محاضرات انشاءات معدنية د.سعد الدين مصطفي
DESCRIPTION
Uploaded from Google DocsTRANSCRIPT
١٩١٩ PagesPages ١١ســـعد الدين مصـطفى ســـعد الدين مصـطفى . . دد..أأ
رئيس قســم االنشـــــاءات رئيس قســم االنشـــــاءات
بسم اهللا الرحمن الرحيمبسم اهللا الرحمن الرحيم))وأنزلنا الحديَد فيه بأٌس شديٌد ومنافُع للناس وأنزلنا الحديَد فيه بأٌس شديٌد ومنافُع للناس ((
))٢٥٢٥--الحديدالحديد((سورة سورة صدق اهللا العظيم صدق اهللا العظيم
STEEL (III)STEEL (III)سعد الدين مصطفى سعد الدين مصطفى / / د د ..أأ
أستاذ ورئيس قسم الهندسة اإلنشائية أستاذ ورئيس قسم الهندسة اإلنشائية ))إبراهيم أسامةإبراهيم أسامة((شكر خاص للمهندس شكر خاص للمهندس
لمساهمته في إعداد وإخراج المحاضرات لمساهمته في إعداد وإخراج المحاضرات
١٩١٩ PagesPagesســـعد الدين مصـطفى ســـعد الدين مصـطفى . . دد..أأ
رئيس قســم االنشـــــاءات رئيس قســم االنشـــــاءات ٢٢
DESIGN OF STEEL DESIGN OF STEEL STRUCTURESSTRUCTURES
CHAPTER(1)INTRODUCTION
١٩١٩ PagesPagesســـعد الدين مصـطفى ســـعد الدين مصـطفى . . دد..أأ
رئيس قســم االنشـــــاءات رئيس قســم االنشـــــاءات ٣٣
Types Of Steel Structures:Types Of Steel Structures:--
Trussed -Frames
Beams
Trusses
Frames
١٩١٩ PagesPagesســـعد الدين مصـطفى ســـعد الدين مصـطفى . . دد..أأ
رئيس قســم االنشـــــاءات رئيس قســم االنشـــــاءات ٤٤
Types Of Steel Structures:Types Of Steel Structures:--
Bridges
Tall Buildings Towers
١٩١٩ PagesPagesســـعد الدين مصـطفى ســـعد الدين مصـطفى . . دد..أأ
رئيس قســم االنشـــــاءات رئيس قســم االنشـــــاءات ٥٥
Advantages And Disadvantages Of Advantages And Disadvantages Of Steel Structures:Steel Structures:--
Advantages:-1-High carrying capacity.2-Lighter In Weight.3-Small Sections.4-High Ductile Material.5-No need Formwork.6-Faster Construction.7-Ability Of changing And Adding To Sections.8-Weldability.
١٩١٩ PagesPagesســـعد الدين مصـطفى ســـعد الدين مصـطفى . . دد..أأ
رئيس قســم االنشـــــاءات رئيس قســم االنشـــــاءات ٦٦
Disadvantages : -1-Cost Of Maintenance.2-Tendency To Buckling.3-Less Resistance To Fires.4-Problems Of Instability.
١٩١٩ PagesPagesســـعد الدين مصـطفى ســـعد الدين مصـطفى . . دد..أأ
رئيس قســم االنشـــــاءات رئيس قســم االنشـــــاءات ٧٧
StressStress--Strain Curve For Steel:Strain Curve For Steel:--
STRAIN STRAIN
STRESS
Elastic Plastic Strain Hardening failure
Fy
FuST 37
ST 44
ST 52
١٩١٩ PagesPagesســـعد الدين مصـطفى ســـعد الدين مصـطفى . . دد..أأ
رئيس قســم االنشـــــاءات رئيس قســم االنشـــــاءات ٨٨
Mechanical Properties Of Steel:Mechanical Properties Of Steel:--
1-Mass density γ
= 7.85 t/m3.2-Modulus of elasticity E = 2100 t/cm2.3-Shear Modulus G = 810 t/cm2.4-Poisson's ratio μ
= 0.3
5-Coefficient of thermal expansion α
= 1.2x10-5 co.
١٩١٩ PagesPagesســـعد الدين مصـطفى ســـعد الدين مصـطفى . . دد..أأ
رئيس قســم االنشـــــاءات رئيس قســم االنشـــــاءات ٩٩
Grades Of Steel:-1-
Steel 37.
