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STRC06_SteelPart2_0715

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Academic year: 2021

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Steel (Part 2)

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Lesson Overview

Chapter 4: Structural Steel Design (Part 2) • Plastic Design • Design of Tension Members • Design of Bolted Connections • Design of Welded Connections • Plate Girders • Composite Beams

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Learning Objectives

You will learn how to • use statical and mechanism design methods for plastic design • design bolted and welded connections for a range of loading conditions • account for tension field action in plate girders

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Prerequisite Knowledge

You should already be familiar with • load combinations • design for flexure • design for shear • design for compression

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Referenced Codes and Standards

International Building Code (IBC, 2012)Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures (ASCE/SEI7, 2010)Seismic Design Manual (AISC, 2012)Specification for Structural Steel Buildings (AISC 360, 2010)Steel Construction Manual (AISC, 2011)

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Plastic Method of Structural Analysis

This method • is used to determine the maximum  loads a structure can support prior to  collapse • is applicable to structures constructed  with a ductile material possessing  ideal elastic plastic characteristics • calculates the point that extreme  fibers reach yield stress: My = FyS • shows whole section yielded as  M = F Z nomenclature S elastic section modulus Z plastic section modulus (arithmetic  sum of the first moments of area  about the neutral axis)

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Plastic Method of Structural Analysis

Figure 4.16 Plastic Moment of Resistance Figure 4.15 Elastic‐Plastic Material

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Statical Design Method

procedure  • Apply factored loads to the statically  determinate cut‐back structure. • Fig. 4.18(a) • Draw free bending moment diagram. • Fig. 4.18(b) • Superimpose fixing moment line. • Fig. 4.18(c) • Make moments at supports 2 and 3  and in spans 12 and 34 equal to Mp. • Solve for Mpfrom geometry.

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Statical Design Method

Figure 4.18 Statical Design Method

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Mechanism Design Method

• Apply a virtual displacement to each  potential plastic hinge mechanism and  equate internal and external work. • solve for Mpusing equations (see next  slide) for • beam mechanism • sway mechanism • combined mechanism • The largest value of Mp governs. Figure 4.19 Mechanism Design Method

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Example: Mechanism Design Method

Example 4.29

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Example: Mechanism Design Method

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Example: Mechanism Design Method

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Column Design Requirements

• Flanges and webs of members  subjected to combined flexure and  compression must be compact (AISC  360 Table B4.1). • Webs of W sections must also comply  with AISC 360 Eq. A‐1‐1 and Eq. A‐1‐2. • In accordance with AISC 360  App. 1.2.4, the axial load in a column  with plastic hinges may not exceed  0.75ϕcAgFy.

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Example: Column Design Requirements

Example 4.31

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Example: Column Design Requirements

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Example: Column Design Requirements

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Design of Tension Members

section overview • plates in tension • rolled section in tension • design for fatigue

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Plates in Tension

For yielding of gross section, AISC 360  Sec. D2 gives • design strength • allowable strength For tensile rupture, AISC 360 Sec. D2 gives • design strength • allowable strength

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Plates in Tension

Figure 4.20 Effective Net Area of Bolted Connection

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Effective Net Area–Bolted Connections

effective net area, Ae, of a bolted  connection • (Section numbers refer to bolted  plates in Fig. 4.20.) • effective hole diameter for standard  size holes

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© 2015 Professional Publications, Inc. 23 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Effective Net Area–Welded Connections

AISC 360 Sec. D3.1 gives the effective net  area as follows. • flat plate with longitudinal welded  connection • flat plate with transverse fillet welded  connection (shown in Fig. 4.21) • shear lag factor, U Figure 4.21 Welded Connections for Plates

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Example: Plates in Tension

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Example: Plates in Tension

Example 4.32

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Example: Plates in Tension

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© 2015 Professional Publications, Inc. 29 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Rolled Sections in Tension–Bolted Connections

• effective net area • shear lag factor • 0.60 ≤ U ≤ 0.90 l distance between first and last  fasteners in line ̅ distance from connection plane  member centroid nomenclature

29

AISC 360 Eq. D3‐1

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Rolled Sections in Tension–Bolted Connections

AISC 360 Table D3.1 permits the adoption  of the following values for the shear lag  factor. • U = 0.90 for T, W, M, and S shapes  with bf ≥ 2d/3, connected by the  flange, with not fewer than three bolts  in line in the direction of stress. • U = 0.85 for T, W, M, and S shapes  with bf < 2d/3, connected by the  flange, with not fewer than three bolts  in line in the direction of stress. • U= 0.70 for T, W, M, and S shapes  connected by the web, with not less  than four bolts in line in the direction  of stress. • U= 0.80 for single or double angles  with not less than four bolts in line in  the direction of stress. • U= 0.60 for single or double angles  with two or three bolts in line in the  direction of stress.

