Comprendere l'analisi dei secchi nelle strutture di alto livello

L’analisi di sezionamento determina il carico critico a cui un membro strutturale o un intero sistema sperimenta un cambiamento improvviso della geometria – difflessità tipali-laterali – a causa di stress da compressione. Per strutture alte come edifici ad alta velocità, torri di trasmissione e camini, il rischio di indurimento è ingrandito dalle loro proporzioni e la presenza di grandi carichi assiali da gravità, vento e stabilità sismica si verificano forze di resistenza.

In ingegneria strutturale, ci sono due approcci comuni all'analisi di instabilità: un'analisi lineare (eigenvalue) di indurimento e non lineare (load-deflection) che prevede un'analisi lineare di buckling, il tipo disponibile nel modulo base di buckling di RISA, fornisce una rapida stima del punto di biforcazione, dando al moltiplicatore di carico il quale la struttura ideale e perfetta diventa instabile.

Quando si esegue l'analisi di buckling su una struttura alta, gli ingegneri devono considerare la stabilità globale (l'intero frame sways sideways) e la stabilità locale (i membri di compressione individuale, come colonne o brace, fibbia tra i loro supporti).

Per ulteriori approfondimenti sui fondamenti, le AISC Steel Design Guides offrono discussioni dettagliate. Inoltre, la documentazione ufficiale RISA fornisce istruzioni complete per la creazione di analisi di stabilità.

Preparazione del tuo modello per l'analisi dei secchi in RISA

L'accuratezza nell'analisi dei processi inizia con un modello ben costruito. In RISA‐3D o RISA‐Floor, seguire attentamente questi passaggi preparatori.

Definizione di Geometria e Proprietà dei Materiali

Per gli edifici alti, includere tutti i principali elementi di resistenza laterale-carica (frame, core, pareti di taglio e outriggers).Input realistiche proprietà materiali—modulo elastico, rapporto di Poisson, e resistenza alla resa—dalla libreria materiale o dati personalizzati.Per l'acciaio, utilizzare il valore E di 29.000 ksi; per il cemento, utilizzare un valore che riflette significativamente la resistenza del design (per il cambio di esempio).

Proprietà della sezione e fattori di lunghezza efficaci

Il grafico analitico (ALT-KLT-) è un esempio fondamentale per l'analisi dei livelli di stabilità.

Condizioni e supporti di boundary

In RISA, modellare i supporti base con i valori di rigidità appropriati (primavera e traduttiva) se l'interazione della struttura del suolo è importante. Per analisi preliminari, supporti fissi o piegati, ma per un controllo dettagliato, considerare le costanti di primavera derivate da rapporti geotecnici.

Case e combinazioni di carico

L'analisi di buckling in RISA è guidata dalle combinazioni di carico specificate. Il software calcola il fattore di carico critico (CLF) con cui il set di carico applicato deve essere moltiplicato per causare buckling. In genere, si creano combinazioni di carico che includono il carico morto, il carico vivo, il carico vivo ridotto, il carico eolico, e il carico sismico, utilizzando i fattori appropriati da ASCE 7.

RISA consente di selezionare quali combinazioni includere nell'analisi di buckling. Includere tutte le combinazioni rilevanti, ma essere consapevoli che ogni combinazione aggiuntiva aumenta il tempo di calcolo. Una migliore pratica è iniziare con le combinazioni di gravità-dominanti e controllare successivamente quelle laterali-dominanti.

Impostazione dell'analisi dei secchi in RISA

Una volta che il modello è pronto, configurare i parametri di analisi nella finestra di dialogo Analisi Impostazioni[.

Selezione del tipo di analisi dei secchi

In Analisi Tipo[] a discesa, scegliere Buckling] (eigenvalue lineare). RISA offre anche un P‐Delta] analisi e un combinato [[[‐FLT:6]P‐Delta + Buckling

Specificare il numero di modalità di chiusura

Per un edificio alto, che richiede 10 a 20 modalità è tipico. Le prime modalità (autovalori più bassi) sono le più critiche. Tuttavia, le modalità più elevate possono rivelare la stabilità locale in elementi snelle o in comportamento fuori piano di travi.

Rifinitura di mesh e nodo

RISA utilizza elementi a trave e colonne con fattori di rigidità e discretizzazione di massa. Per i frame, la mesh automatica predefinita è di solito sufficiente, ma per i travi con alto carico assiale e lunghe campate, suddivisi manualmente in 4-6 elementi per catturare la rigidità di piegatura con precisione. Per pareti a taglio modellate come elementi a piastra o a guscio, aumentano la densità di rete intorno alle aperture e ai montanti a parete.

Per verificare la convergenza delle maglie, eseguire l'analisi con due diverse densità di rete e confrontare i cinque fattori di carico di indurimento superiore al 5%, affinare la rete.

