Connessione a taglio

Tipi di connessioni a taglio

Le connessioni a taglio prendono il nome dal componente che trasporta il carico e da dove si trova. Quali sono disponibili dipende dal codice di progettazione e dal tipo di struttura della trave, quindi gli elenchi seguenti sono divisi in questo modo.

Trave su colonna con sezione a I, o da trave a trave (AISC 360-16)

Sei configurazioni, ciascuna struttura disponibile alla flangia della colonna, all'anima della colonna, o da raggio a raggio attraverso il web:

• Angolo singolo. Una staffa a L tra l'anima della trave e il supporto. L'opzione più leggera, e il più flessibile, quindi è adatto a carichi leggeri. La reazione si trova fuori dalla linea dei bulloni dal lato del supporto, quindi quei bulloni portano un'eccentricità (esempio lavorato).
• Doppio angolo. Angoli su entrambe le facce dell'anima della trave. L'angolo aggiuntivo pone i bulloni lato trave a doppio taglio e rende la connessione più tollerante durante la costruzione, ecco perché è il cavallo di battaglia per le travi più pesanti (esempio lavorato).
• Piatto unico. La sezione di taglio. Un piatto, saldato in officina al supporto e imbullonato all'anima della trave. Solitamente il più economico del gruppo, perché sono presenti una linea di saldatura e un gruppo di bulloni (esempio lavorato). Quando la piastra deve superare le ali della colonna e raggiungere l'anima della colonna, diventa un piatto unico esteso, che è progettato diversamente (esempio lavorato).
• Doppia piastra. Piatti su entrambe le facce del nastro, utilizzato dove una singola piastra non può sostenere il taglio o adattarsi al gruppo di bulloni richiesto.
• Piastra terminale. Una piastra saldata all'estremità della trave e imbullonata al supporto. È necessario che la trave venga tagliata a misura in modo accurato, poiché la piastra non lascia alcuna regolazione (esempio lavorato).
• Rete saldata direttamente. L'anima della trave è saldata direttamente al supporto, senza piastra o angolo intermedio. Non ci sono bulloni da controllare, ma necessita di saldatura sul campo e rinuncia alla tolleranza di montaggio fornita da un dettaglio imbullonato.

Come progettare una connessione a taglio all'AISC 360-16

Ogni connessione a taglio è progettata allo stesso modo: prendiamo la reazione finale della trave fattorizzata, [mathin] R_{u} [mathin] (o [mathin] R_{a} [mathin] per l’ASD), e controllare ogni parte del percorso di carico rispetto ad essa. La reazione lascia l'anima del fascio, passa attraverso i bulloni lato trave o si salda nella piastra o negli angoli, e poi attraverso i bulloni o le saldature del lato supporto nella colonna o trave. Un fallimento in qualsiasi punto lungo quel percorso è un fallimento della connessione.

Le equazioni seguenti sono i moduli LRFD di AISC 360-16 e il Manuale AISC 15a Edizione. Per DSA, sostituire [mathin] \phi R_{n} [mathin] con [mathin] R_{n} / \Omega [mathin], usando il [mathin] \Omega [mathin] riportato nella stessa clausola ([mathin] \Omega = 2.00 [mathin] dove [mathin] \phi = 0.75 [mathin], e [mathin] \Omega = 1.50 [mathin] dove [mathin] \phi = 1.00 [mathin]).

1. Limiti di dettaglio (J3.3, J3.4)

Prima di qualsiasi controllo di forza, la geometria deve essere costruibile e corrispondere ai presupposti alla base delle equazioni di resistenza. I bulloni richiedono una spaziatura e una distanza dal bordo minime, una chiave inglese ha bisogno di spazio per girare, e la piastra o l'angolo dovrebbero essere profondi almeno la metà della dimensione T della trave in modo che l'estremità della trave rimanga stabile. La distanza minima tra i bulloni è:

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

Le distanze minime dal bordo provengono dalla Tabella J3.4, con un incremento dalla Tabella J3.5 quando il bordo viene misurato attraverso un foro asolato. Negli esempi pratici un limite di dettaglio è spesso il rapporto più alto nell'intera connessione. Questo è normale: i progettisti dispongono i bulloni ai limiti per mantenere la piastra piccola.