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© 2015 Professional Publications, Inc. 31 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Rolled Sections in Tension–Welded Connections

• force transmitted only by transverse  welds • force transmitted by longitudinal  welds nomenclature l distance between first and last  fasteners in line ̅ distance from connection plane  member centroid

31

AISC Eq. D3‐1

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Rolled Sections in Tension–Welded Connections

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Example: Rolled Sections in Tension

Example 4.33

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Example: Rolled Sections in Tension

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Example: Rolled Sections in Tension

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© 2015 Professional Publications, Inc. 39 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Poll: Design for Fatigue

Is the following statement true or false? Fatigue effects in design account for the  age of steel members and connections. (A) true (B) false

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(40)

Poll: Design for Fatigue

Is the following statement true or false? Fatigue effects in design account for the  age of steel members and connections. (A) true (B) false Solution Fatigue is the weakening of a material  caused by repeatedly applied loads.  Fatigue effects are not necessarily related  to age. The answer is (B) false.

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© 2015 Professional Publications, Inc. 41 STRC ©2015 Professional Publications, Inc. • Fatigue failure is caused by  fluctuations of tensile stress that  cause crack propagation. • Establish applicable loading condition  from AISC 360 Table A‐3.1. • stress categories A, B, B´, C, D, E,  and E´ • stress category F • FTHis the maximum stress range for  indefinite design life (i.e., infinite  number of cycles).

Design for Fatigue

41

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Design for Fatigue

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Example: Design for Fatigue

Example 4.34

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Example: Design for Fatigue

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© 2015 Professional Publications, Inc. 45 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Design for Fatigue

AISC 360 Table A‐3.1 Fatigue Design Parameters (partial table shown)

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Reproduced from Steel Construction Manual, Fourteenth ed., 2012. American  Institute of Steel Construction, Inc., Chicago, IL. The range of the load is 57 kips.

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Design of Bolted Connections

section overview • types of bolts • bearing‐type bolts in shear and  tension • slip‐critical bolts in shear and tension • bolts in bearing • bolt group eccentrically loaded in  plane of the faying surface • bolt group eccentrically loaded normal  to the faying surface

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© 2015 Professional Publications, Inc. 47 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Types of Bolts

common bolts • grade A307 with a nominal tensile  strength of 45 kips/in2 • used in bearing‐type or snug‐tight  connections only high‐strength bolts • grade A325, F182, A354 BC, and A449  with a nominal tensile strength of  90 kips/in2 • grade A490, F2280, and A354 BD with a  nominal tensile strength of 113 kips/in2 • used in bearing‐type, pretensioned and  slip‐critical connections

47

(48)

Types of Bolt Connections

bearing‐type (snug‐tight) • must be tightened sufficiently to bring  plies into firm contact • transfer of load depends on bearing of  bolts against side of holes • no specific level of installed tension  specified • may be used when pretensioned or  slip‐critical connections not required pretensioned • Bolts must be pretensioned to a  minimum of 70% of bolt’s tensile  strength. • faying surfaces may be uncoated,  coated, or galvanized without regard to  the slip coefficient obtained • transfer of load depends on bearing of  bolts against side of holes

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© 2015 Professional Publications, Inc. 49 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Types of Bolt Connections

slip‐critical • required to be pretensioned to a  minimum of 70% of bolt’s tensile  strength  • load transferred through friction • at strength limit state, connection  slips, so bolts may be in bearing

49

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Types of Bolt Connections

Pretensioned connections are required  when bearing‐type connections are used in • column splices in buildings over  125 ft tall • bracing members in buildings over  125 ft tall (see AISC 360 Sec. J1.10) • structures carrying cranes of over 5 ton  capacity • supports of machinery causing impact  or stress reversal Slip‐critical connections are  required where • fatigue load occurs • bolts are used in oversize holes or  slotted holes parallel to the direction  of load • slip at the faying surfaces will affect  the performance of the structure • bolts are used in conjunction with  welds

