Este artículo demuestra el uso de la sección transversal "Parametric-Thin-Walled" disponible en RFEM 6 basado en un ejemplo LRFD mostrado en la Guía de Diseño AISC 15: Rehabilitación y Recapado [2]. Se utiliza el complemento Steel Design para realizar la verificación de diseño tanto para las columnas sin refuerzo como para las reforzadas de acuerdo con el Capítulo E de AISC.
A continuación se muestra el Ejemplo 6.2 de la Guía de Diseño AISC 15 [2], donde se utiliza la forma histórica AISC W10X66 (Fy = 33 ksi) para la columna de 16 pies de longitud.
Los siguientes pasos describen el procedimiento para crear una sección transversal y material definidos por el usuario.
Creación de Sección Transversal W10X66 Definida por el Usuario
- Elija la "Sección I de Pared Delgada" en la Biblioteca de Secciones Transversales. Luego ingrese 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 desde Biblioteca de Materiales”.
- Navegue a la pestaña “Principal” en la “Nueva Sección Transversal”. Abra la Biblioteca de Materiales, luego cree un nuevo material basado en "Steel A36". En la siguiente ventana, seleccione “Material definido por el usuario” y luego pase a la siguiente pestaña, “Valores del Material”, y revise Fy a 33 ksi.
- Dibuje el elemento de 16 pies de longitud. Proporcione soporte con pasador (rotación Z fija) en la parte inferior de la columna. Para el soporte en la parte superior, solo la traslación está fija en las direcciones X e Y. Aplique una carga axial = 550 kips (Muerta + Viva).
- Resuelva el modelo utilizando el complemento Steel Design.
Como se muestra arriba, la resistencia requerida supera la resistencia disponible en un 23%, y por lo tanto la columna requiere placas de acero de refuerzo (Fy = 36 ksi) soldadas a las alas de la columna. Suponga 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 sección transversal (un radio de esquina no está incluido en la sección transversal de RFEM).
Creación de 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 un aumento de la resistencia a compresión según lo determinado por la Sección E3 de la Especificación AISC [1].
El diseño del refuerzo es un proceso iterativo que es mejor realizar utilizando 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 las alas de la columna como se muestra a continuación.
- Elija la "Sección I Simétricamente Simple con 2 Barras Planas" en la Biblioteca de Secciones Transversales. Luego ingrese las propiedades geométricas de la columna W10x66 y las placas de refuerzo de 3/8 pulgadas x 8 pulgadas. Seleccione el mismo material definido por el usuario "Steel Fy =33" que fue creado previamente (según la Guía de Diseño AISC 15 [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, se considera conservadoramente una resistencia de fluencia de 33 ksi para toda la sección transversal reforzada de la columna.").
- Repita el mismo procedimiento de dibujo de la columna y aplicación de cargas como se mostró anteriormente. Resuelva el modelo usando el complemento Steel Design. 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
Según la Sección E6.1 de la Especificación AISC [1], las conexiones en los extremos de las placas de refuerzo están diseñadas para la carga de compresión completa en la placa. Diseñe las conexiones de los extremos para la resistencia en fluencia de las placas de refuerzo.
Use soldaduras de filete de 1/4 pulgada en ambos lados de la placa de refuerzo. El espesor de la brida es tf = 0.748 pulgadas y la placa de refuerzo tiene un espesor de 3/8 pulgadas, por lo que el tamaño de la soldadura cumple con los requisitos mínimos de tamaño de la Tabla J2.4 de la Especificación AISC [1]. La longitud de soldadura requerida es:
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lweld |
Longitud del cordón |
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Pu |
Carga de compresión de (1) placa = Fy . Ag |
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Fy |
Límite elástico de la placa = 36 ksi |
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Ag |
Área bruta de la placa (1) = 0,375 in x 8,0 in = 3,0 in² |
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ΦRn |
Resistencia de cálculo por pulgada de soldadura |
Esta longitud de soldadura cumple con el requisito prescriptivo de la Sección E6.2(b) de AISC [1] de que la longitud de soldadura del extremo no sea menor que el ancho máximo del miembro.
Use soldaduras longitudinales de 1/4" x 10 pulgadas de largo en ambos lados en los extremos de las placas.
Desde la Sección E6.1(b) de AISC [1], se requiere una relación de delgadez modificada para columnas compuestas cuando a/ri > 40, donde a es la distancia entre soldaduras. Para evitar la necesidad de usar una delgadez modificada, la distancia máxima entre soldaduras de filete intermitentes debe limitarse a:
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ri |
Radio de giro del (1) placa |
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Ixi |
bt3/12 = [(8.0in) . (0.375in)3]/12 =0.0352in4 (una chapa) |
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Ai |
Área de (1) placa = t w = (0,375 pulg.)(8 pulg.) = 3,0 pulg.2 |
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amax |
Distancia máxima entre cordones intermitentes |
Use soldaduras de conexión intermitentes de 1.5 pulgadas de largo a 4 pulgadas en el centro (Sección J2.2b(e) para la longitud mínima de soldadura). Una soldadura de 1.5 pulgadas de largo cumple con las 4*tamaño de soldadura y 1.5 pulgadas mínimas.
Desde la sección E6.2(a) de AISC [1], los componentes individuales de los miembros en compresión deben conectarse a intervalos a, de manera que la relación de delgadez a/ri no exceda 3/4 veces la relación de delgadez que rige del miembro compuesto.
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a |
Intervalos de soldadura |
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ri |
Radio de giro de (1) placa |
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Lc |
Longitud efectiva del pilar = 16 pies = 192 pulgadas |
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ro |
Mínimo radio de giro de la sección armada (rz en RFEM) |
Desde la Sección E6.2(b) de AISC [1], el espaciado máximo de las soldaduras intermitentes no debe exceder ni el espesor de la placa multiplicado por 0.75 √(E/Fy), ni 12 pulgadas.
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t |
Espesor de placa |
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E |
Módulo de elasticidad |
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Fy |
Límite elástico de la sección reforzada |
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 utilizados. El complemento Steel Design calcula las resistencias de diseño del miembro y realiza la verificación del código.
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