Timber and Steel Design Lecture 12 Bolted Connections...
Transcript of Timber and Steel Design Lecture 12 Bolted Connections...
� Eccentric Bolts
� Bolts Subjected to Shear and Tension
� Tension Loads on Bolted Joints
� Prying Action
Timber and Steel DesignTimber and Steel Design
Lecture Lecture 1122 Bolted Connections IIBolted Connections II
Mongkol JIRAVACHARADET
S U R A N A R E E INSTITUTE OF ENGINEERING
UNIVERSITY OF TECHNOLOGY SCHOOL OF CIVIL ENGINEERING
Bolts Subjected to Eccentric Shear
(a) (b)
Elastic Analysis
c.g.
e P
c.g.
e P
P
P c.g. c.g.
e P
P
P
e P
d4d1
d3d2
r4
r1
r3
r2
44332211c.g. drdrdrdrPeM +++==
4
4
3
3
2
2
1
1
d
r
d
r
d
r
d
r===
∑∑∑∑====
2
442
332
222
11 ,,,
d
Mdr
d
Mdr
d
Mdr
d
Mdr
Moment Resistant of Bolt Group
Forces on bolts proportions to C.G. distance
1 1
1 1
sin
sin
r r H
d d v
θθ
= =
1 1
2 2
1 1
r v Md v MvH
d dd d
= = = ∑ ∑
2
MhV
d=∑
Vertical and Horizontal Components
h
v
V
H
r1
c.g.
d1
θ
θ
��������� 12-1 ������������� ���� ����������������� ����������������� ������� �������!��"#$%%�� ��&��
15 cm P=12 ton
10 cm
10 cm
10 cm
10 cm
P/8
P/8 P/8
P/8P/8
P/8
P/8
V
V
V
V
V
V
V
H2
H1H1
H1H1
H2H2
P/8
V
H2
C.G.
15 cm
5 cm
������� ����������������� ����� ������������ ���������������������
�� �� !"�����#$�������������������%��&��'�����!��������'�����#���� ��������'�
���������
2 2 2d h v= +∑ ∑ ∑2 2 2 28(5) 4(5 15 ) 1,200d = + + =∑
2
2
240(15)3.0 ton
1200
240(5)1.0 ton
1200
/8 12 /8 1.5 ton
MvH
d
MhV
d
P
= = =
= = =
= =
∑
∑
���(����������������%�������'�(������&��%��&��'�)��������&
2 23.0 2.5 3.9 tonr = + =
e = 15 + 5 = 20 cm
M = Pe = (12)(20) = 240 t-cm
C.G.
P/8
V
H
15 cm
5 cm
��������� 12-2 ����������� P �������������'�#�����������������(�����%)�� ��� "�'�#������*������# +� A36 ��� ���� ��� A325 1��� 22 �.�. ������"��&�3�� �� ���������"��%�45�� ������� �������!��"#$%%�� ��&��
5 @ 8 cm
e = 40 cm P
16 cm
Critical bolts
�����
1. �������: M = Pe = 40P &��-;�.
2. ���������������������� !"#���$���2 2 212(8) 768 cmhΣ = =
2 2 2 2 24(4) 4(12) 4(20) 2,240 cmvΣ = + + =
2 2 2 2768 2,240 3,008 cmd h vΣ = Σ + Σ = + =
3. ��&�'����()���������������*� �������&�� ������ "%�����������1��
2
40 (20)0.266
3,008
Mv PH P
d= = =Σ 2
40 (8)0.106
3,008
Mh PV P
d= = =Σ
P/12 = 0.083P &��
4. )����,��-�������������*�
2 2 2 2( /12) 0.266 (0.106 0.083) 0.326r H V P P P= + + = + + =
���&���� �.1 � ���� ��� A325 1��� 22 �.�. �����"��&�3�� �� ���������"��%�45�� ��%����45��������)��&�� " 5.63 &�� �����?�
0.326P = 5.63 &��
�?*�#������������ P = 17.3 ��� �
���������0��-�1)���23��)��)��!4���35��"#���
Pe
N.A.
P
10 cm
8 cm
8 cm
8 cm
v
Pf
nA=
t
Mc Pecf
I I= =
Shear stress in each bolt:
Tensile stress from moment:
��������� 12-3 &�����%���&��#���������*�����# +� A36 (��&�������� ���� ��� A325-N 1��� 22 �.�. &����%�A���� #�������%�?*�#���%����� 12 &�� #�������A���� 30 ;�. �"�"#�����������"#����� ���� ��� 8 ;�. "�"�"#��������% 10 ;�.
