Introduzione alla modellazione ibrida in acciaio- cemento in STAAD Pro

Le strutture in acciaio ibrido combinano l'efficienza della trazione dell'acciaio strutturale con l'economia di compressione del cemento armato. Il loro crescente utilizzo in edifici ad alto contenuto, ponti e impianti industriali richiede che gli ingegneri modellano l'azione composita con precisione.

Definizione delle proprietà dei materiali per acciaio e cemento

Modelli di materiale in acciaio

Per l’acciaio strutturale, è necessario specificare il modulo Young (tipicamente 200 GPa), il rapporto di Poisson (0.3), la densità (circa 7850 kg/m3), e lo stress di rendimento secondo il codice di progettazione (ad esempio, A992, S355).

Modelli materiali in calcestruzzo

Il cemento può essere definito con la sua resistenza alla compressione (f'c), resistenza alla trazione (spesso preso come 10% di f'c o impostato a zero per sezioni crepate), e la densità (2400 kg/m3 tipicamente). Il modulo di elasticità può essere calcolato utilizzando formule di codice (ad esempio, 4700√f'c MPa per ACI 318).

Proprietà della sezione composito

Le strutture ibride usano spesso travi in acciaio con una lastra di cemento che agisce in composito attraverso le borchie di taglio. Piuttosto che modellare i due materiali separatamente con un'interfaccia, alcuni ingegneri creano sezioni trasformate equivalenti. Tuttavia, la forza di STAAD Pro sta nel modellare la separazione fisica e collegarli tramite elementi di collegamento o molle. Per un'analisi elastica lineare pura, è possibile definire la sezione composita come un unico fascio con proprietà trasformate, ma questo non dà alcun'idea di interfaccia in slab in s' delle migliori forze di distribuzione di acciaio.

Selezione degli elementi e Strategie di fusione

Membri in acciaio: Elementi di fascio

La maggior parte dei travi in acciaio, colonne e bracci sono meglio rappresentati con elementi a trave 3-D (tipo STAAD [BEAM[]). Questi elementi catturano il comportamento assiale, di taglio e di piegatura. Per i membri snelli, includere fattori di deformazione della cinghia se il rapporto di slanciatura è inferiore a 10.

Slab e pareti in cemento: elementi di conchiglia

Le lastre di cemento, le pareti di taglio e i ponti sono modellate in genere con elementi di shell a 4 note (tipo PLATE] o SHELL]). Utilizzare una dimensione di maglia che è sufficiente per catturare gradienti di stress, ma non così bene che crea un costo computazionale eccessivo.

Modello di coperta composito

Quando si modella un ponte composito (profilo ponte in acciaio con topping in cemento), si può rappresentare il profilo del ponte con un guscio ortotropico equivalente o un approccio di proprietà smeared. Un metodo più preciso è quello di modellare le costole esplicitamente con elementi di shell e assegnare diversi spessori nelle due direzioni. Per la maggior parte dei ponti, un elemento solido 3-D (tipo SOLID[FLT: migliore rappresentazione in acciaio]

Azione compositi di modellazione: Interfacce e connettori

Approcci di modellazione del portello

La chiave per l'analisi realistica della struttura ibrida è il trasferimento della cinghia attraverso l'interfaccia in acciaio-concrete.

  • Elementi di collegamento rigidi: Usare il comando EQUAL[ o RIGID LINK (master-slave)] comando per legare un nodo di fascio di acciaio ad un nodo di lastra. Questo è valido solo se il collegamento è completamente composito e lo stato di controllo è trascolto e lo stato di errore è trasibile.
  • Connettori a scorrimento: Definire un elemento a molla (tipo []SPRING[[] o CONNECTOR[])]) con un approccio a scorrimento del carico basato sulla capacità di taglio. Molti codici di progettazione (ad esempio, AISC 360) forniscono l'equad'equadalità di scorrimento delle equadabilità
  • Elementi di contatto:[[] STAAD Pro supporta elementi di distacco e gancio che possono simulare la separazione (nessuna tensione) all'interfaccia. Utilizzare questi se la lastra di cemento è prevista per sollevare dal fascio di acciaio sotto carichi inversali (ad esempio, sismica).

Esempio: Calcolo della stiffa di primavera

Per un diametro di 19 mm testato in cemento da 30 MPa, la capacità di taglio per stallone è di circa 100–110 kN. La rigidità (k) può essere presa come 120–150 kN/mm per stallone (dagli esami push-out). Distribuire le molle lungo il fascio nelle posizioni di borchie. Per evitare concentrazioni di stress, posizionare più molle per nodo o diffondere la rigidità su una lunghezza di elemento di fascio corto.

Interfaccia frizione e legame

Se si sta modellando un elemento in cemento armato in lamiera d'acciaio (ad esempio, una parete di taglio composito in acciaio-concrete), è necessario includere l'attrito all'interfaccia. L'elemento di contatto di STAAD Pro (CONTACT]) consente di definire l'attrito di Coulomb. Per il colata in cemento contro l'acciaio, è tipico un coefficiente di attrito di 0.4–0.6.

Condizioni di trasporto e applicazione del carico

Supporti e Fiducia

Per un ponte a trave composita, la trave in acciaio può essere semplicemente appoggiata o continuata sui pilastri. Modelli come supporti fissi o a spillo nelle posizioni dei cuscinetti. Per colonne in acciaio che si inseriscono in piedini in cemento, utilizzare un supporto fisso alla base o un supporto a molla che riflette la rigidità rotazionale del piede. Applicare supporti ai nodi della struttura in acciaio; se le pareti di cemento sono supportate direttamente supportate.

