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Passo a passo de um projeto de viga composta

Hope you have gone through our earlier blog Exemplo de projeto composto AS2327 which gives an overall idea about the Composite Design Model. If you have done so already, I would request you to please go through it and come back here. For those who have visited the same, please read on.

For today, let’s have a walkthrough to understand the process of designing a composite beam and the step by step calculations obtained using SkyCiv’s Composite Beam design program.

Determination of effective section of concrete portion (effective width)

The first step in defining a composite beam cross section is to access the width of concrete flange available to act compositely with the steel section. As larguras efetivas são expressas em relação ao vão da viga. O valor constante da largura efetiva é tomado como L/4.

Determinação da seção de aço da porção efetiva:

Quando a viga de aço sob compressão, sua seção será dobrada se não for compacta ou esbelta. Nesse caso, only effective area is considered in the design. For this, a seção precisa ser classificada na categoria viz. Compacto/Não Compacto/Esbelto.

As seções compactas são preferidas às seções não compactas. Caso algum dos elementos se enquadre na categoria de seção Não Compacta, sua porção efetiva precisa ser considerada em cálculos adicionais, calculando larguras reduzidas. Para seções compactas, toda a seção transversal é considerada efetiva sem quaisquer reduções. Seção transversal tendo delgado elemento deve não be used.

A largura efetiva da chapa de aço será determinada de acordo com AS4100 que leva ao cálculo da esbeltez do elemento em função da flambagem local. A esbeltez do elemento para flambagem local deve ser verificada da seguinte forma:

Projeto de viga para resistência

Projetar a viga mista para critérios de resistência envolve o cálculo da capacidade de momento. O módulo é capaz de avaliar a capacidade de momento de flexão de uma viga como um caso de viga Simplesmente Apoiada.

    • A capacidade do momento é calculada considerando conexão de cisalhamento completo (FSC) ou seja. β=1,0
    • Como parte do FSC, 3 Diferentes caixas para o Eixo Neutro Plástico (PNA) posicionamento são considerados para avaliação da capacidade de momento.
    • Quando a laje de concreto é mais forte que as vigas de aço, a PNA ficará dentro do laje de concreto também é aplicável para calcular a capacidade de carga final de estacas em argila (1). a distribuição de pressão inclina um ângulo igual à inclinação do aterro, the ultimate flexural strength is determined from a simple couple force.

FIG(1) : PNA lies in concrete slab

    • When the steel beam is stronger than the concrete slab, the plastic neutral axis will lie within the steel beam as shown in Fig (2). a distribuição de pressão inclina um ângulo igual à inclinação do aterro, the moment strength can be obtained by summing moments about the centroid of the tension force. There can be two sub-cases in this category viz. PNA lies within top flange of steel beam FIG (2-uma)ou PNA lies in the web FIG (2-b).

FIG(2-uma) : PNA lies in Top Flange of Steel Beam FIG(2-b) : PNA lies in Top Flange of Steel Beam

    • When there is a corrugated metal deck below the concrete slab, the moment of resistance for FSC is worked out in a similar way considering 3 possibilities of PNA position. The deck orientations are also taken into consideration while evaluating the moment of resistance viz. deck is parallel to span of beam (θ=0), deck is perpendicular to span of beam (θ=90) or any angle made by the decking with beam span in the range of 0 para 90(0<θ<90)
    • Further to this, the Moment capacity is calculated considering partial shear connection (PSC) ou seja. for value of β=0.1 to 0.9
    • The program also estimates the moment capacity of only steel beam section i.e. the case where there is NO COMPOSITE ACTION. This is the case where β=0 and thus, the concrete slab in the cross section does not play any role in the flexure design. This can be the case during construction for a very short duration.
    • As prescribed in AS:2327, the relationship between the degree of shear connection b and the moment of resistance ratio (ou seja. ratio of moment corresponding to specific value of β to moment corresponding to β=1) for various values of β ranging from 0 para 1.0 are plotted.
    • User can get an idea about the moment capacity for certain degree of shear connection for the given cross sectional dimensions and shear connectors. The number of trials for shear connectors in terms of size and spacing can be performed using the program and the graph.

Design of Beam for Shear

    • Shear check is calculated for vertical shear as well as longitudinal shear.
    • Longitudinal shear is evaluated at the interface between concrete slab and steel beam.
    • For the given size and spacing (or numbers) of shear connectors, the longitudinal shear carrying capacity is evaluated. Por isso, user gets provided value of b for the shear connection. The minimum required value of β is calculated by the program as per Cl. 3.5.8.3. The required value of β for the desired moment of resistance can be obtained from the graph above.
    • The above evaluation can guide the user about optimization in case of shear connectors based on the criteria of longitudinal shear resistance.
    • The vertical shear resisted by the given cross section is evaluated based on contribution from slab (as per AS2327), aço estrutural (as per AS4100) and the shear connectors (as per AS2327).
    • User can specify whether to consider or ignore the shear contribution from the concrete slab in the shear capacity calculations.
    • Two types of shear connectors are supported by the program viz. shear studs and structural bolts.
    • The program output provides the intimation to the user about the detailing provisions of shear connectors viz. minimum dia. of connector, minimum and maximum allowed spacing, edge distances, number of rows etc.

Design of Beam for Serviceability

    • Os cálculos de serviço envolvem a estimativa de deflexão nos seguintes casos:
      • fase de construção (Apenas viga de aço)
      • efeitos de curto prazo do estágio de serviço (seção composta)
      • efeitos de longo prazo do estágio de serviço devido ao encolhimento (seção composta)
      • efeitos de longo prazo do estágio de serviço devido à fluência (seção composta)
    • O programa é capaz de calcular a deflexão para os casos acima com base na teoria da seção UN-CRACKED ou da seção CRACKED. A escolha é dada ao usuário para especificar o tipo de seção viz. rachado ou não rachado.
    • Em caso de análise baseada em seção não trincada, a área transformada de concreto em termos de aço estrutural é avaliada pelo programa e, posteriormente, as outras propriedades da seção que são necessárias para o cálculo da deflexão.
    • A análise da seção fissurada é baseada na suposição de que o concreto é ignorado na seção mista.
    • A deflexão total é calculada para os casos acima, que é considerada como a deflexão permitida para a seção transversal dada e comparada com a deflexão real.

Por favor, observe este espaço para o próximo blog sobre passo a passo semelhante para as Colunas Compostas.

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