แผ่นฐานเสาในช่วงโครงยึดโยง LRFD (AISC)

This article is also available in:
Translated by AI from English

เสาที่มีหน้าตัด W12\(\times\)79 ถูกยึดลงในบล็อกคอนกรีต (กำลังอัดของ Concrete 4 ksi) ด้วยสลักยึด 4 ตัว ขนาด 3/4'' A307 (fy = 50 ksi, fu= 65 ksi) ฐานเสาถูกอัดด้วยวัสดุ Grout โครงค้ำยันเป็น HSS 3.5\(\times\)0.203 เชื่อมต่อด้วยแผ่น Gusset และสลัก 2 ตัวแบบ Slip-critical ขนาด 3/4'' A490 (fy = 130 ksi, fu = 150 ksi) เหล็กทั้งหมดเป็นเกรด A36 (fy = 36 ksi, fu = 58 ksi) แรงเฉือนถ่ายผ่านเดือยรับแรงเฉือนที่มีหน้าตัด W6\(\times\)25 ลวดเชื่อม E70XX ถูกเลือกใช้ เสาถูกรับแรงอัด –160 kip โมเมนต์ดัด 1000 kip-in และแรงเฉือน 20 kip โครงค้ำยันถูกรับแรงดึง 30 kip 

เรขาคณิต

inline image in article

จุดต่อที่ทำการตรวจสอบ

inline image in article

หน้าตัดของเสา (ซ้าย) โครงค้ำยัน (กลาง) และเดือยรับแรงเฉือน (ขวา)

inline image in article

ขนาดของบล็อกคอนกรีต

inline image in article

ขนาดแผ่น Gusset และแรงกระทำในโหมดโปร่งใส

การประเมินด้วยการคำนวณด้วยมือ

การตรวจสอบด้วยมือสำหรับสลัก รอยเชื่อม แผ่นเหล็ก และ Concrete รับแรงอัด ดำเนินการตาม AISC 360-16 กำลังของเดือยรับแรงเฉือนถูกกำหนดตาม ACI 349-01 แท่งยึดถูกออกแบบตาม AISC 360-16 – J9 และ ACI 318-14 – บทที่ 17

การตรวจสอบที่จำเป็นมีดังนี้:

  • ความต้านทานการลื่นไถลของสลักรับแรงเฉือน – AISC 360-16 – J3.8
  • กำลังการวิบัติแบบ Block Shear – AISC 360-16 – J4.3
  • กำลังแรงดึงของชิ้นส่วนที่เชื่อมต่อ – AISC 360-16 – J4.1
  • กำลังรอยเชื่อม – AISC 360-16 – AISC 360-16 – J2.4
  • กำลังแรงเฉือนของเดือยรับแรงเฉือน – AISC 360-16 – G2
  • กำลังดัดของเดือยรับแรงเฉือน – AISC 360-16 – F2.1
  • กำลังรับแรงกดของเดือยรับแรงเฉือนต่อ Concrete – ACI 349-01 – B.4.5 และ RB11
  • กำลังการแตกร้าวของ Concrete บริเวณเดือยรับแรงเฉือน – ACI 349 – B11
  • กำลังรับแรงกดของ Concrete รับแรงอัด – AISC 360-16 – J8
  • กำลังเหล็กของพุกรับแรงดึง – ACI 318-14 – 17.4.1
  • กำลังการแตกร้าวของ Concrete – ACI 318-14 – 17.4.2
  • กำลังการดึงหลุดของ Concrete – ACI 318-14 – 17.4.3
  • กำลังการแตกด้านข้างของ Concrete – ACI 318-14 – 17.4.4

