Moment verbinding

Soorten momentverbindingen

Momentverbindingen hebben veel meer moment dan een afschuifverbinding, en ze kosten meer om te maken: meer materiaal, meer laswerk, meer fit-up en meer inspectie. De meeste frames gebruiken ze alleen wanneer de structuur afhankelijk is van frameactie voor laterale stabiliteit, en gebruik overal afschuifverbindingen.

Welke configuraties beschikbaar zijn, hangt af van de ontwerpcode en van de frameconstructie van de balk.

Ligger naar I-sectiekolom (AISC 360-16)

Vier configuraties, frame aan de kolomflens of aan het kolomlijf:

• Flensplaat. Platen aan de boven- en onderflens van de ligger, in de werkplaats aan de kolom gelast en in het veld aan de balk vastgeschroefd. Terwijl de balk buigt, de ene plaat gaat op spanning en de andere op compressie, en dat paar draagt ​​het moment. Een aparte lijfplaat, in feite een afschuiflip, draagt ​​de schaar. Al het laswerk gebeurt in de werkplaats, Daarom vinden fabrikanten het leuk (gewerkt voorbeeld).
• Gelaste flenzen. De liggerflenzen worden rechtstreeks aan de kolomflens gelast, zonder tussenplaat, en het lijf is vastgeschroefd aan een breeklip. Dit geeft de stijfste verbinding van de groep en het schoonste belastingspad, maar het is veldlassen op een onderdeel dat binnen de tolerantie moet passen, dus het draagt ​​voorverwarmen, toegangs- en inspectiekosten die een vastgeschroefd detail niet met zich meebrengt.
• Verzonken eindplaat. Een plaat die aan het uiteinde van de balk is gelast en aan de kolom is vastgeschroefd, en eindig gelijk met de balkflenzen, zodat alle bouten ertussen zitten. Het blijft binnen de straaldiepte, wat bij vloeren past, maar de bouten’ hefboomarm is beperkt, dus het past bij gematigde momenten (gewerkt voorbeeld).
• Verlengde eindplaat. Hetzelfde idee, waarbij de plaat voorbij de spanflens reikt, zodat er een boutenrij buiten kan zitten. Die rij heeft de langste hefboomarm rond de compressieflens, en de verlenging voegt vloeilijnen toe aan de plaat, dat is wat de extra momentcapaciteit koopt. Het is de configuratie die bovenaan deze pagina wordt weergegeven (gewerkt voorbeeld).

Hoe u een momentverbinding met AISC ontwerpt 360-16

Elke momentverbinding wordt ontworpen door de flenskracht te volgen. Het liggermoment wordt een trekkracht in de ene flens en een compressiekracht in de andere. Elke kracht gaat van de liggerflens, door de bouten, platen of lassen, in de kolomflens, en de colonne moet het dragen. De schaar gaat afzonderlijk door het web. Een storing ergens langs een van beide paden is een storing van de verbinding.

De onderstaande vergelijkingen zijn de LRFD-formulieren van AISC 360-16, de AISC-handleiding 15e editie en, voor eindplaten, AISC-ontwerpgids 39. Voor ASS, vervangen [mathin] \phi R_{n} [mathin] met [mathin] R_{n} / \Omega [mathin], de ... gebruiken [mathin] \Omega [mathin] gegeven in dezelfde clausule ([mathin] \Omega = 2.00 [mathin] waar [mathin] \phi = 0.75 [mathin], en [mathin] \Omega = 1.67 [mathin] waar [mathin] \phi = 0.90 [mathin]).

1. De flenskracht

Het moment wordt als koppel gedragen. Door dit te delen door de afstand tussen de zwaartepunten van de flens, wordt de kracht in elke flens verkregen, en een axiale belasting voegt de helft van zijn waarde toe aan elke flens:

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

In het voorbeeld van de flensplaat, een 300 kip-ft moment op een W24x84 met 100 kip van axiale belasting geeft [mathin] P_{uf} = 204.31\,kip [mathin], en elke controle van de flensplaten wordt aan de hand van dat ene getal uitgevoerd.

