Armadura de un pilar existente en RFEM según AISC Design Guide 15

Este artículo muestra el uso de la sección "Paramétrica de paredes delgadas" disponible en RFEM basada en el ejemplo de LRFD que se muestra en la guía de diseño 15 de AISC: Rehabilitación y modernización [2]. El módulo adicional RF-STEEL AISC se utiliza para realizar la comprobación de diseño para pilares reforzados y no reforzados según el capítulo E de AISC.

A continuación se muestra el ejemplo 6.2 de la guía de diseño AISC 15 [2], donde se usa la forma histórica AISC W10X66 (F_y = 33 ksi) para el pilar de 16 pies de largo.

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1 W10X66 Columna definida por el usuario

Los siguientes pasos describen el procedimiento para crear una sección y un material definidos por el usuario.

Creación de una sección W10X66 definida por el usuario

1. Elija la "Sección en I simétrica" en la biblioteca de secciones. Luego introduzca las propiedades geométricas que se encuentran en la tabla 5-2.1 (página 50 de la guía de diseño 15 [2]). El siguiente paso es crear un nuevo material definido por el usuario para el acero F_y = 33 ksi utilizando el botón [Importar material de la biblioteca de materiales].
   

   2 Sección definida por el usuario W10X66
2. Complete el filtro en la Biblioteca de materiales, luego "Crear nuevo material" basado en "Acero A36". En la siguiente ventana, complete la "Descripción del material" y modifique F_y a 33 ksi.
   

   3 Crear nuevo material basado en acero A36
3. Dibuje la barra de 16 pies de largo. Proporcione un apoyo articulado (giro en Z fijo) en la parte inferior del pilar. Para el apoyo en la parte superior, solo se fija la traslación en las direcciones X e Y. Aplicar carga axial = 550 kips (muerto + vivo).
4. Resuelva el modelo utilizando el módulo adicional RF-STEEL AISC.
   

   4 Resultado del pilar no reforzado en RF-STEEL AISC

Como se muestra arriba, la resistencia requerida excede la resistencia disponible en un 26% y, por lo tanto, el pilar requiere placas de acero de refuerzo (F_y = 36 ksi) soldadas a las alas del pilar. Suponga que las placas de armadura están instaladas en toda la longitud del pilar.

Nota: Las discrepancias menores en la resistencia a compresión entre el modelo de RFEM y el ejemplo de cálculo manual de AISC [2] se deben a la diferencia en las áreas de la sección (no se incluye un radio de esquina en la sección transversal de RFEM -sección).

Creación de un pilar W10X66 reforzado definido por el usuario con placas de acero A36

Las placas de armadura soldadas aumentarán tanto el área como el momento de inercia del pilar. Esto dará como resultado una mayor resistencia a la compresión según lo determinado en la sección E3 de la especificación AISC [1].

El cálculo de la armadura es un proceso iterativo que se realiza mejor utilizando una hoja de cálculo. Esta solución presentará solo la solución final, donde se sueldan dos placas de cubierta de 3/8 de pulgada de espesor x 8 pulgadas de ancho a las alas del pilar como se muestra a continuación.

5 Sección reforzada

1. Elija la "Sección en I reforzada" en la biblioteca de secciones. Luego introduzca las propiedades geométricas del pilar W10x66 y las placas de armadura de 3/8 x 8 pulgadas. Elija el mismo material definido por el usuario "Steel Fy=33" que se creó previamente (según la guía de cálculo de AISC 15 [2], "El pilar existente tiene un límite elástico de F_y = 33 ksi, mientras que las placas de armadura tienen un límite elástico de F_y = 36 ksi. Para el cálculo de la resistencia a compresión disponible del pilar, considere de forma conservadora un límite elástico de 33 ksi para toda la sección del pilar armado.")
   

   6 Sección definida por el usuario del pilar armado W10X66
   # Repita el mismo procedimiento de dibujar el pilar y aplicar cargas como se muestra anteriormente. Resuelva el modelo utilizando RF-STEEL AISC. Como se muestra a continuación, el pilar armado cumple con la comprobación del código de cálculo.
   

   7 Resultado de cálculo final en RF-STEEL AISC
   == Comprobación de requisitos para pilares armados según AISC sección E6 y cálculo de soldaduras == Según la especificación AISC, sección E6.1 [[#Refer [1]]], las conexiones en los extremos de las placas de armadura están diseñadas para la carga de compresión total dentro de la placa. Calcular las conexiones de los extremos para el límite elástico de las placas de armadura. Use soldaduras en ángulo de 1/4 de pulgada en ambos lados de la armadura. El espesor del ala es t_f = 0,748 pulgadas y la placa de armadura tiene un espesor de 3/8 pulgadas, por lo que el tamaño de la soldadura cumple los requisitos de tamaño mínimo de la tabla de especificación AISC J2.4 [[#Refer [1]]]. La longitud de soldadura necesaria es:
   $${\mathrm{l}}_{\mathrm{weld}} =\frac{{\mathrm{P}}_{\mathrm{u}}}{(2 \mathrm{welds}) \cdot \left({\mathrm{\varphi R}}_{\mathrm{n}}\right)}$$

   $${\mathrm{l}}_{\mathrm{weld} }= \frac{108.0\mathrm{kips}}{(2 \mathrm{welds}) · (5.57\mathrm{kips}/\mathrm{in})}$$

   $${\mathrm{l}}_{\mathrm{weld} }= 9.70 \mathrm{in} \to \mathrm{use} 10.0 \mathrm{in}$$

   lweld	Length of weld
   Pu	Compressive load of (1) plate = Fy . Ag
   Fy	Yield strength of plate = 36 ksi
   Ag	Gross area of (1) plate = 0.375 in x 8.0 in = 3.0 in2
   ΦRn	Weld design strength per inch of weld