การออกแบบคานและเสาถือว่าได้รับการตรวจสอบในที่อื่นแล้ว

การกระจายแรง

แรงเฉือนทั้งหมดคาดว่าจะถ่ายผ่านเดือยรับแรงเฉือนไปยังบล็อกคอนกรีต แรงเฉือนถ่ายเฉพาะในบล็อกคอนกรีตและวัสดุ Grout ไม่มีประสิทธิภาพ แรงเฉือนเป็นผลรวมของแรงเฉือนในเสาและองค์ประกอบแนวนอนของแรงดึงในโครงค้ำยัน กล่าวคือ \(V=20+30\cdot \cos(40^\circ) = 43\) kip

แรงดึงในโครงค้ำยัน 30 kip จำเป็นต้องถ่ายผ่านสลักที่อัดแรงล่วงหน้า 2 ตัว แผ่น Gusset และรอยเชื่อมต้องมีกำลังเพียงพอ

แรงอัด 160 kip ลดลงด้วยองค์ประกอบแนวตั้งของแรงดึงในโครงค้ำยัน ฐานเสาต้องต้านทานแรงอัด \(160-30\cdot \sin(40^\circ) = 141\) kip และโมเมนต์ดัด 1000 kip-in 

การตรวจสอบการเชื่อมต่อโครงค้ำยัน

การเชื่อมต่อแบบ Slip-critical

กำลังของการเชื่อมต่อแบบ Slip-critical ถูกกำหนดตาม AISC 360-16 – J3.8 แรงอัดล่วงหน้าขั้นต่ำของสลักนำมาจากตาราง J3.1 เป็น \(T_b = 35\) kip ความต้านทานการลื่นไถลของสลักตัวเดียวคือ:

\[\phi R_n = \phi \mu D_u h_f T_b n_s = 1 \cdot 0.3 \cdot 1.13 \cdot 1.0 \cdot 35 \cdot 2 = 24  \textrm{kip}\]

ความต้านทานการลื่นไถลของสลัก 2 ตัว 47 kip เพียงพอที่จะถ่ายแรงดึง 30 kip

กำลังแรงดึงของชิ้นส่วนเชื่อมต่อ

ชิ้นส่วนเชื่อมต่อเป็นแผ่นสองแผ่นหนา 1/4'' เพื่อหลีกเลี่ยงความเยื้องศูนย์ในการรับแรงอัด พื้นที่หน้าตัดรวมและสุทธิรับแรงดึงคือ \(3.4 \cdot (2\cdot 1/4)=1.7\) in2 และ \((3.4-13/16)\cdot (2\cdot 1/4)=1.3\) in2 ตามลำดับ

\[\phi R_n =\phi F_y A_g = 0.9 \cdot 36 \cdot 1.7 = 55   \textrm{kip} \]

\[\phi R_n =\phi F_u A_n = 0.75 \cdot 58 \cdot 1.3 = 57   \textrm{kip} \]

กำลังของชิ้นส่วนเชื่อมต่อ 55 kip เพียงพอที่จะถ่ายแรงดึง 30 kip รอยเชื่อมถูกออกแบบเป็นรอยเชื่อมชนแบบ CJP และกำลังควรเท่ากับวัสดุฐาน

inline image in article

ขนาดชิ้นส่วนเชื่อมต่อ

กำลังการวิบัติแบบ Block Shear ของแผ่น Gusset

แนวการครากที่คาดไว้บนแผ่น Gusset สำหรับการวิบัติแบบ Block Shear มีความยาว 6.6 in การแตกร้าวอาจเกิดขึ้นที่แนวที่สั้นกว่าด้วยรูสลัก กล่าวคือ 5.8 in ความหนาของแผ่น Gusset คือ 3/8'' 

\[\phi R_n =\phi F_y A_g = 0.9 \cdot 36 \cdot 2.5 = 80   \textrm{kip} \]

\[\phi R_n =\phi F_u A_n = 0.75 \cdot 58 \cdot 2.2 = 94   \textrm{kip}\]

