Conexão de Momento

Tipos de conexões de momento

As conexões de momento suportam muito mais momento do que uma conexão de cisalhamento, e eles custam mais para fazer: mais materiais, mais soldagem, mais ajuste e mais inspeção. A maioria das estruturas os utiliza apenas onde a estrutura depende da ação da estrutura para estabilidade lateral, e use conexões de cisalhamento em qualquer outro lugar.

Quais configurações estão disponíveis dependem do código de projeto e do que as estruturas de vigas estão inseridas..

Viga para coluna de seção I (AISC 360-16)

Quatro configurações, enquadramento ao banzo do pilar ou à alma do pilar:

• Placa de flange. Placas nos banzos superior e inferior da viga, soldado à coluna e aparafusado à viga. À medida que a viga se curva, uma placa entra em tensão e a outra em compressão, e esse casal carrega o momento. Uma placa web separada, na verdade, uma aba de cisalhamento, carrega a tesoura. Toda a soldagem acontece na oficina, é por isso que os fabricantes gostam (exemplo trabalhado).
• Flanges Soldados. Os banzos da viga são soldados diretamente ao banzo do pilar sem placa intermediária, e a alma é aparafusada a uma aba de cisalhamento. Isto proporciona a junta mais rígida do grupo e o caminho de carga mais limpo, mas é a soldagem em campo em um membro que deve caber dentro da tolerância, então carrega pré-aquecimento, custos de acesso e inspeção que um detalhe aparafusado não.
• Placa final nivelada. Uma placa soldada na extremidade da viga e aparafusada ao pilar, terminando nivelado com os flanges da viga para que todos os parafusos fiquem entre eles. Permanece dentro da profundidade do feixe, que combina com pisos, mas os parafusos’ braço de alavanca é limitado, então combina com momentos moderados (exemplo trabalhado).
• Placa final estendida. A mesma ideia, com a placa estendida além do flange de tensão para que uma fileira de parafusos possa ficar fora dela. Essa linha tem o braço de alavanca mais longo em torno do flange de compressão, e a extensão adiciona linhas de escoamento à placa, que é o que compra a capacidade de momento extra. É a configuração mostrada no topo desta página (exemplo trabalhado).

Como projetar uma conexão momentânea com AISC 360-16

Cada conexão de momento é projetada seguindo a força do flange. O momento da viga torna-se uma força de tração em um banzo e uma força de compressão no outro.. Cada força passa do banzo da viga, através dos parafusos, placas ou soldas, no flange da coluna, e a coluna tem que carregá-lo. O cisalhamento atravessa a alma separadamente. Uma falha em qualquer lugar ao longo de qualquer caminho é uma falha na conexão.

As equações abaixo são os formulários LRFD do AISC 360-16, o Manual AISC 15ª Edição e, para placas finais, Guia de projeto AISC 39. para TEA, substituir [mathin] \phi R_{n} [mathin] com [mathin] R_{n} / \Omega [mathin], usando o [mathin] \Omega [mathin] dado na mesma cláusula ([mathin] \Omega = 2.00 [mathin] Onde [mathin] \phi = 0.75 [mathin], e [mathin] \Omega = 1.67 [mathin] Onde [mathin] \phi = 0.90 [mathin]).

1. A força do flange

O momento é transportado em casal. Dividindo-o pela distância entre os centróides do flange obtém-se a força em cada flange, e uma carga axial adiciona metade do seu valor a cada flange:

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

No exemplo da placa de flange, uma 300 momento kip-ft em um W24x84 com 100 kip de carga axial dá [mathin] P_{uf} = 204.31\,kip [mathin], e cada verificação nas placas do flange é feita em relação a esse número.

As placas finais funcionam da mesma maneira, mas Guia de Design 39 transforma a tensão axial em um momento equivalente, porque puxa os mesmos parafusos de tensão:

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

Esta não é uma pequena correção. No exemplo da placa final nivelada, 150 kip de tensão transforma um 200 momento kip-ft em 328.75 kip-ft.

2. Limites de detalhamento (J2.2b, J3.3, J3.4, J3.5)

Antes de qualquer verificação de força, a conexão deve ser edificável. Os parafusos precisam de um espaçamento mínimo e distância da borda, uma chave inglesa precisa de espaço para girar, e soldas de ângulo precisam de um tamanho mínimo para as peças que unem (Tabela J2.4). O espaçamento mínimo dos parafusos é:

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

Uma placa final também deve ter profundidade suficiente além de cada flange para que a solda do flange se encaixe. No exemplo da placa final estendida, o espaçamento da coluna do parafuso fica exatamente no mínimo, uma proporção de 1.000, o que é permitido. Os projetistas colocam parafusos nos limites para manter a placa pequena.

