Ejemplo de diseño de conexión AISC
Ejemplo de diseño de conexión AISC. Las conexiones de corte entre secciones en forma de I son algunas de las conexiones más comunes en el diseño de acero.. Para ayudar a comprender las comprobaciones de diseño requeridas de acuerdo con AISC 360, este artículo usará un ejemplo de diseño para explicarlos. Con este tipo de conexión, También podemos obtener rápidamente los resultados de este ejemplo mediante el uso de la SkyCiv Connection Design módulo. Asegúrese de consultar el artículo adicional sobre diseñando una conexión de momento.
Los cálculos presentados aquí utilizarán el diseño de tensión admisible (ASD) método. Si no está familiarizado con la diferencia entre ASD y LRFD en el diseño estructural, asegurate que mira nuestro video explicando esto.
Ejemplo de diseño de conexión AISC
Para este ejemplo, Evaluaremos la capacidad de una conexión de placa única entre una viga W16x50 y una columna W14x90 usando las dimensiones y los pernos que se muestran a continuación.. Esta conexión debe poder soportar las reacciones del extremo de la viga..
Dado:
Cargas de nivel de servicio & Material:
Reacción de carga muerta (RD) = 8.0 kips
Reacción de la carga viva (RL) = 25.0 kips
Material de la placa: ASTM A36, Fy = 36 KSI, Fu = 58 KSI
Material de vigas y columnas: ASTM A992, Fy = 50 KSI, Fu = 65 KSI
Geometría de vigas y columnas:
Calculadora de: W16x50; tw = 0.380 in, d = 16.3 en., t f = 0.630 in
Columna: W14x90; tf = 0.710 in.
Placa de corte: 1/4 en grueso; 4 1/2 en x 11 en dimensiones
Accesorios (Pernos y soldaduras):
(4) – 3/4-in.-Pernos de diámetro ASTM A325-N en orificios estándar
70-filetes de electrodo ksi
Cálculo de carga:
LRFD:
Última reacción (Ru) = 1.2(8.0 kips ) + 1.6(25.0 kips ) = 49.6 kips
ASD:
Reacción permitida (Fuera) = 8.0 kips + 25 kips = 33.0 kips
Uso del software de diseño de conexión SkyCiv, las diferentes partes de la conexión ahora serán verificadas de acuerdo con las verificaciones de la Sección J de AISC 360:
Rendimiento de cizallamiento de la placa de banda (W14x90)
Capacidad de corte permitida:Capacidad de corte permitida: Ω = 1.5
Rav = (0.6 Fy Agv / Ω) = [ 0.6 (36 KSI) (0.25 in) 11.5 in / 1.5 ] = 41.4 kips
Relación de capacidad de diseño, DCR:
cizalla requerida, RV = 33.0 kips
capacidad total, Rav = 41.4 kips
DCR = (33.0 / 41.4) = 0.797, OK
Placa de tejido a brida W14x90, Fuerza de soldadura
Resistencia de las soldaduras de filete: Ω = 2.0
Tamaño de soldadura, t = 0.1875 in
Mi nombre = 0.6 FEXX
Mi nombre = 0.6 FEXX [ 1.0 + 0.5 sin^1.5 θ ]
θ = el ángulo que forma la carga con el eje de soldadura
= 90, para soldaduras cargadas transversalmente
= 0, para soldaduras cargadas longitudinalmente
Resistencia por unidad de tamaño de soldadura:Resistencia por unidad de tamaño de soldadura:
Tensión de soldadura admisible, Faw = [ 0.6 (70) / 2.0 ] = 21 KSI
longitud transversal, es = 23 in
longitud longitudinal, ll = 0 in
longitud efectiva total, l = es (1.5) + ll (1.0) = 23 (1.5) + 0 (1.0) = 34.5 in
(Fuera / t) = 724.5 kips / in
Tamaño efectivo (garganta) de soldadura de filete, a:
0.707 = el coseno o seno de 45 grados
a = (0.707) t = 0.133 in
Fuera = (Rata) t = 724.5 (0.133 in) = 96.1 kips
Relación de capacidad de diseño, DCR:
carga requerida, R = 33.0 kips
