Panoramica

AS 4100:2020 Strutture in acciaio utilizza il metodo degli stati limite per la progettazione di elementi strutturali in acciaio. Questo metodo prevede il calcolo dei carichi fattorizzati e delle capacità ridotte per tenere conto della variabilità delle condizioni di carico e delle proprietà dei materiali. Per lo stato limite ultimo (ULS) disegno da soddisfare, la seguente relazione deve essere vera:

\(ULS \;Fattore * Carico ≤ Riduzione \;Fattore * Capacity\)

Questo documento descrive la procedura per progettare un elemento in acciaio in conformità con AS 4100 usando il SkyCiv AS 4100:2020 Design del membro in acciaio modulo.

Contenuti

• Proprietà dei materiali
  • Fabbricazione
  • Grado d'acciaio
  • Forza di rendimento
• Capacità della sezione
  • Flessione
  • cesoia
  • Compressione
  • Tensione
• Capacità dei membri
  • Flessione
  • Compressione

Proprietà dei materiali

Fabbricazione

In Australia esistono tre forme tipiche di fabbricazione di acciaio strutturale:

• Sezioni laminate a caldo: Billetta d'acciaio (blocchi) sono riscaldati, passato al mulino nella forma desiderata, poi raffreddato. Gli esempi includono travi/colonne universali, Canali a flangia parallela (PFC) e sezioni angolari.
• Sezioni formate a freddo: La billetta d'acciaio viene pressata a temperatura ambiente nella forma desiderata. Gli esempi includono sezioni cave rettangolari (RHS) e sezioni cave circolari (CHS).
• Sezioni fabbricate: Molteplici piastre piane laminate a caldo vengono saldate insieme per formare una sezione di acciaio. Gli esempi includono travi/colonne saldate.

Grado d'acciaio

L'Australia ha numerose qualità di acciaio (punti di forza) che può essere utilizzato per la progettazione secondo AS 4100:2020. Le disponibilità di grado per i diversi tipi di sezione sono descritte di seguito.

Forza di rendimento

La resistenza allo snervamento di una sezione di acciaio dipende dal suo grado, con qualità più elevate che presentano stress di snervamento più elevati. Il carico di snervamento delle sezioni laminate a caldo e fabbricate varia a seconda dello spessore della sezione. Le sezioni in acciaio più spesse hanno in genere carichi di snervamento inferiori rispetto alle sezioni più sottili della stessa qualità.

Le sezioni formate a freddo rappresentano l'eccezione a questa regola e hanno un carico di snervamento costante per ciascun grado di acciaio, indipendentemente dallo spessore della sezione. Sezione limite di snervamento e ultima (trazione) i valori di resistenza possono essere calcolati utilizzando la tabella 2.1 nell'AS 4100:2020.

Selezione di una sezione in SkyCiv AS 4100 Design del membro in acciaio

La SkyCiv AS 4100:2020 Design del membro in acciaio lo strumento consente agli utenti di selezionare una sezione standard dal database SkyCiv o progettare una sezione completamente personalizzata. Quando è selezionata una sezione Standard, I carichi di snervamento della flangia e dell'anima vengono calcolati automaticamente in base al tipo di acciaio utilizzando AS 4100 tavolo 2.1. Quando è selezionata una sezione personalizzata, l'utente deve inserire i valori per la resistenza allo snervamento della flangia e dell'anima. Le sezioni standard possono essere utilizzate anche con una qualità di acciaio personalizzata se specificata dall'utente.

Capacità della sezione

Flessione

Sezione Capacità del momento flettente

AS 4100:2020 calcola la capacità del momento flettente di una sezione di acciaio come segue:

\(M_s = f_y*Z_e\)

Dove f_y è il carico di snervamento del materiale, e Z_e è il modulo della sezione efficace. Il modulo di sezione di una forma è una proprietà geometrica che quantifica la resistenza alla flessione di una forma. Nell'ingegneria strutturale utilizziamo due valori del modulo di sezione, il elastico (Z) e plastica (S) modulo di sezione. Nota, gli standard di progettazione in altre regioni a volte scambiano i simboli per il modulo di sezione elastico e plastico.