3. Placas finais: tamanho do parafuso e espessura da placa (Guia de projeto 39)

Guia de projeto 39 usa uma abordagem de placa espessa. Os parafusos são dimensionados para atingir sua resistência à tração sem forçar, e então a placa fica rígida o suficiente para que a intromissão nunca se desenvolva. O diâmetro do parafuso vem dos braços da alavanca [mathin] h_{i} [mathin] das fileiras de parafusos de tensão em torno do centro do flange de compressão:

[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]

A resistência à flexão da placa vem de um padrão de linha de escoamento em torno desses parafusos, resumido no parâmetro da linha de rendimento [mathin] Y_{p} [mathin] das tabelas do guia para cada padrão de parafuso:

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

A 1.10 fator mantém a placa 10% mais forte que a demanda, então ele permanece rígido e a suposição de não intromissão se mantém. [mathin] \gamma_{r} [mathin] é 1.0 para uma placa estendida e 0.8 para uma placa de descarga, porque uma placa de descarga é mais flexível e precisa ser mais espessa para ser considerada totalmente restringida. A extensão é de onde vem a força extra: o exemplo estendido tem [mathin] Y_{p} = 212.35\,in [mathin], contra 123.54 para a placa de descarga.

4. Placas de flange: escorregar, rolamento e cisalhamento de bloco (J3.8, J3.10, J4.3)

As placas de flange são frequentemente detalhadas com furos grandes para ajuste, e J3.2 permite isso apenas em juntas críticas de deslizamento. A resistência ao deslizamento do grupo de parafusos é:

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

Onde [mathin] \mu = 0.5 [mathin] para superfícies Classe B, [mathin] D_{u} = 1.13 [mathin], [mathin] T_{b} [mathin] é a pré-tensão mínima do parafuso da Tabela J3.1, e [mathin] h_{f} [mathin] é o fator de preenchimento, 0.85 quando pode haver dois ou mais enchimentos. [mathin] \phi = 0.85 [mathin] para furos grandes. No exemplo da placa de flange, o escorregamento é verificado em 0.978.

O rolamento do parafuso e o rasgo seguem J3.10 na placa e no flange da viga:

[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]

e a placa e o flange da viga são verificados quanto ao rompimento do bloco ao redor dos parafusos:

[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]

Experimente layouts de parafusos no calculadora de parafuso.

5. Placas de flange em tensão e compressão (J4.1, J4.4)

A placa de tensão é verificada quanto ao escoamento na seção bruta e ruptura através dos furos:

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

A placa de compressão é uma coluna curta entre a face da coluna e a primeira linha de parafusos. Se for suficientemente atarracado, J4.4 permite pular as equações de flambagem do Capítulo E:

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

Para um prato, [mathin] r = t / \sqrt{12} [mathin], então uma placa fina atinge o limite rapidamente. A 1/2 na placa no exemplo da placa de flange chega em 24.942, logo abaixo 25.

6. A viga nos furos dos parafusos (D3, F13.1)

Os furos saem do banzo de tração da viga exatamente no ponto de momento máximo. F13.1 verifica se reduzem a resistência à flexão da viga:

[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] quando [mathin] F_{y}/F_{u} \le 0.8 [mathin]. A força do flange também precisa entrar na viga: metade do feixe, uma camiseta, é tratado como um membro de tração conectado apenas através do flange, com shear lag reduzindo a área útil:

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

7. Soldas e o metal base (J2.4, Equação manual. 9-2)

A força do flange atravessa uma solda em cada uma dessas conexões: placa de flange para coluna, ou flange da viga até a placa final. Carregado perpendicularmente ao seu comprimento, uma solda de ângulo obtém o aumento direcional J2.4 de 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]

O aço em ambos os lados limita o quanto o tamanho da solda conta. Para soldas em ambas as faces de uma peça com espessura t, o tamanho utilizável em dezesseis décimos é:

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

Guia de projeto 39 adiciona um piso às soldas do flange da placa final: eles são projetados para pelo menos 60% da resistência ao escoamento do flange, então a solda nunca é o elo mais fraco, mesmo sob um pequeno momento.

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

No exemplo nivelado, o chão (295.2 kip) é maior que a força das cargas (191.5 kip), então o piso dimensiona a solda. No exemplo da placa de flange, o 1/4 na solda à coluna rege toda a conexão em 0.998. Experimente os tamanhos no calculadora de solda.