capacidad total, Ra = 96.1 kips
DCR = (33.0 / 96.1) = 0.344, OK
Ruptura por cizallamiento de la placa de la red (W16x50)
Capacidad de corte permitida: Ω = 2.0
Cálculo de la profundidad neta:
longitud total del orificio del perno(s) = 0.875 in (4) = 3.5 in
profundidad neta, dnet = 11.5 en - [ 0.875 in (4) ] = 8.0 in
Rav = (0.6 Fy anv / Ω) = [ 0.6 (58 KSI) (0.25 in) 8 in / 2.0 ] = 34.8 kips
Relación de capacidad de diseño, DCR:
cizalla requerida, RV = 33.0 kips
capacidad total, Rav = 34.8 kips
DCR = (33.0 / 34.8) = 0.948, OK
Placa de cinta a cinta W16x50, Resistencia a la rotura por cizallamiento del bloque
Resistencia al corte del bloque: Ω = 2.0
(Fuera / Ω) = (Ubs Fu Ant / Ω) + min [ 0.6 Fy Agv , 0.6 Fu Anv ] / Ω
Componente de ruptura por tensión: Ubs= 1.0 (tensión uniforme)
(Ubs Fu Ant / Ω) = [ 1.0 (58 KSI) (1.0625 in) (0.25 in) / 2.0 ] = 30.8 kips / in (0.25 in) = 7.7 kips
Componente de rendimiento de cizallamiento: 0.6 Fy Agv
(0.6 Fy Agv / Ω) = [ 0.6 (36 KSI) (10.25 in) / 2.0 ] (0.25) = 110.7 kips / in (0.25 in) = 27.7 kips
Componente de ruptura por cizallamiento: 0.6 Fu Anv
(0.6 Fu Anv / Ω) = [ 0.6 (58 KSI) (7.1875 in) / 2.0 ] (0.25 in) = 125.1 kips / in (0.25 in) = 31.3 kips
Capacidad total de corte del bloque:Capacidad total de corte del bloque:
(Fuera / Ω)= 7.7 kips + min [ 27.7 kips , 31.3 kips ] = 35.4 kips
Relación de capacidad de diseño, DCR:
cizalla requerida, RV = 33.0 kips
capacidad total, Rav = 35.4 kips
DCR = (33.0 / 35.4) = 0.933, OK
Placa de cinta a cinta W16x50, Cizalla de grupo de tornillos, Ejemplo de diseño de conexión AISC
1. Resistencia al corte de los pernos: Ω = 2.0
Ejemplo de diseño de conexión AISC 0.768 in
Resistencia al corte nominal, Fnv = 54 KSI
Resistencia al corte nominal (por perno), Rnv = 0.6 Fnv Desde = 0.6 (54 KSI) 0.463 Ejemplo de diseño de conexión AISC 25.0 kips
(Rnv / Ω) = 12,5 kips / tornillo
2. Resistencia al rodamiento de los orificios de pernos estándar: Ω = 2.0
(Ignorar la deformación del orificio del perno a nivel de carga de servicio)
Distancia del borde, la = 0.84 in
(claro)distancia al agujero adyacente, lc = 2.19 in
Dado que la distancia al borde es menor que la distancia adyacente al siguiente orificio del perno, la distancia al borde controlará:
(Rnb / Ω) = (1.2 lc t Fu / Ω) ≤ (2.4 d t Fu / Ω)
Para el perno exterior (arrancar), lc = 0.84 in:
Rnb = 1.2 lc t Fu = 1,2 (0.84 in) 0.25 in (58 KSI) = 18.4 kips
(Rnb / Ω) = 9.2 kips
Para el perno interior (arrancar), lc = 2.19 in:
Rnb = 1.2 lc t Fu = 1.2 (2.19 in) 0.25 in (58 KSI) = 47.6 kips
(Rnb / Ω) = 23.8 kips
Para cojinete general (alargamiento del orificio del perno):
Rnb = 2.4 Ejemplo de diseño de conexión AISC Fu = 2.4 (0.8125 in) 0.25 in (58 KSI) = 33.4 kips
(Rnb / Ω) = 16.7 kips
El rodamiento controlará el corte del perno desde 9.2 kips < 12.5 kips
3. Capacidad de Bolt Group
Considerando el mínimo entre: capacidad de corte del perno, cojinete y desgarro en orificios de pernos internos y externos.
a). Capacidad del perno exterior (como se estableció arriba):
(perno exterior) , Rab = 9.2 kips / tornillo
b). Capacidad del perno interior (como se estableció arriba):
(perno interior) , Rab = 12.5 kips / tornillo
c). Capacidad de los pernos como grupo: suma de las capacidades a). y B).