Il modulo elastico di sezione assume l'intera sezione (forma) rimane elastico sotto flessione, vale a dire. nessuna parte della sezione supera il limite di snervamento (f_y) del materiale. Ciò si verifica generalmente quando le fibre sono estreme nella sezione (superiore/inferiore) raggiungere la resa. Il modulo elastico di una sezione si calcola come segue:

\(Z = \frac{I}{y}\)

Dove I è il momento secondo dell'area e y è il baricentro geometrico della forma.

Il modulo di sezione plastica presuppone che l'intera sezione raggiunga il carico di snervamento del materiale sotto flessione, il che significa che parti della sezione supereranno la resistenza allo snervamento e subiranno una deformazione plastica. Il modulo di sezione plastica di una sezione viene calcolato come segue:

\(S = A_C*y_C + A_T*y_T \)

Dove un_C e A_T sono le aree su entrambi i lati dell’Asse Neutrale Plastico (ANNA), e y_c / y_t sono la distanza dal PNA al baricentro di quelle aree. Nota, la posizione del PNA è uguale alla posizione del baricentro geometrico per le forme simmetriche ma lo farà non uguale alla posizione del baricentro geometrico per le forme asimmetriche.

Classificazione della sezione

Alcune forme di acciaio possono avere elementi della forma che si deformano localmente prima di raggiungere il limite di snervamento, ciò significa che non è possibile raggiungere la piena capacità del modulo elastico/plastico. Ciò si verifica in genere in ambienti più grandi, forme più sottili, che sono più suscettibili all’instabilità locale. AS 4100 utilizza il modulo della sezione efficace (Lei) valore per tenere conto della possibilità di instabilità locale e ridurre di conseguenza la capacità di flessione della sezione. AS 4100 classifica le sezioni in tre categorie:

• Compatto: Le sezioni compatte non sono suscettibili all'instabilità locale e possono raggiungere il massimo delle loro potenzialità capacità del momento plastico, ciò significa che l'intera sezione può raggiungere la sua resistenza allo snervamento sotto flessione.
• Non compatto: Le sezioni non compatte possono raggiungere il carico di snervamento nelle fibre estreme della sezione (capacità del momento elastico) ma non possono raggiungere la loro capacità di momento plastico prima che si verifichi l’instabilità locale.
• Snello: Le sezioni sottili non possono raggiungere la loro capacità di momento elastico prima che si verifichi l’instabilità locale.

Sezione Snellezza

AS 4100 determina la classificazione della sezione calcolando la snellezza di ciascun elemento all'interno di una sezione e trovando il “elemento critico” che prima si piegherà in compressione. Per una sezione I, gli elementi sono suddivisi come mostrato di seguito. I valori di snellezza vengono calcolati solo per gli elementi eccezionali, vale a dire. elementi che non sono vincolati in entrambe le direzioni. L'area di connessione tra una flangia e un'anima (mostrato in bianco qui sotto) è vincolato in entrambe le direzioni e quindi non è suscettibile di instabilità locale.

La snellezza di un elemento piano si calcola come segue:

\(λ_e = \frac{b}{t}\sqrt{\frac{f_y}{250}}\)

AS 4100 tavolo 5.2 contiene valori per la plasticità e i limiti di snellezza (λ_ep & λ_ehi) per elementi piastra di compressione in base alla distribuzione delle sollecitazioni, Supporto del bordo e tensioni residue. L'elemento critico di una sezione è l'elemento con il valore più alto λ_e / λ_ehi rapporto. I valori di snellezza di questo elemento (λ_e) vengono utilizzati per classificare l'intera sezione (indicato come λ_S).

Se λ_S ≤ λ_sp la sezione è compatta. Per sezioni compatte, il modulo di sezione efficace viene calcolato come segue:

\(Z_e = Z_c = min(S,1.5*Z)\)

Dove S è il modulo di resistenza plastica, e Z è il modulo elastico della sezione. Il termine Z_c è usato in modo intercambiabile per il modulo di sezione efficace di una sezione compatta.