Eindplaten werken op dezelfde manier, maar Ontwerpgids 39 rolt de axiale spanning in een equivalent moment, omdat het aan dezelfde spanbouten trekt:

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

Dit is geen kleine correctie. In het voorbeeld van de verzonken eindplaat, 150 kip van spanning verandert in een 200 kip-ft moment in 328.75 kip-ft.

2. Grenzen detailleren (J2.2b, J3.3, J3.4, J3.5)

Vóór elke sterktecontrole, de verbinding moet bouwbaar zijn. Bouten hebben een minimale afstand en randafstand nodig, een sleutel heeft ruimte nodig om te kunnen draaien, en hoeklassen hebben een minimumgrootte nodig voor de onderdelen die ze verbinden (Tabel J2.4). De minimale boutafstand bedraagt:

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

Een eindplaat moet ook diep genoeg zijn voorbij elke flens zodat de flenslas past. In het voorbeeld van de verlengde eindplaat ligt de afstand tussen de boutkolommen precies op het minimum, een verhouding van 1.000, wat is toegestaan. Ontwerpers plaatsen bouten op de limieten om de plaat klein te houden.

3. Eindplaten: boutgrootte en plaatdikte (Ontwerpgids 39)

Ontwerpgids 39 maakt gebruik van een dikke plaatbenadering. De bouten zijn zo gedimensioneerd dat ze hun treksterkte bereiken zonder dat ze los kunnen wrikken, en dan wordt de plaat zo stijf gemaakt dat er nooit nieuwsgierige blikken ontstaan. De boutdiameter komt van de hefboomarmen [mathin] h_{i} [mathin] van de rijen spanbouten rond het midden van de compressieflens:

[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]

De buigsterkte van de plaat komt van een vloeilijnpatroon rond die bouten, samengevat in de vloeilijnparameter [mathin] Y_{p} [mathin] uit de tabellen van de gids voor elk boutpatroon:

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

De 1.10 factor houdt de plaat 10% sterker dan de vraag, dus het blijft stijf en de niet-nieuwsgierige veronderstelling geldt. [mathin] \gamma_{r} [mathin] is 1.0 voor een verlengde plaat en 0.8 voor een bedieningsplaat, omdat een bedieningsplaat flexibeler is en dikker gemaakt moet worden om als volledig ingeklemd te kunnen gelden. De verlenging is waar de extra kracht vandaan komt: het uitgebreide voorbeeld heeft [mathin] Y_{p} = 212.35\,in [mathin], tegen 123.54 voor de bedieningsplaat.

4. Flensplaten: uitglijden, lager- en blokschaar (J3.8, J3.10, J4.3)

Flensplaten zijn vaak gedetailleerd met extra grote gaten voor montage, en J3.2 staat deze alleen toe in slipkritische verbindingen. De slipweerstand van de boutgroep is:

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

waar [mathin] \mu = 0.5 [mathin] voor klasse B-oppervlakken, [mathin] D_{u} = 1.13 [mathin], [mathin] T_{b} [mathin] is de minimale boutvoorspanning uit Tabel J3.1, en [mathin] h_{f} [mathin] is de vulfactor, 0.85 wanneer er twee of meer vulstoffen kunnen zijn. [mathin] \phi = 0.85 [mathin] voor te grote gaten. In het voorbeeld van de flensplaat wordt op slip gecontroleerd 0.978.

Boutlager en uitscheuring volgen J3.10 op zowel de plaat als de balkflens:

[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]

en de plaat en de liggerflens worden elk gecontroleerd op uitscheuren van de blokken rond de bouten:

[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]

Probeer de boutindelingen in de bout rekenmachine.

5. Flensplaten onder trek en druk (J4.1, J4.4)

De spanplaat wordt gecontroleerd op meegeven op de bruto doorsnede en scheuren door de gaten:

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

De compressieplaat is een korte kolom tussen het kolomvlak en de eerste rij bouten. Als het maar stevig genoeg is, Met J4.4 kunt u de knikvergelijkingen uit hoofdstuk E overslaan:

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

Voor een bord, [mathin] r = t / \sqrt{12} [mathin], dus een dunne plaat bereikt snel de limiet. De 1/2 in plaat in de flensplaat komt bijvoorbeeld binnen bij 24.942, net onder 25.

