Connexion rigide

Types de connexions de moment

Les connexions de moment transportent beaucoup plus de moment qu'une connexion de cisaillement, et ils coûtent plus cher à fabriquer: plus de matériel, plus de soudure, plus d'aménagement et plus d'inspection. La plupart des cadres les utilisent uniquement lorsque la structure repose sur l'action du cadre pour la stabilité latérale., et utilisez des connexions de cisaillement partout ailleurs.

Les configurations disponibles dépendent du code de conception et de la composition des poutres..

Poutre vers poteau en I (AISC 360-16)

Quatre configurations, charpente à la semelle du poteau ou à l'âme du poteau:

• Plaque de bride. Plaques aux ailes supérieures et inférieures de la poutre, soudé en atelier à la colonne et boulonné sur place à la poutre. Alors que la poutre se plie, une plaque passe en tension et l'autre en compression, et ce couple porte le moment. Une plaque d'âme séparée, en fait une languette de cisaillement, porte la cisaille. Toutes les soudures se font dans l'atelier, c'est pourquoi les fabricants l'aiment (exemple travaillé).
• Brides soudées. Les semelles de poutre sont soudées directement à la semelle du poteau sans plaque intermédiaire, et l'âme est boulonnée à une languette de cisaillement. Cela donne le joint le plus rigide du groupe et le chemin de charge le plus propre, mais il s'agit d'un soudage sur site sur un élément qui doit s'adapter à la tolérance, donc il transporte le préchauffage, des coûts d'accès et d'inspection qu'un détail boulonné ne représente pas.
• Plaque d'extrémité affleurante. Une plaque soudée à l'extrémité de la poutre et boulonnée au poteau, finir au ras des ailes de la poutre afin que tous les boulons soient placés entre eux. Il reste dans la profondeur du faisceau, qui convient aux sols, mais les boulons’ le bras de levier est limité, donc ça convient aux moments modérés (exemple travaillé).
• Plaque d'extrémité étendue. La même idée, avec la plaque dépassant de la bride de tension afin qu'une rangée de boulons puisse s'asseoir à l'extérieur. Cette rangée a le bras de levier le plus long autour de la bride de compression, et l'extension ajoute des lignes d'élasticité à la plaque, c'est ce qui achète la capacité de moment supplémentaire. C'est la configuration affichée en haut de cette page (exemple travaillé).

Comment concevoir une connexion momentanée à AISC 360-16

Chaque connexion instantanée est conçue en suivant la force de la bride. Le moment de la poutre devient une force de tension dans une semelle et une force de compression dans l'autre.. Chaque force passe de la semelle de la poutre, à travers les boulons, plaques ou soudures, dans la bride du poteau, et la colonne doit le porter. La cisaille traverse la toile séparément. Un échec n’importe où sur l’un ou l’autre chemin est un échec de la connexion.

Les équations ci-dessous sont les formes LRFD de l'AISC 360-16, le manuel AISC 15e édition et, pour plaques d'extrémité, Guide de conception AISC 39. Pour les TSA, remplacer [mathin] \phi R_{n} [mathin] avec [mathin] R_{n} / \Omega [mathin], en utilisant le [mathin] \Omega [mathin] donné dans la même clause ([mathin] \Omega = 2.00 [mathin] où [mathin] \phi = 0.75 [mathin], et [mathin] \Omega = 1.67 [mathin] où [mathin] \phi = 0.90 [mathin]).

1. La force de la bride

Le moment se porte en couple. Le diviser par la distance entre les centres de gravité de la bride donne la force dans chaque bride, et une charge axiale ajoute la moitié de sa valeur à chaque bride:

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

Dans l'exemple de plaque à bride, a 300 moment de saut en pieds sur un W24x84 avec 100 le coup de charge axiale donne [mathin] P_{uf} = 204.31\,kip [mathin], et chaque contrôle sur les plaques à bride est effectué par rapport à ce numéro.