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Bearing‐Type Bolts in Shear and Tension

Fnv nominal shear strength of bolt Rn nominal shear capacity Φ resistance factor Ω safety factor nomenclature

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Bearing‐Type Bolts in Shear and Tension

Per AISC 360 Sec. J3.3, • minimum permissible distance  between centers of holes, smin = 2.67d • preferred distance between centers of  holes, spref = 3.0d • available strength in shear • available strength in tension (AISC 360  Sec. J3.6) AISC 360 Eq. J3‐1

(53)

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Example: Bearing‐Type Bolts in Shear and Tension

The connection shown consists of 11  grade A307 ¾ in diameter bolts.  Determine the design shear strength of  the bolts in the connection.

53

(54)

Example: Bearing‐Type Bolts in Shear and Tension

The connection shown consists of 11  grade A307 ¾ in diameter bolts.  Determine the design shear strength of  the bolts in the connection. Solution From AISC Manual Table 7‐1, the  available strength of the 11 bolts in  shear is

kips 8.97 11 bolts bolt 98.7 kips LRFD n nv b R F A        

kips 5.97 11 bolts bolt 65.7 kips ASD n nv b R F A n       

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Slip‐Critical Bolts in Shear

minimum pretension force, Tb, in a  bolt (AISC 360 Table J3.1) 0.70Fu • nominal slip resistance (AISC 360  Eq. J3‐4) • slip coefficient for class A surfaces μ = 0.35 • slip coefficient for class B surfaces  μ = 0.50 • ratio of mean installed bolt tension to  specified minimum bolt pretension Du= 1.13

55

(56)

Slip‐Critical Bolts in Tension

Du bolt tension multiplier  Nb number of bolts carrying the applied  tension Ta applied tensile force on the bolt (ASD) Tb specified pretension force on the bolt Tu applied tensile force on the bolt (LRFD) nomenclature

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© 2015 Professional Publications, Inc. 57 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Slip‐Critical Bolts in Tension

• nominal tensile strength • available tensile strength • See AISC 360 Table J3.2 for values  of nominal tensile stress, Fnt. • See AISC 360 Table 7‐2 for values  of ϕRn and Rn/Ω. • combined shear and tension • available strength in tension  unaffected • available resistance to shear  reduced by

57

(58)

Example: Slip‐Critical Bolts in Shear and Tension

The connection shown consists of 11  grade A490 ¾ in diameter slip‐critical  bolts. The bolts are in standard holes  with a class A faying surface. No fillers are  used. Determine the available resistance  to shear of the bolts in the connection. 

(59)

© 2015 Professional Publications, Inc. 59 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Slip‐Critical Bolts in Shear and Tension

The connection shown consists of 11  grade A490 ¾ in diameter slip‐critical  bolts. The bolts are in standard holes  with a class A faying surface. No fillers are  used. Determine the available resistance  to shear of the bolts in the connection. Solution For bolts in standard holes and with a  class A faying surface, AISC Manual  Table 7‐3 gives the available single shear  strength of the 11 bolts in shear as



11.9 kips 11 bolts 131 kips LRFD n R   



7.91 kips 11 bolts 87 kips ASD n R   

59

(60)

Bolts in Bearing

db nominal bolt diameter Dn nominal hole diameter Fu tensile strength of the critical  connected part Lc clear distance, in the direction of  force, between edge of hole and  edge of adjacent hole or edge of the  connected part Le edge distance, in the direction of  force, between the bolt center and  the edge of the connected part Rn nominal bearing capacity S bolt center‐to‐center spacing t thickness of the connected part  nomenclature symbols Φ resistance factor Ω safety factor

(61)

© 2015 Professional Publications, Inc. 61 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Bolts in Bearing

• Bearing strength must be checked for both bearing‐type bolts and slip‐critical bolts. • nominal bearing strength (AISC 360 Eq. J3‐6a and Eq. J3‐6b) • when deformation is a design consideration, • when deformation is not a design consideration, • available bearing strength • See AISC Manual Tables 7‐5 and 7‐6 for values of ϕRn and Rn/Ω.

61

(62)

Example: Bolts in Bearing

The connection shown consists of 11  grade A307 ¾ in diameter bolts in 

standard holes. Plate thickness is 0.5 in. 

