Scherverbindung

Arten von Scherverbindungen

Scherverbindungen werden nach dem Bauteil benannt, das die Last trägt und wo es sitzt. Welche verfügbar sind, hängt vom Designcode und davon ab, in was der Balken eingerahmt wird, Daher sind die folgenden Listen auf diese Weise aufgeteilt.

Träger zur I-Profil-Säule, oder Balken an Balken (AISC 360-16)

Sechs Konfigurationen, jeder verfügbare Rahmen am Säulenflansch, zum Spaltennetz, oder Strahl an Strahl durch die Bahn:

• Einzelwinkel. Eine L-förmige Halterung zwischen dem Trägersteg und der Stütze. Die leichteste Option, und am flexibelsten, Daher eignet es sich für leichte Lasten. Die Reaktion liegt außerhalb der stützenseitigen Bolzenlinie, Diese Schrauben weisen also eine Exzentrizität auf (gearbeitetes Beispiel).
• Doppelwinkel. Winkel auf beiden Seiten des Trägerstegs. Durch den zusätzlichen Winkel werden die trägerseitigen Schrauben doppelt geschert und die Verbindung wird beim Aufbau nachgiebiger, Deshalb ist es das Arbeitstier für schwerere Träger (gearbeitetes Beispiel).
• Einzelplatte. Die Scherlasche. Ein Teller, Mit der Stütze verschweißt und mit dem Trägersteg verschraubt. Normalerweise das günstigste der Gruppe, weil es eine Schweißnaht und eine Schraubengruppe gibt (gearbeitetes Beispiel). Wenn die Platte über die Stützenflansche hinaus in einen Stützensteg reichen muss, es wird zu einer verlängerten Einzelplatte, das anders gestaltet ist (gearbeitetes Beispiel).
• Doppelplatte. Platten auf beiden Seiten der Bahn, Wird verwendet, wenn eine einzelne Platte die Scherung nicht tragen oder die erforderliche Schraubengruppe nicht aufnehmen kann.
• Endplatte. Eine Platte, die am Ende des Trägers angeschweißt und mit der Stütze verschraubt ist. Der Balken muss genau auf die richtige Länge zugeschnitten werden, da die Platte keine Verstellung zulässt (gearbeitetes Beispiel).
• Direkt geschweißtes Netz. Der Balkensteg ist direkt mit der Stütze verschweißt, ohne Zwischenplatte oder Winkel. Es sind keine Schrauben zu überprüfen, Es muss jedoch vor Ort geschweißt werden und die Montagetoleranz, die ein verschraubtes Detail bietet, ist nicht gegeben.

So entwerfen Sie eine Scherverbindung zu AISC 360-16

Jede Schubverbindung ist gleich gestaltet: Nehmen Sie die faktorisierte Balkenendreaktion, [mathin] R_{u} [mathin] (oder [mathin] R_{a} [mathin] für ASD), und vergleichen Sie jeden Teil des Lastpfads damit. Die Reaktion verlässt das Strahlnetz, verläuft durch die trägerseitigen Bolzen oder Schweißnähte in die Platte oder Winkel, und dann durch die stützenseitigen Bolzen oder Schweißnähte in die Säule oder den Träger. Ein Fehler irgendwo auf diesem Pfad ist ein Verbindungsfehler.

Die folgenden Gleichungen sind die LRFD-Formen von AISC 360-16 und das AISC-Handbuch, 15. Auflage. 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 = 1.50 [mathin] wo [mathin] \phi = 1.00 [mathin]).

1. Detaillierungsgrenzen (J3.3, J3.4)

Vor jeder Festigkeitsprüfung, Die Geometrie muss baubar sein und den Annahmen hinter den Festigkeitsgleichungen entsprechen. Schrauben benötigen einen Mindestabstand und Randabstand, Ein Schraubenschlüssel braucht Platz zum Drehen, und die Platte oder der Winkel sollte mindestens halb so tief sein wie das T-Maß des Balkens, damit das Balkenende stabil bleibt. Der Mindestbolzenabstand beträgt:

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

Mindestrandabstände ergeben sich aus Tabelle J3.4, mit einem Zuwachs aus Tabelle J3.5, wenn die Kante über einem Langloch gemessen wird. In den bearbeiteten Beispielen ist eine Detaillierungsgrenze oft das höchste Verhältnis im gesamten Zusammenhang. Das ist normal: Die Konstrukteure haben die Schrauben an den Enden angeordnet, um die Platte klein zu halten.

