Strukturanalyse und Stahlmengenschätzung für einen fünfstöckigen Stahlrahmen

Nachfolgend finden Sie eine Strukturanalyse und eine Schätzung der Stahltonnage für die beschriebene fünfstöckige Stahlrahmenkonstruktion

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Um eine aussagekräftige Lastanalyse durchzuführen, werden die folgenden vernünftigen Annahmen angenommen (typisch für leichte Industrie- oder Versorgungstragwerke):

Bodentotlast (DL): 1,0 kN/m²
(Beinhaltet Belag, Oberflächen, mechanische/elektrische Elemente (falls vorhanden) und Eigengewicht-der sekundären Elemente-Primärträger-Eigengewicht-wird separat hinzugefügt.)

Nutzlast (LL): 2,0 kN/m²
(Typisch für leichten Lager- oder Wartungszugang; passen Sie ihn an, wenn eine andere Verwendung beabsichtigt ist.)

Eigenlast des Daches: 0,8 kN/m²

Dachnutzlast / Schneelast: 1,0 kN/m²

Windlast: Hier nicht pro Etage verteilt; seitlicher Widerstand, der durch Verstrebungen bewältigt wird (separat analysiert).

 

Buchtgeometrie:

Jeder Querrahmen ist1,6 m breit.

Rahmenlängsabstand: 5 Felder → [5,6 m, 5,6 m, 2,8 m, 5,6 m, 5,6 m].

Somit hat jedes von Hauptträgern getragene „Bodenpaneel“ die Fläche =1,6 m × Feldbreite.

Hauptträger (B10×22)laufenin Längsrichtung, die die 6 Querrahmen auf jeder Ebene verbindet. Daher trägt jeder Balken die halbe Breite der Nebenflüsse von benachbarten Buchten-aber da die Struktur nur istInsgesamt 1,6 m breit, es gibt effektivzwei RandbalkenUnterstützung der gesamten Breite von 1,6 m (oder eines Mittelträgers mit Auslegern). Der Einfachheit halber gehen wir davon auszwei Längsträger, jeder trägt0,8 m Nebenflussbreite.

Aufgrund der geringen Breite (1,6 m) ist es jedoch praktischer, das Bodensystem so zu modellierenein einzelner Streifenwobei die beiden Längsträger W10×22 als Funktion dienenRandträgerUnterstützung einer 1,6 m breiten Plattform.

Daher,Nebenflussfläche pro Balken pro Feld = 0,8 m × Feldlänge.

Aber fürBerechnung der Stützenlast, betrachten wir dieGesamtlast pro Querrahmen.

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Jeder Querrahmen (an einer bestimmten Längsposition) trägt:

Die Hälfte der Fläche der Bucht links davon + die Hälfte der Fläche rechts davon.

Für Innenrahmen (Rahmen 2–5):

Nebenflusslänge=(linker Bucht + rechter Bucht) / 2

Für Endrahmen (Rahmen 1 und Rahmen 6):

Nebenflusslänge=angrenzende Bucht / 2

Rahmen #	Linke Bucht (m)	Rechte Bucht (m)	Länge des Zuflusses (m)	Nebenflussfläche pro Etage (m²)=1.6 × Lₜ
1	–	5.6	2.8	4.48
2	5.6	5.6	5.6	8.96
3	5.6	2.8	4.2	6.72
4	2.8	5.6	4.2	6.72
5	5.6	5.6	5.6	8.96
6	5.6	–	2.8	4.48

Notiz: Gesamtfläche=(4.48 + 8.96 + 6.72 + 6.72 + 8.96 + 4.48) =40.32 m²
Gesamtfläche=1.6 m × 25,2 m =40.32 m²→ ✔️ Konsequent.

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Totlast (DL)= 1.0 kN/m²

Nutzlast (LL)= 2.0 kN/m²

Gesamtlast ohne Faktor= 3.0 kN/m²

Rahmen #	Fläche (m²)	DL (kN)	LL (kN)	Gesamtlast pro Etage (kN)
1,6	4.48	4.48	8.96	13.44
2,5	8.96	8.96	17.92	26.88
3,4	6.72	6.72	13.44	20.16

Zusätzlich,Eigengewicht der Hauptträgermüssen in die Stützenlasten einbezogen werden.

W10×22 Gewicht=32.7 kg/m=0.321 kN/m

Jeder Rahmen verbindet sich mitzwei Balkensegmente(links und rechts)

Trägersegmentlängen=tatsächliche Feldlängen

Beispiel für Frame 3:

Linkes Feld=5.6 m → Balkengewicht=0.321 × 5.6=1.80 kN

Rechtes Feld=2.8 m → Balkengewicht=0.321 × 2.8=0.90 kN

Gesamtes Eigengewicht des Balkens neben Frame 3 ≈(1.80 + 0.90)/2?→ EigentlichDas Gewicht des Balkens wird vollständig von den Säulen an den Enden getragen, also trägt jede Spalte an einem Rahmendie Hälfte des Gewichts jedes angrenzenden Balkens.

