Moment Verbindung

Arten von Momentverbindungen

Momentenverbindungen übertragen weitaus mehr Moment als eine Scherverbindung, und ihre Herstellung kostet mehr: mehr Material, mehr Schweißen, mehr Anpassung und mehr Inspektion. Die meisten Rahmen verwenden sie nur dort, wo die Struktur für die seitliche Stabilität auf die Rahmenwirkung angewiesen ist, und verwenden Sie überall Scherverbindungen.

Welche Konfigurationen verfügbar sind, hängt vom Designcode und davon ab, in was der Träger eingerahmt wird.

Träger zur I-Profil-Säule (AISC 360-16)

Vier Konfigurationen, Einrahmung am Stützenflansch oder am Stützensteg:

• Flanschplatte. Platten an den oberen und unteren Flanschen des Trägers, an die Säule geschweißt und vor Ort am Träger verschraubt. Wenn sich der Balken biegt, Eine Platte steht unter Zug und die andere unter Druck, und dieses Paar trägt den Moment. Eine separate Stegplatte, im Grunde eine Scherlasche, trägt die Schere. Das gesamte Schweißen findet in der Werkstatt statt, Deshalb mögen es Hersteller (gearbeitetes Beispiel).
• Geschweißte Flansche. Die Trägerflansche werden ohne Zwischenplatte direkt an den Stützenflansch geschweißt, und der Steg ist mit einer Scherlasche verschraubt. Dies ergibt die steifste Verbindung der Gruppe und den saubersten Lastpfad, Aber es ist Feldschweißen an einem Bauteil, das innerhalb der Toleranz passen muss, es trägt also Vorwärmung, Zugangs- und Inspektionskosten, die bei einem verschraubten Detail nicht anfallen.
• Bündige Endplatte. Eine Platte, die am Ende des Trägers angeschweißt und mit der Säule verschraubt ist, Schließen Sie bündig mit den Trägerflanschen ab, sodass alle Schrauben dazwischen sitzen. Es bleibt innerhalb der Strahltiefe, was zu Böden passt, aber die Schrauben’ Der Hebelarm ist begrenzt, passt also zu gemäßigten Momenten (gearbeitetes Beispiel).
• Erweiterte Endplatte. Die gleiche Idee, wobei die Platte über den Spannflansch hinausragt, sodass eine Schraubenreihe außerhalb davon sitzen kann. Diese Reihe hat den längsten Hebelarm um den Kompressionsflansch, und die Verlängerung fügt der Platte Fließlinien hinzu, Dadurch wird die zusätzliche Momentkapazität erkauft. Es handelt sich um die Konfiguration, die oben auf dieser Seite angezeigt wird (gearbeitetes Beispiel).

So entwerfen Sie eine Momentverbindung zu AISC 360-16

Jede Momentverbindung wird unter Berücksichtigung der Flanschkraft konstruiert. Das Balkenmoment wird in einem Flansch zu einer Zugkraft und im anderen zu einer Druckkraft. Jede Kraft geht vom Trägerflansch aus, durch die Bolzen, Platten oder Schweißnähte, in den Säulenflansch, und die Säule muss es tragen. Die Schere durchläuft die Bahn separat. Ein Fehler irgendwo auf einem der Pfade ist ein Verbindungsfehler.

Die folgenden Gleichungen sind die LRFD-Formen von AISC 360-16, das AISC-Handbuch 15. Ausgabe und, für Endplatten, AISC-Designhandbuch 39. Für ASD, ersetzen [mathin] \phi R_{n} [mathin] mit [mathin] R_{n} / \Omega [mathin], Verwendung der [mathin] \Omega [mathin] in derselben Klausel angegeben ([mathin] \Omega = 2.00 [mathin] wo [mathin] \phi = 0.75 [mathin], und [mathin] \Omega = 1.67 [mathin] wo [mathin] \phi = 0.90 [mathin]).

1. Die Flanschkraft

Der Moment wird als Paar getragen. Die Division durch den Abstand zwischen den Flanschschwerpunkten ergibt die Kraft in jedem Flansch, und eine Axiallast erhöht jeden Flansch um die Hälfte seines Wertes:

[math] P_{uf} = \frac{M_{u}}{d – t_{f}} + \frac{P_{u}}{2} [math]

Im Beispiel der Flanschplatte, ein 300 Kip-ft-Moment auf einem W24x84 mit 100 Kippen der Axiallast ergibt [mathin] P_{uf} = 204.31\,kip [mathin], und jede Prüfung der Flanschplatten erfolgt anhand dieser einen Nummer.