6. De balk bij de boutgaten (D3, F13.1)

De gaten komen precies op het punt van het maximale moment uit de spanflens van de balk. F13.1 controleert of ze de buigsterkte van de ligger verminderen:

[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] wanneer [mathin] F_{y}/F_{u} \le 0.8 [mathin]. De flenskracht moet ook in de ligger terechtkomen: de helft van de straal, een tee, wordt behandeld als een trekorgaan dat uitsluitend via de flens is verbonden, waarbij afschuifvertraging het nettogebied verkleint:

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

7. Lassen en het basismetaal (J2.4, Handmatige vergelijking. 9-2)

De flenskracht kruist een las in elk van deze verbindingen: flensplaat aan kolom, of liggerflens naar eindplaat. Loodrecht op de lengte geladen, een hoeklas krijgt de J2.4 richtingstoename van 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]

Het staal aan beide zijden beperkt hoeveel van de lasgrootte telt. Voor lassen aan beide zijden van een deel met dikte t, de bruikbare maat in zestienden is:

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

Ontwerpgids 39 voegt een vloer toe aan de flenslassen van de eindplaat: ze zijn tenminste ontworpen voor 60% van de vloeigrens van de flens, dus de las is nooit de zwakke schakel, zelfs niet onder een klein moment.

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

In het vlakke voorbeeld de vloer (295.2 kip) groter is dan de kracht van de lasten (191.5 kip), zodat de vloer de las op maat maakt. In het voorbeeld van de flensplaat is de 1/4 in las aan de kolom regelt de hele verbinding bij 0.998. Probeer de maten in de las rekenmachine.

8. Scheur door het web

De liggerafschuiving gaat niet door de flenzen. Bij een flensplaatverbinding gaat deze door de lijfplaat, die is ontworpen als een afschuiflip: bout afschuiving, lager op de plaat en het liggerlijf, blokschaar, en het meegeven door afschuiving en het scheuren van de plaat. In het voorbeeld van de flensplaat, afschuifbreuk van de 1 in lijfplaat regelt die kant op 0.943.

In een eindplaat, de schaar gaat door de lijflassen buiten de spanningszone, en het balklijf beperkt vaak de las. In het voorbeeld van de verzonken eindplaat is de 1/2 in web beperkt de bruikbare lasgrootte tot 0.3287 in, minder dan de 3/8 gespecificeerd, en de baanlas bij afschuiving regelt de verbinding bij 0.988.

9. De kolom: flens buigen, web opleveren, verlammende en paneelzone (J10)

De flenskrachten komen als geconcentreerde belastingen op de kolom aan, en de colonne moet ze dragen zonder plaatselijke storing. Deze controles beslissen of de kolom dwarsverstijvingen of een lijfverdubbelingsplaat nodig heeft, en ze zijn vaak goedkoper te bevredigen met een zwaardere kolom dan met verstijvers.

Flens lokale buiging, onder de spanflens (Eq. J10-1):

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

Web lokale opbrengst, met lagerlengte [mathin] l_{b} [mathin], weg van het kolomuiteinde (Eq. J10-2):

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

Ontwerpgids 39 gebruikt 6k in plaats van 5k voor eindplaten, omdat de kracht zich door de plaat verspreidt voordat deze de kolom bereikt.

Web verlammend, onder de compressieflens (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]

Paneelzone baanschaar, waar het kolomlijf tussen de flenskrachten in afschuiving is (Eq. J10-9):

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

Voor eindplaten, de spanbouten buigen ook de kolomflens in een vloeilijnpatroon, gecontroleerd zoals de eindplaat zelf:

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

Paneelzone-afschuiving beheerste de kolom in alle drie de uitgewerkte voorbeelden, Bij 0.461, 0.726 en 0.492. Een falende paneelzone heeft een verdubbelingsplaat nodig, en voor een falende flens- of lijfcontrole zijn verstijvingen nodig tegenover de liggerflens.

