Ejemplo de diseño de conexión AISC
Ejemplo de diseño de conexión AISC. 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 360-16, este artículo funciona a través de un ejemplo de diseño. También podemos llegar a los resultados de este ejemplo directamente a través del SkyCiv Connection Design módulo. Asegúrese de consultar el artículo adicional sobre diseñando una conexión de momento.
Una conexión de corte es una conexión simple bajo AISC 360-16 B3.4. Se detalla para generar la reacción del extremo de la viga y rotar en lugar de soportar el momento final., que es lo que lo separa del momento de conexión cubierto en el artículo complementario..
Los cálculos presentados aquí utilizan el Diseño de tensión permitida. (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
En este ejemplo, vamos a evaluar la capacidad de un conexión de placa única entre una viga de W16x50 y una columna de W14x90 usando las dimensiones y pernos que se muestran a continuación. Esta conexión debe soportar la reacción 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., tf = 0.630 in
Columna: W14x90; tf = 0.710 in.
Placa de corte: 1/4 en grueso; 4 1/2 en x 11 1/2 en dimensiones
El 11 1/2 en la profundidad de la placa proviene de la disposición de los pernos: cuatro pernos en 3 en el espaciado da 9 entre los pernos exteriores, más tiene 1 1/4 en distancia al borde superior e inferior.
Accesorios (Pernos y soldaduras):
(4) – 3/4-in.-diámetro Pernos ASTM F3125 Grado A325-N en orificios estándar, a 3 en el espaciado con 1 1/4 en distancia al borde
70-filetes de electrodo ksi. A325 y A490 son grados dentro de ASTM F3125, que consolidó las especificaciones de pernos independientes más antiguas. Para más información sobre el lado del sujetador, ver la documentación en tornillos y soldaduras.
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
Cada verificación a continuación se compara con la reacción ASD de 33.0 kips . La cifra LRFD se incluye únicamente para la comparación manual de tablas al final.
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 360-16. Los controles se dividen en tres grupos.: el plato mismo, la soldadura que lo sujeta a la columna, y el grupo de tornillos que lo une al alma de la viga.
Placa de corte, Rendimiento de cizallamiento
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 corte 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 [ 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:
Tensión de soldadura admisible, Faw = [ 0.6 (70) / 2.0 ] = 21 KSI
longitud transversal, es = 0 in
longitud longitudinal, ll = 23 in
longitud efectiva total, l = es (1.5) + ll (1.0) = 0 (1.5) + 23 (1.0) = 23 in
(Fuera / a) = 21 KSI (23 in) = 483 kips / in
La soldadura recorre ambos lados de la placa., entonces el 23 en es 2 x 11.5 en y ya representa ambas líneas. Aquí la carga corre a lo largo del eje de soldadura., entonces θ = 0 y no hay aumento direccional.
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 = (Fuera / a) a = 483 (0.133 in) = 64.2 kips
Relación de capacidad de diseño, DCR:
carga requerida, R = 33.0 kips
capacidad total, Ra = 64.2 kips
DCR = (33.0 / 64.2) = 0.514, OK
Placa de corte, Ruptura por cizallamiento
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
El 0.875 en es el 13/16 en orificio estándar más el 1/16 en asignación AISC se aplica al calcular el área neta.
Rav = (0.6 Fu 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 corte en W16x50 Web, 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
La cizalla para bloques arranca un solo bloque de la placa: se rompe a lo largo de la distancia del borde horizontal y corta la línea del perno, entonces se suman un término de tensión y un término de corte.
Componente de ruptura por tensión: Ubs= 1.0 (tensión uniforme)
(Ubs Fu Ant / Ω) = [ 1.0 (58 KSI) (1.0625 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:
(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 corte en W16x50 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 = Fnv Desde = (54 KSI) 0.463 Ejemplo de diseño de conexión AISC 25.0 kips
(Rnv / Ω) = 12,5 kips / tornillo
El 54 ksi es el esfuerzo cortante nominal para un perno Grado A325 con roscas incluidas en el plano cortante, tomado directamente de la Tabla J3.2 del AISC, por lo que no se le aplica ninguna reducción adicional.
