Este artículo demuestra el uso de la sección transversal "Parametric-Thin-Walled" disponible en RFEM basado en el ejemplo de LRFD mostrado en la Guía de Diseño 15 de AISC: Rehabilitación y Retrofit [2]. Se utiliza el módulo adicional RF-STEEL AISC para realizar la verificación de diseño tanto para las columnas no reforzadas como para las reforzadas según el Capítulo E de AISC.
Se muestra a continuación el ejemplo 6.2 de la Guía de Diseño 15 de AISC [2], donde se utiliza la forma histórica W10X66 de AISC (Fy = 33 ksi) para la columna de 16 pies de largo.
Los siguientes pasos delinean el procedimiento para crear una sección transversal y un material definidos por el usuario.
Creación de la Sección Transversal W10X66 Definida por el Usuario
- Elige la "Sección I Simétrica" en la Biblioteca de Secciones Transversales. Luego ingresa las propiedades geométricas encontradas 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 acero Fy = 33 ksi usando el botón [Importar Material de la Biblioteca de Materiales].
- Completa el filtro en la Biblioteca de Materiales, luego "Crear Nuevo Material" basado en "Steel A36". En la siguiente ventana, llena la "Descripción del Material" y revisa Fy a 33 ksi.
- Dibuja el elemento de 16 pies de largo. Proporciona soporte articulado (rotación Z fija) en la parte inferior de la columna. Para el soporte en la parte superior, solo se fija la traslación en las direcciones X e Y. Aplica una carga axial = 550 kips (Muerto + Vivo).
- Resuelve el modelo usando el módulo adicional RF-STEEL AISC.
Como se muestra arriba, la resistencia requerida excede la resistencia disponible en un 26 %, y por lo tanto la columna requiere placas de acero de refuerzo (Fy = 36 ksi) soldadas a los patines de la columna. Supón que las placas de refuerzo están instaladas a lo largo de toda la longitud de la columna.
Nota: Las discrepancias menores en la resistencia a compresión entre el modelo RFEM y el ejemplo de cálculo manual de AISC [2] se deben a la diferencia en las áreas de la sección transversal (un radio de esquina no está incluido en la sección transversal de RFEM).
Creación de la Columna W10X66 Reforzada Definida por el Usuario con Placas de Acero A36
Las placas de refuerzo soldadas aumentarán tanto el área como el momento de inercia de la columna. Esto resultará en una mayor resistencia a compresión según lo determinado por la Sección E3 de la Especificación AISC [1].
El diseño del refuerzo es un proceso iterativo que se realiza mejor usando una hoja de cálculo. Esta solución presentará solo la solución final, donde dos placas de cubierta de 3/8 pulgadas de espesor x 8 pulgadas de ancho están soldadas a los patines de la columna como se muestra a continuación.
- Elige la "Sección I Reforzada" en la Biblioteca de Secciones Transversales. Luego ingresa las propiedades geométricas de la columna W10x66 y las placas de refuerzo de 3/8 pulgadas x 8 pulgadas. Selecciona el mismo material definido por el usuario "Steel Fy=33" que se creó previamente (según la Guía de Diseño 15 de AISC [2], "La columna existente tiene una resistencia de fluencia de Fy = 33 ksi, mientras que las placas de refuerzo tienen una resistencia de fluencia de Fy = 36 ksi. Para el cálculo de la resistencia a compresión disponible de la columna, considera de manera conservadora una resistencia de fluencia de 33 ksi para toda la sección transversal de la columna reforzada.").
- Repite el mismo procedimiento de dibujar la columna y aplicar las cargas como se mostró anteriormente. Resuelve el modelo usando RF-STEEL AISC. Como se muestra a continuación, la columna reforzada cumple con la verificación del código de diseño.
Verificación de Requisitos para Columnas Compuestas según la Sección E6 de AISC y Diseño de Soldaduras
De la Sección E6.1 de la Especificación AISC [1], las conexiones en los extremos de las placas de refuerzo están diseñadas para la carga compresiva completa en la placa. Diseña las conexiones de los extremos para la resistencia de fluencia de las placas de refuerzo.
Usa soldaduras en filete de 1/4 pulgadas en ambos lados de la placa de refuerzo. El espesor del patín es tf = 0.748 pulgadas y la placa de refuerzo tiene un espesor de 3/8 pulgadas, por lo tanto, el tamaño de la soldadura cumple con los requisitos de tamaño mínimo de la Tabla J2.4 de la Especificación AISC [1]. La longitud requerida de la soldadura es:
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lweld |
Length of weld |
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Pu |
Compressive load of (1) plate = Fy . Ag |
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Fy |
Yield strength of plate = 36 ksi |
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Ag |
Gross area of (1) plate = 0.375 in x 8.0 in = 3.0 in2 |
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ΦRn |
Weld design strength per inch of weld |
Esta longitud de soldadura cumple con el requisito prescriptivo de la sección E6.2(b) de AISC [1] de que la longitud de la soldadura de los extremos no sea menor que el ancho máximo del miembro.
Usa soldaduras longitudinales de 1/4" x 10 pulgadas de largo en ambos lados en los extremos de las placas.
De la Sección E6.1(b) de AISC [1], se requiere una relación de esbeltez modificada para columnas compuestas 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 intermitentes en filete debe limitarse a:
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ri |
Radius of gyration of (1) plate |
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Ixi |
bt3/12 = [(8.0in) . (0.375in)3]/12 =0.0352in4 (one plate) |
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Ai |
Area of (1) plate = t w = (0.375in)(8in) = 3.0in2 |
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amax |
Maximum distance between the intermittent fillet welds |
Utiliza soldaduras de conexión intermitentes de 1.5 pulgadas de largo cada 4 pulgadas en el centro (Sección J2.2b para longitud mínima de soldadura). Una soldadura de 1.5 pulgadas de largo cumple con el tamaño de 4*soldadura y el mínimo de 1.5 pulgadas.
De la sección E6.2(a) de AISC [1], los componentes individuales de los miembros de compresión deben conectarse a intervalos, a, de manera que la relación de esbeltez, a/ri, no exceda las 3/4 veces la relación de esbeltez gobernante del miembro compuesto.
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a |
Weld intervals |
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ri |
Radius of gyration of (1) plate |
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Lc |
Unbraced length of the column = 16 ft = 192 in |
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ro |
Minimum radius of gyration of the reinforced section (rz in RFEM) |
De la sección E6.2(b) de AISC [1], el espaciado máximo de las soldaduras intermitentes no debe exceder el espesor de la placa multiplicado por 0.75 √(E/Fy), ni 12 pulgadas.
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t |
Plate thickness |
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E |
Modulus of elasticity |
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Fy |
Yield strength of the reinforced section |
El diseño final de la columna reforzada se muestra a continuación.
Como se muestra en el ejemplo anterior, la sección transversal "Parametric Thin-Walled" de RFEM puede ser utilizada para calcular las propiedades geométricas de los miembros compuestos comúnmente usados. El módulo adicional RF-STEEL AISC calcula las resistencias de diseño del miembro y realiza la verificación del código.