2-
Steel 44.3-
Steel 52.
t > 40mmT < 40mmGrade of steel FUFYFUFY
3.42.153.62.4St 37
4.12.554.42.8St 44
4.93.355.23.6St 52
١٩١٩ PagesPagesســـعد الدين مصـطفى ســـعد الدين مصـطفى . . دد..أأ
رئيس قســم االنشـــــاءات رئيس قســم االنشـــــاءات ١٠١٠
--Design Procedure:Design Procedure:
1-2-
Determination of service Load.
3-
Determination of internal forces in theStructural components.
4-
Design of section.5-
Drawing and Detailing
١٩١٩ PagesPagesســـعد الدين مصـطفى ســـعد الدين مصـطفى . . دد..أأ
رئيس قســم االنشـــــاءات رئيس قســم االنشـــــاءات ١١١١
Codes and specification:-
1-
BSS
436,449 (British Standard Specifications).2-
Euro-Code 1, 2, 3 & 4.
3-
AISC
(American Institute Of Steel Construction).4-
AISI (American Iron Of Steel Institute).
5-
AASHJ6-
ECP. (Egyptian Cod Of Practice for Steel Construction and Bridges)
١٩١٩ PagesPagesســـعد الدين مصـطفى ســـعد الدين مصـطفى . . دد..أأ
رئيس قســم االنشـــــاءات رئيس قســم االنشـــــاءات ١٢١٢
The Aim Of Structural Designer Is The Aim Of Structural Designer Is To Produce:To Produce:--1-Asafe And Economical Structural To Achieve A certain Function.2-A Structure That Is Aesthetically Pleasing.3-A Structure That is Easy To Build And Maintain.
١٩١٩ PagesPagesســـعد الدين مصـطفى ســـعد الدين مصـطفى . . دد..أأ
رئيس قســم االنشـــــاءات رئيس قســم االنشـــــاءات ١٣١٣
The Structural Systems:The Structural Systems:--
TrussesOR
Frames
١٩١٩ PagesPagesســـعد الدين مصـطفى ســـعد الدين مصـطفى . . دد..أأ
رئيس قســم االنشـــــاءات رئيس قســم االنشـــــاءات ١٤١٤
General Layout of project:General Layout of project:--
Mansoura Uni.
Faculty of Eng
Steel Project
Student’s NameData
Elevation (Transverse W.Br.)
Scale(1:100)
Cross Section of Structura
System (Truss).
Scale(1:50)
Plane (Upper&Lower W.Br.)
Scale(1:100)
Isometric
Scale(1:500)
General Layout of projectGeneral Layout of project
١٩١٩ PagesPagesســـعد الدين مصـطفى ســـعد الدين مصـطفى . . دد..أأ
رئيس قســم االنشـــــاءات رئيس قســم االنشـــــاءات ١٥١٥
The Given Area:The Given Area:--
١٩١٩ PagesPagesســـعد الدين مصـطفى ســـعد الدين مصـطفى . . دد..أأ
رئيس قســم االنشـــــاءات رئيس قســم االنشـــــاءات ١٦١٦
General Layout.General Layout.Elements Of Structure (Isometric):-
١٩١٩ PagesPagesســـعد الدين مصـطفى ســـعد الدين مصـطفى . . دد..أأ
رئيس قســم االنشـــــاءات رئيس قســم االنشـــــاءات ١٧١٧
Main System Arrangement:Main System Arrangement:--
١٩١٩ PagesPagesســـعد الدين مصـطفى ســـعد الدين مصـطفى . . دد..أأ
رئيس قســم االنشـــــاءات رئيس قســم االنشـــــاءات ١٨١٨
Main System (Elevation):Main System (Elevation):--
١٩١٩ PagesPagesســـعد الدين مصـطفى ســـعد الدين مصـطفى . . دد..أأ
رئيس قســم االنشـــــاءات رئيس قســم االنشـــــاءات ١٩١٩
Plane & (S.V):Plane & (S.V):--
١٩ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
٢ رئيس قســم االنشـــــاءات
*Types of loads:-
: Primary Loads-1(Dead Load - Live Load - superimposed Load –
Dynamic effects –
centrifugal forces).