2. Taglio ed eccentricità dei bulloni (J3.6, Parte manuale 7)

La resistenza di un bullone a taglio è:

[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]

dove [mathin] F_{nv} [mathin] proviene dalla Tabella J3.2 (54 ksi per A325-N e 68 ksi per A490-N, gradi entro ASTM F3125) e [mathin] N_{s} [mathin] è il numero di piani di taglio. I bulloni di un gruppo lato trave ad angolo doppio sono a doppio taglio, [mathin] N_{s} = 2 [mathin].

La reazione agisce raramente sulla linea del bullone. Quando si trova a una distanza e, i bulloni portano un momento [mathin] R_{u}\, e [mathin] così come il taglio, ed il gruppo consegna meno di n spit’ valore della forza. Il centro di rotazione istantaneo (ICOR) Il metodo rileva il conteggio ridotto, il coefficiente C, dalla curva carico-deformazione di ciascun bullone (Eq.manuale. 7-1):

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

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

La quantità di eccentricità da progettare dipende dal tipo di connessione, ed è qui che i cinque esempi pratici differiscono maggiormente:

Per l'iterazione stessa, vedere calcolo del gruppo di bulloni utilizzando ICOR, o eseguire un gruppo di bulloni in calcolatore di bulloni.

3. Cuscinetto e strappo del bullone (J3.10)

Ogni bullone preme sul bordo del suo foro. Lo strato si schiaccia localmente attorno al foro (cuscinetto) oppure strappa una striscia fino al foro successivo o al bordo (strappo). Con la deformazione al carico di servizio una considerazione di progettazione:

[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]

Il bullone sul bordo ha la distanza libera breve [mathin] l_{c1} [mathin], quindi lo strappo di solito lo limita, mentre i bulloni interni raggiungono il 2.4 d t F_u cappuccio del cuscinetto. Controlla ogni strato: la piastra o gli angoli, e l'anima della trave. Una rete di travi sottile è spesso lo strato debole, perché gli angoli o la piastra sono dimensionati in modo indipendente. Nell'esempio del doppio angolo i due 1/4 negli angoli danno 0.5 in acciaio contro i bulloni, ma il 1/4 nell'anima della trave è presente un solo velo, e il cuscinetto sul web è il rapporto di resistenza più alto, a 0.760.

Ciascun bullone fornisce quindi il minimo del suo taglio, resistenza al portamento e allo strappo, e la forza del gruppo è la somma (J3.6 Commento):

[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. Taglio del blocco (J4.3)

Un blocco del piatto, L'anima della trave angolare o della cimata può strapparsi attorno al gruppo di bulloni: taglio lungo la linea dei fori più tensione lungo il bordo libero, solitamente un blocco a forma di L.

[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] quando la tensione è uniforme, che è il caso di una singola linea di bulloni. Le aree nette sottraggono ogni buca [mathin] d_{h} + 1/16\,in [mathin] per danni durante la punzonatura (B4.3). Nell'esempio della piastra d'estremità a taglio, il taglio del blocco della piastra è il secondo rapporto più alto, a 0.920.

5. Snervamento a taglio e rottura a taglio (J4.2)

La piastra o gli angoli sopportano l'intera reazione di taglio, su tutta la sezione lorda (cedevole) e attraverso la sezione della rete attraverso i fori (rottura):

[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]

Nell'esempio della piastra singola, rottura per taglio del 1/2 nella piastra è il controllo del carico più alto, a 0.629.

6. Flessione della piastra e interazione taglio-flessione

La reazione agisce a distanza dal supporto, quindi una singola piastra è un breve cantilever. SkyCiv lo controlla con la procedura del fascio a doppia copiglia del Manuale, che tratta la piastra come un'anima di trave coperta sopra e sotto, e controlla la rottura flessionale della sezione di rete attraverso i fori. Perché la stessa sezione trasporta taglio e momento, i due si combinano:

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

Questo controllo cresce con l'eccentricità. Nella sezione di taglio convenzionale è minore, ma nell'esempio della piastra singola estesa l'interazione di rottura governa la connessione a 0.938.

7. Duttilità: lo spessore massimo della lamiera (Parte manuale 10)

Si presuppone che una connessione a taglio ruoti. Se la piastra è più resistente a flessione rispetto ai bulloni a taglio, i bulloni si rompono prima che la lamiera ceda, che è un fallimento fragile e contraddice il semplice presupposto della connessione. Il Manuale limita lo spessore della lamiera in modo che la lamiera ceda per prima:

[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’ è il coefficiente del gruppo di bulloni solo per il momento. Questo è l'unico problema che una piastra più spessa peggiora. Nell'esempio della piastra singola a 1/2 nel piatto si trova 0.966 del suo limite.