กำลังของแผ่น Gusset 80 kip เพียงพอที่จะถ่ายแรงดึง 30 kip

กำลังรอยเชื่อมของแผ่น Gusset

รอยเชื่อมแบบ Fillet ถูกออกแบบทั้งสองด้านของแผ่น Gusset ขนาด 1/4'' ความยาวของรอยเชื่อมคือ 5.2 in และ 4.0 in เพื่อหลีกเลี่ยงการคำนวณความเยื้องศูนย์ จึงสมมติอย่างอนุรักษ์นิยมว่ารอยเชื่อมทั้งสองยาว 4 in และรอยเชื่อมทั้งสองถ่ายแรงครึ่งหนึ่งของแรงกระทำ รอยเชื่อมวิกฤตคือรอยเชื่อมที่รับแรงในมุม 40\(^\circ\)

\[F_{nw} = 0.6 F_{EXX} (1+0.5 \sin^{1.5} \theta) = 0.6 \cdot 70 \cdot (1+0.5 \sin^{1.5} 40^\circ) = 53  \textrm{ksi} \]

\[\phi R_n = \phi F_{nw} A_{we} = 0.75 \cdot 53 \cdot 2.83 = 112  \textrm{kip}\]

กำลังของรอยเชื่อมที่แผ่น Gusset 224 kip เพียงพอที่จะถ่ายแรงดึง 30 kip

การตรวจสอบฐานเสา

ฐานเสาต้องต้านทานแรงอัด \(P_u=160-30\cdot \sin(40^\circ) = 141\) kip และโมเมนต์ดัด \(M_u=1000\) kip-in เนื่องจากพื้นที่รองรับ A2 มีขนาดใหญ่เพียงพอ กำลังรับแรงกดของ Concrete คือ

\[\phi f_{p,(\max)}= \phi 1.7 f'_c = 0.65 \cdot 1.7 \cdot 4 = 4.4  \textrm{ksi} \]

\[\phi q_{\max} = f_{p,(\max)} B = 4.4 \cdot 19 = 83.6  \textrm{kip/in}\]

แผ่นฐานมีความยาวเพิ่มขึ้นเนื่องจากการเชื่อมต่อแผ่น Gusset ของโครงค้ำยัน สมมติอย่างอนุรักษ์นิยมว่าแรงอัดกระทำที่ปีกเสา กล่าวคือ e = 6.18 in จากศูนย์กลางการเชื่อมต่อ ระยะห่างระหว่างสลักยึดและศูนย์กลางการเชื่อมต่อคือ f = 7.68 in 

\[M_u= eP_r+2fN_{ua} \]

\[N_{ua}=\frac{M_u-eP_r}{2f}=\frac{1000-6.18 \cdot 141}{2\cdot 7.68}=8.4  \textrm{kip} \]

\[Y = \frac{P_r+2N_{ua}}{q_{\max}} = \frac{141+2\cdot 8.4}{83.6} = 1.9  \textrm{in}\]

กำลังรับแรงกดของ Concrete เพียงพอ เนื่องจากแผ่นฐานมีขนาดใหญ่พอที่จะรองรับความยาวพื้นที่รับแรงกด Y และแรงดึงในพุกคือ 8.4 kip ควรทำการตรวจสอบแผ่นฐานอย่างละเอียดพร้อมการตรวจสอบการครากของแผ่นฐานสำหรับกรณีแรงกระทำที่มีแรงอัดสูงสุด

การออกแบบพุก

พุกขนาด 3/4'' เกรด A307 ฝังลึก 12 in ในบล็อกคอนกรีตพร้อมแผ่นรองกลมเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.8 in พุกรับแรงดึงเท่านั้นเนื่องจากแรงเฉือนถ่ายผ่านเดือยรับแรงเฉือน การตรวจสอบพุกดำเนินการตาม ACI 318-14 – บทที่ 17 กำลังเหล็กและกำลังการดึงหลุดตรวจสอบสำหรับพุกแต่ละตัว และกำลังการแตกร้าวของ Concrete และกำลังการแตกด้านข้างของ Concrete ตรวจสอบสำหรับกลุ่มพุก เนื่องจาก \(3h_{ef} \ge s\) โดยที่ \(h_{ef}\) คือความลึกฝัง และ s คือระยะห่างระหว่างพุก

