Armadura de un pilar en RFEM según AISC Design Guide 15

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[EN] Armadura de una columna existente en RFEM según la Guía de diseño 15 de AISC

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20. enero 2021

001638

Cisca Tjoa

Artículo técnico

Modelado | Estructura

A veces, una estructura necesita armadura al instalar una nueva losa o al rediseñar una barra existente debido a una suposición de carga difícil de predecir. En muchos casos, puede suceder que un componente no se pueda reemplazar fácilmente y se instale una armadura según el nuevo requisito de carga.

Este artículo muestra el uso de secciones transversales de "paredes delgadas paramétricas" disponibles en RFEM utilizando el ejemplo LRFD (Load and Resistance Factor Design) de la Guía de diseño AISC 15: Rehabilitación y modernización [2] : El módulo adicional RF-STEEL AISC realiza el cálculo 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 de la sección AISC W10X66 (F_y = 33 ksi) para el pilar de 16 pies de largo.

Los siguientes pasos explican cómo crear una sección y un material definidos por el usuario.

Creación de la sección W10X66 definida por el usuario

Seleccione la "Sección en I simétrica" en la biblioteca de secciones. Luego, introduzca las propiedades geométricas de la tabla 5-2.1 (página 50 de la guía de diseño 15 [2] ). En el siguiente paso, se crea un nuevo material definido por el usuario para_{acero F y} = 33 ksi haciendo clic en el botón [Importar material de la biblioteca de materiales].
Establezca el filtro en la biblioteca de materiales y luego tiene que "Crear nuevo material" basado en "Acero A36". En la siguiente ventana, introduzca la "Descripción del material" y cambie F_y a 33 ksi.
Luego, dibuje la barra de 16 pies de largo. Se proporciona un soporte articulado (rotación en Z fija) en la base del pilar. Para el apoyo en la cabeza del pilar, solo se registra el desplazamiento en la dirección X e Y. Luego, se aplica una carga longitudinal = 550 kips (peso propio + carga impuesta).
Calcule el modelo con el módulo adicional RF-STEEL AISC.

Como se muestra arriba, la resistencia requerida excede la resistencia existente en un 26 %, por lo tanto, el pilar_{requiere placas de acero (F y} = 36 ksi) que se sueldan a las alas del pilar. Se supone que las placas de armadura se instalan a lo largo de toda la longitud del pilar.

Por favor tenga en cuenta: Las ligeras diferencias en la resistencia a compresión entre el modelo de RFEM y el ejemplo de cálculo manual AISC [2] se deben a la diferencia en las áreas de la sección (el radio de la esquina no se incluye en la sección de RFEM).

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

Las placas de armadura soldadas aumentan tanto el área como el momento de inercia del pilar. Esto da como resultado una mayor resistencia a la compresión según se determina en la especificación AISC, sección E3 [1] .

El diseño de la armadura es un proceso iterativo, que se realiza mejor con una hoja de cálculo. La solución aquí es sólo la solución final, donde se sueldan dos placas de recubrimiento de 3/8 "de espesor x 8" de ancho a las alas del pilar como se muestra a continuación.

En la biblioteca de secciones, seleccione la entrada "Sección en I armada". Luego, introduzca las propiedades geométricas del pilar W10x66 y las placas de armadura grandes de 3/8 x 8 pulgadas. Seleccione el material definido por el usuario "Acero Fy = 33" creado previamente (según la Guía de diseño 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 existente del pilar, se debe considerar un límite elástico de 33 ksi de forma conservadora para toda la sección del pilar armado. ").
Repita el mismo proceso para crear la columna y aplique la carga como se muestra arriba. Calcule el modelo con RF-STEEL AISC. Como se muestra a continuación, el pilar reforzado cumple el diseño.

Comprobación de los requisitos para pilares mixtos según el apartado E6 de AISC y cálculo de soldaduras

Según la especificación AISC, sección E6.1 [1] , las conexiones en los extremos de las placas de armadura deben diseñarse para la carga de compresión total en la placa. Ahora diseñe 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 placa de armadura. El espesor del ala es t_f = 0,748 in y la placa de armadura tiene un espesor de 3/8 in, por lo que el tamaño de la soldadura cumple con los requisitos de tamaño mínimo de la tabla de especificaciones AISC J2.4 [1] . La longitud de soldadura necesaria es:

Soldaduras longitudinales

$l_{weld} = \frac{P_{u}}{(2 welds) \cdot ({ϕR}_{n})} l_{weld} = \frac{F_{y} \cdot A_{g}}{(2 welds) \cdot ({ϕR}_{n})} l_{weld} = \frac{108.0 kips}{(2 welds) \cdot (5.57 kips / in)} l_{weld} = 9.70 in \to use 10.0 in$

Esta longitud de la soldadura cumple con el requisito estipulado de AISC, Sección E6.2 (b) [1] , de que la longitud del extremo de la soldadura no debe ser menor que el ancho máximo de la barra.

