導入
設計力を基礎に安全に伝達するために、鋼製ベースプレートが鋼製柱の下に配置されます。
断面が小さい鉄骨柱が大きな荷重を受ける場合、基礎に直接荷重をかけるとパンチング破損の原因となるため、柱の下にベースプレートを設置して荷重を広い範囲に分散させることが重要です。
この記事では、CSV 形式で保存された鋼の幾何学的特性を活用して、Python を使用してベースプレート設計アプリケーションを作成するためのガイドを提供します。
このアプリケーションは、エンジニアが必要なベースプレートの面積、厚さ、コンクリートの支持強度、および追加の幅を簡単に決定するのに役立ちます。
さらに、Viktor SDK を利用することで、Python 実装を Web アプリケーションにシームレスに変換できます。
この SDK は、構造を 3D ビューで視覚化する機能を提供します。すぐに始めて、行動を起こしましょう。
ベースプレート設計の基本原則
ベース プレートの設計では、軸力に対して同等の T スタブ法を使用します。この方法では、圧縮状態の T スタブの「有効面積」が計算され、引張状態の T スタブのベース プレートの曲げが評価されます。水平方向のメジャーおよび/またはマイナーせん断は許容されますが、モーメントは許容されません (つまり、ピン留めベース設計)。
最初に計算したのは、支持コンクリートの支持強度 fjd です。
ベースプレートの下側とグラウト空間内のベッド材との間の設計支持強度 fjd は、次のように表されます。
fjd = βj * α * fcd
どこ
βj = 基礎接合部材料係数 = (2/3)
α = 基礎内の集中力の拡散を考慮した係数
fcd = 設計値コンクリート圧縮強度 = αcc * fck / ɣc
αcc = 長期的影響の係数
fck = コンクリート特性円筒強度
ɣc = コンクリートの部分安全係数
2 番目のステップは、必要なベースプレートの面積を計算することです。これは次の式で求められます。
アレック = ネッド / fjd
ここで、Ned は鋼柱からの極限荷重です。
3 番目のステップは、有効面積のカンチレバー突出量である c を計算することです。
C は以下の式を使用して計算されます。
Aeff = 4 *( c**2) + Pcol * c + Acol
したがって、c を解きます。
最後に、ベースプレートの厚さ tp を計算します。
tp = c * (3 * fjd* Ym0 / _page_fy)**0.50
ベースプレート設計ワークフローの Python 実装
# Partial factor of resistance of cross-sections whatever the class is as per EN 1993-1-1. Ym0 = 1.0 # Compute foundation bearing strength which is typically concrete #βj is the foundation joint material coefficient, typically taken as 0.67 as per clause 6.2.5(7) in EN 1993-1-8. beta_j=0.67 #α is a coefficient of diffusion of the vertical load being applied to the foundation. Conservatively this can be taken as 1.5 alpha= 1.5 # αcc is the coefficient that allows for long-term effects on the compressive strength of concrete vs applied actions. Taken as 0.85 in the UK National Annex -> on page # Define alpha_cc # Define gamma_c # define fck # γc is the partial factor of safety of concrete. Taken as 1.5 in the UK National Annex -> on page fjd = beta_j*alpha* (alpha_cc*fck )/gamma_c # Compute the area of the baseplate required Areq = (Ned *1000)/ fjd #Ned is the Ultimate load def calculate_c(Pcol, Acol, Areq): # """ # This function calculates the value of c for the given equation: # Areq = 4 * c^2 + P_col * c + A_col # Args: # Perimeter_of_section: Perimeter of the column section (mm) # Area_of_section: Area of the column section (mm²) # Areq: Required area of the baseplate (mm²) # Returns: # The value of c (mm) # """ a = 4 b = Pcol c = Acol-Areq # Assuming Areq is already calculated discriminant = b**2 - 4 * a * c c1 = (-b + (discriminant)**0.5) / (2 * a) c2 = (-b - (discriminant)**0.5) / (2 * a) return max(c1, c2) c = calculate_c(Pcol,Acol,Areq) # Compute the thickness of the baseplate (tp) tp = c * (3 * fjd* Ym0 / _page_fy)**0.50最後に、Python コードをベースプレート設計用の Web アプリケーションに変換します。
入力
最終的なアプリケーションには、ユーザーが次のパラメータを指定できる入力機能が必要です。
これは、Viktor SDK のパラメーター化クラスを使用して実現されます。