Rab = 1 (9.2 kips / tornillo) + 3 (12.5 kips / tornillo) = 46.7 kips
Relación de capacidad de diseño, DCR:
cizalla requerida, R = 33.0 kips
capacidad total, Rab = 46.7 kips
DCR = (33.0 / 46.7) = 0.707, OK
Ruptura por cizallamiento del elemento web (W16x50)
Capacidad de corte permitida: Ω = 2.0
Cálculo de la profundidad neta:Cálculo de la profundidad neta:
longitud total del orificio del perno(s) = 0.875 in (4) = 3.5 in
profundidad neta, dnet = 16,3 - [ 0.875 in (4) ] = 12.8 in
Rav = (0.6 Fy anv / Ω) = [ 0.6 (58 KSI) (0.38 in) 12.8 / 2.0 ] = 84.6 kips
Relación de capacidad de diseño, DCR:
cizalla requerida, RV = 33.0 kips
capacidad total, Rav = 84.6 kips
DCR = (33.0 / 84.6) = 0.390, OK
Elemento web, Comprobación de cizallamiento y cojinete del grupo de tornillos
1. Resistencia al corte de los pernos: Ω = 2.0
Ejemplo de diseño de conexión AISC 0.768 in
Resistencia al corte nominal, Fnv = 54 KSI
Resistencia al corte nominal (por perno), Rnv = 0.6 Fnv Desde = 0.6 (54 KSI) 0.463 Ejemplo de diseño de conexión AISC 25.0 kips
(Rnv / Ω) = 12,5 kips
2. Resistencia al rodamiento de los orificios de pernos estándar: Ω = 2.0
(Ignorar la deformación del orificio del perno a nivel de carga de servicio)
Distancia del borde, la = 0.84 in
(claro) distancia al agujero adyacente, lc = 2.19 in
Dado que la distancia al borde es menor que la distancia adyacente al siguiente orificio del perno, la distancia al borde controlará.
(Rnb / Ω) = (1.2 lc t Fu / Ω) ≤ (2.4 d t Fu / Ω)
Para el perno exterior (arrancar), lc = 0.84 in:
Rnb = 1.2 lc t Fu = 1.2(0.84 in) 0.38 in (58 KSI) = 27.9 kips
(Rnb / Ω) = 13.9 kips
Para el perno interior (arrancar), lc = 2.19 in:
Rnb = 1.2 lc t Fu = 1.2 (2.19 in) 0.38 in (58 KSI) = 72.3 kips
(Rnb / Ω) = 36.2 kips
Para cojinete general (alargamiento del orificio del perno):
Rnb = 2.4 Ejemplo de diseño de conexión AISC Fu = 2.4 (0.8125 in) 0.38 in (58 kksi) = 50.8 kips
(Rnb / Ω) = 25.4 kips
El cizallamiento del perno controlará el rodamiento ya que 12.5 kips < 13.9 kips
3. Capacidad de Bolt Group
Considerando el mínimo entre: capacidad de corte del perno, cojinete y desgarro en orificios de pernos internos y externos.
a). Capacidad del perno exterior (como se estableció arriba):
(perno exterior), Rab = 12.5 kips / tornillo
b). Capacidad del perno interior (como se estableció arriba):
(perno interior), Rab = 12.5 kips / tornillo
c). Capacidad de los pernos como grupo: suma de las capacidades a). y B)
Rab = 12.5 kips + 3(12.5 kips ) = 50.0 kips
Relación de capacidad de diseño, DCR:
cizalla requerida, R = 33.0 kips
capacidad total, Rab = 50.0 kips
DCR = (33.0 / 50.0) = 0.660, OK
Alternativamente, si ya es un ingeniero experimentado y está familiarizado con el proceso de diseño para una conexión de corte simple, el proceso se puede acortar sustancialmente, gracias a las tablas de diseño ofrecidas en el AISC 360 Manual de diseño:
Cizalla de perno, Cizalla de soldadura, y cojinete de perno, Rendimiento de cizallamiento, Ruptura por cizallamiento, y rotura de la placa por cizallamiento en bloque
Prueba cuatro filas de tornillos, 1/4-in. espesor de la placa, y 3/16 pulg.. tamaño de la soldadura de filete.
De la tabla 10-10a del manual AISC:
LRFD
Rn = 52.2 kips > 49.6 kips , OK
ASD
Rn = 34.8 kips > 33.0 kips = Ra, OK
Cojinete de perno para alma de viga
Ruptura por cizallamiento del bloque, la deformación por cizallamiento y la rotura por cizallamiento no controlarán una sección sin casquillo.
De la tabla manual AISC 10-1, para una sección no cubierta, la fuerza disponible del alma de la viga es:
LRFD
Rn = 351 kips / in. (0.380 en.) = 133 kips > 49.6 kips = Ru, OK
ASD
Rn = 234 kips / in. (0.380 en.) = 88.9 kips > 33.0 kips = Ra, OK
Ejemplo de diseño de conexión AISC (la versión pdf está disponible aquí: Informe de diseño de conexión ASD.pdf ). De igual forma, el ejemplo de la versión LRFD se puede encontrar en este enlace: Diseño de conexión LRFD.pdf.
REFERENCIAS:
AISC 360 Especificación Edificios de acero estructural
Ejemplos de diseño AISC v14.1 (EJEMPLO II.A-17, páginas IIA-60 a 61)
Software de diseño de conexión SkyCiv: https://skyciv.com/structural-software/connection-design/
