preis pro kg für das Profil festlegen. Bei diesem Modell, Stückkosten pro kg Stahl zu setzen $0.8:

Stückliste für die Konstruktion des Dachstuhls, Dachstuhl-Design

Zahl 23. Stückliste mit L2,5"x2,5"x3/16" für den Dachstuhl.

Zur weiteren Steigerung der Wirtschaftlichkeit des Designs, Wir können den Optimierer verwenden. Wir müssen nur die Kriterien festlegen, und der Optimierer wählt automatisch den wirtschaftlichsten Abschnitt für den Dachstuhl.

Verwenden der Standardeinstellungen:

Einstellung des Optimierers für die Dachstuhlkonstruktion, Dachstuhl-Design

Zahl 24. Optionen für den Designoptimierer von SkyCiv S3D-Mitgliedern.

Das Optimiererergebnis schlägt dann vor, dass wir L2x2x1/8 für diese Traverse verwenden können. Sobald wir die Änderungen festgeschrieben haben, es wird das Modell automatisch neu berechnen und prüfen, ob der Schnitt angemessen ist.

Dachstuhldesign optimiert, Dachstuhl-Design

Zahl 25. Generierter optimierter Abschnitt für den Dachstuhl mit dem SkyCiv S3D-Elementdesign-Optimierer.

Optimiertes Ergebnis der Dachstuhlkonstruktion, Dachstuhl-Design

Zahl 26. Stabbemessungsergebnis unter Verwendung des optimierten Querschnitts für den Dachstuhl.

Überprüfen Sie erneut die Stückliste, Wir können sehen, dass das Gewicht des Stahlbedarfs von 125 kg auf 100 kg Einsparung gesunken ist $20!

Dachstuhldesign optimierte Materialien, Dachstuhl-Design

Zahl 27. Stückliste unter Verwendung des optimierten Querschnitts für den Dachstuhl.

SkyCiv Lastgenerator

Alle oben genannten Prozesse können mit nur wenigen Klicks erreicht werden SkyCiv Lastgenerator.

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Patrick Aylsworth Garcia Bauingenieur, Produktentwicklung
Patrick Aylsworth Garcia
Statiker, Produktentwicklung
MS Bauingenieurwesen
LinkedIn

Verweise:

  • Amerikanische Gesellschaft der Bauingenieure. (2017, Juni). Minimale Auslegungslasten und zugehörige Kriterien für Gebäude und andere Strukturen. Amerikanische Gesellschaft der Bauingenieure.
  • Google Maps
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