Ontwerpvoorbeelden van momentverbindingen (AISC 360-16 LRFD)

Elk voorbeeld hieronder is een volledig AISC-berekeningsblad van SkyCiv Connection Design, stap voor stap uitgeschreven met elke vergelijking, gesubstitueerde waarde en DCR.

 

Het patroon is de moeite waard om te kennen. In een eindplaat, de bouten en de plaat zijn op elkaar afgestemd en hebben de neiging dicht bij elkaar te eindigen, en het balklijf beperkt vaak de lassen. In een flensplaat, alles aan de flenszijde wordt getoetst aan dezelfde flenskracht, zodat de lasnaden en de slipkritische bouten uiteindelijk even hard werken. In alle drie, de kolom had geen verstijvers of dubbele plaat nodig, maar de paneelzone was de kolomcontrole die het dichtst bij zijn limiet zat.

Voor de theorie achter de voorbeelden, zien ontwerp van staalverbindingen met AISC 360-16.

Welke momentverbinding moet u gebruiken??

Wat controleert de software?

De detaillering loopt eerst: afstanden van de boutranden, bout afstand (toonhoogte en maat), gereedschapsspeling, minimale en maximale plaatafmetingen, minimale lasgroottes, en botsingsdetectie tussen platen, verstijvers, bouten en lassen. Een verbinding die niet kan worden opgebouwd, bereikt de oplossing niet.

De sterktecontroles volgen vervolgens de bovenstaande procedure. Voor eindplaten betekent dit de vereiste boutdiameter en plaatdikte uit de Design Guide 39, het verlengde gedeelte van de plaat in afschuiving, de flens en het lijf lassen met hun basismetaal, en boutschaar, lager en uitscheuren. Voor flensplaten betekent dit slip, lager, blokschaar, plaatspanning en compressie, balkbreuk bij de gaten en de lassen, plus de lijfplaat als breeklip. Op de kolom betekent dit flensbuiging, web lokale opbrengst, web verlammend, knikken door compressie van het web en afschuiving van paneelzones.

Elke formule, ontwerpcontrole en codereferentie worden volledig weergegeven, met clausulenummers van AISC 360-16, zodat u de berekening kunt volgen in plaats van deze op vertrouwen te nemen. De bovenstaande uitgewerkte voorbeelden zijn geschreven op basis van die rapporten. Voor de bevestigingszijde, zie de documentatie op bouten en lassen.

Momentverbinding versus afschuifverbinding: het verschil

Het verschil is wat er gebeurt met de hoek tussen de twee leden. In een momentverbinding wordt die hoek vastgehouden, dus buigen in het ene lid gaat over in het andere. Bij een afschuifverbinding kan de verbinding vrij roteren, zodat het uiteinde van de balk draait en er geen betekenisvol moment de verbinding kruist. Zien wat is een afschuifverbinding voor de andere helft van de vergelijking.

 

 

Veel Gestelde Vragen

Hoe bereken je de flenskracht bij een momentverbinding??

Deel het eindmoment van de ligger door de afstand tussen de zwaartepunten van de flens, [mathin] d – t_{f} [mathin], en voeg de helft van de eventuele axiale belasting toe. A 300 kip-ft moment op een W24x84 (d = 24.1 in, t_f = 0.77 in) met 100 kip van axiale belasting geeft 204.31 kip in elke flens.

Wat is het verschil tussen een volledig ingeklemde en een gedeeltelijk ingeklemde momentverbinding?

Een volledig ingetogen (de berekeningen die hier worden gepresenteerd, zullen het toegestane spanningsontwerp gebruiken) verbinding houdt de hoek tussen de leden vast, zodat het frame kan worden geanalyseerd met een vaste verbinding. Een gedeeltelijk ingetogen (PR) verbinding brengt moment over, maar roteert merkbaar, dus de rotatiestijfheid ervan moet in de analyse worden betrokken. AISC 360-16 B3.4 definieert beide. De 0.8 reductiefactor op verzonken eindplaten in Design Guide 39 bestaat om die verbindingen stijf genoeg te houden om als FR te worden behandeld.

