Exemple de conception de connexion AISC
Exemple de conception de connexion AISC. Connexions de cisaillement entre les sections en forme de I sont quelques-unes des connexions les plus courantes dans la conception en acier. Pour aider à comprendre les contrôles de conception requis conformément à AISC 360-16, cet article fonctionne à travers un exemple de conception. Nous pouvons également accéder aux résultats de cet exemple directement via le Conception de connexion SkyCiv module. Assurez-vous de consulter l'article supplémentaire sur concevoir une connexion momentanée.
Une connexion par cisaillement est une connexion simple sous AISC 360-16 B3.4. Il est détaillé pour fournir la réaction d'extrémité de la poutre et pour tourner plutôt que pour supporter le moment d'extrémité, c'est ce qui le sépare de la connexion momentanée abordée dans l'article complémentaire.
Les calculs présentés ici utilisent le calcul des contraintes admissibles. (ASD) méthode. Si vous n'êtes pas familier avec la différence entre ASD et LRFD dans la conception structurelle, assurez-vous de regardez notre vidéo expliquer cela.
Exemple de conception de connexion AISC
Dans cet exemple, nous allons évaluer la capacité d'un connexion monoplaque entre une poutre W16x50 et un poteau W14x90 en utilisant les dimensions et les boulons indiqués ci-dessous. Cette connexion doit supporter la réaction de l'extrémité de la poutre.
Étant donné:
Charges de niveau de service & Matériau:
Réaction de la charge permanente (RD) = 8.0 kips
Réaction de Live Load (RL) = 25.0 kips
Matériau de la plaque: ASTM A36, Fy = 36 KSI, Fu = 58 KSI
Matériau de la poutre et de la colonne: ASTM A992, Fy = 50 KSI, Fu = 65 KSI
Géométrie des poutres et des poteaux:
Beam: L16x50; tw = 0.380 in, d = 16.3 dans., tf = 0.630 in
Colonne: L14x90; tf = 0.710 in.
Plaque de cisaillement: 1/4 en épaisseur; 4 1/2 en x 11 1/2 en dimensions
Ce logiciel 11 1/2 la profondeur de la plaque provient de la disposition des boulons: quatre boulons à 3 en espacement donne 9 entre les boulons extérieurs, plus a 1 1/4 en distance au bord haut et bas.
Agencements (Boulons et soudures):
(4) – 3/4-in.-boulons de diamètre ASTM F3125 Grade A325-N dans des trous standard, à 3 en espacement avec 1 1/4 en distance au bord
70-filets d'électrode ksi. A325 et A490 sont des qualités conformes à la norme ASTM F3125, qui a consolidé les anciennes spécifications de boulons autonomes. Pour en savoir plus côté fixations, voir la documentation sur boulons et soudures.
Calcul de la charge:
LRFD:
Réaction ultime (Ru) = 1.2(8.0 kips) + 1.6(25.0 kips) = 49.6 kips
ASD:
Réaction admissible (En dehors) = 8.0 kips + 25 kips = 33.0 kips
Chaque vérification ci-dessous est comparée à la réaction ASD de 33.0 kips. Le chiffre LRFD est utilisé uniquement pour la comparaison manuelle des tableaux à la fin.
Utilisation du logiciel SkyCiv Connection Design, les différentes parties de la connexion seront maintenant vérifiées conformément aux vérifications de la section J de l'AISC 360-16. Les chèques se répartissent en trois groupes: la plaque elle-même, la soudure qui le maintient à la colonne, et le groupe de boulons le reliant à l'âme de la poutre.