8. Corte através da web

O cisalhamento da viga não passa pelos banzos. Em uma conexão de placa flangeada, ela passa pela placa de alma, que é projetado como uma aba de cisalhamento: tesoura de parafuso, rolamento na placa e na alma da viga, cisalhamento de bloco, e escoamento por cisalhamento e ruptura da placa. No exemplo da placa de flange, ruptura por cisalhamento do 1 na placa web governa aquele lado em 0.943.

Em uma placa final, o cisalhamento passa pelas soldas da alma fora da zona de tensão, e a alma da viga muitas vezes limita a soldagem. No exemplo da placa final nivelada, o 1/2 na web limita o tamanho de solda utilizável para 0.3287 no, menos que o 3/8 em especificado, e a solda da alma em cisalhamento governa a conexão em 0.988.

9. A coluna: flexão de flange, rendimento da web, zona de incapacitação e painel (J10)

As forças do banzo chegam ao pilar como cargas concentradas, e a coluna tem que carregá-los sem falha local. Estas verificações decidem se o pilar precisa de reforços transversais ou de uma placa duplicadora de alma, e muitas vezes são mais baratos para satisfazer com uma coluna mais pesada do que com reforços.

Flexão local do flange, sob o flange de tensão (Eq. J10-1):

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

Rendimento local da Web, com comprimento do rolamento [mathin] l_{b} [mathin], longe do final da coluna (Eq. J10-2):

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

Guia de projeto 39 usa 6k no lugar de 5k para placas finais, porque a força se espalha pela placa antes de atingir a coluna.

Paralisação da Web, sob o flange de compressão (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]

Cisalhamento da alma da zona do painel, onde a alma do pilar entre as forças do banzo está em cisalhamento (Eq. J10-9):

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

Para placas finais, os parafusos de tensão também dobram o flange da coluna em um padrão de linha de escoamento, verificado como a própria placa final:

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

O cisalhamento da zona do painel governou o pilar em todos os três exemplos trabalhados, no 0.461, 0.726 e 0.492. Uma zona de painel com falha precisa de uma placa duplicadora, e um flange com falha ou verificação da alma precisa de reforços opostos ao flange da viga.

Exemplos de projeto de conexão de momento (AISC 360-16 LRFD)

Cada exemplo abaixo é uma planilha de cálculo AISC completa do SkyCiv Connection Design, escrito passo a passo com cada equação, valor substituído e DCR.

 

Vale a pena conhecer o padrão. Em uma placa final, os parafusos e a placa são dimensionados juntos e tendem a terminar próximos um do outro, e a alma da viga muitas vezes limita as soldas. Em uma placa de flange, tudo no lado do flange é verificado em relação à mesma força do flange, então as soldas e os parafusos com deslizamento crítico acabam trabalhando igualmente duro. Em todos os três, a coluna não precisava de reforços ou placa duplicadora, mas a zona do painel foi a verificação da coluna mais próxima do seu limite.

Para a teoria por trás dos exemplos, Vejo projeto de conexões de aço usando AISC 360-16.

Qual conexão de momento você deve usar?

O que o software verifica?

O detalhamento é executado primeiro: distâncias da borda do parafuso, espaçamento do parafuso (pitch e medidor), folgas da ferramenta, dimensões mínimas e máximas da placa, tamanhos mínimos de solda, e detecção de choque entre placas, reforços, parafusos e soldas. Uma conexão que não pode ser construída não chega à solução.

As verificações de resistência seguem o procedimento acima. Para placas finais, isso significa o diâmetro do parafuso e a espessura da placa necessários do Guia de Design 39, a porção estendida da placa em cisalhamento, o flange e a alma são soldados com seu metal base, e cisalhamento de parafuso, rolamento e arrancamento. Para placas de flange significa deslizamento, consequência, cisalhamento de bloco, tensão e compressão da placa, ruptura da viga nos furos e nas soldas, mais a placa da alma como aba de cisalhamento. Na coluna significa flexão do flange, rendimento local da web, paralisação da web, flambagem por compressão da alma e cisalhamento da zona do painel.

Cada fórmula, verificação de projeto e referência de código são mostradas na íntegra, com números de cláusulas do AISC 360-16, para que você possa seguir o cálculo em vez de confiar nele. Os exemplos trabalhados acima foram escritos a partir desses relatórios. Para o lado do fixador, veja a documentação em parafusos e soldas.