กำลังเหล็กของพุกรับแรงดึง – 17.4.1

\[\phi N_{sa}=\phi A_{se,N} f_{uta} \]

\[\phi N_{sa}= 0.7 \cdot 0.334 \cdot 60 = 14  \textrm{kip}\]

กำลังการแตกร้าวของ Concrete – 17.4.2

\[h_{ef}=\min \left( \frac{c_{a,\max}}{1.5},   \frac{s}{3} \right ) \le h_{ef}  = \max \left(\frac{14}{1.5},   \frac{15.1}{3} \right ) = 9.33 \le 12   \textrm{in} \]

\[A_{Nc} = (14+1.8/2+14) \cdot (14+15.1+14)=1245  \textrm{in}^2 \]

\[A_{Nco} = 9 h_{ef}^2 = 9 \cdot 9.33^2 = 783  \textrm{in}^2 \]

\[N_b = k_c \lambda_a \sqrt{f'_c} h_{ef}^{1.5} = 24 \cdot 1 \cdot \sqrt{4000} \cdot 9.33^{1.5} = 43.3  \textrm{kip} \]

\[\psi_{ec,N} = \frac{1}{1+\frac{2 e'_N}{3 h_{ef}}} = \frac{1}{1+\frac{2 \cdot 0}{3 \cdot 9.33}} = 1 \]

\[\psi_{ed,N} = \min \left ( 0.7 + \frac{0.3 c_{a,min}}{1.5 h_{ef}}, 1 \right ) = \min \left ( 0.7 + \frac{0.3 \cdot 14}{1.5 \cdot 9.33}, 1 \right ) = 1 \]

\[\phi N_{cbg} = \phi \frac{A_{Nc}}{A_{Nco}} \psi_{ec,N} \psi_{ed,N} \psi_{c,N} \psi_{cp,N} N_b \]

\[\phi N_{cbg} = 0.7 \cdot \frac{1245}{783} \cdot 1 \cdot 1 \cdot 1 \cdot 1 \cdot 43.3 = 48  \textrm{kip}\]

กำลังการดึงหลุดของ Concrete – 17.4.3

\[A_{brg} = \pi \left ( \frac{d_{wp}^2-d_a^2}{4} \right ) = \pi \left ( \frac{1.8^2-0.75^2}{4} \right ) = 2.1  \textrm{in}^2 \]

\[N_p = 8 A_{brg} f'_c = 8 \cdot 2.1 \cdot 4 = 67  \textrm{kip} \]

\[\phi N_{pn} = \phi \psi_{c,P} N_p = 0.7 \cdot 1 \cdot 67 = 47  \textrm{kip}\]

กำลังการแตกด้านข้างของ Concrete – 17.4.4

\[red = \frac{1+\frac{c_{a2}}{c_{a1}}}{4} = \frac{1+\frac{14}{14}}{4} = 0.5 \]

\[\phi N_{sb} = \phi 160 c_{a1} \sqrt{A_{brg}} \sqrt{f'_c} = 0.7 \cdot 160 \cdot 14 \cdot \sqrt{2.1} \cdot \sqrt{4000}= 144  \textrm{kip} \]

\[\phi N_{sbg} = n \cdot red \cdot \phi N_{sb} = 2 \cdot 0.5 \cdot 144 = 144  \textrm{kip}\]

ความต้านทานที่น้อยที่สุดคือกำลังเหล็กของพุก 14 kip ซึ่งเพียงพอที่จะถ่ายแรง 8.4 kip