Carica Combinazioni e codici

Definire più casse di carico: morto (compreso il peso di sé), sovrapposti morto, dal vivo, dal vento, dal sismico, ecc. In STAAD Pro, utilizzare il comando LOAD COMBINATION] per creare combinazioni di resistenza e di manutenzione per il codice di governo (AISC 360, ACI 318, Eurocode 3/4).

Prestressing e post-tensioning

Se la struttura ibrida include tendini in cemento post-tensionato (comune in ponti compositi), utilizzare il comando PRESTRESS[]] o applicare carichi equivalenti agli elementi in cemento.

Tipi di analisi e impostazioni della soluzione

Analisi elastica lineare

La maggior parte delle strutture ibride possono essere analizzate con un'analisi statica elastica lineare (tipo [PERFORM ANALYSIS[]]). Basta per i controlli di manutenzione e per il design iniziale. Assicurare che il modello non abbia singolarità, utilizzare una piccola dimensione della maglia intorno ai carichi e ai supporti del punto.

Analisi non lineare

Per ottenere un'analisi limite finale, duttilità o sismica, è necessaria un'analisi non lineare. STAAD Pro offre una non linearità geometrica (P‐Delta) e una non linearità materiale (tramite molle non lineari o modelli di materiale concreto).

Analisi dei secchi

Per la costruzione di un elemento di resistenza del processore laterale, il fattore di stabilità del processore è sufficientemente sottile.

Analisi dinamica e sismica

Per le strutture edilizie, prima di tutto, eseguire un'analisi modale. L'azione composita influisce in modo significativo sulla rigidità, quindi sui periodi naturali. Assicurare che la massa sia correttamente assegnata agli elementi in acciaio e cemento. Usare il comando [MASS[]] per le masse lumped; oppure fare affidamento sulla densità.

Controllo del design e post-processing

Progettazione di membri in acciaio (AISC 360)

Dopo l'analisi, eseguire il comando di progettazione in acciaio ([PARAMETER] CODE AISC[]]). STAAD Pro controlla le equazioni di interazione per capacità di contatto assiale-flessivo. Importante: se si modella il fascio composito con elementi separati e molle, il controllo del design deve essere eseguito solo sul fascio in acciaio (utilizzato)

Design in calcestruzzo (ACI 318)

Per le lastre, le pareti e i travi in cemento, utilizzare il parametro [CODE ACI[]. Il software calcola il rinforzo richiesto in base ai momenti e alle cesoie dell'analisi. Per le lastre composte, il rinforzo dovrebbe essere progettato per le forze trasali dall'analisi globale, oltre alla cesoia di perforazione locale alle teste di colonna.

Controlli di servizi

Per le travi composte, la deviazione sotto carico live può essere inferiore a un fascio non composito, ma la deviazione a lungo termine dovuta al strisciamento può essere significativa. Utilizzare il modulo efficace di assegnazione dell'elasticità per il calcestruzzo (Ec/(1+θ) per stimare gli effetti a lungo termine di un carico.

Verifica dei risultati

Per esempio, la forza di taglio all’interfaccia tra acciaio e cemento dovrebbe pari al tasso di cambiamento del momento di curvatura del fascio d’acciaio (V = dM/dx). Confrontare questo con la somma delle forze di molla lungo il fascio. Se non corrispondono, la rigidità della molla può essere troppo alta o troppo bassa. Inoltre, verificare che le posizioni dell’asse neutro calcolate dal metodo STAAD Pro corrispondano a una condizione completamente trasformata.

Validazione e Pitfalls comuni

Pitfall 1: Slip da guardare all'interfaccia

Molti ingegneri modellano travi ibridi con legami rigidi, che sovrastimano rigidità e sottovalutano le deflettori. Includere sempre connettori flessibili con curve realistiche di carico-slip, soprattutto per i controlli di manutenzione.

Pitfall 2: Incorretto Mesh di cemento Slab

L'utilizzo di elementi di conchiglia molto grossolani per la lastra di cemento può mancare agli effetti di flessione locali vicino a colonne o carichi concentrati.

Pitfall 3: Ignorando la sequenza di costruzione

Le strutture ibride sono costruite in fasi: struttura in acciaio eretta, poi versata in calcestruzzo, quindi l'azione composita diventa attiva. Se si applica il carico di gravità completo allo stesso tempo, non si sta considerando le diverse fasi di ripartizione del carico. Modello almeno due fasi: (1) acciaio da solo sotto carico di calcestruzzo auto-peso e bagnato, (2) sistema composito sotto sovrapposti morti e carichi vivi.

Pitfall 4: Mis applicazione delle condizioni di mare

Per un fascio di acciaio continuo su supporti, la lastra di cemento può essere incrinata sul supporto in momento negativo. Nel modello, provare a usare una rigidità di cemento ridotta (o anche trascurando il cemento in tensione) per regioni di momento negativo.

Pitfall 5: Non usare la simmetria

Quando la struttura è simmetrica, modello solo metà o quarto, questo riduce il tempo di soluzione e aiuta ad evitare errori. Utilizzare le condizioni di confine simmetriche (rulli a perno sul piano simmetrico) e garantire che la maglia sia simmetrica di conseguenza.

Conclusioni

[SALDA] [SCI] è un compito molto importante che richiede un'attenta definizione dei materiali, una selezione degli elementi appropriati e una modellazione realistica dell'interfaccia. Seguire le migliori pratiche sopra descritte, soprattutto per quanto riguarda i connettori a molla per l'azione composita, la costruzione in fase e la verifica approfondita delle forze di interfaccia, gli ingegneri possono produrre disegni affidabili che soddisfano sia la funzionalità che gli stati limite finali.