Se λ_sp ≤ λ_S ≤ λ_{il suo} la sezione non è compatta. Per tratti non compatti, il modulo di sezione efficace viene calcolato come segue:

\(Z_e = [(\frac{io_{il suo} – io_{S}}{io_{il suo} – io_{sp}})(Z_c-Z)]\)

Dove Z_c è il modulo di sezione efficace per una sezione compatta.

Se λ_S > λ_{il suo} la sezione è snella. Per una sezione snella con elementi a piastra piana in compressione uniforme, il modulo di sezione efficace viene calcolato come segue:

\(Z_e = Z(\frac{io_{il suo}}{λ_s})\)

Nota, il modulo di resistenza efficace per profilati cavi circolari o elementi piatti con tensione sul bordo non supportato viene calcolato diversamente. Fare riferimento a AS 4100 Clausola 5.2.5 per maggiori informazioni.

Calcolo della capacità di flessione della sezione in SkyCiv AS 4100 Design del membro in acciaio

La SkyCiv AS 4100:2020 Design del membro in acciaio lo strumento calcola le classificazioni di snellezza e le capacità di flessione della sezione per flessione positiva e negativa attorno a entrambi gli assi principali. I risultati del controllo della classificazione della snellezza per a 230 I PFC sono dettagliati di seguito.

È evidente che i valori di snellezza e la classificazione delle sezioni sono diversi a seconda della direzione di piegatura. Questo perché le distribuzioni delle sollecitazioni e i valori di supporto dei bordi cambiano a seconda di quali elementi sono in compressione o tensione, con conseguenti valori limite di snellezza diversi.

Una volta nota la snellezza della sezione, il modulo calcola la capacità del momento flettente della sezione (controllare la capacità degli ancoraggi) attorno a ciascun asse principale per la flessione positiva e negativa. Per forme simmetriche (come le sezioni I), questo valore sarà lo stesso nella direzione positiva e negativa. Le forme asimmetriche avranno capacità di piegatura della sezione diverse nella direzione di piegatura positiva e negativa, come il 230 PFC mostrato nell'esempio seguente.

cesoia

Capacità di taglio della sezione

AS 4100 considera solo l'anima di una sezione per contribuire alla sua capacità di taglio. Da qui la capacità di taglio di una sezione (Vv) è uguale alla capacità di taglio del nastro. Se necessario, è possibile aggiungere irrigidimenti verticali a una sezione per aumentarne la capacità di taglio. La capacità di un'anima non irrigidita viene calcolata in modo diverso a seconda che la distribuzione dello sforzo di taglio attraverso l'anima sia uniforme o non uniforme. Per le forme di sezione standard si presuppone la seguente distribuzione delle sollecitazioni di taglio:

Distribuzione uniforme dello sforzo di taglio

La capacità di taglio di una sezione con distribuzione uniforme dello sforzo di taglio (V _u) viene calcolato diversamente a seconda della snellezza del pannello web. Per una rete non sottile, la capacità è calcolata come segue:

\(\frac{d_p}{t_w} ≤ \frac{82}{\sqrt{\frac{f_y}{250}}}\rightarrow V_u = V_w = 0.6*f_y*A_w\)

Per una sezione cava circolare Vv = V_w = 0,36*f_y*A (non influenzato dalla snellezza della sezione).

Quando l'anima della sezione è sottile, la capacità viene calcolata come segue:

\(\frac{d_p}{t_w} > \frac{82}{\sqrt{\frac{f_y}{250}}}\rightarrow V_u = V_b = α_v*V_w\)

\(α_v = \left[\frac{82}{(\frac{d_p}{t_w})\sqrt{\frac{f_y}{250}}}\giusto]^2)

Dove d_p è la profondità netta del pannello web (vale a dire. profondità escluse le flange), t_w è lo spessore del pannello d'anima, f_y è il carico di snervamento del nastro e A_w è l'area sezionale lorda del web. Nota A_w viene calcolato diversamente per i profilati saldati e laminati a caldo. Per profilati laminati a caldo, A_w considera la profondità dell'anima come la profondità dell'intera sezione (d). Per sezioni saldate, A_w prende solo la profondità libera dell'anima tra le flange (d_p). Anche le sezioni cave rettangolari utilizzano d_p per il calcolo di A_w.