Conexão de Momento vs Conexão de Cisalhamento: a diferença

A diferença é o que acontece com o ângulo entre os dois membros. Em uma conexão de momento esse ângulo é mantido, então dobrar um membro leva ao outro. Em uma conexão de cisalhamento a junta pode girar livremente, então a extremidade da viga gira e nenhum momento significativo cruza a junta. Ver o que é uma conexão de cisalhamento para a outra metade da comparação.

 

 

Perguntas frequentes

Como você calcula a força do flange em uma conexão de momento?

Divida o momento final da viga pela distância entre os centróides da flange, [mathin] d – t_{f} [mathin], e adicione metade de qualquer carga axial. A 300 momento kip-ft em um W24x84 (d = 24.1 no, t_f = 0.77 no) com 100 kip de carga axial dá 204.31 kip em cada flange.

Qual é a diferença entre uma conexão de momento totalmente restringida e uma conexão de momento parcialmente restringida?

Um totalmente contido (você teria uma boa noção de como as conexões simples são projetadas sob o AISC) conexão mantém o ângulo entre os membros, para que o quadro possa ser analisado com uma junta fixa. Um parcialmente contido (RP) conexão transfere momento, mas gira visivelmente, então sua rigidez rotacional tem que entrar na análise. AISC 360-16 B3.4 define ambos. A 0.8 fator de redução em placas finais niveladas no Guia de Design 39 existe para manter essas conexões rígidas o suficiente para serem tratadas como FR.

Quando uma conexão de momento precisa de reforços de coluna ou de uma placa duplicadora?

Quando a coluna falha, uma das verificações J10 sob as forças do flange. Flexão local do flange, rendimento local da web, a deformação da alma e a flambagem por compressão da alma são fixadas com reforços transversais opostos aos banzos da viga. O cisalhamento da zona do painel é fixado com uma placa duplicadora na alma do pilar. Muitas vezes, uma seção de coluna mais pesada é mais barata do que qualquer, porque os reforços e duplicadores adicionam soldagem.

Qual é a diferença entre uma placa final embutida e uma placa final estendida?

Uma placa final nivelada para nos flanges da viga, então todos os parafusos estão entre eles. Uma placa final estendida se projeta além do flange de tensão com uma fileira de parafusos fora dela. Essa linha tem o braço de alavanca mais longo, e a extensão adiciona linhas de rendimento, então uma placa estendida carrega um momento muito maior. Uma placa nivelada é usada onde a conexão deve permanecer dentro da profundidade da viga.

Por que os parafusos da placa do flange são críticos contra deslizamento?

As placas de flange geralmente são detalhadas com furos grandes, para dar tolerância ao montador nos flanges, e AISC 360-16 J3.2 permite furos superdimensionados apenas em conexões com deslizamento crítico. Os parafusos são pré-tensionados e as superfícies de contato preparadas, normalmente para a classe B, então a junta carrega a força do flange por atrito.

Posso projetar uma conexão momentânea com ASD em vez de LRFD??

Sim. Os estados limites são os mesmos. Substituir [mathin] \phi R_{n} [mathin] com [mathin] R_{n} / \Omega [mathin] e compare com as cargas ASD. SkyCiv Connection Design executa ambos, e alternar entre eles é uma configuração.

Os exemplos seguem o Manual AISC 15ª ou 16ª edição?

Eles seguem AISC 360-16 com o Manual AISC 15ª Edição, que está escrito em torno dessa Especificação, e Guia de Design AISC 39 para as placas finais. O Manual da 16ª Edição combina com AISC 360-22. Os estados limites são praticamente os mesmos, mas as referências de cláusulas e tabelas se movem, então compare-os com a edição que seu projeto usa.

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Os modelos e verificações acima são de Projeto de conexões SkyCiv. Ele cobre 80+ tipos de conexão pré-configurados, projetos para AISC 360-16 (LRFD & ASD) e a norma AS 4100:2020, e mostra todas as fórmulas, verificação de projeto e referência de código completa.

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Referências

• AISC 360-16, correspondente às especificações para aço estrutural: B3.4, D3 (Tabela D3.1), F13.1 (Eq. F13-1), J2.2b (Tabela J2.4), J2.4, J3.1 (Tabela 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).
• Manual de construção em aço AISC, 15ª edição: Papel 9 (Eq. 9-2, limite de metal base no tamanho da solda); Papel 12 (conexões de momento totalmente restringidas).
• Guia de projeto AISC 39, Conexões de Momento da Placa Final.