Les plaques d'extrémité fonctionnent de la même manière, mais guide de conception 39 transforme la tension axiale en un moment équivalent, parce qu'il tire sur les mêmes boulons de tension:

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

Ce n'est pas une petite correction. Dans l'exemple de la plaque d'extrémité affleurante, 150 un coup de tension transforme un 200 moment de saut dans 328.75 kip-ft.

2. Limites détaillées (J2.2b, J3.3, J3.4, J3.5)

Avant tout contrôle de solidité, la connexion doit être constructible. Les boulons nécessitent un espacement et une distance de bord minimum, une clé a besoin d'espace pour tourner, et les soudures d'angle nécessitent une taille minimale pour les pièces qu'elles relient (Tableau J2.4). L'espacement minimum des boulons est:

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

Une plaque d'extrémité doit également être suffisamment profonde au-delà de chaque bride pour que la soudure de la bride puisse s'adapter.. Dans l'exemple de la plaque d'extrémité étendue, l'espacement des colonnes de boulons se situe exactement sur le minimum, un rapport de 1.000, ce qui est autorisé. Les concepteurs disposent des boulons aux limites pour garder la plaque petite.

3. Plaques d'extrémité: taille des boulons et épaisseur de la plaque (Guide de conception 39)

Guide de conception 39 utilise une approche de plaque épaisse. Les boulons sont dimensionnés pour atteindre leur résistance à la traction sans forcer, puis la plaque est rendue suffisamment rigide pour que les effets de levier ne se développent jamais. Le diamètre du boulon provient des bras de levier [mathin] h_{i} [mathin] des rangées de boulons de tension autour du centre de la bride de compression:

[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]

La résistance à la flexion de la plaque provient d'un motif de ligne d'élasticité autour de ces boulons, résumé dans le paramètre de ligne d'écoulement [mathin] Y_{p} [mathin] à partir des tableaux du guide pour chaque modèle de boulons:

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

Ce logiciel 1.10 le facteur garde l'assiette 10% plus fort que la demande, donc il reste rigide et l'hypothèse de non-indiscrétion est valable. [mathin] \gamma_{r} [mathin] est 1.0 pour une plaque allongée et 0.8 pour une plaque de commande, car une plaque de commande est plus flexible et doit être plus épaisse pour être considérée comme entièrement retenue. L’extension est l’endroit où vient la force supplémentaire: l'exemple étendu a [mathin] Y_{p} = 212.35\,in [mathin], contre 123.54 pour la plaque de commande.

4. Plaques à bride: glisser, cisaillement des roulements et des blocs (J3.8, J3.10, J4.3)

Les plaques à bride sont souvent détaillées avec des trous surdimensionnés pour l'ajustement, et J3.2 autorise ceux-ci uniquement dans les joints à glissement critique. La résistance au glissement du groupe de boulons est:

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

où [mathin] \mu = 0.5 [mathin] pour surfaces de classe B, [mathin] D_{u} = 1.13 [mathin], [mathin] T_{b} [mathin] est la prétension minimale du boulon du tableau J3.1, et [mathin] h_{f} [mathin] est le facteur de remplissage, 0.85 lorsqu'il peut y avoir deux charges ou plus. [mathin] \phi = 0.85 [mathin] pour trous surdimensionnés. Dans l'exemple de plaque à bride, le glissement est vérifié à 0.978.

Le roulement des boulons et l'arrachement suivent J3.10 sur la plaque et la semelle de la poutre.:

[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]

et la plaque et la semelle de la poutre sont chacune vérifiées pour le cisaillement des blocs autour des boulons.:

[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]

Essayez les dispositions de boulons dans le calculateur de boulons.

5. Plaques à brides en traction et compression (J4.1, J4.4)

La plaque de tension est vérifiée pour vérifier sa déformation sur la section brute et sa rupture à travers les trous.:

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

La plaque de compression est une colonne courte entre la face de la colonne et la première rangée de boulons. S'il est assez trapu, J4.4 vous permet de sauter les équations de flambement du chapitre E:

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

Pour une assiette, [mathin] r = t / \sqrt{12} [mathin], donc une plaque mince atteint rapidement la limite. Ce logiciel 1/2 dans la plaque dans l'exemple de plaque à bride arrive à 24.942, juste en dessous 25.