การออกแบบเดือยรับแรงเฉือน

แรงเฉือนทั้งหมดคาดว่าจะถ่ายผ่านเดือยรับแรงเฉือนไปยังบล็อกคอนกรีต แรงเฉือนถ่ายเฉพาะในบล็อกคอนกรีตและวัสดุ Grout ไม่มีประสิทธิภาพ แรงเฉือนเป็นผลรวมของแรงเฉือนในเสาและองค์ประกอบแนวนอนของแรงดึงในโครงค้ำยัน กล่าวคือ \(V=20+30\cdot \cos(40^\circ) = 43\) kip หน้าตัดของเดือยรับแรงเฉือนคือ W6x25 และมีความยาว 6 in ชั้น Grout หนา 1.5 in ดังนั้นเดือยรับแรงเฉือนฝังลึก 4.5 in ในบล็อกคอนกรีต แรงดันของ Concrete สมมติว่ากระจายสม่ำเสมอในบล็อกคอนกรีต โมเมนต์ดัดที่กระทำบนเดือยรับแรงเฉือนเท่ากับแรงเฉือนคูณด้วยแขนโมเมนต์ 1.5 + 4.5 / 2 = 3.75 in กล่าวคือ Mu = 161 kip-in คาดว่ารอยเชื่อม Fillet บนปีกและเอวของเดือยรับแรงเฉือนถ่ายโมเมนต์ดัดและแรงเฉือนตามลำดับ รอยเชื่อม Fillet ที่ปีกต้องถ่ายแรง 161 / 5.9 = 27.3 kip


กำลังรับแรงกดของเดือยรับแรงเฉือนต่อ Concrete – ACI 349-01 – B4.5 และ RB11

\[N_y = n A_{se} F_y = 4 \cdot 0.334 \cdot 36 = 48  \textrm{kip} \]

\[\phi P_{br}=\phi 1.3 f'_c A_1 + \phi K_c (N_y - P_a) \]

\[\phi P_{br}=0.7 \cdot 1.3 \cdot 4 \cdot 27.3 + 0.7 \cdot 1.6 \cdot (48 + 141) = 311  \textrm{kip} \ge 43  \textrm{kip}\]

กำลังการแตกร้าวของ Concrete บริเวณเดือยรับแรงเฉือน – ACI 349-01 – B11

\[A_{Vc} = (18.5+6.1+18.5) \cdot (4.5+20) - 6.1 \cdot 4.5 = 1028  \textrm{in}^2 \]

\[\phi V_{cb} = A_{Vc} 4 \phi \sqrt{f'_c} = 1028 \cdot 4 \cdot 0.85 \cdot \sqrt{4000} = 221  \textrm{kip} \ge 43  \textrm{kip}\]

กำลังแรงเฉือนของเดือยรับแรงเฉือน – AISC 360-16 – G2

\[\phi V_n = 0.6 F_y A_w C_{v1}= 1 \cdot 0.6 \cdot 36 \cdot 2 \cdot 1 = 44  \textrm{kip} \ge 43  \textrm{kip}\]

รอยเชื่อม Fillet ที่เอวของเดือยรับแรงเฉือน – AISC 360-16 – J2.4

\[F_{nw} = 0.6 F_{EXX} (1+0.5 \sin^{1.5} \theta) = 0.6 \cdot 70 \cdot (1+0.5 \sin^{1.5} 0^\circ) = 42  \textrm{ksi} \]

\[\phi R_n = \phi F_{nw} A_{we} = 0.75 \cdot 42 \cdot 1.93 = 61  \textrm{kip} \ge 43  \textrm{kip}\]

กำลังดัดของเดือยรับแรงเฉือน – AISC 360-16 – F2.1

\[\phi M_n = \phi M_p = F_y Z_x = 0.9 \cdot 36 \cdot 18.9 = 680.4  \textrm{kip-in} \ge 161  \textrm{kip-in}\]

รอยเชื่อม Fillet ที่ปีกของเดือยรับแรงเฉือน – AISC 360-16 – J2.4

\[F_{nw} = 0.6 F_{EXX} (1+0.5 \sin^{1.5} \theta) = 0.6 \cdot 70 \cdot (1+0.5 \sin^{1.5} 90^\circ) = 63  \textrm{ksi} \]

\[\phi R_n = \phi F_{nw} A_{we} = 0.75 \cdot 63 \cdot 2.1 = 100  \textrm{kip} \ge 27.3  \textrm{kip}\]