Plaque de cisaillement, Cisaillement
Capacité de cisaillement admissible: Ω = 1.5
Rav = (0.6 Fy Agv / Ω) = [ 0.6 (36 KSI) (0.25 in) 11.5 in / 1.5 ] = 41.4 kips
Rapport de capacité de conception, DCR:
cisaillement requis, RV = 33.0 kips
capacité globale, Rav = 41.4 kips
DCR = (33.0 / 41.4) = 0.797, d'accord
Plaque de cisaillement à bride W14x90, Force de soudure
Résistance des soudures d'angle: Ω = 2.0
Taille de la soudure, t = 0.1875 in
Mon nom = 0.6 FEXX [ 1.0 + 0.5 péché ^ 1,5 θ ]
θ = l'angle que fait la charge avec l'axe de soudure
= 90, pour les soudures chargées transversalement
= 0, pour les soudures chargées longitudinalement
Résistance par taille unitaire de soudure:
Contrainte de soudure admissible, Faw = [ 0.6 (70) / 2.0 ] = 21 KSI
longueur transversale, lt = 0 in
longueur longitudinale, ll = 23 in
longueur effective totale, l = lt (1.5) + ll (1.0) = 0 (1.5) + 23 (1.0) = 23 in
(En dehors / a) = 21 KSI (23 in) = 483 kips / in
La soudure s'étend des deux côtés de la plaque, alors le 23 dans est 2 X 11.5 dans et représente déjà les deux lignes. La charge s'étend ici le long de l'axe de la soudure, donc θ = 0 et il n'y a pas d'augmentation directionnelle.
Taille effective (gorge) de soudure d'angle, a:
0.707 = le cosinus ou sinus de 45deg
a = (0.707) t = 0.133 in
En dehors = (En dehors / a) a = 483 (0.133 in) = 64.2 kips
Rapport de capacité de conception, DCR:
charge requise, R = 33.0 kips
capacité globale, Ra = 64.2 kips
DCR = (33.0 / 64.2) = 0.514, d'accord
Plaque de cisaillement, Rupture de cisaillement
Capacité de cisaillement admissible: Ω = 2.0
Calcul de la profondeur nette:
longueur totale du trou de boulon(s) = 0.875 in (4) = 3.5 in
profondeur nette, dnet = 11.5 dans - [ 0.875 in (4) ] = 8.0 in
Ce logiciel 0.875 dans est le 13/16 dans le trou standard plus le 1/16 en allocation AISC s'applique lors du calcul de la superficie nette.
Rav = (0.6 Fu Anv / Ω) = [ 0.6 (58 KSI) (0.25 in) 8 in / 2.0 ] = 34.8 kips
Rapport de capacité de conception, DCR:
cisaillement requis, RV = 33.0 kips
capacité globale, Rav = 34.8 kips
DCR = (33.0 / 34.8) = 0.948, d'accord
Plaque de cisaillement à Web W16x50, Résistance à la rupture de cisaillement du bloc
Bloc de résistance au cisaillement: Ω = 2.0
(En dehors / Ω) = (Ubs Fu Ant / Ω) + min [ 0.6 Fy Agv , 0.6 Fu Anv ] / Ω
Le cisaillement des blocs arrache un seul bloc de la plaque: il se rompt sur la distance du bord horizontal et coupe la ligne de boulons, donc un terme de tension et un terme de cisaillement sont ajoutés.
Composant de rupture de tension: Ubs= 1.0 (tension uniforme)
(Ubs Fu Ant / Ω) = [ 1.0 (58 KSI) (1.0625 in) / 2.0 ] = 30.8 kips / in (0.25 in) = 7.7 kips
Composant de rendement de cisaillement: 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
Composant de rupture de cisaillement: 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
Capacité totale de cisaillement des blocs:
(En dehors / Ω)= 7.7 kips + min [ 27.7 kips , 31.3 kips ] = 35.4 kips
Rapport de capacité de conception, DCR:
cisaillement requis, RV = 33.0 kips
capacité globale, Rav = 35.4 kips
DCR = (33.0 / 35.4) = 0.933, d'accord
Plaque de cisaillement à Web W16x50, Vérification du cisaillement et du roulement du groupe de boulons
1. Résistance au cisaillement des boulons: Ω = 2.0
Diamètre du boulon = 0.768 in
Résistance au cisaillement nominale, Fnv = 54 KSI
Résistance au cisaillement nominale (par boulon), Rnv = Fnv De = (54 KSI) 0.463 dans^2 = 25.0 kips
(Rnv / Ω) = 12,5 kips / verrouiller
Ce logiciel 54 ksi est la contrainte de cisaillement nominale pour un boulon de grade A325 avec des filetages inclus dans le plan de cisaillement, tiré directement du tableau AISC J3.2, donc aucune réduction supplémentaire ne lui est appliquée.