Daher,zusätzliche Vertikallast durch Balken pro Rahmen pro Etage:=0.5 × (linkes Feld + rechtes Feld) × 0,321 kN/m

Berechnen Sie für jeden Frame:

Rahmen	Angrenzende Buchten (m)	Gesamte angrenzende Länge (m)	Eigengewicht des Trägers-(kN)
1	[5.6]	5.6	0.5 × 5.6 × 0.321 = 0.90
2	[5.6, 5.6]	11.2	0.5 × 11.2 × 0.321 = 1.80
3	[5.6, 2.8]	8.4	0.5 × 8.4 × 0.321 = 1.35
4	[2.8, 5.6]	8.4	1.35
5	[5.6, 5.6]	11.2	1.80
6	[5.6]	5.6	0.90

Fügen Sie dies zu den vorherigen Gesamtsummen hinzu:

 

Gesamte vertikale Belastung pro Rahmen pro typischem Boden (Stufen 1–4):

Rahmen	Flächenlast (kN)	+ Balkengewicht (kN)	Gesamt pro Etage (kN)
1,6	13.44	0.90	14.34
2,5	26.88	1.80	28.68
3,4	20.16	1.35	21.51

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Dach DL=0.8 kN/m²

Dach LL=1.0 kN/m²

Insgesamt=1.8 kN/m²

Flächenbezogene-Dachlast pro Rahmen:

Rahmen	Fläche (m²)	Dach DL (kN)	Dach LL (kN)	Zwischensumme (kN)
1,6	4.48	3.58	4.48	8.06
2,5	8.96	7.17	8.96	16.13
3,4	6.72	5.38	6.72	12.10

Fügen Sie das gleiche Eigengewicht des Balkens hinzu (die Balken sind noch am Dach vorhanden):

Gesamtdachlast pro Rahmen:

Rahmen	Dachflächenlast (kN)	+ Balkengewicht (kN)	Gesamtdach (kN)
1,6	8.06	0.90	8.96
2,5	16.13	1.80	17.93
3,4	12.10	1.35	13.45

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Unter der Annahme, dass alle Stockwerke identisch sind (Ebenen 1–4) und das Dach wie Ebene 5 ist:

Rahmen	Last/Boden (kN)	×4 Etagen	Dach (kN)	Gesamtsäulenlast (kN)
1,6	14.34	57.36	8.96	66,3 kN
2,5	28.68	114.72	17.93	132,7 kN
3,4	21.51	86.04	13.45	99,5 kN

Notiz: Diese sindunfaktorisierte Servicelasten. Verwenden Sie für das Design LRFD-Kombinationen (z. B. 1.2DL + 1.6LL).

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Schwerkraftbelastungenwerden vom 1,6 m breiten Deck auf Längsträger W10×22 und dann auf W8×24-Säulen an jedem der 6 Rahmen übertragen.

Maximale Axiallast der Säuletritt bei Bild 2 und 5 auf (~133 kN unberücksichtigt).

Seitenstabilitätwird bereitgestellt von:

Vertikale X--Aussteifung (L3×3×1/4) in mindestens einem Feld (z. B. 2,8 m mittleres Feld).

Horizontale Aussteifung (C9×20) am Dach (und möglicherweise auf anderen Ebenen), um seitliche Kräfte auf ausgesteifte Rahmen abzufangen.

Die Struktur iststatisch in der Schwerkraft bestimmt, Undverspanntes-Rahmenverhaltenregelt die seitliche Reaktion.

Empfehlung: Führen Sie eine 3D-Strukturanalyse durch (z. B. mit SAP2000, ETABS oder STAAD.Pro), um die Tragfähigkeiten, Verschiebungen und Verbindungskräfte der Elemente unter kombinierter Belastung gemäß AISC 360 und den örtlichen Bauvorschriften zu überprüfen.

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Ende der Analyse.

 

Anpassungsfähige Regionen:Chile, Philippinen, Neu-Credonia, Tonga, Jungferninseln, Insel Réunion, Peru...