Distribuzione non uniforme dello sforzo di taglio

La capacità di taglio di una sezione con distribuzione uniforme dello sforzo di taglio (V _v) è calcolato come segue:

\(V_v = \frac{2*V_u}{0.9+\sinistra(\frac{F*_{vm}}{F*_{va}}\giusto)} ≤ V_u\)

Dove V_u è la capacità di taglio della sezione con una distribuzione uniforme dello sforzo di taglio e f*_vm /F*_va è il rapporto tra le sollecitazioni di taglio massime e medie di progetto nell'anima.

Calcolo della capacità di taglio in SkyCiv AS 4100 Design del membro in acciaio

La SkyCiv AS 4100:2020 Design del membro in acciaio lo strumento calcola la capacità di taglio di una sezione in entrambi gli assi principali. Asse minore (Z) la capacità di taglio è calcolata utilizzando il contributo delle ali della sezione, escluso ogni contributo della sezione web. Risultati dei calcoli della capacità di taglio per a 200 Puoi trovare una gamma di tipi di connessione che soddisfano le tue esigenze senza dover occuparti di sistemi di interfaccia utente disordinati che richiedono una curva di apprendimento ripida per iniziare 22.3 sono dettagliate di seguito.

Compressione

Sezione Capacità di compressione

AS 4100 calcola la capacità di compressione (N_S) di una sezione caricata concentricamente come segue:

\(N_s = k_f*A_n*f_y\)

Dove k_f è il fattore di forma della sezione, A_n è l'area netta della sezione trasversale (area lorda esclusi attraversamenti/fori) e f_y è il carico di snervamento della sezione. Il fattore di forma di una sezione rappresenta quanto una sezione può contribuire alla sua capacità di compressione prima che si verifichi l'instabilità locale. Il fattore di forma viene calcolato come segue:

\(k_f = \frac{A_e}{A_g}\)

Dove un_g è l'area lorda della sezione, e A_e è il “zona effettiva” della sezione, vale a dire. l'area lorda della sezione meno eventuali “inefficace” aree sotto compressione. Un'area inefficace è una parte della sezione che si deforma prima di raggiungere la sua capacità di snervamento sotto compressione. Le aree effettive vengono calcolate trovando il “larghezza effettiva” di ciascun elemento piatto piano all'interno di una sezione e ricalcolando l'area della sezione utilizzando questi valori di larghezza regolati. La larghezza effettiva di un elemento a piastra piana viene calcolata come segue:

\(b_e = b\left(\frac{io_{ehi}}{io_{e}}\giusto) ≤ b\)

Dove:

\(λ_e = \frac{b}{t}\sqrt{\frac{f_y}{250}}\)

Nota, la maggior parte dei software di progettazione (Compreso SkyCiv AS 4100:2020 Design del membro in acciaio) utilizza la resistenza allo snervamento della sezione per i calcoli della snellezza degli elementi, piuttosto che il carico di snervamento specifico dell'anima/flangia. Ciò fornirà sempre un risultato conservativo. I valori b utilizzati per λ_e calcolo sono identiche alle dimensioni utilizzate per le verifiche di snellezza delle sezioni a flessione (con la flangia divisa attorno all'anima), ma la b usata per b_e il calcolo è la larghezza totale della flangia/anima. λ_ehi è tratto da AS 4100 tavolo 6.2.4, a seconda del supporto del bordo e delle tensioni residue di quell'elemento.

