使用 SkyCiv 设计屋顶桁架

在本教程中, we will design a roof truss for a garage with the following information:

• 位置: 8050 西南比弗顿希尔斯代尔高速公路, 波特兰, 要么 97225, 美国
• 建筑长度: 10.0米
• 建筑宽度: 7.0米
• 檐高: 4.0米
• Roof truss height: 2.0米
• 因为屋顶轮廓是山墙或双坡: 29.745°
• 外壳: 开放式建筑

We will be using an L shape (学会) 屋架截面, isolating the critical 桁架 (间距 3.33m) and analyzing it as a simply-supported truss assembly.

Visit our other tutorials for more information about the definition of truss 和 桁架类型.

数字 1. 3D结构的渲染.

数字 2. 地点坐标.

 

屋顶荷载

在设计组件时, 我们将评估作用在屋顶桁架上的屋顶荷载. 请注意，此处使用的风荷载将用于设计屋顶桁架构件的组件和覆层.

在屋架构件的设计中, 协会 7-16 LRFD荷载组合 将会被使用.

静载

我们将假设屋架承受以下载荷:

• 屋顶板和配件: 0.15 千帕 (applied at top chord)
• 天花板: 0.25 千帕 (applied at bottom chord)

当我们已经有了初始部分时，将检查自重，并将根据该数据迭代设计. 用于屋架, 使用间距等于 3.33m 从中心到中心 (关键成员), 叠加的恒载为:

\({w ^}_{sdead,最佳} = 0.15kPa(3.33米) = 0.5 千牛/米 \)
\({w ^}_{sdead,底部} = 0.25kPa(3.33米) = 0.833 千牛/米 \)

活载

从表 4.3-1 ASCE的 7-16, 屋顶活荷载 (普通单位, 投球, and curved roofs) 等于 0.96 千帕. 因此, 用于屋架:

\({w ^}_{生活} = 0.96kPa(3.33米) = 3.197 千牛/米 \)

Note that the live load acting on the roof truss, 假定作用于该区域的水平投影. 因为我们将把它应用在上弦上, 我们只需将此负载乘以成员长度, 并将其应用到上弦节点.

风荷载

对于风荷载, 我们将对组件和覆层使用风压计算 (章节 30 ASCE的 7-16). 我们将使用 SkyCiv负载生成器 计算作用在屋顶桁架上的风荷载.

以下信息用于计算风压:

位置	8050 西南比弗顿希尔斯代尔高速公路, 波特兰, 要么 97225, 美国
风险类别	一世 (车库)
建筑长度	10.0 米
建筑宽度	7.0 米
平均屋顶高度	5.0 米
因为屋顶轮廓是山墙或双坡	29.745°

基于谷歌地图的卫星图像, 我们可以看到所有方向都归类为曝光类别B.

数字 3. 结构的位置和每个逆风方向的暴露类别.

此外, 有些方向有山丘，但地形的影响可以忽略不计，因为结构的位置位于迎风脚和峰高之间高度的下半部分. 因此, Kzt 等于 1.0 例如林区中的孤立塔.

数字 4. Elevation chart from Google Maps and the corresponding topographic factor for wind coming from the south direction.

在结构数据选项卡上, we will select Open-Pitched/Duopicth as the roof profile as the garage is not enclosed by walls. 注意建筑长度, 大号, 这是垂直于屋顶坡度的距离, 和平均屋顶高度, H, 是屋檐高度和屋顶顶点高度的平均值.

数字 5. Structure data.

On the “计算风荷载” parameters, 我们需要将结构类型设置为 ASCE 7-16 – 建筑物 – Components and Cladding since we will be designing the roof truss as components. 外壳分类设置为开放式建筑物，风阻设置为“清除或空置”，如下所示, 台风期间, 下面的汽车不会阻挡超过 50% 下面的风区. 对于屋顶覆层区域, 我们将计算屋架的有效风面积.

屋架有效风面积 – 长度等于 3.33m:

\({一个}_{桁架} \) = spacing x length = 3.33m(7.0米) =\( 23.31 {米}^{2} \)

然而, 在部分 26.2 ASCE的 7-16, 根据有效风区的定义, 有效宽度不小于跨度的三分之一. 因此:

\({一个}_{桁架} \) = spacing x length ≥ (长度/3) x 长度 = 3.33m (7米) ≥ (7米/3) (7米) = \( 23.31 {米}^{2} \)

The input for the wind load is as follows:

数字 6. Wind parameters for open building – components and cladding.

从这些参数, 可以计算出设计风压:

数字 7. Wind pressures for each zone.

由于区域的风压 1, 2, 和 3 都一样, 分区无关紧要. 因此, 用于桁架上的屋顶荷载, 我们将有两个案例 – 积极的 (或最大值) 案例和否定 (或分钟) 案子:

\({w ^}_{wind+} = 0.651kPa (3.33米) = 2.168 千牛/米 \)
\({w ^}_{wind-} = -0.453千帕 (3.33米) = -1.508 千牛/米 \)

Note that the positive value here means that the pressure is acting towards and perpendicular to the roof surface and the negative value means that the pressure is acting away and perpendicular to the roof surface.