Comprese le imperfezioni iniziali (opzionale)

Mentre l'analisi lineare di buckling assume una geometria perfetta, le strutture alte hanno sempre la prima out-of-plumbness, il camber membro e le sollecitazioni residue.Per una valutazione più realistica, RISA consente di scalare le forme di modo di buckling e applicarle come imperfezioni iniziali prima di eseguire un'analisi incrementale non lineare.

Eseguire l'analisi dei Bucking

Dopo aver configurato le impostazioni, eseguire l'analisi facendo clic sul pulsante [] Solve[]. RISA esegue un'estrazione di autovalore utilizzando il metodo di iterazione subspaziale o il metodo Lanczos (a seconda della versione).

  • Fattore di carico critico (CLF)[]] per ogni modalità. Un CLF inferiore a 1.0 indica che la struttura si abbaglia sotto la combinazione di carico applicato.
  • Mode Shapes[]] mostra graficamente. Utilizzare il [Diffusione Forma[]] viewer per animare ogni modalità di buckling.
  • Risultati verbali[[]] elencano i rapporti di massa partecipanti e i fattori di lunghezza efficaci per ogni modalità.

Durante la corsa, monitorare il risolutore per gli avvisi. Le questioni comuni includono nodi non frenati, matrici di rigidità singolare (solitamente a causa di restrizioni mancanti), o di eccentricità elevate.Questi problemi appaiono spesso come valori CLF estremamente bassi (ad esempio, 0.001) che non corrispondono al comportamento fisico.

Risultati interpretativi: Da dati crudi a visione progettuale

La comprensione dell'output di analisi di buckling è la principale abilità di un ingegnere strutturale, che è un approccio sistematico per interpretare i risultati RISA per le strutture alte.

Identificare la modalità più critica

Ordinare le modalità di indurimento da parte di CLF in ordine crescente. La modalità con il più piccolo meccanismo di guasto CLF è il meccanismo di guasto primario. Per un edificio alto, la prima modalità è solitamente una pista globale, o una prima linea di marcia (come un cantilever) o una sway-torsioni combinate. Se la prima modalità mostra solo l'instaurazione di membro locale (ad esempio, una singola colonna nel mezzo dell'edificio), controllare se i membri adiacentrati vicini si trovano un carico.

Valutare le forme della modalità

In RISA, è possibile visualizzare la forma della modalità in 3D e animarla. Prestare attenzione a:

  • Stilementi geobali:[ L'intero edificio si appoggia da un lato? Un primo movimento tipico di un telaio del momento. Una modalità di sway superiore può comportare un punto di inflessione di metà altezza.
  • Comportamento torsionale:[] Se l'edificio si ritorsione significativa dell'asse verticale, il sistema di resistenza della forza laterale può essere troppo flessibile in torsione.
  • Cercamento locale:[] Controllare le colonne fibbie, le bretelle, o l'incollamento web out-of-plane di travi profonde.

Confrontare i fattori di partecipazione della forma della modalità – la RSA segnala la percentuale di massa che partecipa a ogni modalità. Per un edificio simmetrico, la prima modalità dovrebbe avere una partecipazione di massa elevata in una direzione. Se piccola, considerare che la combinazione di carico potrebbe non essere il caso peggiore.

Valutare i margini di sicurezza

Per esempio, AISC 360 Sezione C2 esige che la forza disponibile per gli stati limite di buckling sia determinata utilizzando un fattore di resistenza φ=0.90 per i membri di compressione, ma per la stabilità globale, un fattore più elevato (come 1.67 per gli ingegneri di carico ASD o 0,0 per LRFD) è applicato alla forza nominale.

Utilizzo dei risultati per la riprogettazione della guida

Se il CLF è troppo basso, identifica i membri o i sottosistemi che contribuiscono maggiormente alla modalità di buckling. RISA può produrre la distribuzione di energia di sforzo dell'elemento in ogni modo. I membri con alta energia di sforzo sono i più efficaci da modificare. Per una modalità di sway, irrigidiscono il sistema laterale (fornitura di bracing, aumento delle dimensioni delle colonne, o ispessimento pareti di taglio) alzerà il CLF.

Se RISA ha calcolato K[]]-fattori automaticamente e sembrano alti per un membro con restrizioni intermedie, li riduce manualmente per riflettere il ridimensionamento effettivo fornito dalle connessioni. Tuttavia, questo dovrebbe essere basato su giudizio di ingegneria razionale, non semplicemente per soddisfare il codice.

Considerazioni avanzate per le strutture a rilievo

Le strutture più alte richiedono un'attenzione particolare oltre l'analisi standard di buckling.

Effetti secondario (P‐Delta)

L'analisi di buckling in RISA può essere combinata con l'analisi P‐Delta. L'effetto P‐Delta amplifica le dislocazioni laterali a causa di carichi di gravità che agiscono sulla forma deformata. Questo rende la struttura in modo efficace più morbida, riducendo il carico di buckling. Per eseguire un'analisi realistica, prima eseguire una soluzione statica P‐Delta per ottenere lo stato di equilibrio sotto carichi di servizio, quindi utilizzare tale stato come base per l'analisi RISA.