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 libre en el perno del borde, lc = 0.84 in (desde el 1 1/4 en distancia al borde menos medio agujero)
distancia libre al agujero adyacente, lc = 2.19 in (desde el 3 en espaciamiento menos un agujero)
El perno de borde tiene la distancia libre más pequeña, entonces controla:
(Rnb / Ω) = (1.5 lc t Fu / Ω) ≤ (3.0 d t Fu / Ω)
Porque aquí la deformación del agujero no se toma como una consideración de diseño., el AISC 360-16 J3-6b coeficientes de 1.5 y 3.0 aplicar en lugar de la 1.2 y 2.4 de J3-6a.
Para el perno exterior (arrancar), lc = 0.84 in:
Rnb = 1.5 lc t Fu =1.5 (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 = 1.5 lc t Fu = 1.5 (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 = 3.0 Ejemplo de diseño de conexión AISC Fu = 3.0 (0.768 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: un perno exterior más tres pernos interiores
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
Web de haz, Ruptura por cizallamiento (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 = 16,3 - [ 0.875 in (4) ] = 12.8 in
Rav = (0.6 Fu 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
Web de haz, 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 = Fnv Desde = (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 libre en el perno del borde, lc = 0.84 in
distancia libre al agujero adyacente, lc = 2.19 in
El perno de borde tiene la distancia libre más pequeña, entonces controla.
(Rnb / Ω) = (1.5 lc t Fu / Ω) ≤ (3.0 d t Fu / Ω)
Para el perno exterior (arrancar), lc = 0.84 in:
Rnb = 1.5 lc t Fu = 1.5(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 = 1.5 lc t Fu = 1.5 (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 = 3.0 Ejemplo de diseño de conexión AISC Fu = 3.0 (0.768 in) 0.38 in (58 KSI) = 50.8 kips
(Rnb / Ω) = 25.4 kips
El cizallamiento del perno controlará el rodamiento ya que 12.5 kips < 13.9 kips
Tenga en cuenta que el alma de la viga es más gruesa que la placa en 0.380 en contra 0.250 in, por lo que cada valor de rodamiento aquí es mayor y los pernos mismos se convierten en el límite. el plato, siendo la parte más delgada, es donde gobierna el rumbo.
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: un perno exterior más tres pernos interiores
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
Cada cheque pasa. La rotura por cizallamiento de la placa gobierna en 0.948, con corte de bloque cerca detrás en 0.933, y ambas son propiedades de la 1/4 en plato. Si esta reacción creciera, una placa más gruesa compraría la mayor capacidad con el menor trabajo.
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 que ofrece el Manual de Construcción en Acero AISC:
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
FiRn = 52.2 kips > 49.6 kips = Ru, OK
ASD
Rnorte / Ω = 34.8 kips > 33.0 kips = Ra, OK
La tabla devuelve lo mismo. 34.8 kips que la verificación de rotura por corte de placa de mano larga dio arriba, cual es el cheque que rige la placa.
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
FiRn = 351 kips / in. (0.380 en.) = 133 kips > 49.6 kips = Ru, OK
ASD
Rnorte / Ω = 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.
Ejecute este ejemplo usted mismo
Introduzca el W16x50, el W14x90 y el 1/4 en plato, y el módulo devuelve cada verificación anterior con su índice de utilización y la cláusula detrás de ella. Se ejecuta en el navegador., sin nada que instalar.
REFERENCIAS:
AISC 360-16, Especificación para edificios de acero estructural
Manual de construcción en acero AISC, Mesas 10-1 y 10-10a
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/
Calculadora de conexión de placa única: https://skyciv.com/structural-software/connection-design/single-plate-connection-calculator/