   Soldaduras longitudinales
   Esta longitud de soldadura cumple el requisito prescriptivo de la sección E6.2(b) de AISC [[#Refer [1]]] de que la longitud de la soldadura final no sea menor que el ancho máximo de la barra. Utilice soldaduras longitudinales de 1/4" x 10" de largo en ambos lados en los extremos de las placas. De la sección E6.1(b) de AISC [[#Refer [1]]], se requiere una relación de esbeltez modificada para pilares compuestos cuando a/ri > 40, donde a es la distancia entre soldaduras. Para evitar la necesidad de usar una esbeltez modificada, la distancia máxima entre soldaduras en ángulo intermitentes se debería limitar a:
   $${\mathrm{r}}_{\mathrm{i}} = \sqrt{\frac{{\mathrm{I}}_{\mathrm{xi}}}{{\mathrm{A}}_{\mathrm{i}}}} = \sqrt{\frac{0.0352{\mathrm{in}}^4}{3.0{\mathrm{in}}^2}} = 0.108\mathrm{in}$$

   $${\mathrm{a}}_{\max } = 40{\mathrm{r}}_{\mathrm{i}} = 40·0.108\mathrm{in} = 4.33\mathrm{in} \to \mathrm{use} 4.0\mathrm{in}$$

   $$$$

   ri	Radius of gyration of (1) plate
   Ixi	bt3/12 = [(8.0in) . (0.375in)3]/12 =0.0352in4 (one plate)
   Ai	Area of (1) plate = t w = (0.375in)(8in) = 3.0in2
   amax	Maximum distance between the intermittent fillet welds

   Distancia máxima entre soldaduras en ángulo intermitentes según la sección E6.1(b) de AISC
   Use soldaduras de conexión intermitentes de 1,5 pulgadas de largo a 4 pulgadas en el centro (sección J2.2b para la longitud mínima de soldadura). Una soldadura de 1,5 pulgadas de largo cumple con el tamaño de soldadura 4* y un mínimo de 1,5 pulgadas. Según la sección E6.2(a) de AISC [[#Refer [1]]], los componentes individuales de las barras comprimidas se deben conectar a intervalos, a, tales que la relación de esbeltez, a/r_i, no exceder 3/4 veces la relación de esbeltez determinante de la barra armada.
   $$\frac{\mathrm{a}}{{\mathrm{r}}_{\mathrm{i}}} = \frac{4.0\mathrm{in}}{0.108\mathrm{in}} = 37.0$$

   $$\frac{3}{4} \left(\frac{{\mathrm{L}}_{\mathrm{c}}}{{\mathrm{r}}_{\mathrm{o}}}\right)\mathrm{o} = \frac{3}{4} \left(\frac{192\mathrm{in}}{2.529\mathrm{in}}\right) = 57.1 > 37.0 \mathrm{o}.\mathrm{k}.$$

   a	Weld intervals
   ri	Radius of gyration of (1) plate
   Lc	Unbraced length of the column = 16 ft = 192 in
   ro	Minimum radius of gyration of the reinforced section (rz in RFEM)

   Relación de esbeltez determinante de la barra ensamblada
   De la sección E6.2(b) de AISC [[#Refer [1]]], la separación máxima de las soldaduras intermitentes no debe exceder el espesor de la placa multiplicado por 0,75 √(E/F_y ), ni 12 pulgadas.
   $$\mathrm{t} \left\{0.75 \sqrt{\frac{\mathrm{E}}{{\mathrm{F}}_{\mathrm{y}}}}\right\} = (0.375 \mathrm{in}) \left\{0.75\sqrt{\frac{29,000 \mathrm{ksi}}{36 \mathrm{ksi}}}\right\} = 7.98 \mathrm{in} > 4.0 \mathrm{in} \mathrm{o}.\mathrm{k}.$$

   t	Plate thickness
   E	Modulus of elasticity
   Fy	Yield strength of the reinforced section

   Separación máxima de soldaduras intermitentes según la sección E6.2(b) de AISC
   El cálculo final del pilar armado se muestra a continuación.
   

   8 Diseño de soldadura de pilares armados
   Como se muestra en el ejemplo anterior, la sección "Paramétrica de paredes delgadas" de RFEM se puede utilizar para calcular las propiedades geométricas de las barras armadas de uso común. El módulo adicional RF-STEEL AISC calcula las resistencias de cálculo de la barra y realiza la comprobación del código.

Base de datos de conocimientos

Refuerzo de un pilar existente en RFEM según la Guía de Diseño 15 de AISC

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