Endplatten funktionieren auf die gleiche Weise, sondern Design Guide 39 wandelt die Axialspannung in ein äquivalentes Moment um, weil es an den gleichen Spannbolzen zieht:

[math] M_{u,eq} = M_{u} + \frac{T_{u}}{2} \left( d – t_{f} \right) [math]

Dies ist keine kleine Korrektur. Im Beispiel der bündigen Endplatte, 150 Spannungsspitzen werden a 200 Kip-ft-Moment hinein 328.75 kip-ft.

2. Detaillierungsgrenzen (J2.2b, J3.3, J3.4, J3.5)

Vor jeder Festigkeitsprüfung, Die Verbindung muss aufbaubar sein. Schrauben benötigen einen Mindestabstand und Randabstand, Ein Schraubenschlüssel braucht Platz zum Drehen, und Kehlnähte erfordern eine Mindestgröße für die Teile, die sie verbinden (Tabelle J2.4). Der Mindestbolzenabstand beträgt:

[math] s_{min} = 2\tfrac{2}{3}\, d_{b} \qquad (3\, d_{b}\ \text{preferred}) [math]

Eine Endplatte muss außerdem tief genug über jeden Flansch hinausragen, damit die Flanschschweißnaht passt. Im Beispiel mit der verlängerten Endplatte liegt der Schraubensäulenabstand genau auf dem Minimum, ein Verhältnis von 1.000, was erlaubt ist. Die Konstrukteure haben an den Enden Schrauben angebracht, um die Platte klein zu halten.

3. Endplatten: Schraubengröße und Plattendicke (Design-Leitfaden 39)

Design-Leitfaden 39 verwendet einen Ansatz mit dicken Platten. Die Schrauben sind so dimensioniert, dass sie ohne Aufhebeln ihre Zugfestigkeit erreichen, und dann wird die Platte so steif gemacht, dass es nie zum Aufbrechen kommt. Der Bolzendurchmesser ergibt sich aus den Hebelarmen [mathin] h_{i} [mathin] der Zugbolzenreihen um die Mitte des Druckflansches:

[math] d_{b,reqd} = \sqrt{\frac{4\, M_{u,eq}}{\pi\, \phi\, F_{nt} \sum_{i} n_{i} h_{i}}}, \qquad \phi = 0.75 [math]

Die Biegefestigkeit der Platte ergibt sich aus einem Fließlinienmuster um diese Schrauben, im Yield-Line-Parameter zusammengefasst [mathin] Y_{p} [mathin] aus den Tabellen des Leitfadens für jedes Schraubenmuster:

[math] t_{p,reqd} = \sqrt{\frac{1.10\, M_{u,eq}}{\gamma_{r}\, \phi\, F_{yp}\, Y_{p}}}, \qquad \phi = 0.90 [math]

Mit der 1.10 Faktor hält die Platte 10% stärker als die Nachfrage, Es bleibt also steif und die Annahme, nicht neugierig zu sein, gilt. [mathin] \gamma_{r} [mathin] ist 1.0 für eine verlängerte Platte und 0.8 für eine Betätigungsplatte, weil eine Betätigungsplatte flexibler ist und dicker gemacht werden muss, um als vollständig zurückhaltend zu gelten. Die Verlängerung ist der Grund für die zusätzliche Stärke: Das erweiterte Beispiel hat [mathin] Y_{p} = 212.35\,in [mathin], gegen 123.54 für die Betätigungsplatte.

4. Flanschplatten: Beleg, Lager- und Blockschere (J3.8, J3.10, J4.3)

Flanschplatten sind häufig mit übergroßen Löchern zur Montage versehen, und J3.2 erlaubt diese nur in schlupfkritischen Verbindungen. Die Rutschfestigkeit der Bolzengruppe beträgt:

[math] \phi R_{n} = \phi\, \mu\, D_{u}\, h_{f}\, T_{b}\, N_{s}\, n_{b} [math]

wo [mathin] \mu = 0.5 [mathin] für Oberflächen der Klasse B, [mathin] D_{u} = 1.13 [mathin], [mathin] T_{b} [mathin] ist die minimale Schraubenvorspannung aus Tabelle J3.1, und [mathin] h_{f} [mathin] ist der Füllfaktor, 0.85 wenn es zwei oder mehr Füllstoffe geben kann. [mathin] \phi = 0.85 [mathin] für übergroße Löcher. Bei der Beispielflanschplatte wird der Schlupf geprüft 0.978.