P
10 cm
8 cm
8 cm
8 cm
����� 1. ����������������6�7�����������
I = 3.8 [4(4)2 + 4(12)2] = 2,432 ;�.4
#�������B�������1�� A325-N = 3,100 ��./;�.2
2. 8����)��!4�����!745�-�������������(�� !
(12,000)(30)(12)1,776 ksc < 3,100 ksc
2,432t
Pecf
I= = = OK
3. 8����)���23������-81 A325-N: Fv = 1,480 ��./;�.2 #�������45���� ���� ���!5�
12,000395 ksc < 1,480 ksc
(8)(3.8)vf = = OK
&�����%#�������B�������#������������D������� $ (���&������� 11.5):
Type of Bolt ���� ������������ � ������� ������������ �
A307
A325
A490
14008.11820 ≤− vf
( ) 2239.43080 vf− ( ) 22
15.23080 vf−
( ) 2275.33780 vf− ( ) 22
82.13780 vf−
2 23,080 4.39t vF f= −
2 23,080 4.39 395 2,967 ksc > 1,776 ksc = − × = OK
� !���&�� Moment
Rotation
����� ����� (Rigid connection)��%�����&$)��������� 90%
�������� (Simple connection) ��%�����&$)�� 0 - 20%
����#$%�� ����� (Semirigid connection)��%�����&$)�� 20 - 90%
- Beam-to-Column Connections- Beam-to-Beam Connections
Coping
(a) Framed connection
Erection
seat
(c) Framed connection with seat
(b) Seated connection
(d) Seated connectionFiller
PL
(e) Seated connection with
stiffened seat
������ 12.7 ��������� ���������������
� !���&��)((�&��Framed Connections
'()�*+%,�*-./01�/�23(�� (Net shear area) 1��#���&��4����#�������45��������#� 0.3Fu "1��������"������"������%����I��J���$� ��� ���� ���%�� 3 �.�.
- ����45��1��� ���� ���
- ��%����%�I���# +�
- % +�����45��1�����!��
���&�����%��������1B?�!5�
�������� 12-4 !*�����?*�#���%�����������&��%%�!�������%)�� ���# +� A36 � ���� ��� A325-N 1��� 19 �.�.
7.5 cm
7.5 cm
5 cm cope
Beam
W450x76
(tw = 9 mm)
Lh = 4 cm1.25 cm clear
Girder
W600x175
(tw = 14 mm)
2Ls 100 x 75 x 7 mm x 22 cm long
3.5 cm
3.5 cm
4 cm
����� �������� ���� ���������!�� W450×76 ;B�������%���45��!��
1. �������23��&#�7����������� A325-N 1��� 19 �.�. �����"��&�3��
���&���� �.1 ��%���45��!��)�� = 8.39 &��
�������� 3 &�� �*� ���45��!��1��� ���� ��� = 3(8.39) = 25.2 ���
2. ������)(���(����&�� �"�"#���� ���� ��� 7.5 ;�. = 3.95d ( > 3d ) OK
�"�"1�% 3.5 ;�. = 1.84d ( > 1.5d ) OK
��#������%����������#�������% 1.2Fu!���#�����!�� = 9 �.�.
!���#���# +�4��!�� = 7 + 7 = 14 �.�.
←←←← Control
�*� ��%�������� ���� ��� 3 &�� = 3 (1.2) (4.0) (0.9) (1.9) = 24.6 ���
3. �������23��(�,35��� ���8�K�2�� ( Fv = 0.30 Fu ) ������1��� ���
Shear
area
3.5 ;�.
7.5 ;�.
7.5 ;�.
3.5 ;�.
1��������" = 19 + 3 = 22 �.�.
�5?������� � Av = 2 (0.7) ( 22 O 3 (2.2) ) = 21.6 ;�.2
�*� ���45���# +�4�� = 0.30 (4.0) (21.6) = 25.9 ���
4. �*� ��% +�����45��1�����!�� ������1��� ���
7.5 cm
7.5 cm
5 cm cope
Beam
W450x76
(tw = 9 mm)
3.5 cm
4 cm
1��������" = 19 + 3 = 22 �.�.