The edge distance is Lc = 2.5 in, s = 3 in, 

and Fu = 58 ksi. Determine the available 

bearing strength of the bolts in the A36  plates.

(63)

© 2015 Professional Publications, Inc. 63 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Bolts in Bearing

The connection shown consists of 11  grade A307 ¾ in diameter bolts in  standard holes. Plate thickness is 0.5 in. 

The edge distance is Lc = 2.5 in, s = 3 in, 

and Fu = 58 ksi. Determine the available  bearing strength of the bolts in the A36  plates. Solution From AISC Manual Table 7‐5, the  minimum edge distance for full bearing  strength is Lc = 2.25 in < 2.5 in    [provided] The edge distance does not govern.

63

(64)

Example: Bolts in Bearing

From AISC Manual Table 7‐4, the  available strength of the 11 bolts in  bearing is



kips in 62.0 0.5 in 11 bolts bolt 341 kips LRFD n R             



kips in 41.3 0.5 in 11 bolts bolt 227 kips ASD n R             

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© 2015 Professional Publications, Inc. 65 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Poll: Eccentrically Loaded Connections

Is the following statement true or false? A bolt group loaded eccentrically has a  higher capacity than one loaded through  its centroid. (A) true (B) false

65

(66)

Poll: Eccentrically Loaded Connections

Is the following statement true or false? A bolt group loaded eccentrically has a  higher capacity than one loaded through  its centroid. (A) true (B) false Solution The higher the eccentricity of the applied  load, the lower the design strength of a  bolt group. Moments, along with shear,  are applied to the bolt group. The answer is (B) false.

(67)

© 2015 Professional Publications, Inc. 67 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Bolt Group Eccentrically Loaded in Plane of Faying Surface

vertical force on bolt i due to applied  load, Prvertical force on bolt i due to  eccentricity, ehorizontal force on bolt i due to  eccentricity • horizontal force on bolt i due to  eccentricity, eresultant force on bolt i due to  eccentricity, e

67

(68)

Bolt Group Eccentrically Loaded in Plane of Faying Surface

Figure 4.23 Eccentrically Loaded Bolt Group

(69)

© 2015 Professional Publications, Inc. 69

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Example: Bolt Group Eccentrically Loaded in Plane of Faying Surface

Example 4.38

(70)

Example: Bolt Group Eccentrically Loaded in Plane of Faying Surface

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© 2015 Professional Publications, Inc. 71

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Example: Bolt Group Eccentrically Loaded in Plane of Faying Surface

(72)
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© 2015 Professional Publications, Inc. 73

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Example: Bolt Group Eccentrically Loaded in Plane of Faying Surface

(74)
(75)

© 2015 Professional Publications, Inc. 75 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Bolt Group Eccentrically Loaded Normal to Faying Surface (LRFD)

• tensile force in each bolt above the  neutral axis due to the eccentricity • shear force in each bolt due to the  applied load dm moment arm between resultant tensile  and compressive forces in the bolts e Eccentricity n number of bolts in the connection n' number of bolts above the neutral axis Pu Required axial strength nomenclature

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Bolt Group Eccentrically Loaded Normal to Faying Surface (LRFD)

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Example: Bolt Group Eccentrically Loaded Normal to Faying Surface (LRFD)

Example 4.39

77

Assume that threads are not excluded from the shear  plane.

(78)

Example: Bolt Group Eccentrically Loaded Normal to Faying Surface (LRFD)

Example 4.39

Assume that threads are not excluded from the shear  plane.

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Example: Bolt Group Eccentrically Loaded Normal to Faying Surface (LRFD)

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© 2015 Professional Publications, Inc. 81 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Bolt Group Eccentrically Loaded Normal to Faying Surface (ASD)

tensile force in a bolt a distance, yi,  from neutral axis • shear force in each bolt due to  applied load

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Bolt Group Eccentrically Loaded Normal to Faying Surface (ASD)

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Example: Bolt Group Eccentrically Loaded Normal to Faying Surface (ASD)

Example 4.40

(84)

Example: Bolt Group Eccentrically Loaded Normal to Faying Surface (ASD)

(85)

© 2015 Professional Publications, Inc. 85

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Bolt Group Eccentrically Loaded Normal to Faying Surface (ASD)