Anwendungen: Strukturkomponenten für Lagerhaltung, Lagerung, Logistik, Maschinenregale und andere Spezialzwecke

Anzahl der Geschichten: 5

Gesamthöhe: 12,2 m → durchschnittliche Geschosshöhe=12.2 / 5 ≈ 2,44 m

Gebäudebreite (kurze Richtung): 1.6 m

Gebäudelänge (Längsrichtung): 25.2 m

Rahmenfelder (Querrahmen): 6 Bilder im Abstand von [5,6 m, 5,6 m, 2,8 m, 5,6 m, 5,6 m] entlang der 25,2 m langen Länge
→ Gesamtsumme der Feldabstände=5.6 + 5.6 + 2.8 + 5.6 + 5.6=25.2 m (konsistent)

Hauptmitglieder:

Säulen: W8×24 (gemäß ASTM A992 oder gleichwertig)

Hauptträger (Träger): B10×22

Horizontale Aussteifung: C9×20 (Kanalabschnitt)

Vertikale (Etagen-)Aussteifung: L3×3×1/4 (gleicher-Beinwinkel)

 

Die Struktur ist ein moment-fester Rahmen, der durch Diagonalverstrebungen sowohl in der horizontalen als auch in der vertikalen Ebene seitlich stabilisiert wird.

Schwerkraftlastpfad:
Bodenlasten (tote + aktive) werden über ein Bodensystem (hier nicht näher beschrieben) auf die Hauptträger (W10×22) und dann auf die Stützen (W8×24) übertragen. Angesichts der geringen Breite (1,6 m) ist es wahrscheinlich, dass die Hauptträger eine Querspannweite (1,6 m) haben und von Säulen getragen werden, die entlang der 25,2-m-Richtung ausgerichtet sind. Angesichts der typischen Praxis und der Benennung von Mitgliedern ist es jedoch plausibler, dass:

DerHauptträger verlaufen in Längsrichtung(25,2 m Richtung), getragen von Querrahmen im Abstand von ca. 5–6 m.

Aber mit nur 1,6 m Breite lässt dies auf eins schließenschmale Struktur mit einer -Bucht, möglicherweise eine Brücke, ein Vordach oder ein Gerätestützrahmen.

Angesichts der Geometrie (1,6 m breit × 25,2 m lang × 12,2 m hoch) scheint dies ein zu seinlinearer Rahmen(z. B. eine Tragkonstruktion für Versorgungsleitungen oder einen Gehweg), mit 6 Querrahmen (jeweils 1,6 m breit), die über die Länge von 25,2 m verteilt sind.

Daher:

JedeQuerrahmenbesteht aus zwei Säulen (Höhe=2.44 m pro Stockwerk × 5=12.2 m insgesamt) und Verbindungsträgern auf jeder Ebene.

Hauptträger(W10×22) wahrscheinlich laufenin Längsrichtung, die die Querrahmen auf jeder Stockwerksebene verbinden.

Verspannung:

Horizontale Aussteifung(C9×20) auf Dach- und ggf. Zwischenebene zur Übertragung von seitlichen Lasten auf ausgesteifte Rahmen.

Vertikale (Etagen-)Aussteifung(L3×3×1/4) in einem oder mehreren Feldern, um seitliche Steifigkeit gegen Wind-/seismische Belastungen zu gewährleisten.

 

 

Stückgewichte (aus dem AISC-Handbuch):

W8×24: 24 lb/ft=35.7 kg/m

B10×22: 22 lb/ft=32.7 kg/m

C9×20: 20 lb/ft=29.8 kg/m

L3×3×1/4: Gewicht ≈ 4,9 lb/ft=7.3 kg/m (berechnet aus Fläche ≈ 1,44 in²)

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A. Spalten

Anzahl Querrahmen: 6

Jeder Rahmen hat 2 Spalten (vorausgesetzt, es handelt sich um einen rechteckigen Rahmen)

Gesamtzahl der Spalten=6 × 2=12

Höhe pro Spalte=12.2 m

Gesamtsäulenlänge=12 × 12.2=146.4 m

Säulenstahlgewicht=146.4 m × 35,7 kg/m ≈5.226 kg

 

B. Hauptträger (Längsträger)

Unter der Annahme, dass die Balken auf jeder der 5 Etagen über die gesamte Länge von 25,2 m verlaufen, undzwei Balken pro Ebene(plus 6 der 1,6 m Breite):

Balken pro Ebene=2

Ebenen=5

Gesamtträgerlänge=2 × 5 × 25.2 + 1.6 x 6 x 5=300 m

Gewicht des Trägerstahls=300 m × 32,7 kg/m ≈9.810 kg

Hinweis: Wenn die Struktur nur einen Mittelträger oder eine andere Konfiguration verwendet, passen Sie sie entsprechend an. Dies setzt einen Umfangsrahmen voraus.

