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AISC 360: Exemplo de projeto de conexão de cisalhamento

Exemplo de projeto de conexão AISC

Este tutorial fornece um exemplo de design de conexão AISC. As conexões de cisalhamento entre as seções em forma de I são algumas das conexões mais comuns no projeto de aço. Para ajudar a entender as verificações de projeto necessárias de acordo com AISC 360, este artigo usará um exemplo de design para explicá-los. Com este tipo de conexão, também podemos obter rapidamente os resultados deste exemplo por meio do uso do Projeto de conexão SkyCiv módulo. Certifique-se de verificar o artigo adicional sobre projetando uma conexão de momento.

Os cálculos apresentados aqui usarão o Projeto de Tensão Admissível (ASD) método. Se você não está familiarizado com a diferença entre ASD e LRFD no projeto estrutural, tenha certeza de confira nosso video explicando isso.

Manual de projeto de conexão AISC

Para este exemplo, vamos avaliar a capacidade de uma conexão de placa única entre uma viga W16x50 e uma coluna W14x90 usando as dimensões e os parafusos mostrados abaixo. Esta conexão deve ser capaz de suportar as reações da extremidade do feixe.

 

Dado:

Cargas de nível de serviço & Material:

Reação de Dead Load (RD) = 8.0 kips
Reação do Live Load (RL) = 25.0 kips

Material da Placa: ASTM A36, Fy = 36 ksi, Fu = 58 ksi
Material de viga e coluna: ASTM A992, Fy = 50 ksi, Fu = 65 ksi

Geometria de viga e coluna:

Feixe: W16x50; tw = 0.380 no, d = 16.3 dentro., t f = 0.630 no
Coluna: W14x90; tf = 0.710 no.
Placa de cisalhamento: 1/4 em grosso; 4 1/2 em x 11 em dimensões

Luminárias (Parafusos e soldas):
(4) – 3/4-no.-parafusos ASTM A325-N de diâmetro em orifícios padrão

70-filetes de eletrodo ksi

 

Cálculo de carga:

LRFD:

Reação final (Ru) = 1.2(8.0 kips) + 1.6(25.0 kips) = 49.6 kips

ASD:

Reação Permitida (Fora) = 8.0 kips + 25 kips = 33.0 kips

3D Modelo da Conexão no Módulo de Conexão SkyCiv

Usando o software SkyCiv Connection Design, as diferentes partes da conexão serão agora verificadas de acordo com as verificações da Seção J do AISC 360:

Rendimento por cisalhamento de placa web (W14x90)
Capacidade de cisalhamento permitida:Capacidade de cisalhamento permitida: Ω = 1.5

Rav = (0.6 Fy Agv / Ω) = [ 0.6 (36 ksi) (0.25 no) 11.5 no / 1.5 ] = 41.4 kips

Proporção da capacidade do projeto, DCR:
cisalhamento necessário, Rv = 33.0 kips
capacidade total, Rav = 41.4 kips
DCR = (33.0 / 41.4) = 0.797, OK

 

Placa Web para Flange W14x90, Força de solda
Força de soldas de filete: Ω = 2.0
Tamanho da Solda, t = 0.1875 no
O meu nome = 0.6 FEXX

O meu nome = 0.6 FEXX [ 1.0 + 0.5 sin ^ 1,5 θ ]
θ = o ângulo que a carga faz com o eixo de solda
= 90, para soldas carregadas transversalmente
= 0, para soldas carregadas longitudinalmente

Força por unidade de tamanho de solda:Força por unidade de tamanho de solda:
Tensão de solda permitida, Faw = [ 0.6 (70) / 2.0 ] = 21 ksi
comprimento transversal, lt = 23 no
comprimento longitudinal, tudo = 0 no
comprimento efetivo total, eu = lt (1.5) + tudo (1.0) = 23 (1.5) + 0 (1.0) = 34.5 no
(Fora / t) = 724.5 kips / no

Tamanho efetivo (garganta) de solda de filete, uma:
0.707 = o cosseno ou seno de 45deg
a = (0.707) t = 0.133 no

Fora = (Rato) t = 724.5 (0.133 no) = 96.1 kips

Proporção da capacidade do projeto, DCR:
carga necessária, R = 33.0 kips
capacidade total, Ra = 96.1 kips
DCR = (33.0 / 96.1) = 0.344, OK

 

Ruptura de cisalhamento de placa web (W16x50)
Capacidade de cisalhamento permitida: Ω = 2.0

Cálculo da profundidade líquida:
comprimento total do orifício do parafuso(s) = 0.875 no (4) = 3.5 no
profundidade da rede, dnet = 11.5 em - [ 0.875 no (4) ] = 8.0 no

Rav = (0.6 Fy anv / Ω) = [ 0.6 (58 ksi) (0.25 no) 8 no / 2.0 ] = 34.8 kips

Proporção da capacidade do projeto, DCR:
cisalhamento necessário, Rv = 33.0 kips
capacidade total, Rav = 34.8 kips
DCR = (33.0 / 34.8) = 0.948, OK