2. Schraubenscherung und Exzentrizität (J3.6, Handbuchteil 7)

Die Scherfestigkeit einer Schraube beträgt:

[math] \phi r_{v} = \phi\, F_{nv}\, A_{b}\, N_{s} = \phi\, F_{nv}\, \frac{\pi}{4} d_{b}^{2}\, N_{s}, \qquad \phi = 0.75 [math]

wo [mathin] F_{nv} [mathin] stammt aus Tabelle J3.2 (54 ksi für A325-N und 68 ksi für A490-N, Güten gemäß ASTM F3125) und [mathin] N_{s} [mathin] ist die Anzahl der Scherebenen. Die Schrauben in einer trägerseitigen Gruppe mit Doppelwinkel sind zweischnittig, [mathin] N_{s} = 2 [mathin].

Die Reaktion wirkt selten auf die Bolzenlinie. Wenn es in einiger Entfernung steht, Die Bolzen tragen ein Moment [mathin] R_{u}\, e [mathin] sowie die Schere, und die Gruppe liefert weniger als n Schrauben’ Wert der Stärke. Das momentane Rotationszentrum (ICOR) Methode findet diese reduzierte Anzahl, der Koeffizient C, aus der Last-Verformungs-Kurve jeder Schraube (Manuelle Gl. 7-1):

[math] R = R_{ult} \left( 1 – e^{-10\Delta} \right)^{0.55} [math]

[math] \phi R_{n} = C\, \phi r_{v} [math]

Wie viel Exzentrizität berücksichtigt werden muss, hängt von der Verbindungsart ab, und darin unterscheiden sich die fünf bearbeiteten Beispiele am meisten:

Für die Iteration selbst, sehen Schraubengruppenberechnung mit ICOR, oder führen Sie eine Bolzengruppe in der aus Schraubenrechner.

3. Bolzenlager und Ausreißer (J3.10)

Jeder Bolzen drückt auf den Rand seines Lochs. Die Lage wird entweder lokal um das Loch herum gequetscht (Lager) oder reißt einen Streifen bis zum nächsten Loch oder der Kante heraus (herausreißen). Bei der Verformung bei Betriebslast ist eine konstruktive Überlegung erforderlich:

[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]

[math] l_{c1} = L_{e} – \frac{d_{h}}{2} \qquad l_{c2} = s – d_{h} [math]

Der Randbolzen hat den kurzen lichten Abstand [mathin] l_{c1} [mathin], Daher wird es durch das Herausreißen normalerweise begrenzt, während die inneren Schrauben die erreichen 2.4 dt F_u Lagerdeckel. Überprüfen Sie jede Lage: der Platte oder Winkel, und das Balkennetz. Eine dünne Balkenbahn ist oft die schwache Lage, weil die Winkel oder die Platte unabhängig voneinander dimensioniert werden. Im Doppelwinkelbeispiel die beiden 1/4 in Winkeln geben 0.5 aus Stahl gegen die Bolzen, aber die 1/4 Das Balkennetz hat nur eine Lage, und Auflage auf der Bahn ist das höchste Festigkeitsverhältnis, beim 0.760.

Jeder Bolzen überträgt dann die geringste Scherkraft, Trag- und Ausreißfestigkeiten, und die Gruppenstärke ist die Summe (J3.6 Kommentar):

[math] \phi R_{n,eff} = \frac{C}{n} \sum_{i=1}^{n} \min\left( \phi r_{v},\ \phi r_{n,plate,i},\ \phi r_{n,web,i} \right) [math]

4. Blockschere (J4.3)

Ein Block der Platte, Winkel oder Balkensteg können rund um die Schraubengruppe ausreißen: Scherung entlang der Lochreihe plus Spannung quer zur freien Kante, normalerweise ein L-förmiger Block.

