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Esercitazione sui tralicci 3: Esempio di progettazione di capriate del tetto

Progettazione di capriate del tetto utilizzando SkyCiv

In questo tutorial, progetteremo una capriata del tetto per un garage con le seguenti informazioni:

  • Posizione: 8050 SW Beaverton Hillsdale Hwy, Portland, O 97225, Stati Uniti d'America
  • Lunghezza dell'edificio: 10.0m
  • Larghezza dell'edificio: 7.0m
  • Altezza gronda: 4.0m
  • Altezza della capriata del tetto: 2.0m
  • Angolo del tetto: 29.745°
  • Allegato: Edificio aperto

Useremo una forma a L (AISC) sezione per la capriata del tetto, isolare il critico travatura (distanziato a 3,33 m) e analizzandolo come un assieme di travatura reticolare semplicemente supportato.

Visita i nostri altri tutorial per ulteriori informazioni sul definizione di traliccio e tipi di capriate.

Esempio di progettazione di capriate del tetto

figura 1. 3D Rendering della struttura.

Esempio di progettazione di capriate del tetto

figura 2. Posizione del luogo.

 

Carichi sul tetto

Nella progettazione dei componenti, valuteremo i carichi del tetto agenti sulle capriate del tetto. Si noti che il carico del vento da utilizzare qui sarà per i componenti e il rivestimento per la progettazione delle travi reticolari del tetto.

Nella progettazione dei membri della capriata del tetto, ASCE 7-16 Combinazioni di carico LRFD sarà usato.

Carico morto

Assumiamo che i seguenti carichi siano portati dalle capriate del tetto:

  • Teli e accessori per il tetto: 0.15 kPa (applicato all'accordo superiore)
  • Soffitto: 0.25 kPa (applicato all'accordo inferiore)

Il peso proprio verrà verificato quando avremo già la sezione iniziale e itereremo il progetto da questi dati. Per capriate del tetto, utilizzando una distanza da centro a centro pari a 3,33 m (membro critico), il carico morto sovrapposto è:

\({W}_{morto,superiore} = 0,15 kPa(3.33m) = 0.5 kN / m \)
\({W}_{morto,parte inferiore} = 0,25 kPa(3.33m) = 0.833 kN / m \)

Carico in tempo reale

Dalla tabella 4.3-1 dell'ASCE 7-16, il carico in tempo reale per i tetti (appartamento ordinario, parete autoportante, e tetti curvi) è uguale a 0.96 kPa. Perciò, per capriate del tetto:

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

Si noti che il carico in movimento che agisce sulla capriata del tetto, si presume che agisca sulla proiezione orizzontale dell'area. Dal momento che lo applicheremo sull'accordo superiore, moltiplichiamo semplicemente questo carico per la lunghezza dell'asta, e applicalo ai nodi degli accordi superiori.

Carico del vento

Per il carico del vento, utilizzeremo il calcolo della pressione del vento per i componenti e il rivestimento (Capitolo 30 dell'ASCE 7-16). Useremo il Generatore di carico SkyCiv per calcolare i carichi del vento agenti sulle capriate del tetto.

Le seguenti informazioni vengono utilizzate per il calcolo della pressione del vento:

Posizione 8050 SW Beaverton Hillsdale Hwy, Portland, O 97225, Stati Uniti d'America
Categoria di rischio io (Box auto)
Lunghezza dell'edificio 10.0 m
Larghezza edificio 7.0 m
Altezza media del tetto 5.0 m
Angolo del tetto 29.745°

Basato sull'immagine satellitare di Google Maps, possiamo vedere che tutte le direzioni sono classificate come Categoria di esposizione B.

Esempio di progettazione di capriate del tetto

figura 3. Posizione della struttura e Categoria di Esposizione per ciascuna direzione sopravento.

Inoltre, alcune direzioni hanno colline ma l'effetto della topografia è trascurabile in quanto la posizione della struttura è nella metà inferiore dell'altezza tra il piede sopravento e il picco di elevazione. Perciò, Kzt è uguale a 1.0 per tutte le direzioni.

Esempio di progettazione di capriate del tetto

figura 4. Grafico altimetrico di Google Maps e relativo fattore topografico per vento proveniente da sud.

Nella scheda Dati struttura, selezioneremo Open-Pitched/Duopicth come profilo del tetto poiché il garage non è racchiuso da muri. Si noti che la lunghezza dell'edificio, L, ecco la distanza perpendicolare alla falda del tetto, e l'altezza media del tetto, h, è la media dell'altezza della gronda e dell'altezza dell'apice del tetto.

Progettazione della capriata del tetto

figura 5. Dati della struttura.