กำลังแรงเฉือนและกำลังดัดของเดือยรับแรงเฉือน กำลังรอยเชื่อม กำลังรับแรงกดของ Concrete และกำลังการแตกร้าวของ Concrete เพียงพอที่จะถ่ายแรงเฉือน 43 kip

การตรวจสอบใน IDEA StatiCa

แผ่นเหล็กถูกตรวจสอบด้วยการวิเคราะห์ Finite Element โดยใช้แบบจำลองวัสดุแบบ Bilinear ที่มีกำลังครากคูณด้วยตัวประกอบความต้านทานเหล็ก \(\phi = 0.9\) แรงที่กระทำบนองค์ประกอบอื่นของการเชื่อมต่อ ได้แก่ สลักและรอยเชื่อม ถูกกำหนดด้วยการวิเคราะห์ Finite Element เช่นกัน แต่ความต้านทานของชิ้นส่วนเหล่านั้นถูกตรวจสอบโดยใช้สูตรมาตรฐานจาก AISC 360-16, ACI 318-14 และ ACI 349-01 องค์ประกอบรอยเชื่อมที่รับความเค้นสูงสุดถูกตรวจสอบ และเมื่อมีแรงกระทำเพิ่มขึ้น ความเค้นในรอยเชื่อมจะกระจายไปยังองค์ประกอบรอยเชื่อมอื่น ดังนั้นความต้านทานสูงสุดของรอยเชื่อมจึงสูงกว่าการหารแรงด้วยอัตราการใช้งานของรอยเชื่อมอย่างง่าย

inline image in article

ความเค้น Von Mises

inline image in article

ความเครียดพลาสติกรวมถึงแรงดึงในพุก

inline image in article

การตรวจสอบความเค้นและความเครียดของแผ่นเหล็ก

inline image in article

การตรวจสอบการเชื่อมต่อแบบ Slip-critical

inline image in article

การตรวจสอบรอยเชื่อม

inline image in article

การตรวจสอบพุก

inline image in article

การตรวจสอบ Concrete รับแรงกด

inline image in article

ความเค้นใน Concrete ใต้แผ่นฐานและพื้นที่การแตกร้าวแบบ Cone ของ Concrete

inline image in article

การตรวจสอบเดือยรับแรงเฉือน – กำลังรับแรงกดและกำลังการแตกร้าวของ Concrete

การเปรียบเทียบ

เห็นได้ชัดว่าการวิเคราะห์ Finite Element แสดงการกระจายแรงภายในที่แตกต่างจากสมมติฐานอย่างง่าย แผ่น Gusset ยังช่วยถ่ายโมเมนต์ดัด ดังนั้นแผ่น Gusset และรอยเชื่อมจึงรับแรงมากกว่าในสมมติฐานการออกแบบมาตรฐาน แรงในพุกต่ำกว่าเล็กน้อยใน IDEA เนื่องจากความเค้นใต้แผ่นฐานไม่ได้อยู่ใต้ปีกเสาพอดี ชิ้นส่วนที่มีอัตราการใช้งานสูงสุดในการประเมินด้วยมือคือเอวของเดือยรับแรงเฉือน ใน IDEA StatiCa ความเค้นสมมูลบนเอวของเดือยรับแรงเฉือนอยู่ที่ 30.1 kip ซึ่งใกล้เคียงกับการคราก

การตรวจสอบตามมาตรฐานในซอฟต์แวร์ออกแบบ IDEA StatiCa Connection สอดคล้องกับการประเมินด้วยมือตาม AISC 360, ACI 318 และ ACI 341 ความแตกต่างเล็กน้อยเกิดจากการทำให้ง่ายขึ้นในการคำนวณด้วยมือเป็นหลัก

Sample files

Attached Downloads