[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]

[mathin] U_{bs} = 1 [mathin] wenn die Zugspannung gleichmäßig ist, was bei einer einzelnen Schraubenreihe der Fall ist. Die Nettoflächen werden bei jedem Loch abgezogen [mathin] d_{h} + 1/16\,in [mathin] für Schäden beim Stanzen (B4.3). Im Beispiel der Schubendplatte, Die Blockscherung der Platte ist das zweithöchste Verhältnis, beim 0.920.

5. Schernachgeben und Scherbruch (J4.2)

Die Platte oder die Winkel tragen die gesamte Scherreaktion, über den Bruttoquerschnitt (nachgiebig) und über den Netzabschnitt durch die Löcher (Bruch):

[math] \phi R_{n} = \phi\, 0.6\, F_{y}\, A_{gv}, \qquad \phi = 1.00 [math]

[math] \phi R_{n} = \phi\, 0.6\, F_{u}\, A_{nv}, \qquad \phi = 0.75 [math]

Im Einzelplattenbeispiel, Scherbruch der 1/2 in der Platte ist die höchste Belastungsprüfung, beim 0.629.

6. Plattenbiegung und Scher-Biege-Wechselwirkung

Die Reaktion wirkt im Abstand vom Träger, Eine einzelne Platte ist also ein kurzer Ausleger. SkyCiv überprüft dies mit dem Double-Coped-Beam-Verfahren des Handbuchs, Dadurch wird die Platte wie ein Balkensteg behandelt, der oben und unten abgedeckt ist, und prüft den Biegebruch am Netzabschnitt durch die Löcher. Weil derselbe Abschnitt Scherung und Moment trägt, die beiden verbinden sich:

[math] \left( \frac{V_{u}}{\phi V_{n}} \right)^{2} + \left( \frac{V_{u}}{\phi R_{n}} \right)^{2} \le 1.0 [math]

Diese Kontrolle wächst mit der Exzentrizität. Bei der konventionellen Scherlasche ist sie gering, aber im erweiterten Einzelplattenbeispiel bestimmt die Bruchwechselwirkung die Verbindung bei 0.938.

7. Duktilität: die maximale Plattendicke (Handbuchteil 10)

Es wird davon ausgegangen, dass eine Scherverbindung rotiert. Wenn die Platte stärker auf Biegung ist als die Schrauben auf Scherung, Die Bolzen brechen, bevor die Platte nachgibt, Dies ist ein sprödes Versagen und widerspricht der einfachen Verbindungsannahme. Das Handbuch begrenzt die Plattendicke, sodass die Platte zuerst nachgibt:

[math] M_{max} = \frac{F_{nv}}{0.90}\, \frac{\pi}{4} d_{b}^{2}\, C’ [math]

[math] t_{max} = \frac{6\, M_{max}}{F_{y}\, d_{p}^{2}} [math]

C.’ ist der Schraubengruppenkoeffizient für das Moment allein. Dies ist der einzige Test, den eine dickere Platte noch schlimmer macht. Im Einzelplattenbeispiel a 1/2 im Teller sitzt bei 0.966 seiner Grenze.

8. Schweißnahtfestigkeit und Grundmetallgrenze (J2.4, Handbuchteil 9)

Die Kehlnähte, die die Platte oder Winkel mit der Stütze verbinden (oder die Endplatte am Trägersteg) tragen die Reaktion entlang ihrer Länge:

[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]

Für eine vertikale Reaktion an vertikalen Schweißnähten, [mathin] \theta = 0 [mathin] und der Richtungsfaktor ist 1.0. Der Stahl auf beiden Seiten der Schweißnaht begrenzt auch den Anteil der Schweißnahtgröße. Für Schweißnähte auf beiden Seiten einer Platte mit der Dicke t, Die nutzbare Größe beträgt in Sechzehnteln:

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

Eine größere Schweißnaht hilft also nicht immer. Im Beispiel der Schubendplatte 0.355 im Trägersteg begrenzt die nutzbare Schweißnaht auf ca 0.233 im, und die Schweißnaht bestimmt die Verbindung 0.995. Für einen einzelnen Teller, Das Handbuch fordert auch Filets davon [mathin] \frac{5}{8}\, t_{p} [mathin] auf beiden seiten, damit sich die Schweißnaht am Blech entwickeln kann, wenn es nachgibt. Probieren Sie Größen in der aus Schweißrechner.