Wanneer heeft een momentverbinding kolomverstijvingen of een verdubbelingsplaat nodig??

Wanneer de kolom faalt, controleert een van de J10 onder de flenskrachten. Flens lokale buiging, web lokale opbrengst, Het verlammen van het lijf en het knikken door het samendrukken van het lijf worden bevestigd met dwarsverstijvingen tegenover de liggerflenzen. Paneelzoneschaar wordt met een dubbele plaat op het kolomlijf bevestigd. Vaak is een zwaarder kolomdeel goedkoper dan beide, omdat verstijvingen en verdubbelaars laswerk toevoegen.

Wat is het verschil tussen een verzonken en een verlengde eindplaat??

Een vlakke eindplaat stopt bij de liggerflenzen, zodat alle bouten ertussen zitten. Een verlengde eindplaat steekt voorbij de spanflens uit met daarbuiten een boutenrij. Die rij heeft de langste hefboomarm, en de uitbreiding voegt opbrengstlijnen toe, dus een verlengde plaat heeft een veel groter moment. Waar de verbinding binnen de liggerdiepte moet blijven, wordt gebruik gemaakt van een bedieningsplaat.

Waarom zijn flensplaatbouten slipkritisch??

Flensplaten zijn meestal gedetailleerd met extra grote gaten, om de erector tolerantie te geven bij de flenzen, en AISC 360-16 J3.2 staat alleen overmaatse gaten toe in slipkritische verbindingen. De bouten worden voorgespannen en de fadingvlakken worden voorbereid, doorgaans tot klasse B, zodat de verbinding de flenskracht door wrijving draagt.

Kan ik een momentverbinding ontwerpen met ASS in plaats van LRFD?

Ja. De grenstoestanden zijn hetzelfde. Vervangen [mathin] \phi R_{n} [mathin] met [mathin] R_{n} / \Omega [mathin] en vergelijk met de ASS-belastingen. SkyCiv Connection Design draait beide, en schakelen tussen deze is één instelling.

Volgen de voorbeelden de AISC 15e of 16e editie Manual?

Ze volgen AISC 360-16 met de AISC-handleiding 15e editie, die rond die specificatie is geschreven, en AISC-ontwerpgids 39 voor de eindplaten. De 16e editie van de handleiding is gekoppeld aan AISC 360-22. De grenstoestanden zijn grotendeels hetzelfde, maar clausule- en tabelreferenties bewegen, vergelijk ze dus met de editie die uw project gebruikt.

SkyCiv-verbindingsontwerpsoftware

Bovenstaande modellen en ruitjes zijn van SkyCiv-verbindingsontwerp. Het bedekt 80+ vooraf geconfigureerde verbindingstypen, ontwerpen voor AISC 360-16 (LRFD & ASD) en AS 4100:2020, en toont elke formule, ontwerpcontrole en volledige codereferentie.

U kunt de verbinding in 3D modelleren, bouten verwisselen, lassen of platen zonder uw belastingsgegevens te verliezen, maak 2D-detailtekeningen in CloudCAD, en exporteer de 3D-geometrie naar IFC voor coördinatie in Revit, Tekla of Navisworks.

Het draait volledig in de browser, zonder downloads, updates of IT-configuratie.

Probeer de gratis verbindingsontwerptool

Vrij om te beginnen, geen installatie. Meld u aan bij platform.skyciv.com om uw werk op te slaan.

De volledige module voegt het stapsgewijze rekenrapport toe, zoals de uitgewerkte voorbeelden hierboven, met elke capaciteit en DCR.

Koop de verbindingsontwerpmodule

Referenties

• AISC 360-16, Specificatie voor constructieve stalen gebouwen: B3.4, D3 (Tabel D3.1), F13.1 (Eq. F13-1), J2.2b (Tabel J2.4), J2.4, J3.1 (Tabel 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).
• AISC-handleiding voor staalconstructie, 15e editie: Een deel 9 (Eq. 9-2, basismetaallimiet voor lasgrootte); Een deel 12 (volledig ingehouden momentverbindingen).
• AISC-ontwerpgids 39, Eindplaatmomentverbindingen.