8. Resistenza della saldatura e limite del metallo base (J2.4, Parte manuale 9)

Le saldature d'angolo che uniscono la piastra o gli angoli al supporto (o la piastra d'estremità all'anima della trave) portano la reazione lungo la loro lunghezza:

[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]

Per una reazione verticale su saldature verticali, [mathin] \theta = 0 [mathin] e il fattore direzionale è 1.0. L'acciaio su entrambi i lati della saldatura limita anche l'importanza della dimensione della saldatura. Per saldature su entrambe le facce di una piastra di spessore t, la dimensione utilizzabile in sedicesimi è:

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

Quindi una saldatura più grande non sempre aiuta. Nell'esempio della piastra d'estremità a taglio, il 0.355 nell'anima della trave limita la saldatura utilizzabile a circa 0.233 pollici, e la saldatura governa la connessione a 0.995. Per un piatto unico, il Manuale richiede anche filetti di [mathin] \frac{5}{8}\, t_{p} [mathin] su entrambi i lati, in modo che la saldatura possa sviluppare la lamiera se cede. Prova le taglie in calcolatore di saldatura.

9. I membri sostenitori e sostenuti

La connessione è buona quanto l'acciaio a cui si attacca. Una trave con cimasa ha una sezione ridotta in corrispondenza della cimasa, che necessita del proprio taglio del blocco, verifiche a taglio e flessione; l'esempio ad angolo singolo li esegue per una copertura W12x14 sulla flangia superiore. Dove la trave incornicia l'anima di una trave o l'anima di una colonna sottile, controlla anche il portamento e lo strappo di quella tela.

Esempi di progettazione di connessioni a taglio (AISC 360-16 LRFD)

Ogni esempio seguente è un foglio di calcolo AISC completo di SkyCiv Connection Design, scritto passo dopo passo con ogni equazione, valore sostituito e DCR. Mostrano come il controllo governativo si sposta da un tipo di connessione a quello successivo.

 

Vale la pena conoscere lo schema. Un breve, il piatto di taglio convenzionale raramente è vicino al limite. Una volta che la reazione si allontana dai bulloni, come nell'angolo singolo e nella piastra estesa, l'eccentricità guida il design. E in una connessione saldata come la piastra terminale, il pezzo più sottile di metallo base decide la saldatura.
Per la teoria dietro tutti e cinque, vedere progettazione di connessioni in acciaio mediante AISC 360-16.

Quale connessione a taglio dovresti utilizzare?

Cosa controlla il software?

Per una connessione a taglio, il progetto esegue sia un passaggio di dettaglio che un passaggio di forza.

Il dettaglio viene eseguito per primo e cattura la geometria: distanze dal bordo dei bulloni, distanza tra i bulloni (passo e calibro), giochi degli strumenti, e dimensioni minime e massime della piastra, oltre al rilevamento delle collisioni tra le piastre, bulloni e saldature. Una connessione che qui fallisce non raggiunge mai la soluzione. Di solito è quello che vuoi, perché i numeri non contano se non si riesce a costruire il dettaglio.

Le verifiche di resistenza coprono quindi ogni stato limite nella procedura di cui sopra: cesoia per bulloni di ICOR, cuscinetto e strappo del bullone, rottura per taglio del blocco, snervamento e rottura a taglio, flessione della piastra e sua interazione con il taglio, duttilità, e la resistenza della saldatura con il limite del metallo base, oltre alle verifiche sulle travi coronate e sull'elemento portante. La relazione di calcolo mostra ogni formula, controllo del progetto e riferimento del codice completo, con i numeri delle clausole AISC 360-16 o AS 4100:2020, in modo da poter seguire il calcolo anziché fidarsi. Gli esempi sopra riportati sono scritti da tali rapporti.

Per il lato di fissaggio di questo, vedere la documentazione su bulloni e saldature.

Qual è la differenza tra una connessione Shear e Moment?

Una connessione a taglio trasferisce solo il taglio. Una seconda connessione trasferisce anche la flessione. Pensatelo come a cerniera: una connessione a taglio consente la rotazione dell'estremità della trave, un momento di connessione lo trattiene.

La distinzione è una decisione sul modello di analisi, non solo riguardo ai dettagli. Un piatto di taglio progettato come semplice deve essere sufficientemente flessibile da poter effettivamente ruotare, che è ciò che impone il controllo di duttilità, e la connessione momento deve essere sufficientemente rigida da giustificare la fissità assunta dal modello del telaio.