Die Bolzenlagerung und das Ausreißen erfolgen gemäß J3.10 sowohl auf der Platte als auch auf dem Trägerflansch:

[math] \phi r_{n} = \phi\, \min\left( 1.2\, l_{c}\, t\, F_{u},\ 2.4\, d_{b}\, t\, F_{u} \right), \qquad \phi = 0.75 [math]

und die Platte und der Trägerflansch werden jeweils auf Blockausreißen im Bereich der Schrauben überprüft:

[math] \phi R_{n} = \phi \left( 0.6\, F_{u} A_{nv} + U_{bs} F_{u} A_{nt} \right) \le \phi \left( 0.6\, F_{y} A_{gv} + U_{bs} F_{u} A_{nt} \right), \qquad \phi = 0.75 [math]

Probieren Sie Schraubenanordnungen im aus Schraubenrechner.

5. Flanschplatten unter Zug und Druck (J4.1, J4.4)

Die Zugplatte wird im Bruttoquerschnitt auf Nachgeben und Durchbrechen der Löcher geprüft:

[math] \phi R_{n} = \min\left( 0.90\, F_{y} A_{g},\ 0.75\, F_{u} A_{e} \right) [math]

Die Druckplatte ist eine kurze Säule zwischen der Säulenfläche und der ersten Schraubenreihe. Wenn es stämmig genug ist, Mit J4.4 können Sie die Knickgleichungen aus Kapitel E überspringen:

[math] \frac{K L}{r} \le 25 \quad \Rightarrow \quad \phi R_{n} = 0.90\, F_{y}\, A_{g} [math]

Für einen Teller, [mathin] r = t / \sqrt{12} [mathin], So stößt eine dünne Platte schnell an ihre Grenzen. Mit der 1/2 in Platte im Beispiel Flanschplatte kommt bei 24.942, knapp darunter 25.

6. Der Balken an den Schraubenlöchern (D3, F13.1)

Die Löcher treten genau an der Stelle des maximalen Moments aus dem Spannflansch des Trägers aus. F13.1 prüft, ob sie die Biegefestigkeit des Trägers verringern:

[math] F_{u} A_{fn} \lt Y_{t} F_{y} A_{fg} \quad \Rightarrow \quad M_{n} = \frac{F_{u} A_{fn}}{A_{fg}}\, S_{x} [math]

[mathin] Y_{t} = 1.0 [mathin] Wann [mathin] F_{y}/F_{u} \le 0.8 [mathin]. Die Flanschkraft muss auch in den Träger gelangen: der halbe Strahl, ein T-Shirt, wird als Zugelement behandelt, das nur über den Flansch verbunden ist, wobei die Nettofläche durch Scherverzögerung verringert wird:

[math] U = 1 – \frac{\bar{y}}{l} [math]

7. Schweißnähte und Grundmetall (J2.4, Manuelle Gl. 9-2)

Die Flanschkraft kreuzt bei jeder dieser Verbindungen eine Schweißnaht: Flanschplatte an Säule, oder Trägerflansch an Endplatte. Senkrecht zu seiner Länge belastet, Eine Kehlnaht erhält die J2.4-Richtungszunahme von 1.5:

[math] \phi R_{n} = \phi\, 0.6\, F_{EXX}\, \frac{\sqrt{2}}{2}\, w\, L_{w} \left( 1 + 0.5\, \sin^{1.5}\theta \right), \qquad \phi = 0.75 [math]

Der Stahl auf beiden Seiten begrenzt den Anteil der Schweißnahtgröße. Für Schweißnähte auf beiden Seiten eines Teils mit der Dicke t, Die nutzbare Größe beträgt in Sechzehnteln:

[math] D_{max} = \frac{ \frac{t}{2}\, F_{u} }{3.09\,kip/in} [math]

Design-Leitfaden 39 Fügt den Flanschschweißnähten der Endplatte einen Boden hinzu: Sie sind für mindestens konzipiert 60% der Streckgrenze des Flansches, Daher ist die Schweißnaht niemals das schwache Glied, selbst bei einem kleinen Moment.