Sul "Calcola il carico del ventoparametri, dobbiamo impostare il tipo di struttura su ASCE 7-16 – edifici – Componenti e rivestimenti poiché progetteremo la capriata del tetto come componenti. La classificazione del recinto è impostata su Edifici aperti e il blocco del vento è impostato su "Cancella o vuota sotto" come, durante i tifoni, le auto sottostanti non bloccherebbero più di 50% della zona di vento sottostante. Per l'area del rivestimento del tetto, calcoleremo l'area del vento effettiva per le capriate del tetto.

L'area del vento efficace per la capriata del tetto – la lunghezza è pari a 3,33 m:

\({UN}_{travatura} \) = distanza x lunghezza = 3,33 m(7.0m) =( 23.31 {m}^{2} \)

però, nella sezione 26.2 dell'ASCE 7-16, per definizione dell'area effettiva del vento, la larghezza effettiva non deve essere inferiore a un terzo della lunghezza della campata. Perciò:

\({UN}_{travatura} \) = spaziatura x lunghezza ≥ (lunghezza/3) x lunghezza = 3,33 m (7m) ≥ (7m/3) (7m) = \( 23.31 {m}^{2} \)

L'input per il carico del vento è il seguente:

Progettazione della capriata del tetto

figura 6. Parametri del vento per edifici aperti – componenti e rivestimento.

Da questi parametri, è possibile calcolare la pressione del vento di progetto:

Progettazione della capriata del tetto

figura 7. Pressioni del vento per ciascuna zona.

Poiché le pressioni del vento per le zone 1, 2, e 3 sono tutti uguali, la zonizzazione non avrà importanza. Perciò, per il carico del tetto sul traliccio, avremo due casi – il positivo (o max) caso e negativo (o min) Astuccio:

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

Si noti che il valore positivo qui significa che la pressione agisce verso e perpendicolarmente alla superficie del tetto e il valore negativo significa che la pressione agisce in direzione opposta e perpendicolare alla superficie del tetto.

Carico di neve

Utilizzando gli stessi dati del sito utilizzati in Wind Load:

Posizione 8050 SW Beaverton Hillsdale Hwy, Portland, O 97225, Stati Uniti d'America
Categoria di rischio io (Box auto)
Lunghezza dell'edificio 10.0 m
Larghezza edificio 7.0 m
Altezza media del tetto 5.0 m
Angolo del tetto 29.745°

Sui parametri "Calcola carico neve"., dobbiamo impostare la "Categoria del terreno" su "B" (uguale alla categoria di esposizione), la "Condizione di esposizione del tetto" a "Completamente esposto" e "Condizione termica" a "Strutture non riscaldate e all'aperto" poiché questo sarà un garage nello spazio aperto. La "Condizione del tetto inclinato" è impostata su "Sdrucciolevole" poiché il materiale di copertura da utilizzare è G.I.. foglio. inoltre, prenderemo in considerazione il caso sbilanciato per l'ubicazione utilizzando il tetto a capanna simmetrica.

 

Parametri del carico di neve,Progettazione della capriata del tetto

figura 8. Parametri del carico di neve.

Generazione del carico di neve, il carico di neve bilanciato sul tetto è uguale a 0.23 kPa.

Progettazione della capriata del tetto

 

figura 9. Risultato equilibrato del carico di neve.

Per il caso sbilanciato, dobbiamo considerare il caricamento su un lato (p1) uguale a 0 e l'altro (p2) uguale a 0.42 kPa.

Progettazione della capriata del tetto

figura 10. Risultato sbilanciato del carico di neve per il tetto a due falde.

Perciò, il carico di neve sugli arcarecci e sulle capriate del tetto è il seguente:

\({W}_{travatura,equilibrato} = 0.23 kPa (3.33m) = 0.766 kN / m \)
\({W}_{travatura,sbilanciato p1} = 0 kN / m \)
\({W}_{travatura,sbilanciato p2} = 0.42 kPa (3.33m) = 1.399 kN / m \)

Lo stesso con il carico in tempo reale, il carico di neve agisce sulla proiezione orizzontale dell'area effettiva e deve essere convertito in un carico inclinato agente sulla corda superiore della capriata del tetto. Perciò:

\({W}_{travatura,equilibrato} = 0.766 kN / m / cos(29.745°) = 0.882 kN / m \)
\({W}_{travatura,sbilanciato p1} = 0 kN / m \)
\({W}_{travatura,sbilanciato p2} = 1.399 kN/m /cos(29.745°) = 1.611 kN / m \)

 

Inizia il calcolo delle capriate del tetto con SkyCiv:

 

Progettazione della capriata del tetto

Utilizzando SkyCiv S3D, possiamo analizzare la capriata del tetto: Progettazione della capriata del tetto

Assumeremo che la capriata del tetto sia semplicemente supportata e verrà analizzata in 2D aggiungendo supporti su ciascun nodo con il codice RRFRRR per correggere solo lo spostamento dell'asse Z. La sezione iniziale che useremo è una forma AISC L – 2.5“x2.5”x3/16”. Inoltre, i membri sono modellati come travatura reticolare – dove vengono rilasciate le fissità del nodo per l'Y locale- e asse Z. Applicare i carichi del tetto e moltiplicare ogni carico calcolato in precedenza per la lunghezza dell'asta per convertirlo in carichi nodali:

