Exemplo de projeto de conexão AISC
Este tutorial fornece um exemplo de design de conexão AISC. Conexões de cisalhamento entre seções em forma de I são algumas das conexões mais comuns em projetos de aço. dê uma olhada em alguns trechos deste relatório de conexões AISC 360-16, este artigo funciona através de um exemplo de design. Também podemos chegar aos resultados deste exemplo diretamente através do Projeto de conexões SkyCiv módulo. Certifique-se de verificar o artigo adicional sobre projetando uma conexão de momento.
Uma conexão de cisalhamento é uma conexão simples sob AISC 360-16 B3.4. É detalhado para fornecer a reação final da viga e girar em vez de suportar o momento final, que é o que o separa da conexão de momento abordada no artigo complementar.
Os cálculos apresentados aqui usam 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 um conexão de placa única entre uma viga W16x50 e um pilar W14x90 usando as dimensões e parafusos mostrados abaixo. Esta conexão precisa suportar a reação final 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., 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 na profundidade da placa vem do layout do parafuso: quatro parafusos em 3 no espaçamento dá 9 entre os parafusos externos, mais tem 1 1/4 na distância da borda superior e inferior.
Luminárias (Parafusos e soldas):
(4) – 3/4-no.-parafusos de diâmetro ASTM F3125 Grau A325-N em furos padrão, no 3 no espaçamento com 1 1/4 na distância da borda
70-filetes de eletrodo ksi. A325 e A490 são classes dentro da ASTM F3125, que consolidou as antigas especificações de parafusos autônomos. 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
Cada verificação abaixo é comparada com a reação ASD de 33.0 kips. O valor LRFD é transportado apenas para a comparação manual da tabela no final.
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. Os cheques se enquadram em três grupos: a própria placa, a solda que o prende à coluna, e o grupo de parafusos que o une à alma da viga.
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
Placa de cisalhamento 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 [ 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
A solda percorre ambos os lados da placa, Então o 23 em é 2 x 11.5 in e já contabiliza as duas linhas. A carga corre ao longo do eixo de solda aqui, então θ = 0 e não há aumento direcional.
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 em é o 13/16 no furo padrão mais o 1/16 no subsídio AISC se aplica ao calcular a área líquida.
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
Placa de cisalhamento na alma 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
O cisalhamento de bloco arranca um único bloco da placa: ele se rompe ao longo da distância da borda horizontal e corta a linha do parafuso, então um termo de tensão e um termo de cisalhamento são adicionados.
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
Placa de cisalhamento na alma W16x50, 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 é a tensão de cisalhamento nominal para um parafuso Grau A325 com roscas incluídas no plano de cisalhamento, retirado diretamente da Tabela AISC J3.2, então nenhuma redução adicional é aplicada a ele.
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 livre no parafuso da borda, lc = 0.84 no (de 1 1/4 na distância da borda menos meio buraco)
distância livre para o buraco adjacente, lc = 2.19 no (de 3 no espaçamento menos um furo)
O parafuso de borda tem a menor distância livre, então ele controla:
(Rnb / Ω) = (1.5 lc t Fu / Ω) ≤ (3.0 d t Fu / Ω)
Como a deformação do furo não é considerada aqui como uma consideração de projeto, o AISC 360-16 Coeficientes J3-6b de 1.5 e 3.0 aplicar em vez de 1.2 e 2.4 de 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: um parafuso externo mais três parafusos internos
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
Feixe de teia, 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
Feixe de teia, 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)
distância livre no parafuso da borda, lc = 0.84 no
distância livre para o buraco adjacente, lc = 2.19 no
O parafuso de borda tem a menor distância livre, então ele controla.
(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
Observe que a alma da viga é mais espessa que a placa em 0.380 contra 0.250 no, então cada valor de rolamento aqui é maior e os próprios parafusos se tornam o limite. A placa, sendo a parte mais fina, é onde o rolamento governa.
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: um parafuso externo mais três parafusos internos
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
Cada cheque passa. A ruptura por cisalhamento da placa governa em 0.948, com cisalhamento em bloco logo atrás em 0.933, e ambos são propriedades do 1/4 em prato. Se essa reação crescesse, uma placa mais espessa compraria mais capacidade com menos trabalho.
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 projeto oferecidas no Manual de Construção em Aço AISC:
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
A tabela retorna o mesmo 34.8 kips que a verificação de ruptura por cisalhamento da placa longa deu acima, qual é o cheque que rege a placa.
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.
Execute este exemplo você mesmo
Entre no W16x50, o W14x90 e o 1/4 em prato, e o módulo retorna todas as verificações acima com sua taxa de utilização e a cláusula por trás dela. 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 e 10-10h
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/
Calculadora de conexão de placa única: https://skyciv.com/structural-software/connection-design/single-plate-connection-calculator/