 

C. Horizontale Aussteifung (C9×20)

Typischerweise auf Dachebene und möglicherweise auf Zwischenböden installiert. Annehmen:

Eine horizontale Aussteifungsschicht auf dem Dach (Planaussteifung in Form eines X oder einer einzelnen Diagonale pro Element)

Paneele zwischen den Rahmen: 5 Paneele (zwischen 6 Rahmen)

Diagonale Länge pro Paneel ≈ √(5,6² + 1.6²) ≈ 5,82 m (für 5,6 m Felder); für 2,8 m Feld: √(2,8² + 1.6²) ≈ 3,22 m

AnnehmenX-Verstrebung nur in einem Feld(Minimum für Stabilität), z. B. im zentralen 2,8-m-Feld:

Diagonalen am Dach: 2 × 3.22=6.44 m

Eventuell auch ebenerdig oder mittelmäßig: 3 Ebenen mit Aussteifung annehmen → 3 × 6.44=19.3 m

Gesamtlänge C9×20 ≈ 20 m (konservativ)

Gewicht=20 m × 29,8 kg/m ≈596 kg

Wenn auf jeder Ebene ein vollständiges horizontales Fachwerk verwendet wird, erhöht sich die Menge erheblich. Dies ist eine minimale Schätzung. Tatsächlich gibt es in jedem Feld horizontale Aussteifungen, sodass die tatsächliche Nutzung viel höher ist.

 

D. Vertikale (Etagen-)Aussteifung (L3×3×1/4)

Annehmeneine verstrebte Buchtentlang der Länge (z. B. zwischen Rahmen 3 und 4, über die 2,8 m lange Bucht) mit X--Aussteifungen an jedem Stockwerk.

Anzahl der Stockwerke=5 → 5 Aussteifungsfelder

Panelhöhe=2.44 m, Breite=2.8 m

Diagonale Länge pro Panel=√(2,44² + 2.8²) ≈ 3,71 m

Zwei Diagonalen pro Panel (X--Klammer) → 2 × 3.71=7.42 m pro Stockwerk

Gesamtlänge=5 × 7.42=37.1 m

Gewicht=37.1 m × 7,3 kg/m ≈271 kg

Wenn mehrere Felder ausgesteift sind, multiplizieren Sie entsprechend.

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Komponente	Gewicht (kg)
Säulen (B8×24)	5,226
Hauptträger (B10×22)	9,810
Horizontale Aussteifung (C9×20)	596
Vertikale Aussteifung (L3×3×1/4)	271
Gesamt (ca.)	15.903 kg

≈ 15,9 Tonnen

Hinweis: Davon ausgenommen sind Verbindungen, Grundplatten, Nebenelemente oder Beläge. Das tatsächliche Fertigungsgewicht kann aufgrund von Verbindungsdetails und Abfall um 10–15 % höher sein.

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Schlankheit: B8×24-Säulen (d ≈ 8 Zoll, A ≈ 7,08 Zoll²) über 12,2 m Höhe ohne Aussteifung dürfen schlank sein. Der effektive Längenfaktor (K) hängt von den Endbedingungen ab. Bei angehefteten-angehefteten Werten kann KL/r die Grenzwerte überschreiten, sofern nicht geklammert.Eine vertikale Aussteifung ist unbedingt erforderlichum die effektive Säulenlänge zu reduzieren.

Strahlspanne: W10×22 über 5,6 m (wenn sich die Balken quer zwischen den Rahmen erstrecken) ist für leichte Lasten angemessen. Wenn sich die Balken jedoch durchgehend über 25,2 m erstrecken, wären Durchbiegung und Festigkeit unzureichend.-Daher ist die angenommene Konfiguration (Balken als Längsgurte zwischen Querrahmen) plausibler.

Seitenstabilität: Wird durch die Kombination von vertikaler X--Aussteifung (wind-/seismisch beständig) und horizontaler Aussteifung (Membranwirkung) bereitgestellt.

Annahmen laden: Ohne spezifische Tot-/Strom-/Windlasten handelt es sich hierbei um eine vorläufige Schätzung. Detaillierter Entwurf gemäß AISC 360 ist erforderlich.

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Abschluss
Der beschriebene Stahlrahmen ist ein schmaler, mehrstöckiger Strebenrahmen mit einer geschätzten Stahltonnage vonca. 15,9 Tonnen. Das Struktursystem ist für die seitliche Stabilität auf diagonale Aussteifungen angewiesen, und die Elementgrößen scheinen für leichte-bis-mäßige Belastungen ausreichend zu sein, vorausgesetzt, dass die richtige Aussteifung die effektive Länge der Stützen reduziert. Vor dem Bau wird eine vollständige Strukturanalyse einschließlich Lastkombinationen, Verbindungsdesign und Gebrauchstauglichkeitsprüfungen empfohlen.