 

Placa Web para Web W16x50, Resistência à ruptura por cisalhamento do bloco
Resistência ao cisalhamento do bloco: Ω = 2.0

(Fora / Ω) = (Ubs Fu Ant / Ω) + min [ 0.6 Fy Agv , 0.6 Fu Anv ] / Ω

Componente de tensão de ruptura: Ubs= 1.0 (tensão uniforme)
(Ubs Fu Ant / Ω) = [ 1.0 (58 ksi) (1.0625 no) (0.25 no) / 2.0 ] = 30.8 kips / in (0.25 no) = 7.7 kips

Componente de rendimento de cisalhamento: 0.6 Fy Agv
(0.6 Fy Agv / Ω) = [ 0.6 (36 ksi) (10.25 no) / 2.0 ] (0.25) = 110.7 kips / in (0.25 no) = 27.7 kips

Componente de ruptura de cisalhamento: 0.6 Fu Anv
(0.6 Fu Anv / Ω) = [ 0.6 (58 ksi) (7.1875 no) / 2.0 ] (0.25 no) = 125.1 kips / in (0.25 no) = 31.3 kips

Capacidade total de cisalhamento do bloco:Capacidade total de cisalhamento do bloco:
(Fora
/ Ω)= 7.7 kips + min [ 27.7 kips , 31.3 kips ] = 35.4 kips

Proporção da capacidade do projeto, DCR:
cisalhamento necessário, Rv = 33.0 kips
capacidade total, Rav = 35.4 kips
DCR = (33.0 / 35.4) = 0.933, OK

 

Placa Web para Web W16x50, Grupo de Parafuso Cisalhamento, e Verificação do Rolamento
1. Resistência ao cisalhamento dos parafusos: Ω = 2.0

Diâmetro do parafuso = 0.768 no
Resistência ao cisalhamento nominal, Fnv = 54 ksi
Resistência ao cisalhamento nominal (por parafuso), Rnv = 0.6 Fnv A partir de = 0.6 (54 ksi) 0.463 em ^ 2 = 25.0 kips
(Rnv / Ω) = 12,5 kips / parafuso

2. Resistência de rolamento de furos de parafuso padrão: Ω = 2.0
(Ignorando a deformação do furo do parafuso no nível de carga de serviço)

distância da borda, a = 0.84 no
(Claro)distância para o furo adjacente, lc = 2.19 no
Uma vez que a distância da borda é menor do que a distância adjacente ao próximo orifício do parafuso, a distância da borda controlará:
(Rnb /
Ω) = (1.2 lc t Fu / Ω) ≤ (2.4 d t Fu / Ω)

Para o parafuso externo (arrancar), lc = 0.84 no:
Rnb = 1.2 lc t Fu = 1,2 (0.84 no) 0.25 no (58 ksi) = 18.4 kips
(Rnb / Ω) = 9.2 kips

Para o parafuso interno (arrancar), lc = 2.19 no:
Rnb = 1.2 lc t Fu = 1.2 (2.19 no) 0.25 no (58 ksi) = 47.6 kips
(Rnb / Ω) = 23.8 kips

Para rolamento geral (alongamento do orifício do parafuso):
Rnb = 2.4 d t Fu = 2.4 (0.8125 no) 0.25 no (58 ksi) = 33.4 kips
(Rnb / Ω) = 16.7 kips

 

O rolamento controlará o cisalhamento do parafuso desde 9.2 kips < 12.5 kips

3. Capacidade do Grupo Bolt
Considerando o mínimo entre: capacidade de cisalhamento do parafuso, rolamento e rasgo nos orifícios dos parafusos internos e externos.

uma). Capacidade do parafuso externo (como estabelecido acima):
(parafuso externo) , Rab = 9.2 kips / parafuso

b). Capacidade do parafuso interno (como estabelecido acima):
(parafuso interno) , Rab = 12.5 kips / parafuso

c). Capacidade dos parafusos como um grupo: soma das capacidades a). e B).
Rab = 1 (9.2 kips / parafuso) + 3 (12.5 kips / parafuso) = 46.7 kips

Proporção da capacidade do projeto, DCR:
cisalhamento necessário, R = 33.0 kips
capacidade total, Rab = 46.7 kips
DCR = (33.0 / 46.7) = 0.707, OK

 

Ruptura de cisalhamento do elemento da web (W16x50)
Capacidade de cisalhamento permitida: Ω = 2.0

Cálculo da profundidade líquida:Cálculo da profundidade líquida:
comprimento total do orifício do parafuso(s) = 0.875 no (4) = 3.5 no
profundidade da rede, dnet = 16,3 - [ 0.875 no (4) ] = 12.8 no