class Parametrization(ViktorParametrization): input = Tab("Input") input.profile_type = OptionField( "Profile type", options=["IPE", "HEA", "HEB"], default="IPE", variant="radio-inline", flex=80, ) input.nl1 = LineBreak() input.profile = AutocompleteField( "Profile", options=get_profile_types, default="IPE240", description="The source of profile properties can be found [here](https://eurocodeapplied.com/design/en1993/ipe-hea-heb-hem-design-properties)", ) # input.steel_class = OptionField( # "Steel class", options=["S235", "S275", "S355"], default="S235" # ) input.fck = NumberField('Fck', default=25, suffix="MPa") input.Design_load = NumberField('Design_load', default=1000, suffix="KN") input.acc = NumberField('Concrete coeff(acc)', default=0.85) input.yc = NumberField('Partial factor of safety for concrete', default=1.5) input.steel_class = NumberField('steel_class', default=255, suffix="MPa")
出力
計算後、Viktor SDK のデータ ビュー メソッドを使用して、計算結果をユーザーに表示しました。
@DataView("Output", duration_guess=1) def Compute_output(self, params: Munch, **kwargs): Ym0, beta_j, alpha, fjd, Areq, c, tp = self.calculate_plate_geom(params) data = DataGroup( DataItem("ultimate load ", params.input.Design_load, suffix="KN"), DataItem("beta_j", 0.67), DataItem("alpha", 1.5), DataItem("Bearing capacity of concrete support(fjd) ", round(fjd), suffix="MPa"), DataItem("Areq ", round(Areq), suffix="mm2"), DataItem(" c", round(c), suffix="mm"), DataItem("Thickness of plate", round(tp), suffix="mm"), ) return DataResult(data)どこ：
コンクリートの支持力(Fjd)
必要鋼面積(Areq)
ベースプレートの追加突出部(c)
ベースプレートの厚さ
最後に、鉄骨柱、ベースプレート、および支持コンクリート基礎の 3D モデルが作成されます。
@GeometryView で装飾されたコントローラー クラス内に get_3dview メソッドが定義されました。
get_3dview メソッドは、3D モデルを作成するためのロジックを定義し、最終的に、作成された鉄骨柱、ベース プレート、およびコンクリート サポートを含む GeometryResult オブジェクトを返します。
ロジックは以下のコードに含まれています。
@GeometryView("3D baseplate View", duration_guess=1) def get_3dView(self, params: Munch, **kwargs): """Create geometry for column, base-plate and add a concrete slab underneath""" Ym0, beta_j, alpha, fjd, Areq, c, tp = self.calculate_plate_geom(params) concrete_thickness = 15 * tp steel = Material(color=Color(95, 158, 240), metalness=1) concrete = Material(metalness=0, roughness=1, opacity=0.6) h = self.get_profile_property(params.input.profile_type, params.input.profile, "Depth") b = self.get_profile_property(params.input.profile_type, params.input.profile, "Width") tw = self.get_profile_property(params.input.profile_type, params.input.profile, "Web thickness") tf = self.get_profile_property(params.input.profile_type, params.input.profile, "Flange thickness") r = self.get_profile_property(params.input.profile_type, params.input.profile, "Root radius") beam_profile = self.get_beam_profile(h, b, tw, tf, r) beam = Extrusion(beam_profile, Line(Point(0, 0, tp), Point(0, 0, 3 * h)), material=steel) base_plate = SquareBeam(sqrt(Areq), sqrt(Areq), tp, material=steel) # TODO: This area doesn't seem sufficient for large column sizes base_plate.translate((0, 0, tp / 2)) concrete_plate = SquareBeam(6 * h, 6 * h, concrete_thickness, material=concrete) concrete_plate.translate((0, 0, -concrete_thickness / 2)) return GeometryResult([beam, base_plate, concrete_plate])
完全なコードは以下の通りです。