(86)
(87)

© 2015 Professional Publications, Inc. 87 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Design of Welded Connections

section overview • Weld Design Strength • Complete‐Penetration  Groove Weld • Partial‐Penetration Groove Weld • Fillet Weld Design Considerations • Weld Group Eccentrically Loaded in  Plane of Faying Surface • Weld Group Eccentrically Loaded  Normal to Faying Surface

87

(88)

Weld Design Strength

• strength of welded connection  depends on both base metal and weld  metal strength • Weld nominal stress values, effective  areas, resistance factors, and safety  factors are tabulated in AISC 360 Table  J2.5. • nominal strength of weld metal (AISC  360 Eq. J2‐3) Rn = FnwAwe • nominal strength of base metal (AISC  360 Eq. J2‐2) Rn = FnBMABM

(89)

© 2015 Professional Publications, Inc. 89 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Complete‐Penetration Groove Weld

• nominal strength governed by base  metal • computation of strength of weld not  required  • thinner part joined is the effective  thickness, te Figure 4.26 Complete‐Penetration Groove Weld

89

(90)

Example: Complete‐Penetration Groove Weld 

(91)

© 2015 Professional Publications, Inc. 91

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Example: Complete‐Penetration Groove Weld 

Example 4.41

(92)
(93)

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Partial‐Penetration Groove Weld

Nominal strength is governed by effective  throat thickness, te Figure 4.27 Partial‐Penetration Groove Weld

93

(94)

Example: Partial‐Penetration Groove Weld

(95)

© 2015 Professional Publications, Inc. 95

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Example: Partial‐Penetration Groove Weld

Example 4.42

(96)
(97)

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Example: Partial‐Penetration Groove Weld

(98)

Fillet Weld

Leg length, w, is used to designate  nominal weld size. • effective throat thickness (AISC 360  Sec. J2.2a) te = 0.707w • Minimum permissible length of fillet  weld is four times the nominal  weld size. Figure 4.28 Fillet Weld

(99)

© 2015 Professional Publications, Inc. 99 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Fillet Weld

• Permitted minimum  (AISC 360  Table J2.4) and maximum weld sizes  (AISC 360 Sec. J2.2b) are shown in  Table 4.2 and Table 4.3. • When longitudinal fillet welds are  used alone in a connection, the length  of each fillet weld must not be less  than the perpendicular distance  between them, because of shear lag. Table 4.2 Minimum Size of Fillet Welds Table 4.3 Maximum Size of Fillet Welds

99

(100)

Fillet Weld

Nominal strength of a linear weld group is Rn = FwAw where Fw= 0.60FEXX(1.0 + 0.50sin1.5θ) Nominal strength of a concentrically loaded  weld group is the greater of Rn = Rwl + Rwt or Rn = 0.85Rwl + 1.5Rwt

(101)

© 2015 Professional Publications, Inc. 101 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Fillet Weld

ABM effective area of base metal Aw effective area of weld metal FBM nominal strength of base metal FEXX weld metal classification  strength Fw nominal strength of weld metal Rwl total nominal strength of  longitudinally loaded fillet welds Rwt total nominal strength of  transversely loaded fillet welds θ angle of inclination of loading  measured from weld  longitudinal axis nomenclature symbols

101

(102)

Available Strength of a 1/16 in Fillet Weld

To simplify calculations, determine  available strength of a  ⁄ in fillet weld  per inch run of E70XX grade electrodes. • LRFD method, design strength • ASD method, allowable strength

(103)

© 2015 Professional Publications, Inc. 103

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Example: Counting in Sixteenths

Example 4.43

(104)

Example: Counting in Sixteenths

(105)

© 2015 Professional Publications, Inc. 105

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Example: Counting in Sixteenths

(106)

Fillet Weld Size Governed by Base Metal Thickness

• capacity of weakest shear plane  governs design of welded connection • design shear strength of weld per  linear inch • design shear rupture strength per  linear inch, with grade 50 base  material (AISC 360 Eq. J4‐4) • largest effective weld size

(107)

© 2015 Professional Publications, Inc. 107

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Fillet Weld Size Governed by Base Metal Thickness

Table 4.4 Effective Weld Size

(108)

Example: Effective Fillet Weld Size

(109)

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Example: Effective Fillet Weld Size

Example 4.44

(110)