La larghezza effettiva di una sezione cava circolare viene calcolata come segue:

\(d_e = min(d_{Il}\sqrt{\sinistra(\frac{io_{ehi}}{io_{e}}\giusto)}, d_{Il}\sinistra(\frac{3*io_{ehi}}{io_{e}}\giusto)^ 2) ≤ d_{Il}\)

Dove:

\(λ_e = \left(\frac{Fare}{t}\giusto)\sinistra(\frac{f_y}{250}\giusto)\)

Calcolo della capacità di compressione della sezione in SkyCiv AS 4100 Design del membro in acciaio

La SkyCiv AS 4100:2020 Design del membro in acciaio lo strumento calcola il fattore di forma e la capacità di compressione della sezione (N_S) per le sezioni australiane standard e le sezioni personalizzate definite dall'utente. Risultati dai calcoli della capacità di compressione della sezione per un 610UB 125 sono dettagliate di seguito.

Tensione

Capacità di tensione della sezione

AS 4100 calcola la capacità di un'asta tesa (Non) come segue:

\(N_t = minimo(UN_{g}*f_{y}\; ,\; 0.85*k_t*A_n*f_u)\)

Dove un_g è l'area lorda della sezione, A_n è l'area netta della sezione trasversale (area lorda esclusi attraversamenti/fori), f_y è il carico di snervamento della sezione, f_u è la trazione (ultimo) resistenza della sezione e k_t è il fattore di correzione della distribuzione della forza di trazione. Il k_t utilizzato nella progettazione varia a seconda della forma della sezione e del tipo di connessione. Le connessioni che forniscono una distribuzione uniforme della forza danno come risultato un k_t fattore di 1.0, le connessioni con distribuzione disuguale della forza danno come risultato un k_t fattore tra 0.75-1.0.

Calcolo della capacità di tensione in SkyCiv AS 4100 Design del membro in acciaio

La SkyCiv AS 4100:2020 Design del membro in acciaio lo strumento consente agli utenti di specificare la sezione k_t valore per l'utilizzo nel design. Un k inferiore_t valore risulterà in una capacità di tensione della sezione inferiore. Lo SkyCiv AS 4100 Il calcolatore della progettazione dell'elemento presuppone che nella sezione non siano presenti fori significativi, quindi A_n è considerato uguale ad A_g. Risultati dai calcoli della capacità di tensione della sezione per un 610UB 125 sono dettagliate di seguito.

Capacità dei membri

Flessione

Capacità del momento flettente dell'asta

La capacità del momento flettente di un elemento in acciaio potrebbe non essere sempre governata dalla capacità del momento flettente della sezione (M_S). Questo perché i membri possono fallire con un altro metodo prima che venga raggiunta la capacità della sezione. L'instabilità torsionale laterale è un metodo di rottura comune per elementi in acciaio lunghi/non vincolati, che si verifica quando la sezione ruota lontano dal suo asse maggiore (verso il suo asse minore) riducendone la capacità di momento nella direzione della flessione.

AS 4100 contiene indicazioni sul calcolo della capacità nominale dei membri (M_b), che tiene conto della capacità della sezione di un elemento in acciaio (M_S) per tenere conto dell’impatto della snellezza dei membri e delle condizioni di vincolo.

Membri con ritenuta laterale completa

Flangia critica

La flangia critica di una sezione trasversale è la flangia che si flette maggiormente durante l'instabilità, eventualmente con conseguente cedimento per instabilità torsionale laterale. Solitamente si tratta della flangia di compressione di un elemento. Di seguito sono mostrate le posizioni critiche delle flange per le sezioni standard sotto carico verticale.

Contenimento laterale completo

Gli elementi più corti con elevata rigidità rotazionale/laterale hanno meno probabilità di ruotare fuori dal piano sotto carico, riducendo la probabilità di cedimento per instabilità torsionale laterale. Se un'asta è sufficientemente corta/rigida sarà in grado di raggiungere la sua capacità di momento di sezione (M_S) prima che si verifichi un altro metodo di errore. I membri che soddisfano questa condizione sono considerati aventi “Contenimento laterale completo”.