9. Die fördernden und unterstützten Mitglieder

Die Verbindung ist nur so gut wie der Stahl, an dem sie befestigt ist. Ein Ausklinkbalken hat einen reduzierten Querschnitt am Ausklinken, die eine eigene Blockschere benötigt, Scher- und Biegeprüfungen; Das Einzelwinkel-Beispiel führt diese für eine W12x14-Kupplung am oberen Flansch durch. Wo der Balken in einen Trägersteg oder einen dünnen Stützensteg eingerahmt wird, Überprüfen Sie auch die Lagerung und den Ausriss an diesem Steg.

Beispiele für die Konstruktion von Schubverbindungen (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. Sie zeigen, wie sich die maßgebliche Prüfung von einem Verbindungstyp zum nächsten bewegt.

 

Das Muster ist wissenswert. Ein Kurzfilm, Herkömmliche Scherlaschen stoßen selten an ihre Grenzen. Sobald sich die Reaktion von den Bolzen entfernt, wie im Einzelwinkel und der verlängerten Platte, Die Exzentrizität bestimmt das Design. Und zwar in einer Schweißverbindung wie der Endplatte, Das dünnste Stück Grundmetall entscheidet über die Schweißnaht.
Für die Theorie hinter allen fünf, sehen Entwurf von Stahlverbindungen mit AISC 360-16.

Welche Schubverbindung sollten Sie verwenden??

Was prüft die Software??

Für eine Schubverbindung, Das Design führt sowohl einen Detaillierungsdurchgang als auch einen Festigkeitsdurchgang durch.

Die Detaillierung wird zuerst ausgeführt und erfasst die Geometrie: Bolzenrandabstände, Schraubenabstand (Tonhöhe und Spurweite), Werkzeugabstände, sowie minimale und maximale Plattenabmessungen, plus Kollisionserkennung zwischen Platten, Schrauben und Schweißnähte. Eine Verbindung, die hier scheitert, erreicht nie die Lösung. Das ist normalerweise das, was Sie wollen, denn die Zahlen spielen keine Rolle, wenn das Detail nicht gebaut werden kann.

Die Festigkeitsnachweise decken dann jeden Grenzzustand im oben genannten Verfahren ab: Bolzenschere von ICOR, Bolzenlager und Ausreißer, Blockscherbruch, Schernachgeben und Bruch, Plattenbiegung und ihre Wechselwirkung mit Scherung, Duktilität, und Schweißfestigkeit mit dem Grundmetallgrenzwert, plus die Kontrollen an den Balkenbalken und dem Stützelement. Der Berechnungsbericht zeigt jede Formel, Designprüfung und Codereferenz vollständig, mit den Klauselnummern von AISC 360-16 oder AS 4100:2020, So können Sie der Berechnung folgen, statt sie auf Vertrauen zu verlassen. Die oben aufgeführten Beispiele stammen aus diesen Berichten.

Für die Befestigungsseite hiervon, siehe Dokumentation unter Schrauben und Schweißnähte.

Was ist der Unterschied zwischen einer Scher- und Momentverbindung??

Eine Scherverbindung überträgt nur Scherkräfte. Eine Momentenverbindung überträgt auch Biegung. Betrachten Sie es als ein Scharnier: Eine Scherverbindung ermöglicht die Drehung des Balkenendes, Ein Moment der Verbindung hält es.

Die Unterscheidung ist eine Entscheidung über das Analysemodell, nicht nur im Detail. Eine so einfach gestaltete Scherlasche muss flexibel genug sein, dass sie sich tatsächlich drehen kann, Dies wird durch die Duktilitätsprüfung erzwungen, und eine Momentenverbindung muss steif genug sein, um die vom Rahmenmodell angenommene Festigkeit zu rechtfertigen.

 

 

Häufig gestellte Fragen

Wie berechnet man die Tragfähigkeit einer Schubverbindung??