from math import sqrt # import plotly.express as px from pathlib import Path from typing import List import numpy as np import pandas as pd from munch import Munch from viktor import ViktorController, Color from viktor.geometry import Point, Extrusion, Line, Material, SquareBeam from viktor.parametrization import ( ViktorParametrization, OptionField, Text, Tab, AutocompleteField, LineBreak, NumberField ) # from viktor.external.spreadsheet import SpreadsheetCalculation, SpreadsheetCalculationInput from viktor.views import DataGroup, DataItem, DataResult, DataView, GeometryView, GeometryResult def get_profile_types(params: Munch, **kwargs): try: file_path = ( Path(__file__).parent / "profiles" / f"steel-profiles-{params.input.profile_type}.csv" ) df = pd.read_csv(file_path, header=[2], skiprows=[3, 4, 5]) return df["Profile"].values.tolist() except FileNotFoundError: return ["IPE80", "IPE100", "HEA100", "HEA120", "HEB100", "HEB120"] def calculate_c(Pcol, Acol, Areq): # """ # This function calculates the value of c for the given equation: # Areq = 4 * c^2 + P_col * c + A_col # Args: # Perimeter_of_section: Perimeter of the column section (mm) # Area_of_section: Area of the column section (mm²) # Areq: Required area of the baseplate (mm²) # Returns: # The value of c (mm) # """ a = 4 b = Pcol c = Acol - Areq # Assuming Areq is already calculated discriminant = b ** 2 - 4 * a * c c1 = (-b + (discriminant) ** 0.5) / (2 * a) c2 = (-b - (discriminant) ** 0.5) / (2 * a) return max(c1, c2) class Parametrization(ViktorParametrization): info = Tab("Info") info.text_01 = Text( """## Welcome to baseplate design app! """ ) input = Tab("Input") input.profile_type = OptionField( "Profile type", options=["IPE", "HEA", "HEB"], default="IPE", variant="radio-inline", flex=80, ) input.nl1 = LineBreak() input.profile = AutocompleteField( "Profile", options=get_profile_types, default="IPE240", description="The source of profile properties can be found [here](https://eurocodeapplied.com/design/en1993/ipe-hea-heb-hem-design-properties)", ) # input.steel_class = OptionField( # "Steel class", options=["S235", "S275", "S355"], default="S235" # ) input.fck = NumberField('Fck', default=25, suffix="MPa") input.Design_load = NumberField('Design_load', default=1000, suffix="KN") input.acc = NumberField('Concrete coeff(acc)', default=0.85) input.yc = NumberField('Partial factor of safety for concrete', default=1.5) input.steel_class = NumberField('steel_class', default=255, suffix="MPa") class Controller(ViktorController): label = 'My Entity Type' parametrization = Parametrization @DataView("profile geometrical Properties", duration_guess=1) def display_geometrical_properties(self, params: Munch, **kwargs): """Initiates the process of rendering an image of the bending moments of the structure, as well as a view of a few key values related to the bending moments.""" # results = self.calculate_allowable_bending_moment( # params.input.profile_type, params.input.profile # ) results = self.get_geometrical_properties( params.input.profile_type, params.input.profile ) data = DataGroup( DataItem("Depth", results["Depth"], suffix="mm"), DataItem("Width", results["Width"], suffix="mm"), DataItem("Thickness_of_web", results["Thickeness_of_web"], suffix="mm"), DataItem("Thickness_of_flange", results["Thickeness_of_flange"], suffix="mm"), DataItem("Area_col", results["Area_col"], suffix="mm2"), DataItem("Perimeter_col", results["Perimeter_col"], suffix="mm"), ) return DataResult(data) def calculate_plate_geom(self, params, **kwargs): results = self.get_geometrical_properties( params.input.profile_type, params.input.profile ) # Partial factor of resistance of cross-sections whatever