Use una soldadura de 1/4 "x 10 en soldaduras longitudinales en ambos lados en los extremos de la placa.

De acuerdo con AISC Sección E6.1 (b) [1] , se requiere una relación de esbeltez modificada para pilares mixtos para a/ri> 40, donde a es la distancia entre las soldaduras. Para evitar tener que usar una esbeltez modificada, la distancia máxima entre soldaduras en ángulo intermitentes se debe limitar a:

Distancia máxima entre soldaduras en ángulo interrumpidas según el apartado E6.1 (b) de AISC

$r_{i} = \sqrt{\frac{I_{xi}}{A_{i}}} = \sqrt{\frac{0.0352 {in}^{4}}{3.0 {in}^{2}}} = 0.108 in a_{\max} = 40 r_{i} = 40 \cdot 0.108 in = 4.33 in \to use 4.0 in$

I_xi	bt ^3/12 = [(8,0 pulgadas). (0,375 pulg.) ³ ]/12 = 0,0352 pulg. ⁴ (una placa)
A_i	Superficie de la placa (1) = tw = (0.375in) (8in) = 3.0in ²
a_máx.	Distancia máxima entre soldaduras en ángulo interrumpidas

Use soldaduras de unión intermitentes con una longitud de 1.5 in con 4 in en el centro (sección J2.2b para la longitud mínima de soldadura). Una soldadura de 1.5 in de largo cumple con el tamaño de soldadura de 4 * y un mínimo de 1.5 in.

De acuerdo con la sección E6.2 (a) [1] de AISC, los componentes individuales de las barras de compresión se deben conectar a distancias a de modo que la relación de esbeltez a/r_i no exceda de 3/4 veces la relación de esbeltez determinante barra ensamblada.

Relación de esbeltez determinante de la barra compuesta

$\frac{a}{r_{i}} = \frac{4.0 in}{0.108 in} = 37.0 \frac{3}{4} (\frac{L_{c}}{r_{o}}) = \frac{3}{4} (\frac{192 in}{2.529 in}) = 57.1 > 37.0 o . k .$

r_t

Radio mínimo de la sección armada (r_z en RFEM)

Según la sección E6.2 (b) [1] de AISC, la separación máxima de las soldaduras intermitentes no debe_{exceder 0,75 √ (E/F y} ) veces el espesor de la placa ni 30 cm.

Distancia máxima de soldaduras interrumpidas según el apartado E6.2 (b) de AISC

$t \{0.75 \sqrt{\frac{E}{F_{y}}}\} = (0.375 in) \{\sqrt{\frac{29, 000 ksi}{36 ksi}}\} = 7.98 in > 4.0 in o . k .$

t	espesor de la losa
F_y	Límite elástico de la sección armada

El diseño final del pilar reforzado se muestra a continuación.

Como se muestra en el ejemplo anterior, la sección "Paramétrica de pared delgada" se puede usar para calcular las propiedades geométricas de barras mixtas comunes. El módulo adicional RF-STEEL AISC calcula las resistencias de cálculo de la barra y realiza una comprobación estándar.

Autor

Cisca Tjoa, PE

Soporte al cliente y marketing

Cisca proporciona soporte técnico y marketing para los clientes de Dlubal Software en América del Norte.

Palabras clave

AISC AISC 360-16 pilar Columna reforzada

Referencia

[1]	ANSI/AISC 360-16, Specification for Structural Steel Buildings
[2]	Roger L. Brockenbrough, P.E, Joseph S. Schuster, P.E., S.E., AISC Design Guide 15: Rehabilitation and Retrofit, Second Edition, AISC 2018

Enlaces

Steel Structural Analysis and Design Software

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Los efectos del pandeo local de la placa se consideran según con el método de anchuras reducidas y el posible pandeo de los rigidizadores (inestabilidad) se considera para secciones rigidizadas según EN 1993-1-3, sección 5.5.

Como opción, puede realizar un cálculo iterativo para optimizar la sección eficaz.

Puede mostrar gráficamente las secciones eficaces.

Lea más sobre el diseño de secciones conformadas en frío con SHAPE-THIN y RF-/STEEL Cold-Formed Sections en este artículo técnico: Cálculo de una sección en C de pared delgada conformada en frío según EN 1993-1-3.

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