Secondary Load:-2(Wind Loads –
Earth quake Loads –
Braking
forces –
lateral chock effect –
changing of temperature –
frictional Resistance of bearing
settlement of support) .
١٩ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
٣ رئيس قســم االنشـــــاءات
-Primary Loads:-1) Dead Loads:-a
).WstWeight of steel Structure (-[Truss members –
Purlins –
Connections –
Wind bracing
members …]Assumed Wst [20 - 40] kg/m2.
).WcWeight of covering material (-: Flexible Roof*
Corrugated steel sheets. Wc= [5 - 8] kg/m2.Sandwich panel = [10 - 15] kg/m2. Asbestos Wc = [15 - 25] kg/m2.
Tiels Wc = [30 - 50] kg/m2.Glass Wc = [20 - 40] kg/m2.
:*Rigid RoofConcrete Wc = γ. ts γ
= 2.5 t/m2.
١٩ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
٤ رئيس قســم االنشـــــاءات
-Calculating of Dead loads:
.. CstLD PPP +=
ststW PS x a⎯⎯ →⎯
cCW PS x a. ⎯⎯ →⎯ ′
S x ax sts WP =
S x ax .. ′= CC WP
S x ax S x ax .. ′+= CstLD WWP
١٩ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
٦ رئيس قســم االنشـــــاءات
b-) Live Loads:
KgSaWP LLLL .....**... ==
6.040)tan6.0(20. α−+=LLW
)Flexible–**(Inaccessible Roof
0.1 0.2 0.3 0.4 0.50.60.7 0.8 0.90.0
10
2030
40
50
6070
80
90
100110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
tan
WL.L
Accessible Roof
InAccessible Roof (Rigid Roof)
Live Load on Inclined Roof
Kg/m 2
InAccessible Roof (Flexible Roof)
50 kg/m2
20 kg/m2
From Curve get WL.L
.accordingTo Roof type
)Rigid–Inaccessible Roof **(WLL
= 50 + (0.6 –
tanα) (50/0.6)
)Rigid–Accessible Roof **(WL.L
. =50+ (0.6-tan α)(150/0.6)
Then,
١٩ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
٨ رئيس قســم االنشـــــاءات
-Secondary Loads:-1Wind Loads:The external pressure or suction of wind
forces is calculated using the following equation: qk x x ew cW =
١٩ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
٩ رئيس قســم االنشـــــاءات
-s parameters:’Equation
C معامل توزيع ضغط أو سحب الرياح الخارجي علي أسطح المبني ويعتمد علي الشكل الهندسي
K اإلرتفاع معامل التعرض يتغير معq ضغط الرياح األساسي ويعتمد علي الموقع
٢م / الجغرافي للمبني وتؤخذ قيمته من الكود آجم
١٩ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
١٤ رئيس قســم االنشـــــاءات
-(K):Value Of Coefficient
Coefficient "K"Height "m"
1.00 to 10
1.110 to 20
1.320 to 30
1.530 to 50
1.750 to 80
1.980 to 120
2.1120 to 160
2.3More than 160
١٩ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
١٥ رئيس قســم االنشـــــاءات
Basic Wind Pressure at Different Location in Egypt:
q"Kg/m2"Location
90Marsa Matrouh,El-Dabaa,Ras- Sedr
80Alexandria,El-saloum,Abu Sower, Hurghda and all
costal Area
70Cairo , Asyot , Belbis
60Fayoum , Menya , Aswan ,
Modereyat El-Tahrir
50Tanta , Mansoura , Damanhour
١٩ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
١٨ رئيس قســم االنشـــــاءات
-Wind loads calculation:
)/(w..)/( S 2 mtqkcmtW ww ⎯ →⎯=
mtxSxxW w /.......05.00.18.01 =+=
mtxSxxW w /.......05.01.18.02 =+=
mtxSxxW w /.......05.00.15.03 =−=
mtxSxxW w /.......05.01.15.04 =−=
txSaxxxPw .......05.01.18.01 =′−=
txSaxxxPw .......05.01.15.02 =′−=
)(P..)/( S x a2 tonqkcmtW ww ⎯⎯ →⎯= ′
١٩ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
١٩ رئيس قســم االنشـــــاءات
-Structural analysis:1-Method of sections.2-Method of joints.3-Stress diagram Method.ORUsing Computer Programs (Sap2000, Broeken, Ansys, Abakus, Staad III Provion).