6. La poutre au niveau des trous de boulons (D3, F13.1)

Les trous sortent de la semelle tendue de la poutre exactement au point de moment maximum. F13.1 vérifie s’ils réduisent la résistance à la flexion de la poutre:

[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] quand [mathin] F_{y}/F_{u} \le 0.8 [mathin]. La force de la bride doit également pénétrer dans la poutre: la moitié du faisceau, un tee-shirt, est traité comme un élément de tension relié uniquement par la bride, avec décalage de cisaillement réduisant la surface nette:

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

7. Soudures et métal de base (J2.4, Éq manuel. 9-2)

La force de la bride traverse une soudure dans chacune de ces connexions: plaque à bride sur colonne, ou bride de poutre à la plaque d'extrémité. Chargé perpendiculairement à sa longueur, une soudure d'angle obtient l'augmentation directionnelle J2.4 de 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]

L'acier de chaque côté limite l'importance de la taille de la soudure.. Pour les soudures sur les deux faces d'une pièce d'épaisseur t, la taille utilisable en seizièmes est:

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

Guide de conception 39 ajoute un plancher aux soudures des brides de la plaque d'extrémité: ils sont conçus pour au moins 60% de la limite d’élasticité de la bride, ainsi la soudure n'est jamais le maillon faible même sous un petit moment.

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

Dans l'exemple affleurant, le sol (295.2 kip) est supérieure à la force exercée par les charges (191.5 kip), donc le sol dimensionne la soudure. Dans l'exemple de plaque à bride, le 1/4 en soudure à la colonne régit toute la connexion à 0.998. Essayez les tailles dans le calculateur de soudure.

8. Parcourez le Web

Le cisaillement des poutres ne traverse pas les ailes. Dans une connexion à plaque à bride, il traverse la plaque d'âme, qui est conçu comme une languette de cisaillement: cisaillement des boulons, en appui sur la platine et l'âme de la poutre, cisaillement de bloc, et cisaillement et rupture de la plaque. Dans l'exemple de plaque à bride, rupture par cisaillement du 1 dans la plaque d'âme régit ce côté à 0.943.

Dans une plaque d'extrémité, le cisaillement traverse les soudures de l'âme en dehors de la zone de tension, et l'âme de la poutre limite souvent la soudure. Dans l'exemple de la plaque d'extrémité affleurante, le 1/2 dans l'âme limite la taille de soudure utilisable à 0.3287 in, moins que le 3/8 dans spécifié, et la soudure de l'âme en cisaillement régit la connexion à 0.988.

9. La colonne: pliage de bride, toile cédant, zone paralysante et panneau (J10)

Les forces des brides arrivent sur le poteau sous forme de charges concentrées, et la colonne doit les transporter sans échec local. Ces contrôles décident si le poteau a besoin de raidisseurs transversaux ou d'une plaque doubleur d'âme., et ils sont souvent moins chers à satisfaire avec une colonne plus lourde qu'avec des raidisseurs.

Cintrage local des brides, sous la bride de tension (Eq. J10-1):

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

Rendement Web local, avec longueur de roulement [mathin] l_{b} [mathin], loin de l'extrémité de la colonne (Eq. J10-2):

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

Guide de conception 39 utilise 6k au lieu de 5k pour les plaques d'extrémité, parce que la force se propage à travers la plaque avant d'atteindre la colonne.

Web paralysant, sous la bride de compression (Eq. 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]

Cisaille d'âme de zone de panneau, où l'âme du poteau entre les forces de la semelle est en cisaillement (Eq. J10-9):

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

Pour plaques d'extrémité, les boulons de tension plient également la bride de la colonne selon un motif de ligne d'élasticité, vérifié comme la plaque d'extrémité elle-même:

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

Le cisaillement de la zone du panneau régissait le poteau dans les trois exemples concrets, à 0.461, 0.726 et 0.492. Une zone de panneau défaillante nécessite une plaque double, et une semelle ou une vérification d'âme défaillante nécessite des raidisseurs à l'opposé de l'aile de la poutre..