Berechnen Sie die Stärke jedes Grenzzustands entlang des Lastpfads (Schraubenscherung mit der Exzentrizität, Lager und Ausriss auf jeder Lage, Blockschere, Schernachgeben und Bruch, Plattenbiegung, Duktilität und die Schweißnähte) und nimm das niedrigste. Der niedrigste Wert ist die Verbindungskapazität, und die Überprüfung, die es ergibt, ist der maßgebende Grenzzustand.

Ist eine Scherverbindung dasselbe wie eine Stiftverbindung??

Ja, zur Analyse. Eine Schubverbindung wird als Stift modelliert, frei drehen und kein Moment tragen. In der Praxis dauert es einen kleinen Moment, Deshalb AISC 360-16 B3.4 verlangt, dass eine einfache Verbindung über genügend Rotationskapazität verfügt, um die Drehung des Trägerendes aufzunehmen. Die Duktilitätsgrenze der Plattendicke ist eine Möglichkeit, dies durch die Konstruktion sicherzustellen.

Was ist die Exzentrizität in einer Scherlasche?, und warum ist es a/2?

AISC-Handbuchtabelle 10-9 Legt die Konstruktionsexzentrizität für eine herkömmliche Einzelplattenverbindung fest. Bei vielen Schraubenzahlen und Lochtypen beträgt der Abstand die Hälfte des Abstands von der Schweißnaht zur Schraubenlinie, a/2, weil der Punkt des Nullmoments zwischen der Schweißnaht und den Schrauben liegt. Außerhalb der herkömmlichen Grenzen, wie eine Platte, die in einen Säulensteg verlängert ist, Die gesamte Distanz wird ausgenutzt und die Bolzengruppe verliert deutlich mehr an Festigkeit.

Welcher Nachweis regelt in der Regel eine Scherverbindung?

Es kommt auf den Typ an. In den fünf bearbeiteten Beispielen war die maßgebende Belastungsprüfung der Plattenscherbruch (Einzelplatte), Auflage auf dem Trägersteg (Doppelwinkel), Bolzenscherung mit Exzentrizität (Einzelwinkel), die Scher-Biege-Wechselwirkung (verlängerte Einzelplatte) und die Schweißnaht (Scherendplatte). Die beiden Dinge, auf die man zuerst achten sollte, sind dünne Trägerstege und Exzentrizität.

Sollen die Bolzen lagerartig oder schlupfkritisch sein??

Bei den meisten Scherverbindungen werden festsitzende Lagerbolzen verwendet (A325-N, A490-N), Das ist es, was alle fünf bearbeiteten Beispiele verwenden. Schlupfkritische Schrauben werden dort benötigt, wo Schlupf ein Problem darstellen würde, B. übergroße Löcher oder Langlöcher parallel zur Last, oder Gelenke, die einer Ermüdung oder Lastumkehr ausgesetzt sind.

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

Ja. Die Grenzzustände sind identisch. Ersetzen [mathin] \phi R_{n} [mathin] mit [mathin] R_{n} / \Omega [mathin] und mit der ASD-Reaktion 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 und das AISC-Handbuch, 15. Auflage, die um diese Spezifikation herum geschrieben ist. Das Handbuch der 16. Ausgabe ist mit AISC gekoppelt 360-22. Die Grenzzustände der Schubverbindung 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, B4.3, J2.4 (Gl. J2-4), J3.2 (Tabelle J3.2), J3.3, J3.4 (Tabelle J3.4), J3.5 (Tabelle J3.5), J3.6 (Gl. J3-1) und Kommentar, J3.10 (Gl. J3-6a, J3-6c), J4.2 (Gl. J4-3, J4-4), J4.3 (Gl. J4-5).
• AISC-Stahlkonstruktionshandbuch, 15th Ausgabe: Teil 7 (Gl. 7-1, momentaner Drehpunkt); Teil 9 (Grundmetallbeschränkung für die Schweißnahtgröße, gebogene Balkenbiegung); Teil 10 (einfache Scherverbindungen, Tabelle 10-9, Gl. 10-3 und 10-4).
• AS 4100:2020, Stahlgerüst.