٢٣ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ١
Ch(2) Design of Tension “
and Compression"
٢٣ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ٢
The Type of loading which acts on structural member classified the steel members into four categories:
1-Tension Members:
2-Compression Members:
3-Flexural Members:
4-Combined Members:
allTfANf −≤
+=
allcfANf −≤
−=
by
y
x
x fZM
ZMf ≤+=
ally
y
x
x fZM
ZM
ANf ≤++=
٢٣ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ٣
Sections Used in truss members:
a
a
v
v u
u
t iv =0.2xa1 one equal angle
a
b
t
iv =0.1xb
1 one unequal angle
b:a=2:1iv =0.14xbb:a=1.5:1
٢٣ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ٤
Cont. Sections Used in truss members:
t
Two angle back to back
a
t
ix =0.3xbb:a=1:1ix =0.28xbb:a=1.5:1ix =0.26xbb:a=2:1
u
u
v
v
t iv =0.385xaStar shape
t
a
٢٣ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ٥
Cont. Sections Used in truss members:
XX
Y
Yix =
2<ix 1<
Iy2< = 2 [I y 1< + A
2]
1<.X
iy2< = Iy 2<
A2<
X=e + t G.Pl
2
Xe
XX
Y
Y
X
ex
ix =2<
iy1<
Iy2< = 2 [I X1< + A
2]
1<.X
iy2< = Iy 2<
A2<
X=e + t G.Pl
2x
(From table)
(From table)
(From table)
(From table)
٢٣ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ٦
Allowable stresses in tension:-
2.6.2(p.13)
} yy
yy FF
FmmtmmFmmt
F get , 1.4 clause rom 10040
4058.0Ft →
⎭⎬⎫
→≤<→≤
=
Ft (t/cm2)Grade of Steel
100mm>t > 40mmT<40mm
1.31.4St 37
1.51.6St 44
2.02.1St 52
٢٣ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ٧
Before designing of any member you have to ask about:
1-Type of force:
2-Position of Member:
3-Type of connection:
⎪⎩
⎪⎨⎧
=→
=→2
2
/2.14.1)(
/4.1)(
cmtxFBCase
cmtFACase
t
t
⎩⎨⎧
<<→<→
shapestar or 1or b.b 2)&(.2)&(
VDInnerbbLUOuter
⎩⎨⎧
member) in tension Area gross (UseConnection Weldedmember) in tension AreaNet (UseConnection Bolted
٢٣ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ٨
Design of Tension Members
. .
A-SymmetricalSections
B-UnsymmetricalSections
٢٣ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ٩
Design Procedure :
A-Symmetrical Sections
Step (1): Choose of Cross Section:-
a) Stiffness condition:
300≤xi
L
1:2:26.01:5.1:28.0
1:1:3.0
=→==→==→=
abbiabbi
abai
x
x
x
٢٣ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ١٠
Cont. A-Symmetrical Sections
b) Construction condition:(In Case of bolted
connection only)
ta +Φ≥ 3
cmMcmM5.5
4
16
12
→→
c) Stress condition
)85.02.1(58.0 xFFA
y
=
21AA =<
For Bolted case (B)
yFFA
58.0= For Welded case (A)
Choose The Section witch satisfy The above Three conditions.
٢٣ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ١١
Cont. A-Symmetrical Sections
Step (2): Check of the Chosen Member:-
a)Check of Actual Stress:
⎩⎨⎧
→→
≤=)(2.158.0
)(58.0AreaNet BxF
AFForcefY
Yact
WeldedAA →= < ][2 1
BoltedxtdAA hnet →−= < ][2 1
clearancedh +Φ=
:Clearance1412 &1 MMmm →24162 MMmm −→
erLMmm arg&3 27→
p95
٢٣ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ١٣
B-Unsymmetrical Sections (one angle)
a) Stiffness condition:
300≤vi
L
1:2:1.01:5.1:14.0
1:1:2.0
=→==→=
=→=
abbiabbi
abai
v
v
v
Step (1): Choose of Cross Section:-
٢٣ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ١٤
Cont. B-Unsymmetrical Sections (one angle)
b) Construction condition:(In Case of bolted
connection only)
ta +Φ≥ 3
cmMcmM5.5
4
16
12
→→
c) Stress condition
)6.085.02.1(58.0 xxFFA
y
= For Bolted case (B)
)6.0(58.0 yFFA = For Welded case (A)
٢٣ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ١٥
Cont. B-Unsymmetrical Sections (one angle)
Step (2): Check of the Chosen Member:-
a)Check of Actual Stress:
⎩⎨⎧
→→
≤=)(2.158.0
)(58.0Area Reduced BxF
AFForcefY
Yact
141.3
3
).().(
).(
21
121
2
1
1
pAA
AAAA
ttaAWeldedtaA
BoltedtdaA
red
h
→⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
+=
−=→=
→−=
A 1
A 2
٢٣ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ١٧
Example 1:
Design the lower chord tension member “A”
shown in the Figure. The force in the member is 30t (Case II) and the bolts used in the connections are 16 non- pretensioned bolts.