雪荷载

使用风荷载中使用的相同场地数据:

位置	8050 西南比弗顿希尔斯代尔高速公路, 波特兰, 要么 97225, 美国
风险类别	一世 (车库)
建筑长度	10.0 米
建筑宽度	7.0 米
平均屋顶高度	5.0 米
因为屋顶轮廓是山墙或双坡	29.745°

关于“计算雪荷载”参数, 我们需要将“地形类别”设置为“B” (与暴露类别相同), “屋顶的暴露条件”到“完全暴露”和“热条件”到“未加热和露天结构”，因为这将是开放空间中的车库. “倾斜屋顶条件”设置为“湿滑”，因为要使用的屋顶材料是 G.I. 床单. 此外, 我们将考虑使用对称山墙屋顶的位置的不平衡情况.

 

数字 8. Snow load parameters.

产生雪荷载, 平衡的屋顶雪荷载等于 0.23 千帕.

 

数字 9. Balanced snow load result.

对于不平衡的情况, 我们需要考虑在一侧加载 (p1) 我们将插入已知值 0 和另一个 (p2) 我们将插入已知值 0.42 千帕.

数字 10. Unbalanced snow load result for gable roof.

因此, 檩条和屋架上的雪荷载如下:

\({w ^}_{桁架,均衡} = 0.23 千帕 (3.33米) = 0.766 千牛/米 \)
\({w ^}_{桁架,unbalanced p1} = 0 千牛/米 \)
\({w ^}_{桁架,unbalanced p2} = 0.42 千帕 (3.33米) = 1.399 千牛/米 \)

与活荷载相同, 雪荷载作用在有效面积的水平投影上，应转换为作用在屋架上弦上的倾斜荷载. 因此:

\({w ^}_{桁架,均衡} = 0.766 千牛/米 / cos(29.745°) = 0.882 千牛/米 \)
\({w ^}_{桁架,unbalanced p1} = 0 千牛/米 \)
\({w ^}_{桁架,unbalanced p2} = 1.399 kN/m /cos(29.745°) = 1.611 千牛/米 \)

 

Start Roof Truss Calculation with SkyCiv:

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屋架设计

使用 SkyCiv S3D, 我们可以分析屋顶桁架:

我们将假设屋顶桁架是简单的支撑，并将通过在每个节点上添加代码 RRFRRR 的支撑来进行二维分析，以仅固定 Z 轴位移. 我们将使用的初始部分是 AISC L 形状 – 2.5“x2.5”x3/16”. 此外, 成员被建模为桁架 – 为本地 Y 释放节点固定性的位置- 和 Z 轴. 应用屋顶载荷并将我们上面计算的每个载荷乘以构件长度以将其转换为节点载荷:

静载

活载

风+负载

风- 加载

雪荷载 – balanced case

雪荷载 – unbalanced case

使用 ASCE 的荷载组合 7-16 LRFD, 可以产生设计构件所需的力:

数字 18. 协会 7-16 LRFD Load Combination.

Since we are using an angle section, 我们还需要考虑屈曲. 通过单击线性静态求解模型 + 解决按钮中的屈曲, 我们可以得到以下包络力:

数字 19. Axial load result from the analysis.

从这些负载, 我们已经可以使用 SkyCiv 成员设计模块并选择 AISC 来设计屋顶桁架成员 360-16 LRFD:

数字 20. Member design modules in S3D.

数字 21. 学会 360-16 LRFD Member Design.

数字 22. Member design results using L2.5”x2.5”x3/16” in accordance to AISC 360-16 LRFD.

我们可以看到我们使用的部分 – L2.5”x2.5”x3/16” – 足够并通过了设计检查.

使用 材料清单 add-on we can set a price per kg for the section. 在这个模型中, 将每公斤钢的单位成本设置为 $0.8:

数字 23. Bill of material using L2.5”x2.5”x3/16” for the roof truss.

进一步提高设计的经济性, 我们可以使用优化器. 我们只需要设置标准, 优化器会自动为屋架选择最经济的截面.

使用默认设置:

数字 24. Options for SkyCiv S3D member design optimizer.

优化器结果表明我们可以使用 L2x2x1/8 来构建这个桁架. 一旦我们提交更改, 它会自动重新计算模型并检查截面是否足够.

数字 25. Generated optimized section for the roof truss using the SkyCiv S3D member design optimizer.

数字 26. Member design result using the optimized section for the roof truss.

Checking the Bill of Materials again, we can see that the weight of the steel need dropped from 125kgs to 100kgs saving $20!

数字 27. Bill of materials using the optimized section for the roof truss.

SkyCiv负载生成器

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参考资料:

• 美国土木工程师学会. (2017, 六月). 建筑物和其他结构的最小设计载荷和相关标准. 美国土木工程师学会.
• 你可以通过这个查看我们的 API 文档