Rav = (0.6 Fy anv / Ω) = [ 0.6 (58 ksi) (0.38 no) 12.8 / 2.0 ] = 84.6 kips

Proporção da capacidade do projeto, DCR:
cisalhamento necessário, Rv = 33.0 kips
capacidade total, Rav = 84.6 kips
DCR = (33.0 / 84.6) = 0.390, OK

Elemento da web, Verificação de cisalhamento e mancal do grupo de parafusos

1. Resistência ao cisalhamento dos parafusos: Ω = 2.0
Diâmetro do parafuso = 0.768 no
Resistência ao cisalhamento nominal, Fnv = 54 ksi
Resistência ao cisalhamento nominal (por parafuso), Rnv = 0.6 Fnv A partir de = 0.6 (54 ksi) 0.463 em ^ 2 = 25.0 kips
(Rnv / Ω) = 12,5 kips

2. Resistência de rolamento de furos de parafuso padrão: Ω = 2.0
(Ignorando a deformação do furo do parafuso no nível de carga de serviço)
distância da borda, a = 0.84 no
(Claro) distância para o furo adjacente, lc = 2.19 no

Uma vez que a distância da borda é menor do que a distância adjacente ao próximo orifício do parafuso, a distância da borda controlará.
(Rnb / Ω) = (1.2 lc t Fu / Ω) ≤ (2.4 d t Fu / Ω)

Para o parafuso externo (arrancar), lc = 0.84 no:
Rnb = 1.2 lc t Fu = 1.2(0.84 no) 0.38 no (58 ksi) = 27.9 kips
(Rnb / Ω) = 13.9 kips

Para o parafuso interno (arrancar), lc = 2.19 no:
Rnb = 1.2 lc t Fu = 1.2 (2.19 no) 0.38 no (58 ksi) = 72.3 kips
(Rnb / Ω) = 36.2 kips

Para rolamento geral (alongamento do orifício do parafuso):
Rnb = 2.4 d t Fu = 2.4 (0.8125 no) 0.38 no (58 kksi) = 50.8 kips
(Rnb / Ω) = 25.4 kips

O cisalhamento do parafuso controlará o rolamento desde 12.5 kips < 13.9 kips

3. Capacidade do Grupo Bolt
Considerando o mínimo entre: capacidade de cisalhamento do parafuso, rolamento e rasgo nos orifícios dos parafusos internos e externos.

uma). Capacidade do parafuso externo (como estabelecido acima):
(parafuso externo), Rab = 12.5 kips / parafuso

b). Capacidade do parafuso interno (como estabelecido acima):
(parafuso interno), Rab = 12.5 kips / parafuso

c). Capacidade dos parafusos como um grupo: soma das capacidades a). e B)
Rab = 12.5 kips + 3(12.5 kips) = 50.0 kips

Proporção da capacidade do projeto, DCR:
cisalhamento necessário, R = 33.0 kips
capacidade total, Rab = 50.0 kips
DCR = (33.0 / 50.0) = 0.660, OK

Tabela de resumo para todas as verificações críticas

alternativamente, se você já é um engenheiro experiente e está familiarizado com o processo de projeto para uma conexão de cisalhamento simples, o processo pode ser substancialmente encurtado, graças às tabelas de design oferecidas no AISC 360 Manual de Design:

Tesoura de Parafuso, Solda de cisalhamento, e rolamento de parafuso, Shear Yielding, Ruptura por cisalhamento, e ruptura por cisalhamento da placa

Experimente quatro filas de parafusos, 1/4-no. espessura da placa, e 3/16 pol.. tamanho de solda de filete.

Da Tabela Manual AISC 10-10a:

LRFD

Rn = 52.2 kips > 49.6 kips, OK

ASD

Rn = 34.8 kips > 33.0 kips = Ra, OK

Rolamento de parafuso para trama de viga

Ruptura por cisalhamento de bloco, o escoamento por cisalhamento e a ruptura por cisalhamento não controlarão para uma seção não copiada.

Da Tabela Manual AISC 10-1, para uma seção não enfrentada, a força disponível da teia da viga é:

LRFD

Rn = 351 kips / in. (0.380 dentro.) = 133 kips > 49.6 kips = Ru, OK

ASD

Rn = 234 kips / in. (0.380 dentro.) = 88.9 kips > 33.0 kips = Ra, OK


O exemplo de design de conexão AISC mostrado acima é feito em ASD (a versão pdf está disponível aqui: ASD Connection Design Report.pdf ). similarmente, o exemplo da versão LRFD pode ser encontrado neste link: LRFD Connection Design.pdf.

Desenvolvedor de Produto Mico Dalistan
Mico Dalistan
Desenvolvedor de Produto
BEng (Civil)

REFERÊNCIAS:

AISC 360 Especificação de edifícios de aço estrutural
Exemplos de projeto AISC v14.1 (EXEMPLO II.A-17, páginas IIA-60 a 61)
Software de design de conexão SkyCiv: https://skyciv.com/structural-software/connection-design/

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