Strength of Fillet Weld Groups

methods presented in AISC 360 Sec. J2.4 • AISC 360 Sec. J2.4(a): linear weld  group with uniform leg size loaded  through center of gravity • AISC 360 Sec. J2.4(b): instantaneous  center of rotation method • AISC 360 Sec. J2.4(c): weld group with  concentric loading with uniform leg  size and elements oriented  longitudinally or transversely to  direction of applied load

(111)

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Example: Weld Design Strength

Example 4.45

(112)

Example: Weld Design Strength

(113)

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Example: Weld Design Strength

(114)
(115)

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Example: Weld Design Strength

(116)

Weld Group Eccentrically Loaded in Plane of Faying Surface

• polar moment of inertia of weld group  about centroid • vertical force per linear inch of weld  due to Prvertical force at i due to ehorizontal force at i due to eresultant force at i

(117)

© 2015 Professional Publications, Inc. 117 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Weld Group Eccentrically Loaded in Plane of Faying Surface

Figure 4.29 Eccentrically Loaded Weld Group l total length of weld Pr applied load i point i e eccentricity nomenclature

117

(118)

Example: Weld Group Eccentrically Loaded in Plane of Faying Surface

(119)

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Example: Weld Group Eccentrically Loaded in Plane of Faying Surface

Example 4.46

(120)
(121)

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Example: Weld Group Eccentrically Loaded in Plane of Faying Surface

(122)
(123)

© 2015 Professional Publications, Inc. 123

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Example: Weld Group Eccentrically Loaded in Plane of Faying Surface

(124)
(125)

© 2015 Professional Publications, Inc. 125 STRC ©2015 Professional Publications, Inc. • vertical force per linear inch of weld  due to pr • moment of inertia about x‐axis • horizontal force at i due to eresulting force at i

Weld Group Eccentrically Loaded Normal to Faying Surface

125

(126)

Weld Group Eccentrically Loaded Normal to Faying Surface

(127)

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Example: Weld Group Eccentrically Loaded Normal to Faying Surface

Example 4.47

(128)

Example: Weld Group Eccentrically Loaded Normal to Faying Surface

(129)

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Example: Weld Group Eccentrically Loaded Normal to Faying Surface

(130)
(131)

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Example: Weld Group Eccentrically Loaded Normal to Faying Surface

(132)

Plate Girders

section overview • girder proportions • design for flexure • design for shear without tension field  action • design for shear with tension field  action • design of intermediate stiffeners • design of bearing stiffeners

(133)

© 2015 Professional Publications, Inc. 133 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Girder Proportions

typical overall girder depth L/12 < d < L/10 typical flange width h/5 < bf < h/3 intermediate stiffeners not  required when unstiffened web requires 

133

Figure 4.31 Plate Web Girder

(134)

Girder Proportions

requirements for web with stiffeners • For a/h > 1.5,For a/h ≤ 1.5, Refer to AISC 360 Sec. F5, F13, G2,  and G3. Figure 4.31 Plate Web Girder AISC Eq. F13‐4 AISC Eq. F13‐3

(135)

© 2015 Professional Publications, Inc. 135

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Example: Girder Proportions

Example 4.48

(136)

Example: Girder Proportions

(137)

© 2015 Professional Publications, Inc. 137 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Design for Flexure

• web slender if  • Nominal flexural strength, Mn, is  less than plastic moment, Mp. • Flexural is design of girder  governed by AISC 360 Sec. F5. • flexural strength of girder governed by  the following limit states • compression flange yielding • lateral‐torsional buckling • compression flange local buckling

137

AISC Eq. F5‐1 AISC Eq. F5‐2 AISC Eq. F5‐7

(138)

Example: Design for Flexure

(139)

© 2015 Professional Publications, Inc. 139

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Design for Flexure

Example 4.49

(140)
(141)

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STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Design for Flexure

(142)
(143)

© 2015 Professional Publications, Inc. 143

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Design for Flexure

(144)

Poll: Tension Field Action

Is the following statement true or false? Tension field action is the post‐buckling  development of diagonal tensile stresses  in slender plate‐girder web panels and  compressive forces in the transverse  stiffeners that border those panels. (A) true (B) false 

(145)

© 2015 Professional Publications, Inc. 145 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Poll: Tension Field Action

Is the following statement true or false? Tension field action is the post‐buckling  development of diagonal tensile stresses  in slender plate‐girder web panels and  compressive forces in the transverse  stiffeners that border those panels. (A) true (B) false  The answer is (A) true.