the class is as per EN 1993-1-1. Ym0 = 1.0 # Compute ultimate load (Ned) -> on page # Compute foundation bearing strength which is typically concrete # βj is the foundation joint material coefficient, typically taken as 0.67 as per clause 6.2.5(7) in EN 1993-1-8. beta_j = 0.67 # α is a coefficient of diffusion of the vertical load being applied to the foundation. Conservatively this can be taken as 1.5 alpha = 1.5 # αcc is the coefficient that allows for long term effects on the compressive strength of concrete vs applied actions. Taken as 0.85 in the UK National Annex -> on page # γc is the partial factor of safety of concrete. Taken as 1.5 in the UK National Annex -> on page fjd = beta_j * alpha * (params.input.acc * params.input.fck) / params.input.yc # Compute area of baseplate required Areq = (params.input.Design_load * 1000) / fjd c = calculate_c(results["Perimeter_col"], results["Area_col"], Areq) # Compute the thickness of baseplate (tp) tp = c * (3 * fjd * Ym0 / params.input.steel_class) ** 0.50 return Ym0, beta_j, alpha, fjd, Areq, c, tp @DataView("Output", duration_guess=1) def Compute_output(self, params: Munch, **kwargs): Ym0, beta_j, alpha, fjd, Areq, c, tp = self.calculate_plate_geom(params) data = DataGroup( DataItem("ultimate load ", params.input.Design_load, suffix="KN"), DataItem("beta_j", 0.67), DataItem("alpha", 1.5), DataItem("Bearing capacity of concrete support(fjd) ", round(fjd), suffix="MPa"), DataItem("Areq ", round(Areq), suffix="mm2"), DataItem(" c", round(c), suffix="mm"), DataItem("Thickness of plate", round(tp), suffix="mm"), ) return DataResult(data) @staticmethod def get_beam_profile(h, b, tw, tf, r) -> List[Point]: """Generates the points which make up the chosen profile for the column cross-section""" # Get points for top flange points = [ Point(-b / 2, (h / 2) - tf), Point(-b / 2, h / 2), Point(b / 2, h / 2), Point(b / 2, (h / 2) - tf), ] # Get curve for top right angles = np.linspace(np.pi / 2, np.pi, 10) x = r * np.cos(angles) + tw / 2 + r y = r * np.sin(angles) + h / 2 - tf - r for _x, _y in zip(x, y): points.append(Point(_x, _y)) # Get curve for bottom right angles = np.linspace(-np.pi, -np.pi / 2, 10) x = r * np.cos(angles) + tw / 2 + r y = r * np.sin(angles) - h / 2 + tf + r for _x, _y in zip(x, y): points.append(Point(_x, _y)) # Get points for bottom flange points.extend([ Point(b / 2, - (h / 2) + tf), Point(b / 2, -h / 2), Point(-b / 2, -h / 2), Point(-b / 2, -(h / 2) + tf), ]) # Get curve for bottom left angles = np.linspace(1.5 * np.pi, 2 * np.pi, 10) x = r * np.cos(angles) - tw / 2 - r y = r * np.sin(angles) - h / 2 + tf + r for _x, _y in zip(x, y): points.append(Point(_x, _y)) # Get curve for top left angles = np.linspace(0, np.pi/2, 10) x = r * np.cos(angles) - tw / 2 - r y = r * np.sin(angles) + h / 2 - tf - r for _x, _y in zip(x, y): points.append(Point(_x, _y)) # Repeat the first point to close the profile points.append(Point(-b / 2, (h / 2) - tf)) return points @GeometryView("3D baseplate View", duration_guess=1) def get_3dView(self, params: Munch, **kwargs): """Create geometry for column, base-plate and add a concrete slab underneath""" Ym0, beta_j, alpha, fjd, Areq, c, tp = self.calculate_plate_geom(params) concrete_thickness = 15 * tp steel = Material(color=Color(95, 158, 240), metalness=1) concrete = Material(metalness=0, roughness=1, opacity=0.6) h = self.get_profile_property(params.input.profile_type, params.input.profile, "Depth") b = self.get_profile_property(params.input.profile_type, params.input.profile, "Width") tw = self.get_profile_property(params.input.profile_type, params.input.profile, "Web thickness") tf = self.get_profile_property(params.input.profile_type, params.input.profile, "Flange thickness") r = self.get_profile_property(params.input.profile_type, params.input.profile, "Root radius") beam_profile = self.get_beam_profile(h, b, tw, tf, r) beam = Extrusion(beam_profile, Line(Point(0, 0, tp), Point(0, 0, 3 * h)), material=steel) base_plate = SquareBeam(sqrt(Areq), sqrt(Areq), tp, material=steel) # TODO: This area doesn't seem sufficient for large column sizes base_plate.translate((0, 0, tp / 2)) concrete_plate = SquareBeam(6 * h, 6 * h, concrete_thickness, material=concrete) concrete_plate.translate((0, 0, -concrete_thickness / 2)) return GeometryResult([beam, base_plate, concrete_plate]) @staticmethod def get_profile_property( profile_type: str, profile: str, property_name: str ) -> float: """Retrieve the profile properties based on the profile type, profile and property :param profile_type: One of the following profile types: HEA, HEB or IPE. :param profile: Profile name, eg IPE80 (IPE was given as profile_type) :param property_name: The name of the property, eg Weight """ file_path = ( Path(__file__).parent / "profiles" / f"steel-profiles-{profile_type}.csv" ) df = pd.read_csv(file_path, header=[2], skiprows=[3, 4, 5]) return df.loc[df["Profile"] == profile, property_name].item() @staticmethod def get_geometrical_properties( profile_type: str, profile: str ): """Calculates the allowable bending moment based on the given parameters. :param profile_type: One of the following profile types: HEA, HEB or IPE. :param profile: Profile name, eg IPE80 (IPE was given as profile_type) :param steel_class: The steel class, eg S235 :return: A dict with the moment of inertia, profile height, yield strength and allowable bending moment. """ file_path = ( Path(__file__).parent / "profiles" / f"steel-profiles-{profile_type}.csv" ) df = pd.read_csv(file_path, header=[2], skiprows=[3, 4, 5]) Depth = df.loc[df["Profile"] == profile, "Depth"].item() Width = df.loc[df["Profile"] == profile, "Width"].item() Thickeness_of_web = df.loc[df["Profile"] == profile, "Web thickness"].item() Thickeness_of_flange = df.loc[df["Profile"] == profile, "Flange thickness"].item() Area_col = df.loc[df["Profile"] == profile, "Area"].item() Perimeter_col = df.loc[df["Profile"] == profile, "Perimeter"].item() Perimeter_col = Perimeter_col * 1000 return { "Depth": Depth, "Width": Width, "Thickeness_of_web": Thickeness_of_web, "Thickeness_of_flange": Thickeness_of_flange, "Area_col": Area_col, "Perimeter_col": Perimeter_col }
結論
柱の荷重が基礎に効果的に伝達されるように、ベースプレートの厚さと必要な有効面積を確認するという問題に常に遭遇します。
このようなチェックに役立つ Python スクリプトを活用し、Viktor SDK を使用してそのスクリプトを共有可能でアクセスしやすい Web アプリケーションに変換するのは簡単で、ベースプレート設計のワークフローの効率が向上しました。
この種のエンジニアリング アプリケーションを構築すると、携帯電話のみを使用して建設現場で自信を持って作業できるようになり、ベースプレートなどの構造部材を製造して配置する前に設計精度をチェックできるようになります。