Av = (0.9) ( 18.5 O 2.5 (2.2) ) = 11.7 ;�.2
At = (0.9) ( 4 O 0.5 (2.2) ) = 2.61 ;�.2
Pt = 0.3 (4.0) (11.7) + 0.5 (4.0) (2.61)
= 19.3 ��� &�(& �
&�����%�*� �����&��%� Girder W600x175 �%���������� 19.3 &��
!����5�������� !���&3� 19.3 ���
Seated Connections
Seat angle
Beam
Clip angle
ColumnR
b/2
N
Set back = 1 cmb/2
b + 2.5k
k
1) ,����N����&���-����&��:
0.66( 2.5 )
y
w
RF
t b k=
+��5�� b = !������%���� ≤ N
12.5
(0.66 ) 2 (0.66 )w y w y
R Rb k
t F t F
= − ≥
�����&$���: M = R e
#���������: 1
2 / 6b
ReMf
S Lt= =
0.75b yF F=
Angle thickness:
= =1 16 8
(0.75 )y y
Re Ret
L F LF
R
b/2
e
N
ta
1 cm
b/2
b + 2.5k
9 mm
k
Critical section
2) ,����N����!�!-��8�K�2��
�"�"��5?��J���$ e = b/2 + 2 – ta – 0.9
�"�" Setback = 1 ;�. &�����!*������ 2 ;�.
��J��!����!���"���"�" ta + 9 �.�.
Length of seat angle = width of beam flange
= 175 mm
Bearing length, b1
2.50.66 2 0.66y w y w
R Rk
F t F t
= − ≥
1 1 8
2 0.66 2 0.66 2.5 0.7
1(6.93) 3.46 cm
2
y w
R
F t
= × ×
= =
Bearing length required is 3.46 cm
��������� 12-5 �����%%���&��%%3����� ���D�������� ��!�� 8 &�� #���&��!�� W250×44.1 (tw = 7 �.�., k = tf + r = 27 �.�., bf = 175 �.�.) &����%�A���� W200×49.9 (tw = 8 �.�., bf = 200 �.�.)
W250x44.1W200x49.9
Try angle section L 150 x 90 x 15 mm
R
b/2
e
ta = Thickness of
seat angle
1 cmTry angle section L 150 x 90 x 15 mm
8 8 8 1.33
17.5 2.5
1.40 cm 1.5 cm
a
y
Ret
LF
× ×= =
×
= < OK
Try bolt A325-N φφφφ 19 mm:
Shear strength = 2(1.9) (1.48) 4.20 ton/bolt4
π=
Bearing strength = × × =(1.9 1.5)(1.2 4.0) 13.7 ton/bolt
Control
number of bolts, n = 8.0/4.2 = 1.91 use 2 A325-N φ 19 mm
e = b/2 + 2 – ta – 0.9 = 3.46/2 + 2 – 1.5 – 0.9
= 1.33 ;�.
��������� 12-6 ����������?*�#���%����������%)��1�����&��%%3�������� �# +������!5� A36 "� ���� ��� A325-N 1��� 19 �.�. ������"��&�3��
W250x44.1
Column: W250x72.4
L150x100x15mm
x 20cm long
L = 20 cm
����� !�������# +�4�� L = 20 ;�.
!*����!������%���� b:
2.5(2.7)0.7(0.66)(2.5)
2(0.7)(0.66)(2.5)
Rb
R
= −
≥
6.75 ( )1.16 2.32
R Rb a= − ≥ …………
�"�"��5?��J���$ e = b/2 + 2 – ta – 0.9 = b/2 – 0.4
2.98 0.4 ( )2.32 4.64
R Rb= − ≥ − ………………………
8a
y
Ret
LF=�������� ������#����5��#�!�� e:
2 20.75 0.75(2.5) 20(1.5) 14.06( )
6 6
y aF L t
e cR R R
= = =
……………
�*�#��#������ (b) " (c) ������� �")�����������*� �������5���������!�� R !5�
214.62.98 6.91 33.87 0 10.2 ton
2.32
RR R R
R− = → − − = → =
214.60.4 18.56 67.74 0 9.47 ton
4.64
RR R R
R− = → − − = → =
� 5��!������������� �����?�� 5�� R = 9 ��� �����?�&�����% b :
�������� (a), 6.751.16 2.32
R Rb = − ≥
9 96.75 1.01 3.88
1.16 2.32
= − = < =
-6� b = 3.88 Q�.
�"�"��5?��J���$ e = 3.88/2 – 0.4 = 1.54 ;�.
!���#���# +�4�����&������:
8 8 (9)(1.54)1.49 cm < 1.5 cm
(20)(2.5)a
y
R et
L F= = = OK