2. Résistance portante des trous de boulons standard: Ω = 2.0
(Ignorer la déformation du trou de boulon au niveau de la charge de service)
distance libre au bord du boulon, lc = 0.84 in (du 1 1/4 en distance au bord moins un demi-trou)
distance libre par rapport au trou adjacent, lc = 2.19 in (du 3 en espacement moins un trou)
Le boulon de bord a la plus petite distance libre, donc il contrôle:
(Rnb / Ω) = (1.5 lc t Fu / Ω) ≤ (3.0 d t Fu / Ω)
Parce que la déformation du trou n'est pas prise en compte ici comme considération de conception, l'AISC 360-16 Coefficients J3-6b de 1.5 et 3.0 appliquer plutôt que le 1.2 et 2.4 de J3-6a.
Pour le boulon extérieur (arracher), 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
Pour le boulon intérieur (arracher), 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
Pour le roulement global (allongement du trou de boulon):
Rnb = 3.0 d t Fu = 3.0 (0.768 in) 0.25 in (58 KSI) = 33.4 kips
(Rnb / Ω) = 16.7 kips
Le roulement contrôlera le cisaillement du boulon car 9.2 kips < 12.5 kips
3. Capacité de Bolt Group
Compte tenu du minimum parmi: capacité de cisaillement des boulons, roulement et déchirure dans les trous de boulons intérieurs et extérieurs.
a). Capacité du boulon extérieur (comme établi ci-dessus):
(boulon extérieur) , Rab = 9.2 kips / verrouiller
b). Capacité du boulon intérieur (comme établi ci-dessus):
(boulon intérieur) , Rab = 12.5 kips / verrouiller
c). Capacité des boulons en tant que groupe: un boulon extérieur et trois boulons intérieurs
Rab = 1 (9.2 kips / verrouiller) + 3 (12.5 kips / verrouiller) = 46.7 kips
Rapport de capacité de conception, DCR:
cisaillement requis, R = 33.0 kips
capacité globale, Rab = 46.7 kips
DCR = (33.0 / 46.7) = 0.707, d'accord
Toile de poutre, Rupture de cisaillement (L16x50)
Capacité de cisaillement admissible: Ω = 2.0
Calcul de la profondeur nette:
longueur totale du trou de boulon(s) = 0.875 in (4) = 3.5 in
profondeur nette, 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
Rapport de capacité de conception, DCR:
cisaillement requis, RV = 33.0 kips
capacité globale, Rav = 84.6 kips
DCR = (33.0 / 84.6) = 0.390, d'accord
Toile de poutre, Vérification du cisaillement et du roulement du groupe de boulons
1. Résistance au cisaillement des boulons: Ω = 2.0
Diamètre du boulon = 0.768 in
Résistance au cisaillement nominale, Fnv = 54 KSI
Résistance au cisaillement nominale (par boulon), Rnv = Fnv De = (54 KSI) 0.463 dans^2 = 25.0 kips
(Rnv / Ω) = 12,5 kips
2. Résistance portante des trous de boulons standard: Ω = 2.0
(Ignorer la déformation du trou de boulon au niveau de la charge de service)
distance libre au bord du boulon, lc = 0.84 in
distance libre par rapport au trou adjacent, lc = 2.19 in
Le boulon de bord a la plus petite distance libre, donc il contrôle.
(Rnb / Ω) = (1.5 lc t Fu / Ω) ≤ (3.0 d t Fu / Ω)
Pour le boulon extérieur (arracher), 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
Pour le boulon intérieur (arracher), 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
Pour le roulement global (allongement du trou de boulon):
Rnb = 3.0 d t Fu = 3.0 (0.768 in) 0.38 in (58 KSI) = 50.8 kips
(Rnb / Ω) = 25.4 kips
Le cisaillement des boulons contrôlera le roulement depuis 12.5 kips < 13.9 kips
Notez que l'âme de la poutre est plus épaisse que la plaque à 0.380 en contre 0.250 in, donc chaque valeur de roulement ici est plus grande et les boulons eux-mêmes deviennent la limite. L'assiette, étant la partie la plus fine, C'est là que le roulement régit.