[math] P_{fl} \ge 0.6\, F_{y}\, b_{f}\, t_{f} [math]

Im bündigen Beispiel der Boden (295.2 kip) ist höher als die Kraft der Lasten (191.5 kip), So dimensioniert der Boden die Schweißnaht. Im Flanschplattenbeispiel die 1/4 Die Schweißnaht an der Säule regelt die gesamte Verbindung 0.998. Probieren Sie Größen in der aus Schweißrechner.

8. Schere durch das Netz

Der Balkenschub geht nicht durch die Flansche. Bei einer Flanschplattenverbindung verläuft es durch die Stegplatte, welches wie eine Scherlasche gestaltet ist: Schraubenscherung, Auflage auf der Platte und dem Trägersteg, Blockschere, und Schernachgeben und Bruch der Platte. Im Beispiel der Flanschplatte, Scherbruch der 1 in Stegplatte regelt diese Seite bei 0.943.

In einer Endplatte, Die Scherung verläuft durch die Stegschweißnähte außerhalb der Spannungszone, und der Trägersteg begrenzt oft die Schweißnaht. Im Beispiel der bündigen Endplatte 1/2 im Steg begrenzt die nutzbare Schweißnahtgröße auf 0.3287 im, weniger als die 3/8 in angegeben, und die Stegschweißnaht in Scherung bestimmt die Verbindung 0.988.

9. Die Kolumne: Flanschbiegen, Web nachgebend, Verkrüppelungs- und Panelzone (J10)

Die Flanschkräfte treffen als Einzellasten auf die Stütze ein, und die Kolonne muss sie ohne lokales Versagen tragen. Diese Prüfungen entscheiden darüber, ob die Stütze Querversteifungen oder eine Stegverdoppelungsplatte benötigt, und sie sind oft mit einer schwereren Säule günstiger zu erfüllen als mit Versteifungen.

Lokales Biegen des Flansches, unter dem Spannflansch (Gl. J10-1):

[math] \phi R_{n} = \phi\, 6.25\, F_{y}\, t_{f}^{2}, \qquad \phi = 0.90 [math]

Web-lokale Nachgiebigkeit, mit Lagerlänge [mathin] l_{b} [mathin], vom Säulenende weg (Gl. J10-2):

[math] \phi R_{n} = \phi\, F_{y}\, t_{w} \left( 5k + l_{b} \right), \qquad \phi = 1.00 [math]

Design-Leitfaden 39 Verwendet 6k anstelle von 5k für Endplatten, weil sich die Kraft durch die Platte ausbreitet, bevor sie die Säule erreicht.

Weblähmung, unter dem Kompressionsflansch (Gl. J10-4):

[math] \phi R_{n} = \phi\, 0.80\, t_{w}^{2} \left[ 1 + 3 \left( \frac{l_{b}}{d} \right) \left( \frac{t_{w}}{t_{f}} \right)^{1.5} \right] \sqrt{\frac{E\, F_{y}\, t_{f}}{t_{w}}}\, Q_{f}, \qquad \phi = 0.75 [math]

Bahnschere im Plattenbereich, wobei der Stützensteg zwischen den Flanschkräften auf Scherung wirkt (Gl. J10-9):

[math] \phi R_{n} = \phi\, 0.60\, F_{y}\, d_{c}\, t_{w}, \qquad \phi = 0.90 [math]

Für Endplatten, Die Zugschrauben biegen auch den Stützenflansch in ein Fließlinienmuster, geprüft wie die Endplatte selbst:

[math] \phi M_{cf} = \phi\, F_{y}\, t_{f}^{2}\, Y_{c} \ge 1.10\, M_{u,eq} [math]

In allen drei Beispielen war die Scherung der Plattenzone auf die Säule zurückzuführen, beim 0.461, 0.726 und 0.492. Eine fehlerhafte Panelzone benötigt eine Doppelplatte, und ein fehlerhafter Flansch- oder Stegnachweis erfordert Versteifungen gegenüber dem Trägerflansch.