Carico morto

Carico morto della capriata del tetto, Progettazione della capriata del tetto

Carico in tempo reale

Carico dinamico della capriata del tetto, Progettazione della capriata del tetto

Vento+ Carico

Carico del vento della capriata del tetto positivo, Progettazione della capriata del tetto

Vento- Caricare

Carico del vento della capriata del tetto negativo, Progettazione della capriata del tetto

Carico di neve – caso equilibrato

Carico di neve bilanciato della capriata del tetto,Progettazione della capriata del tetto

Carico di neve – caso sbilanciato

Progettazione della capriata del tetto

Utilizzo della combinazione di carico per ASCE 7-16 LRFD, le forze necessarie per progettare l'asta possono essere generate:

Capriata ASCE 7 Combinazione di carico LRFD, Progettazione della capriata del tetto

figura 18. ASCE 7-16 Combinazione di carico LRFD.

Poiché stiamo usando una sezione angolare, dobbiamo considerare anche l'instabilità. Risolvere il modello facendo clic su Statico lineare + Instabilità nel pulsante Risolvi, possiamo ottenere le seguenti forze di inviluppo:

Risultati dell'analisi delle capriate del tetto, Progettazione della capriata del tetto

figura 19. Il carico assiale risulta dall'analisi.

Da questi carichi, possiamo già progettare il membro del traliccio del tetto utilizzando il modulo di progettazione membri SkyCiv e selezionando AISC 360-16 LRFD:

Progettazione dell'elemento della capriata del tetto, Progettazione della capriata del tetto

figura 20. Moduli di progettazione dei membri in S3D.

Modulo di progettazione dell'elemento del traliccio del tetto, Progettazione della capriata del tetto

figura 21. AISC 360-16 Progettazione dei membri LRFD.

Risultato del progetto dell'elemento di travatura del tetto, Progettazione della capriata del tetto

figura 22. I risultati del design dei membri utilizzano L2.5”x2.5”x3/16” secondo AISC 360-16 LRFD.

Possiamo vedere che la sezione che abbiamo utilizzato – L2.5"x2.5"x3/16" – è adeguato e ha superato i controlli di progettazione.

Usando il Distinta materiali add-on possiamo impostare un prezzo al kg per la sezione. In questo modello, impostazione del costo unitario per kg di acciaio a $0.8:

Distinta base per la progettazione della capriata del tetto, Progettazione della capriata del tetto

figura 23. Distinta base utilizzando L2.5”x2.5”x3/16” per la capriata del tetto.

Per aumentare ulteriormente l'economia del design, possiamo usare l'ottimizzatore. Dobbiamo solo stabilire i criteri, e l'ottimizzatore selezionerà automaticamente la sezione più economica per la capriata del tetto.

Utilizzando le impostazioni predefinite:

Impostazione dell'ottimizzatore del design della capriata del tetto, Progettazione della capriata del tetto

figura 24. Opzioni per l'ottimizzatore del design dei membri SkyCiv S3D.

Il risultato dell'ottimizzatore suggerisce quindi che possiamo usare L2x2x1/8 per questo truss. Una volta che commettiamo le modifiche, ricalcolerà automaticamente il modello e verificherà se la sezione è adeguata.

Design della capriata del tetto ottimizzato, Progettazione della capriata del tetto

figura 25. Sezione ottimizzata generata per la capriata del tetto utilizzando l'ottimizzatore di progettazione dei membri SkyCiv S3D.

Risultato ottimizzato per il design della capriata del tetto, Progettazione della capriata del tetto

figura 26. Risultato del progetto dell'asta utilizzando la sezione ottimizzata per la capriata del tetto.

Controllo di nuovo la Distinta Materiali, possiamo vedere che il peso dell'acciaio necessario è sceso da 125 kg a 100 kg risparmiando $20!

Materiali ottimizzati per il design della capriata del tetto, Progettazione della capriata del tetto

figura 27. Distinta materiali utilizzando la sezione ottimizzata per la capriata del tetto.

Generatore di carico SkyCiv

Tutti i processi di cui sopra possono essere raggiunti in pochi clic utilizzando Generatore di carico SkyCiv.

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Patrick Aylsworth Garcia Ingegnere strutturale, Sviluppo del prodotto
Patrick Aylsworth Garcia
Ingegnere strutturale, Sviluppo del prodotto
MS Ingegneria Civile
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Riferimenti:

  • American Society of Civil Engineers. (2017, giugno). Carichi minimi di progetto e criteri associati per edifici e altre strutture. American Society of Civil Engineers.
  • Posizione della struttura e direzione della sorgente del vento corrispondente
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