٢٣ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ١٨
Solution:
Data: Force = 30 t (Case II ) Length = 3.00 m Lx= 3.0 m and Ly = 9.0 m
Step (1): Estimation of the cross section:Stiffness condition:
Stress condition:
A req. =A req. = 30 / ( 0.85 x 1.4 x 1.20 ) = 21.0 cm2.
Choose 2 angles back-to-back for the lower chord. A of 1L = 21.0/2= 10.50 cm2
300≤vi
L
Force
0.58fy
٢٣ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ١٩
Cont. Solution:
Knowing that for 2 angles back-to-back with equal legs:
rx=0.3 a and ry = 0.45 aλx= Lx / (rx =0.3a)=300/0.3 a= 300 a req.=3.33 cmλy= Ly / (ry=0.45 a)= 900/(0.45x300) = 6.67 cm.
Construction Condition :a-t > 3d = 4.8 cm.From the tables choose 2Ls 80x80x8
٢٣ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ٢٠
Cont. Solution:
Step (2): Check:1. Strength:A net. = A gross – A Holes
A net. = 2 ( 12.3 - (1.6+0.2) * 0.8 ) = 21.72 cm2.
F act. = 30 / 21.72 = 1.38 t/cm2 < 1.4x1.2( case II ) =1.68 t/cm2 Safe
2. Stiffness:l/d = 300 / 8 = 37.5 < 60 OK
٢٣ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ٢١
Example 2:
Design the same member of Example 1 with welded connections.
Solution:Step (1): Estimation of the cross section:Stiffness Condition:
Stress condition:A req. = 30 / (1.4 x 1.2) = 17.86 cm2Choose 2 angles back-to-back for the lower chord.
A of 1L = 17.86/2 = 8.92 cm2
300≤vi
L
٢٣ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ٢٢
Cont. Solution:
For 2 angles back-to-back with equal legs:rx=0.3 a and ry=0.45 arx = Lx / (rx=0.3 a)=300/(0.3x300) = 3.33 cmry = Ly / (ry=0.45 a) = 900/(0.45x300) = 6.67 cm
From the tables choose 2Ls 70x70x7
٢٣ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ٢٣
Cont. Solution:
Step (2): Check:1. Strength:A net = Agross = 2 x 9.4= 18.8 cm2.f ca = 30 / 18.8 = 1.595 t/cm2< 1.4x1.2( case II ) =1.68 t/cm2. Safe
2. Stiffness:l/d = 300/7 = 42.85 < 60 O.K. Safe
٢٠ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ١
Cont. Ch.(2) Design of Compression Member“
٢٠ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ٢
of Compression LenghtsBuckling Members
Lbx = Buckling Length in-plane of TrussLby = Buckling Length in-out-of-plane of TrussBuckling Lengths depend on selendernessratio()
See Code table(4-4) p.56&57
LL L
٢٠ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ٣
Euler Column Formula
•Maximum Srtrenght of Axially Loaded MemberEuler Column Formula = Fall.c *Area Strength is determined by Euler Formula (Pin-ended Column) -Using Euler Formula = Pe = (TEI/L2) FCritical = Pe/Area = (TEI/L2*A)= (TE/L2)(I/A)= TE/L2*(r2)
rLwhereEF
rL
rLratiosslendernes
bcr =⇒=
=⇒==
λλ
π
λλ
2
2
.
2
*
)(2
٢٠ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ٤
Relation between and Ultimate Stress Fu
.