Beispiele für Momentverbindungsdesigns (AISC 360-16 LRFD)

Bei jedem Beispiel unten handelt es sich um ein vollständiges AISC-Berechnungsblatt von SkyCiv Connection Design, Schritt für Schritt zu jeder Gleichung ausgeschrieben, Ersatzwert und DCR.

 

Das Muster ist wissenswert. In einer Endplatte, Die Schrauben und die Platte sind gleich dimensioniert und neigen dazu, nahe beieinander zu enden, und der Trägersteg begrenzt häufig die Schweißnähte. In einer Flanschplatte, Alles auf der Flanschseite wird gegen die gleiche Flanschkraft geprüft, Daher sind die Schweißnähte und die schlupfkritischen Schrauben am Ende gleich stark beansprucht. In allen dreien, Die Säule benötigte keine Versteifungen oder Verdoppelungsplatten, aber die Panelzone war die Säulenprüfung, die ihrer Grenze am nächsten kam.

Zur Theorie hinter den Beispielen, sehen Entwurf von Stahlverbindungen mit AISC 360-16.

Welche Momentverbindung sollten Sie verwenden??

Was prüft die Software??

Zuerst wird die Detaillierung ausgeführt: Bolzenrandabstände, Schraubenabstand (Tonhöhe und Spurweite), Werkzeugabstände, minimale und maximale Plattenabmessungen, Mindestschweißnahtgrößen, und Kollisionserkennung zwischen Platten, Versteifungen, Schrauben und Schweißnähte. Eine Verbindung, die nicht aufgebaut werden kann, erreicht die Lösung nicht.

Die Festigkeitsprüfungen erfolgen dann wie oben beschrieben. Für Endplatten bedeutet dies den erforderlichen Bolzendurchmesser und die Plattendicke aus dem Design Guide 39, der verlängerte Teil der Platte wird geschert, die Flansche und Stege verschweißen sich mit ihrem Grundwerkstoff, und Schraubenscherung, Lager und Ausreißer. Bei Flanschplatten bedeutet es Schlupf, Lager, Blockschere, Plattenspannung und -druck, Strahlbruch an den Löchern und Schweißnähten, plus Stegblech als Scherlasche. Auf der Säule bedeutet es Flanschbiegung, Web-lokale Nachgiebigkeit, Weblähmung, Bahnkompressionsknickung und Plattenzonenscherung.

Jede Formel, Die Designprüfung und die Codereferenz werden vollständig angezeigt, mit Klauselnummern von AISC 360-16, So können Sie der Berechnung folgen, statt sie auf Vertrauen zu verlassen. Die oben aufgeführten Beispiele stammen aus diesen Berichten. Für die Befestigungsseite, siehe Dokumentation unter Schrauben und Schweißnähte.

Momentverbindung vs. Schubverbindung: der Unterschied

Der Unterschied besteht darin, was mit dem Winkel zwischen den beiden Elementen geschieht. In einer Momentverbindung wird dieser Winkel beibehalten, so wirkt sich die Biegung in einem Glied auch auf das andere aus. Bei einer Scherverbindung ist die Verbindung frei drehbar, Das Ende des Balkens dreht sich also, und kein nennenswertes Moment kreuzt die Verbindung. Sehen Was ist eine Scherverbindung? für die andere Hälfte des Vergleichs.

 

 

Häufig gestellte Fragen

Wie berechnet man die Flanschkraft in einer Momentenverbindung??

Teilen Sie das Trägerendmoment durch den Abstand zwischen den Flanschschwerpunkten, [mathin] d – t_{f} [mathin], und fügen Sie die Hälfte einer beliebigen Axiallast hinzu. Ein 300 Kip-ft-Moment bei einem W24x84 (d = 24.1 im, t_f = 0.77 im) mit 100 Kippen der Axiallast ergibt 204.31 Kippen Sie jeden Flansch ein.

Was ist der Unterschied zwischen einer vollständig eingespannten und einer teilweise eingespannten Momentenverbindung??