Nonlinearità geometrica e imperfezioni

Per gli edifici alti, è prudente eseguire un'analisi completa non lineare di buckling utilizzando un risolutore di grande spostamento (RISA‐3D include un motore di analisi non lineare). Applicare un'imperfezione iniziale nella forma della prima modalità di buckling lineare, scalata al massimo consentito out-of-plumbness (e.g.

Materiali e Fibbiamenti in Sistemi compositi

Le strutture di rilievo spesso utilizzano colonne composte (calco rinforzato con acciaio) o core d'acciaio con outrigger di calcestruzzo. In RISA, le sezioni composte del modello utilizzando le proprietà materiali combinate. Per il cemento, consideri la rigidità della sezione incrinata per i controlli di manutenzione, perché la crepatura riduce la rigidità e abbassa il carico di indurimento. RISA consente di assegnare un fattore di riduzione della rigidità (ad esempio, 0,0,70 per il cemento) per il conto per il cracking.

Fibbia dinamica e carico sismico

Mentre l'analisi di buckling di RISA è statica, è possibile approssimare la condizione peggiore-caso utilizzando le forze assiali della busta sismica. Per le strutture essenziali, considerare un'analisi non lineare temporale con gli strumenti sismici di RISA o di esportazione a un programma dedicato non-linear.

Pitfalls comune e come evitare di loro

Anche gli ingegneri esperti possono fare errori quando si creano analisi di buckling. Qui ci sono problemi frequenti incontrati in RISA per strutture alte.

  • Ignorando componenti non strutturali:[] Partizioni, pareti di tenda e scale possono aggiungere una rigidità significativa. Sebbene non siano struttura primaria, la loro resistenza alla deriva colpisce l'indurimento. Modelli come bracci equivalenti o molle per evitare di sottovalutare il carico di indurimento.
  • Utilizzando troppe poche modalità di buckling:[] Se si richiedono solo 5 modalità, si potrebbe perdere una modalità locale di buckling che si verifica ad un maggiore eigenvalue ma ha un basso fattore di sicurezza.
  • Combinazioni di carico disapplicabili:[] L'analisi di interruzione richiede che i carichi siano applicati proporzionalmente. Se si includono più casi di carico con direzioni diverse, il fattore critico è valido solo per quel modello di carico esatto. Per il vento e il sismico, la combinazione dovrebbe riflettere l'interazione assiale e moment più grave.
  • Elevamento del fondo di compensazione:[] Gli edifici alti su fondazioni basse possono sperimentare un sollevamento parziale sotto carichi laterali, riducendo l'efficace compressione in alcune colonne e cambia la modalità di buckling.
  • In termini di giunti perfettamente rigidi:[] In tempi di fissaggio, la rigidità della connessione influenza la stabilità. RISA consente di specificare connessioni semirigide con rigidità rotazionale.

Case study: Analisi dei secchi di una cornice di 50 piani

Per illustrare il processo, si consideri un ipotetico telaio di momento in acciaio da 50 piani con un rapporto di altezza-larghezza di 7:1. L'edificio è in una zona vento moderata. Gli ingegneri hanno eseguito un'analisi lineare di buckling con sei combinazioni di carico tra cui 1.2D+1.6L e 1.2D+1.0W+0.5L.

La prima modalità di buckling ha dato un CLF di 1.45 sotto la combinazione di gravità. La forma di modalità ha mostrato una forte pendenza nella lunga direzione. La seconda modalità, con un CLF di 1.92, ha coinvolto torsione circa l'asse verticale. Il basso CLF per la sicurezza marginale indicato sway. Per migliorare la stabilità, il team ha aumentato la dimensione della colonna nei frame di momento esterni da W14x398 a W14x550, che ha aumentato la CLFline 1.8.

Controllo di progettazione e conformità al codice

Per le strutture in acciaio, AISC 360 Chapter E fornisce formule per la resistenza alla compressione che assumono una lunghezza efficace basata sulla modalità di buckling dall'analisi. Utilizzare l'output RISA per verificare che i carichi assiali di progettazione siano al di sotto della resistenza disponibile φPn o Pn/Ω. Per il carico concreto, ACI 318‐19 Sezione 6.6.5.1 richiede l'analisi critica del secondo metodo di ingrandimento o Pn.

Per gli edifici alti, i codici di costruzione come il Codice Internazionale di Edificio (IBC) richiedono un controllo di stabilità utilizzando un'analisi di primo ordine amplificata o un'analisi diretta di secondo ordine. Il modulo di buckling RISA soddisfa questi requisiti quando combinato con P‐Delta.

Conclusioni

L’analisi di stabilità dei risultati in RISA per le strutture alte non è solo una verifica di routine, ma è una parte fondamentale per garantire che l’edificio rimanga stabile sotto carico estremo. Il processo richiede un’attenta preparazione del modello, una corretta impostazione dell’analisi e una profonda comprensione dell’output.