3. Capacité de Bolt Group
Compte tenu du minimum parmi: capacité de cisaillement des boulons, roulement et déchirure dans les trous de boulons intérieurs et extérieurs.
a). Capacité du boulon extérieur (comme établi ci-dessus):
(boulon extérieur), Rab = 12.5 kips / verrouiller
b). Capacité du boulon intérieur (comme établi ci-dessus):
(boulon intérieur), Rab = 12.5 kips / verrouiller
c). Capacité des boulons en tant que groupe: un boulon extérieur et trois boulons intérieurs
Rab = 12.5 kips + 3(12.5 kips) = 50.0 kips
Rapport de capacité de conception, DCR:
cisaillement requis, R = 33.0 kips
capacité globale, Rab = 50.0 kips
DCR = (33.0 / 50.0) = 0.660, d'accord
Chaque contrôle est réussi. La rupture par cisaillement des plaques régit à 0.948, avec cisaillement à bloc juste derrière à 0.933, et les deux sont des propriétés du 1/4 en assiette. Si cette réaction s'amplifiait, une plaque plus épaisse achèterait la plus grande capacité pour le moins de travail.
Aussi, si vous êtes déjà un ingénieur expérimenté et que vous connaissez le processus de conception pour une simple connexion de cisaillement, le processus peut être considérablement raccourci, grâce aux tables de calcul proposées dans l'AISC Steel Construction Manual:
Cisaillement de boulon, Cisaillement de soudure, et roulement de boulon, Cisaillement, Rupture de cisaillement, et bloquer la rupture de cisaillement de la plaque
Essayez quatre rangées de boulons, 1/4-in. épaisseur de la plaque, et 3/16 po. taille de soudure d'angle.
À partir du tableau 10-10a du manuel AISC:
LRFD
la spécification fournit un traitement intégré de la conception de la résistance admissibleRn = 52.2 kips > 49.6 kips = Ru, d'accord
ASD
Rn / Ω = 34.8 kips > 33.0 kips = Ra, d'accord
Le tableau renvoie la même chose 34.8 kips que le contrôle de rupture par cisaillement de plaque à main longue a donné ci-dessus, quel est le contrôle qui régit la plaque.
Roulement de boulon pour âme de poutre
Rupture de cisaillement de bloc, la déformation par cisaillement et la rupture par cisaillement ne contrôlent pas pour une section sans chaperon.
À partir du tableau du manuel AISC 10-1, pour une section non copiée, la résistance disponible de l'âme de la poutre est:
LRFD
la spécification fournit un traitement intégré de la conception de la résistance admissibleRn = 351 kips / in. (0.380 dans.) = 133 kips > 49.6 kips = Ru, d'accord
ASD
Rn / Ω = 234 kips / in. (0.380 dans.) = 88.9 kips > 33.0 kips = Ra, d'accord
L'exemple de conception de connexion AISC illustré ci-dessus est réalisé sous ASD (la version pdf est disponible ici: Rapport de conception de connexion ASD.pdf ). De manière similaire, l'exemple de version LRFD peut être trouvé dans ce lien: Conception de connexion LRFD.pdf.
Exécutez cet exemple vous-même
Entrez le W16x50, le W14x90 et le 1/4 en assiette, et le module renvoie chaque vérification ci-dessus avec son taux d'utilisation et la clause qui la sous-tend. Il s'exécute dans le navigateur, avec rien à installer.
LES RÉFÉRENCES:
AISC 360-16, Spécification pour les bâtiments en acier de construction
Manuel de construction en acier AISC, les tables 10-1 et 10h-10h
Exemples de conception AISC v14.1 (EXEMPLE II.A-17, pages IIA-60 à 61)
Logiciel de conception de connexion SkyCiv: https://skyciv.com/structural-software/connection-design/
Calculateur de connexion à plaque unique: https://skyciv.com/structural-software/connection-design/single-plate-connection-calculator/