145

(146)

Tension Field Action

• induced when elastic critical load,  enhanced by stiffeners, is reached • Stiffeners in compression and girder  web in tension produce an equivalent  Pratt truss. • design using tension field action not  permitted in • end‐panels • panels with large hole • large panel aspect ratios Figure 4.32 Tension Field Action

(147)

© 2015 Professional Publications, Inc. 147 STRC ©2015 Professional Publications, Inc. • For      , Vn is  governed by shear yielding of web. Cv = 1.0 (AISC 360 Eq. G2‐3) • For      ,  where Cv = right portion of equation  for this case (AISC 360 Eq. G2‐4),  Vn is  governed by inelastic buckling of web. • For      , Vn is  governed by elastic buckling of web • AISC Manual Tables 3‐16a and 3‐17a  provide values of φvVn/Awand Vn/ΩbAw for a range of values of h/twand a/h.

Design for Shear Without Tension Field Action

147

(148)

Example: Design for Shear Without Tension Field Action

Example 4.50

Reproduced from Steel Construction Manual,  Fourteenth ed., 2012. American Institute of Steel  Construction, Inc., Chicago, IL.

(149)

© 2015 Professional Publications, Inc. 149

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Design for Shear Without Tension Field Action

Example 4.50

(150)
(151)

© 2015 Professional Publications, Inc. 151

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Design for Shear Without Tension Field Action

(152)

Design for Shear With Tension Field Action

• Vn determined in accordance with AISC 360 Sec. G3.2

AISC Manual Tables 3‐16b and 3‐17b provide values of φvVn/Awand Vn/ΩbAwfor a 

range of values of h/twand a/h.

tension field action not permitted in end panels and when a/h > 3.0 or 

a/h > (260tw/h)2

(Along with other cases per AISC 360 Sec. G3.1, nominal shear strength is given by  AISC 360 Sec. G2.1 as       .)

(153)

© 2015 Professional Publications, Inc. 153

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Design for Shear With Tension Field Action

Example 4.51

(154)

Example: Design for Shear With Tension Field Action

(155)

© 2015 Professional Publications, Inc. 155 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Design for Shear With Tension Field Action

155

Reproduced from Steel Construction Manual,  Fourteenth ed., 2012. American Institute of Steel  Construction, Inc., Chicago, IL.

(156)

Design of Intermediate Stiffeners

tension field action excludedFrom AISC 360 Sec. G2.2, required  moment of inertia of stiffener is • maximum allowable width‐to‐ thickness ratio of a stiffener  = 0.56 See AISC 360 Eq. G3‐3. tension field action included • the minimum transverse stiffener  moment of inertia is • fabrication detail: stiffener stopped  short of tension flange to avoid fatigue  cracking (does not apply to bearing  stiffeners) AISC Eq. G2‐7

1 1 2 1 2 1 r c st st st st c c V V I I I I V V          AISC Eq. G3‐4

(157)

© 2015 Professional Publications, Inc. 157

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Design of Intermediate Stiffeners

Example 4.52

(158)

Example: Design of Intermediate Stiffeners

(159)

© 2015 Professional Publications, Inc. 159

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Design of Intermediate Stiffeners

(160)

Design of Bearing Stiffeners

• required when applied load exceeds  web’s yielding, crippling, or sidesway buckling capacity • designed as axially loaded cruciform  column, including • 25twweb strip (interior) • 12twweb strip (ends) • effective length factor, K = 0.75  (AISC 360 Sec. J10.8) • nominal bearing strength,  R = 1.8F A AISC 360 Eq. J7‐1 • available bearing strength Figure 4.33 Bearing Stiffeners

(161)

© 2015 Professional Publications, Inc. 161

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Example: Design of Bearing Stiffeners

Example 4.53

(162)

Example: Design of Bearing Stiffeners

(163)

© 2015 Professional Publications, Inc. 163

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Design of Bearing Stiffeners

(164)
(165)

© 2015 Professional Publications, Inc. 165 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Composite Beams

section overview • section properties • shear connection • deck ribs parallel to steel beam • deck ribs perpendicular to steel beam • design for flexure

165

(166)