 

 

Domande frequenti

Come si calcola la capacità di una connessione a taglio?

Calcolare la resistenza di ogni stato limite lungo il percorso del carico (taglio del bullone con l'eccentricità, cuscinetto e strappo su ogni velo, taglio del blocco, snervamento e rottura a taglio, flessione della placca, duttilità e le saldature) e prendi il più basso. Il valore più basso è la capacità di connessione, e la verifica che lo dà è lo stato limite governante.

Una connessione a taglio è uguale a una connessione a perni?

sì, per analisi. Una connessione a taglio è modellata come un perno, libero di ruotare e senza alcun momento. In pratica porta con sé un piccolo momento, ecco perché l'AISC 360-16 B3.4 richiede che una connessione semplice abbia una capacità di rotazione sufficiente per accogliere la rotazione dell'estremità della trave. Il limite di duttilità sullo spessore della piastra è un modo in cui il design garantisce questo.

Qual è l'eccentricità in un piatto di taglio, e perché è a/2?

Tabella Manuale AISC 10-9 imposta l'eccentricità del progetto per una connessione convenzionale a piastra singola. Per molti conteggi di bulloni e tipi di fori la distanza tra la linea di saldatura e la linea dei bulloni è la metà, a/2, perché il punto di momento zero si trova tra la saldatura e i bulloni. Fuori dai limiti convenzionali, come una piastra estesa nell'anima di una colonna, viene utilizzata l'intera distanza e il gruppo di bulloni perde molta più forza.

Quale verifica solitamente governa una connessione a taglio?

Dipende dal tipo. Nei cinque esempi lavorati la verifica del carico determinante era la rottura per taglio della piastra (piatto unico), appoggio sull'anima della trave (doppio angolo), taglio del bullone con eccentricità (unico angolo), l'interazione taglio-flessione (piastra unica estesa) e la saldatura (piastra terminale di taglio). Le travi sottili e l'eccentricità sono le due cose da considerare per prime.

Se i bulloni sono di tipo portante o critici per lo scivolamento?

La maggior parte delle connessioni a taglio utilizzano bulloni del tipo a cuscinetto a tenuta stagna (A325-N, A490-N), che è ciò che usano tutti e cinque gli esempi funzionanti. Sono necessari bulloni critici per lo scivolamento laddove lo scivolamento costituirebbe un problema, come fori maggiorati o asolati paralleli al carico, o giunti soggetti a fatica o inversione di carico.

Posso progettare una connessione a taglio con ASD anziché LRFD?

sì. Gli stati limite sono identici. Sostituire [mathin] \phi R_{n} [mathin] con [mathin] R_{n} / \Omega [mathin] e confrontare con la reazione ASD. SkyCiv Connection Design esegue entrambi, e il passaggio da uno all'altro è un'impostazione.

Gli esempi seguono il Manuale AISC 15a o 16a edizione?

Seguono l'AISC 360-16 e il Manuale AISC 15a Edizione, che è scritto attorno a quella specifica. Il Manuale della 16a Edizione fa coppia con AISC 360-22. Gli stati limite delle connessioni a taglio sono più o meno gli stessi, ma i riferimenti alle clausole e alle tabelle si spostano, quindi confrontali con l'edizione utilizzata dal tuo progetto.

Software di progettazione della connessione SkyCiv

I modelli e i controlli di cui sopra provengono da Progettazione di connessioni SkyCiv. Copre 80+ tipi di connessione preconfigurati, progetti all'AISC 360-16 (LRFD & ASD) e come 4100:2020, e mostra ogni formula, controllo del progetto e riferimento del codice completo.

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Riferimenti

• AISC 360-16, Specifiche per edifici in acciaio strutturale: B3.4, B4.3, J2.4 (Eq. J2-4), J3.2 (Tabella J3.2), J3.3, J3.4 (Tabella J3.4), J3.5 (Tabella J3.5), J3.6 (Eq. J3-1) e Commento, J3.10 (Eq. J3-6a, J3-6c), J4.2 (Eq. J4-3, J4-4), J4.3 (Eq. J4-5).
• Manuale AISC per le costruzioni in acciaio, 15th Edizione: Parte 7 (Eq. 7-1, centro di rotazione istantaneo); Parte 9 (limite del metallo di base sulla dimensione della saldatura, flessione della trave affrontata); Parte 10 (semplici connessioni a taglio, tavolo 10-9, Eq. 10-3 e 10-4).
• AS 4100:2020, Strutture in acciaio.