Exemplo de projeto de conexão AISC
Este tutorial fornece um exemplo de design de conexão AISC. Conexões de cisalhamento between I-shaped sections are some of the most common connections in steel design. dê uma olhada em alguns trechos deste relatório de conexões AISC 360-16, this article works through a design example. We can also get to the results of this example directly through the Projeto de conexões SkyCiv módulo. Certifique-se de verificar o artigo adicional sobre projetando uma conexão de momento.
A shear connection is a simple connection under AISC 360-16 B3.4. It is detailed to deliver the beam end reaction and to rotate rather than to carry end moment, which is what separates it from the moment connection covered in the companion article.
The calculations presented here use the Allowable Stress Design (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, we are going to evaluate the capacity of a single-plate connection between a W16x50 beam and a W14x90 column using the dimensions and bolts shown below. This connection needs to support the beam end reaction.
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., tf = 0.630 no
Coluna: W14x90; tf = 0.710 no.
Placa de cisalhamento: 1/4 em grosso; 4 1/2 em x 11 1/2 em dimensões
A 11 1/2 in plate depth comes from the bolt layout: four bolts at 3 in spacing gives 9 in between the outer bolts, plus a 1 1/4 in edge distance top and bottom.
Luminárias (Parafusos e soldas):
(4) – 3/4-no.-diameter ASTM F3125 Grade A325-N bolts in standard holes, no 3 in spacing with 1 1/4 in edge distance
70-filetes de eletrodo ksi. A325 e A490 são classes dentro da ASTM F3125, which consolidated the older standalone bolt specifications. Para saber mais sobre o lado do fixador, veja a documentação em parafusos e soldas.
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
Every check below is compared against the ASD reaction of 33.0 kips. The LRFD figure is carried only for the Manual table comparison at the end.
Usando o software SkyCiv Connection Design, as diferentes partes da conexão serão agora verificadas de acordo com as verificações da Seção J do AISC 360-16. The checks fall into three groups: the plate itself, the weld holding it to the column, and the bolt group joining it to the beam web.
Placa de cisalhamento, Shear Yielding
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
Shear Plate to W14x90 Flange, Força de solda
Força de soldas de filete: Ω = 2.0
Tamanho da Solda, t = 0.1875 no
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:
Tensão de solda permitida, Faw = [ 0.6 (70) / 2.0 ] = 21 ksi
comprimento transversal, lt = 0 no
comprimento longitudinal, tudo = 23 no
comprimento efetivo total, eu = lt (1.5) + tudo (1.0) = 0 (1.5) + 23 (1.0) = 23 no
(Fora / uma) = 21 ksi (23 no) = 483 kips / no
The weld runs both sides of the plate, Então o 23 in is 2 x 11.5 in and already accounts for both lines. The load runs along the weld axis here, so θ = 0 and there is no directional increase.
Tamanho efetivo (garganta) de solda de filete, uma:
0.707 = o cosseno ou seno de 45deg
a = (0.707) t = 0.133 no
Fora = (Fora / uma) uma = 483 (0.133 no) = 64.2 kips
Proporção da capacidade do projeto, DCR:
carga necessária, R = 33.0 kips
capacidade total, Ra = 64.2 kips
DCR = (33.0 / 64.2) = 0.514, OK
Placa de cisalhamento, Ruptura por cisalhamento
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
A 0.875 in is the 13/16 in standard hole plus the 1/16 in allowance AISC applies when computing net area.
Rav = (0.6 Fu 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
Shear Plate at W16x50 Web, 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
Block shear tears a single block out of the plate: it ruptures across the horizontal edge distance and shears down the bolt line, so a tension term and a shear term are added.
Componente de tensão de ruptura: Ubs= 1.0 (tensão uniforme)
(Ubs Fu Ant / Ω) = [ 1.0 (58 ksi) (1.0625 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:
(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
Shear Plate at W16x50 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 = Fnv A partir de = (54 ksi) 0.463 em ^ 2 = 25.0 kips
(Rnv / Ω) = 12,5 kips / parafuso
A 54 ksi is the nominal shear stress for a Grade A325 bolt with threads included in the shear plane, taken straight from AISC Table J3.2, so no further reduction is applied to it.
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)
clear distance at the edge bolt, lc = 0.84 no (de 1 1/4 in edge distance less half a hole)
clear distance to adjacent hole, lc = 2.19 no (de 3 in spacing less one hole)
The edge bolt has the smaller clear distance, so it controls:
(Rnb / Ω) = (1.5 lc t Fu / Ω) ≤ (3.0 d t Fu / Ω)
Because hole deformation is not taken as a design consideration here, o AISC 360-16 J3-6b coefficients of 1.5 e 3.0 apply rather than the 1.2 e 2.4 of J3-6a.
Para o parafuso externo (arrancar), lc = 0.84 no:
Rnb = 1.5 lc t Fu =1,5 (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 = 1.5 lc t Fu = 1.5 (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 = 3.0 d t Fu = 3.0 (0.768 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: one outer bolt plus three inner bolts
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
Beam Web, Ruptura por cisalhamento (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 = 16,3 - [ 0.875 no (4) ] = 12.8 no
Rav = (0.6 Fu 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
Beam 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 = Fnv A partir de = (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)
clear distance at the edge bolt, lc = 0.84 no
clear distance to adjacent hole, lc = 2.19 no
The edge bolt has the smaller clear distance, so it controls.
(Rnb / Ω) = (1.5 lc t Fu / Ω) ≤ (3.0 d t Fu / Ω)
Para o parafuso externo (arrancar), lc = 0.84 no:
Rnb = 1.5 lc t Fu = 1.5(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 = 1.5 lc t Fu = 1.5 (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 = 3.0 d t Fu = 3.0 (0.768 no) 0.38 no (58 ksi) = 50.8 kips
(Rnb / Ω) = 25.4 kips
O cisalhamento do parafuso controlará o rolamento desde 12.5 kips < 13.9 kips
Note that the beam web is thicker than the plate at 0.380 in against 0.250 no, so every bearing value here is larger and the bolts themselves become the limit. The plate, being the thinner part, is where bearing governs.
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: one outer bolt plus three inner bolts
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
Every check passes. Plate shear rupture governs at 0.948, with block shear close behind at 0.933, and both are properties of the 1/4 in plate. If this reaction grew, a thicker plate would buy the most capacity for the least work.
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, thanks to the design tables offered in the AISC Steel Construction Manual:
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
PhiRn = 52.2 kips > 49.6 kips = Ru, OK
ASD
Rn / Ω = 34.8 kips > 33.0 kips = Ra, OK
The table returns the same 34.8 kips that the long-hand plate shear rupture check gave above, which is the check that governs the plate.
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
PhiRn = 351 kips / in. (0.380 dentro.) = 133 kips > 49.6 kips = Ru, OK
ASD
Rn / Ω = 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.
Run This Example Yourself
Enter the W16x50, the W14x90 and the 1/4 in plate, and the module returns every check above with its utilization ratio and the clause behind it. Ele roda no navegador, sem nada para instalar.
REFERÊNCIAS:
AISC 360-16, correspondente às especificações para aço estrutural
Manual de construção em aço AISC, Mesas 10-1 and 10-10a
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/
Single plate connection calculator: https://skyciv.com/structural-software/connection-design/single-plate-connection-calculator/