Eine völlig zurückhaltende (NS) Die Verbindung bestimmt den Winkel zwischen den Elementen, so kann der Rahmen mit einem festen Gelenk analysiert werden. Eine teilweise zurückhaltende (PR) Verbindung überträgt Moment, dreht sich aber merklich, Daher muss seine Rotationssteifigkeit in die Analyse einbezogen werden. AISC 360-16 B3.4 definiert beides. Mit der 0.8 Reduktionsfaktor für bündige Endplatten im Design Guide 39 existiert, um diese Verbindungen steif genug zu halten, um als FR behandelt zu werden.

Wann benötigt eine Momentenverbindung Stützenversteifungen oder eine Verdoppelungsplatte??

Wenn die Säule versagt, wird einer der J10-Prüfungen unter den Flanschkräften durchgeführt. Lokales Biegen des Flansches, Web-lokale Nachgiebigkeit, Stegverkrüppelungen und Stegdruckbeulen werden mit Querversteifungen gegenüber den Trägerflanschen befestigt. Der Elementbereichsschub wird mit einer Verdoppelungsplatte am Stützensteg befestigt. Oft ist ein schwererer Säulenabschnitt billiger als beides, weil Versteifungen und Verdoppelungen das Schweißen ergänzen.

Was ist der Unterschied zwischen einer bündigen und einer verlängerten Endplatte??

Eine bündige Endplatte stoppt an den Trägerflanschen, also sind alle Schrauben dazwischen. Über den Spannflansch ragt eine verlängerte Endplatte mit außen liegender Schraubenreihe hinaus. Diese Reihe hat den längsten Hebelarm, und die Erweiterung fügt Ertragslinien hinzu, Eine verlängerte Platte trägt also ein viel größeres Moment. Eine bündige Platte wird verwendet, wenn die Verbindung innerhalb der Balkentiefe bleiben muss.

Warum sind Flanschplattenschrauben rutschkritisch??

Flanschplatten sind in der Regel mit übergroßen Löchern versehen, um dem Erektor Toleranz an den Flanschen zu geben, und AISC 360-16 J3.2 erlaubt übergroße Löcher nur bei gleitkritischen Verbindungen. Die Schrauben werden vorgespannt und die Stoßflächen vorbereitet, typischerweise zur Klasse B, Die Verbindung trägt also die Flanschkraft durch Reibung.

Kann ich eine Momentverbindung mit ASD anstelle von LRFD entwerfen??

Ja. Die Grenzzustände sind gleich. Ersetzen [mathin] \phi R_{n} [mathin] mit [mathin] R_{n} / \Omega [mathin] und mit den ASD-Lasten vergleichen. SkyCiv Connection Design führt beides aus, und das Umschalten zwischen ihnen ist eine Einstellung.

Folgen die Beispiele dem AISC-Handbuch der 15. oder 16. Ausgabe??

Sie folgen AISC 360-16 mit dem AISC-Handbuch 15. Ausgabe, die um diese Spezifikation herum geschrieben ist, und AISC Design Guide 39 für die Endplatten. Das Handbuch der 16. Ausgabe ist mit AISC gekoppelt 360-22. Die Grenzzustände sind weitgehend gleich, aber Klausel- und Tabellenverweise werden verschoben, Vergleichen Sie sie daher mit der Edition, die Ihr Projekt verwendet.

SkyCiv Connection Design Software

Die oben genannten Modelle und Schecks stammen von SkyCiv-Verbindungsdesign. Es deckt ab 80+ vorkonfigurierte Verbindungstypen, Entwürfe an AISC 360-16 (LRFD & ASD) und 4100:2020, und zeigt jede Formel, Designprüfung und Codereferenz vollständig.

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Verweise

• AISC 360-16, Spezifikation für Baustahlgebäude: B3.4, D3 (Tabelle D3.1), F13.1 (Gl. F13-1), J2.2b (Tabelle J2.4), J2.4, J3.1 (Tabelle J3.1), J3.2, J3.3, J3.4, J3.5, J3.6, J3.8, J3.10, J4.1, J4.3, J4.4 (Gl. J4-6), J10 (Gl. J10-1, J10-2, J10-4, J10-8, J10-9).
• AISC-Stahlkonstruktionshandbuch, 15th Ausgabe: Teil 9 (Gl. 9-2, Grundmetallbeschränkung für die Schweißnahtgröße); Teil 12 (voll zugfeste Momentenverbindungen).
• AISC-Designhandbuch 39, Endplatten-Momentverbindungen.