Exemples de conception de connexions de moment (AISC 360-16 LRFD)

Chaque exemple ci-dessous est une feuille de calcul AISC complète de SkyCiv Connection Design, écrit étape par étape avec chaque équation, valeur substituée et DCR.

 

Le modèle vaut la peine d'être connu. Dans une plaque d'extrémité, les boulons et la plaque sont dimensionnés ensemble et ont tendance à se terminer près l'un de l'autre, et l'âme de la poutre limite souvent les soudures. Dans une plaque à bride, tout ce qui se trouve du côté de la bride est vérifié par rapport à la même force de bride, donc les soudures et les boulons critiques au glissement finissent par travailler aussi dur. Dans les trois, la colonne n'avait besoin d'aucun raidisseur ni plaque double, mais la zone du panneau était la vérification de colonne la plus proche de sa limite.

Pour la théorie derrière les exemples, voir conception d'assemblages en acier utilisant AISC 360-16.

À quel moment la connexion devez-vous utiliser?

Que vérifie le logiciel?

Les détails s'exécutent en premier: distances entre les bords des boulons, espacement des boulons (pas et jauge), jeux d'outils, dimensions minimales et maximales de la plaque, dimensions minimales des soudures, et détection de collision entre plaques, raidisseurs, boulons et soudures. Une connexion qui ne peut pas être établie n’atteint pas la solution.

Les contrôles de solidité suivent ensuite la procédure ci-dessus. Pour les plaques d'extrémité, cela signifie le diamètre de boulon et l'épaisseur de plaque requis dans le guide de conception. 39, la partie étendue de la plaque en cisaillement, la bride et l'âme sont soudées avec leur métal de base, et cisaille à boulons, roulement et arrachement. Pour les plaques à bride, cela signifie glissement, palier, cisaillement de bloc, tension et compression des plaques, rupture de poutre au niveau des trous et des soudures, plus la plaque d'âme comme languette de cisaillement. Sur la colonne, cela signifie le pliage des brides, rendement web local, Web paralysant, flambage par compression de l'âme et cisaillement de la zone des panneaux.

Chaque formule, le contrôle de conception et la référence du code sont affichés dans leur intégralité, avec les numéros de clause de l'AISC 360-16, pour que vous puissiez suivre le calcul plutôt que de vous y fier. Les exemples concrets ci-dessus sont rédigés à partir de ces rapports. Pour le côté fixation, voir la documentation sur boulons et soudures.

Connexion de moment vs connexion de cisaillement: la différence

La différence est ce qui arrive à l'angle entre les deux membres. Dans un moment de connexion, cet angle est maintenu, donc la flexion d'un membre se répercute sur l'autre. Dans un assemblage par cisaillement, l'assemblage est libre de tourner, de sorte que l'extrémité de la poutre tourne et qu'aucun moment significatif ne traverse le joint. Voir qu'est-ce qu'une connexion de cisaillement pour l'autre moitié de la comparaison.

 

 

Questions fréquentes

Comment calculer la force de la bride dans une connexion par moment?

Divisez le moment d'extrémité de la poutre par la distance entre les centres de gravité de la bride., [mathin] d – t_{f} [mathin], et ajoutez la moitié de toute charge axiale. A 300 moment de saut sur un W24x84 (d = 24.1 in, t_F = 0.77 in) avec 100 le coup de charge axiale donne 204.31 casser dans chaque bride.

Quelle est la différence entre un assemblage par moment entièrement retenu et un assemblage par moment partiellement retenu?