\(Completo \; Laterale \; Impostazioni di instabilità flesso-torsionale \; \rightarrow M_b = M_s\)

AS 4100 Clausola 5.3.2 fornisce indicazioni sul calcolo del limite di ritenuta laterale completa per un membro. Sezioni cave circolari (CHS) e sezioni cave quadrate (SHS) non sono suscettibili di instabilità torsionale laterale, poiché hanno un'elevata rigidità laterale/torsionale e capacità di momento di sezione uguale su entrambi gli assi. Pertanto si presuppone generalmente che queste sezioni raggiungano il contenimento laterale completo indipendentemente dalla lunghezza dell'elemento.

Contenimento laterale continuo

Gli elementi che presentano un vincolo continuo all'ala critica per tutta la loro lunghezza sono considerati aventi “Contenimento laterale continuo”. Il vincolo laterale continuo è considerato equivalente al vincolo laterale completo per il calcolo della capacità di flessione dell'elemento (M_b).

Membri senza vincolo laterale completo

La capacità del momento flettente di un elemento che non raggiunge il completo vincolo laterale viene calcolata come segue:

\(M_b = α_m*α_s*M_s ≤ M_s\)

Dove α_m è il fattore di modifica del momento e α_S è il fattore di riduzione della snellezza. AS 4100 Clausola 5.6 descrive la procedura per il calcolo di α_m e α_S.

Capacità di flessione degli elementi dell'asse minore

La capacità di flessione di un membro piegato attorno al suo asse minore (M_b) è pari alla capacità della sezione dell'asse minore (M_S) attorno a quell'asse. La capacità della sezione dell'asse minore riflessa è la capacità minima che la sezione può raggiungere attorno a qualsiasi asse, quindi l'elemento non può ruotare da questo asse in un orientamento meno favorevole.

Calcolo della capacità di flessione degli elementi in SkyCiv AS 4100 Design del membro in acciaio

La SkyCiv AS 4100:2020 Design del membro in acciaio lo strumento calcola esegue controlli completi di vincolo laterale e calcola le capacità del momento flettente dell'elemento su entrambi gli assi principali per la flessione positiva e negativa. Gli utenti hanno anche la possibilità di selezionare “Contenimento laterale continuo” per aggirare la prova di Restrizione Laterale Completa. I risultati dei calcoli della capacità di flessione dell'elemento per un 200UB22.3 lungo 3 m sono dettagliati di seguito.

Nota, questa calcolatrice presuppone α_m = 1.0 e β_S = -1.0 in tutti i calcoli. I membri a sbalzo non sono supportati da questo strumento.

Compressione

Capacità di compressione dei membri

La capacità di compressione assiale di un'asta è influenzata anche dalla sua lunghezza, rigidità laterale e condizioni di vincolo. Sfrenato, è probabile che gli elementi più lunghi cedano a causa dell'instabilità per flessione prima della sezione (schiacciare) la capacità è raggiunta. AS 4100 contiene indicazioni sul calcolo della capacità nominale dei membri (N_c), che determina la capacità della sezione di compressione (N_S) per tenere conto dell’impatto della snellezza dei membri e delle condizioni di vincolo.

\(N_c = α_c*N_s ≤ N_s\)

Dove α_c è il fattore di riduzione della snellezza dell'asta. Clausola 6.3.3 di AS 4100 fornisce indicazioni sul calcolo di α_c. La capacità di compressione dell'elemento deve essere controllata su entrambi gli assi per trovare il valore determinante.

Calcolo della capacità di compressione dei membri in SkyCiv AS 4100 Design del membro in acciaio

La SkyCiv AS 4100:2020 Design del membro in acciaio lo strumento calcola la capacità di compressione dell'elemento attorno a entrambi gli assi principali in base alle lunghezze di vincolo e ai fattori di lunghezza effettiva specificati dall'utente. Risultati dei calcoli della capacità di compressione dell'elemento per un 200UB22.3 con una lunghezza non vincolata di 4500 mm e 1500 mm sugli assi Z e Y (rispettivamente) sono dettagliate di seguito.