Section Properties

• if sufficient shear connector ensures full composite action, depth of stress block is 

• if insufficient shear connectors are provided, depth of stress block is

From AISC Manual Table 3‐20, lower bound on the actual moment of inertia, ILB, is 

(167)

© 2015 Professional Publications, Inc. 167 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Section Properties

For the composite beam shown  in Fig. 4.35, the effective width  of the concrete slab, on either  side of the beam centerline, is  the lesser of • ⁄ of the beam span • ⁄ of the beam spacing • the distance to the edge of  the slab Figure 4.35 Fully Composite Beam Section Properties

167

(168)

Example: Section Properties

(169)

© 2015 Professional Publications, Inc. 169

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Example: Section Properties

Example 4.54

(170)

Example: Section Properties

Reproduced from Steel Construction Manual,  Fourteenth ed., 2012. American Institute of Steel  Construction, Inc., Chicago, IL.

(171)

© 2015 Professional Publications, Inc. 171 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Shear Connection

Asc cross‐sectional area of a stud Fu tensile strength of a stud Ec modulus of elasticity of concrete w unit weight of concrete Rg stud group coefficient Rp stud position coefficient nomenclature

171

(172)

Shear Connection

• Shear force transferred across  interface is the lesser of • Provide n = V'/Qn connectors on either  side of maximum moment. • AISC 360 Eq. I8‐1 gives nominal  strength of one stud shear  connector as

• Rg and Rp parameters are provided in 

AISC 360 Sec. I8‐2a.

• Shear connector placement limitations 

are provided in AISC 360 Sec. I8‐2a  and Fig. 4.34.

(173)

© 2015 Professional Publications, Inc. 173

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Shear Connection

Figure 4.36 Placement of Shear Connectors

(174)

Deck Ribs Parallel to Steel Beam

• Maximum permitted diameter of stud  shear connectors is 2.5 times the  thickness of the base metal. • Maximum connector spacing is 18 in. • Rg = 1.0    [when wr≥ 1.5hr] • Rg= 0.85    [when wr < 1.5hr] • Rp = 0.75

(175)

© 2015 Professional Publications, Inc. 175

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Deck Ribs Parallel to Steel Beam

Figure 4.37 Deck Ribs Parallel to Steel Beam, Rgand RpValues

(176)

Deck Ribs Perpendicular to Steel Beam

stud group coefficient • Rg= 1.0   [one stud welded in steel  deck rib] • Rg= 0.85   [two studs welded in steel  deck rib] • Rg= 0.70   [three or more studs  welded in steel deck rib] stud position coefficient • Rp = 0.75   [studs welded in steel deck 

rib with emid-ht ≥ 2 in]

• Rp = 0.60   [studs welded in steel deck 

(177)

© 2015 Professional Publications, Inc. 177

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Deck Ribs Perpendicular to Steel Beam

Figure 4.38 Deck Ribs Perpendicular to Steel Beams, RgValues

(178)

Deck Ribs Perpendicular to Steel Beam

(179)

© 2015 Professional Publications, Inc. 179

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Example: Shear Connection

Example 4.55

(180)

Example: Shear Connection

(181)

© 2015 Professional Publications, Inc. 181 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Shear Connection

181

Reproduced from Steel Construction Manual,  Fourteenth ed., 2012. American Institute of Steel  Construction, Inc., Chicago, IL.

(182)

Design for Flexure

φMnfor range of Y1, Y2, and ΣQnis 

found in AISC Manual Table 3‐19.From AISC 360 Sec. I3.2d, ΣQn is the  least of • 0.85 • FyAs • nQn • Design to support total factored loads  for shored and unshored construction. • Steel beam alone must support all  loads before concrete attains 75% of  its strength.

(183)

© 2015 Professional Publications, Inc. 183 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Design for Flexure

Example 4.56 Example 4.54

183

(184)

Example: Design for Flexure

Example 4.56

(185)

© 2015 Professional Publications, Inc. 185 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Learning Objectives

You have learned how to • use statical and mechanism design methods for plastic design • design bolted and welded connections for a range of loading conditions • account for tension field action in plate girders

185

(186)

Lesson Overview

Chapter 4: Structural Steel Design, Part 2 • Plastic Design • Design of Tension Members • Design of Bolted Connections • Design of Welded Connections • Plate Girders • Composite Beams

References

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