Un totalement retenu (FR) la connexion maintient l'angle entre les membres, le cadre peut donc être analysé avec un joint fixe. Un partiellement retenu (RP) la connexion transfère le moment mais tourne sensiblement, donc sa rigidité en rotation doit être prise en compte dans l'analyse. AISC 360-16 B3.4 définit à la fois. Ce logiciel 0.8 facteur de réduction sur les plaques d'extrémité affleurantes dans le Guide de conception 39 existe pour garder ces connexions suffisamment rigides pour être traitées comme FR.

Quand un assemblage de moment nécessite-t-il des raidisseurs de poteaux ou une plaque double?

Lorsque le poteau échoue à l'un des contrôles J10 sous les forces de la bride. Cintrage local des brides, rendement web local, le flambement de l'âme et le flambement par compression de l'âme sont fixés avec des raidisseurs transversaux à l'opposé des semelles de la poutre. Le cisaillement de la zone du panneau est fixé avec une plaque doubleur sur l'âme du poteau.. Souvent, une section de colonne plus lourde est moins chère que l'une ou l'autre, car les raidisseurs et les doubleurs ajoutent de la soudure.

Quelle est la différence entre une plaque d'extrémité affleurante et une plaque d'extrémité allongée?

Une plaque d'extrémité affleurante s'arrête au niveau des ailes de la poutre, donc tous les boulons sont entre eux. Une plaque d'extrémité étendue dépasse de la bride de tension avec une rangée de boulons à l'extérieur.. Cette rangée a le bras de levier le plus long, et l'extension ajoute des lignes de rendement, donc une plaque étendue porte un moment beaucoup plus important. Une plaque de déclenchement est utilisée lorsque la connexion doit rester dans la profondeur de la poutre.

Pourquoi les boulons des plaques à bride sont-ils critiques au glissement?

Les plaques à bride sont généralement détaillées avec des trous surdimensionnés, pour donner au monteur une tolérance au niveau des brides, et AISC 360-16 J3.2 autorise des trous surdimensionnés uniquement dans les connexions critiques au glissement. Les boulons sont précontraints et les surfaces de contact préparées, généralement à la classe B, donc le joint supporte la force de la bride par friction.

Puis-je concevoir une connexion momentanée avec ASD au lieu de LRFD?

Oui. Les états limites sont les mêmes. Remplacer [mathin] \phi R_{n} [mathin] avec [mathin] R_{n} / \Omega [mathin] et comparer avec les charges ASD. SkyCiv Connection Design exécute les deux, et basculer entre eux est un paramètre.

Les exemples suivent-ils le manuel AISC 15e ou 16e édition ??

Ils suivent l'AISC 360-16 avec le manuel AISC 15e édition, qui est écrit autour de cette spécification, et Guide de conception AISC 39 pour les plaques d'extrémité. Le manuel de la 16e édition s'associe à l'AISC 360-22. Les états limites sont sensiblement les mêmes, mais les références aux clauses et aux tables se déplacent, alors vérifiez-les par rapport à l'édition utilisée par votre projet.

Logiciel de conception de connexion SkyCiv

Les modèles et chèques ci-dessus proviennent de Conception de connexion SkyCiv. Il couvre 80+ types de connexion préconfigurés, conceptions selon AISC 360-16 (LRFD & ASD) et AS 4100:2020, et montre chaque formule, vérification de la conception et référence du code dans son intégralité.

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Références

• AISC 360-16, Spécification pour les bâtiments en acier de construction: B3.4, D3 (Tableau D3.1), F13.1 (Eq. F13-1), J2.2b (Tableau J2.4), J2.4, J3.1 (Tableau J3.1), J3.2, J3.3, J3.4, J3.5, J3.6, J3.8, J3.10, J4.1, J4.3, J4.4 (Eq. J4-6), J10 (Eq. J10-1, J10-2, J10-4, J10-8, J10-9).
• Manuel de construction en acier AISC, 15e édition: Partie 9 (Eq. 9-2, limite de métal commun sur la taille de la soudure); Partie 12 (connexions à moment entièrement retenu).
• Guide de conception AISC 39, Connexions de moment de la plaque d'extrémité.