λ
λ
λ>100<100 λ
Fu
Euler Curve
٢٠ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ٥
:CompresionAllowable stresses in -
100 <==⇔r
Klr
lorlFor byxbλ
100 ≥==⇔rkl
rorrorll
Foryx
bybxλ2/7500 λ=→ cF
AIorI
rorr yxyx =⇒
2.6.4(p15) Axial compression
Fc
t/cm2Grade of Steel
40 mm < t ≤
100 mmt ≤
40 mm
1.3-0.000055λ21.4-0.000065λ2St 371.5-0.000075λ21.6-0.000085λ2St 442.0-0.000125λ22.1-0.000135λ2St 52
٢٠ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ٦
Design of Compression
Members
. .
A-SymmetricalSections
B-UnsymmetricalSections
٢٠ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ٧
Design Procedure : A-Symmetrical Sections (Two angle)Data Given : Lbx , Lby , Fdesign
Step (1) : Choose of Cross Section:-
a) Stiffness Condition:
b) Stress Condition
c) Construction Design
(In Case of bolted connection only)From three Conditions choose the greatest two angles
angleonearanglestwoar
rl
rl
xx
y
byy
x
bxx
⇒=⇒=
≤==≤==
2.0,3.0
180.....180... λλ ο
( )2
.
2
3.17.0
......
cmtFAssume
cmA
Call
FF
req Call
Design
−=
==
ta +≥ φ3
٢٠ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ٨
Step (2): Checks the Satisfy of theChosen Section:
1. Check of Stresses:
2. Check The class of section (compact ,non-compact &Slender)
callDesign
act
call
call
y
byy
x
bxx
fA
Ff
fif
fif
takerl
rl
.2
max2.max
max2
.max
max
......
7500100
000065.04.1100
≤=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⇒≥
−=⇒⟨
====
⟨
λλ
λλ
λλλ
anglesUnequalforNoncompactft
hb
anglesequalforNoncompactft
b
y
y
⇒≤=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +
⇒≤=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
17.....2
23......
٢٠ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ٩
Step 3 :Design of Tie Plates:
Tie plate is used to prevent the occurrence of local buckling and to prevent any of the two angles forming the cross section to buckle individually.
mL
angleoneofaxisorrrL
rL
vv
5.1......
min
*
*
2
1max
≤=
⇒⇒=
=
<
<λλ
٢٠ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ١٠
Design Procedure : B-Unsymmetrical Sections (one angle)
Data Given : Lbx , Lby , Fdesign
Step (1) : Choose of Cross Section:-
a) Stiffness Condition:
b) Stress Condition
c) Construction Design
(In Case of bolted connection only)From three Conditions choose the greatest two angles
greatery
byy
x
bxx take
rl
rl λλλ ==== ο
( )2
.
2
9.04.0
......
cmtFAssume
cmA
Call
FF
req Call
Design
−=
==
ta +≥ φ3
٢٠ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ١١
Step (2): Checks the Satisfy of theChosen Section:
1. Check of Stresses:
2. Check The class of section (compact ,non-compact &Slender)
callDesign
act
call
call
y
byy
x
bxx
fA
Ff
fif
fif
takerl
rl
.1
max2.max
max2
.max
max
*6.0......
7500100
000065.04.1100
≤=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⇒≥
−=⇒⟨
====
⟨
λλ
λλ
λλλ
anglesUnequalforNoncompactft
hb
anglesequalforNoncompactft
b
y
y
⇒≤=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +
⇒≤=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
17.....2
23......
٢٠ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ١٢
Example 1:
Design Force = -18 t (A), length of member = 160 cm (Upper member), the steel used (37), use bolts M16 in the connections.
Solution:Step (1): Choose of Cross Section:-
1- Stress Condition:-Assume Fc=1.0t/cm2.
From table choose two equal angle (70*70*7)
221
2
.
0.92
0.180.10.18 cmAAcm
FF
Acall
Design ==→=== <<
٢٠ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ١٣
Cont. Solution:
2- Stiffness condition:-
3- construction condition:-
From the above conditions choose the greatest two equal angle (70*70*7)
89.0180160
180180 =≥→≥→≤ x
bxx
x
bx iLiiL
89.0180160
180180 =≥→≥→≤ y
byy
y
by iL
iiL
163 Mta →+≥ φ
cma 5.57.06.1*3 ≥+≥
٢٠ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ١٤
Cont. Solution:
Step (2): Check the satisfy of the chosensection:-
1- Check the class of section(compact, non-compact, slender):-
2- Check of Stress:-
compact.-non issection
angle e8.14231010
100 qualFt
b
y
→=≤==
( ) okiLcmtableii
x
bxxyx →≤===→==⇒ << 1805.75
12.216012.2)(12 λ
٢٠ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ١٥
Cont. Solution:
( ) oki
cmI
iL
AI
iteAtableII
yy
y
y
byy
yy
GPyyy
→≤==→==→
=++=
≤=→=→++=⇒
<
<
<
<<<<<
1800.4926.3
16026.38.185.199
5.199])20.197.1(*4.94.42[2
180])2
(*)([2
2
422
2
22
2112
λ
λ
22
2
/03.1))5.75(000065.04.1(
)000065.04.1(
1005.75
cmt
Fc
cr
=−
=−=→
<=⇒
λ
λ
٢٠ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ١٦
Cont. Solution:
OK. Safe.3- Design of Tie Plate:-
Use one tie plate in the middle.
222 /03.1))5.75(000065.04.1()000065.04.1(
1005.75
cmtFc
cr
=−=−=→
<=⇒
λ
λ
2/03.1/96.04.9*2
0.18A
2
2
cmtcmtF
f Designact π===
∠
;2/4.1035.75*37.1
/L maxgreater-b
Ll
rv
>==
≤ λ
٢٠ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ١٧
Example 2:
Design Force = -3 t (A), length of member = 200 cm (Vertical member), the steel used (37), use bolts M16 in the connections.(one angle)
Solution:Step (1): Choose of Cross Section:-
1- Stress requirement:-Assume Fc=0.5t/cm2.
From table choose two equal angle 60*60*6
2
..
0.65.00.3 cm
FF
Acall
Design ===
٢٠ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ١٨
Cont. Solution:
2- Stiffness Condition:-
3- construction requirement:-
From the above conditions choose the greatest angles (60*60*6)
11.1180200
180180 =≥→≥→≤ x
bxx
x
bx iLiiL
11.1180200
180180 =≥→≥→≤ y
byy
y
by iL
iiL
163 Mta →+≥ φ
cma 5.57.06.1*3 ≥+≥
٢٠ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ١٩
Cont. Solution:
Step (2): Check the satisfy of the chosensection:-
1- Check the class of section(compact, non-compact, slender):-
2- Check of Stresses:-
compact.-non issection
8.1423106
60=≤==
yFtb
( ) okiLcmLLv
xbybx →≤===→==⇒ 1809.17017.1
200200 λ
٢٠ Pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ٢٠
Cont. Solution:
The section is unsafe try another angle (80*80*8)
222 /154.0))9.170/(7500(6.0)/7500(*6.0
1009.170
cmtFc
cr
===→
>=⇒
λ
λ
( )
222 /27.0))129/(7500(6.0)/7500(*6.0
100129
18012955.1
200200
cmtF
okiLcmLL
c
cr
vxbybx
===→
>=⇒
→≤===→==⇒
λ
λ
λ
2/154.0/43.091.60.3
A2
1
cmtcmtF
f Designact >===
∠
2/27.0/244.03.12
0.3A
2 cmtcmtForcef act <=== OK Safe
١٨ pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ٢
Types of steel Connection:
(I) Riveted Connections
(II) - Bolted connections.a) Ordinary Bolted Connectionsb) High Strength Bolted Connections
Two Classes of Bolts used in Structures 1 - Pretensioned Bolts, 2 - Non-pretensioned Bolts.
(III) - Welded Connections.
١٨ pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ٣
-Ordinary Bolted Connections:
Diameter of Bolts:-M12, M16, M20, M22, M24, M27, M30, M36.
Grade of Bolts:-
10.98.86.85.85.64.84.6Bolt grade
9.06.44.84.03.04*0.8=3.2
4*0.6=2.4
Fybt/cm2
10865544Fubt/cm2
Ordinary BoltsMild Steel
High Strength BoltsHeat-treated Steel
١٨ pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ٤
Modes of Failure in Bolted Connections Subjected -to Shear :
Either in Bolts or in Connected PlatedOccuresFailure
(1) – Single Shear Failure (2) -Double Shear ailureResistance of Bolt (Rs.sh.) Resistance of Bolt (Rd.sh.)
... sbshs AqR =
( ) ( ) ( )8.8,6.5,6.4gradesbolt 25.0 forFq ubb →=( ) ( ) ( ) ( )9.10,8.6,8.5,8.4gradesbolt 2.0 forFq ubb →=
P.106 6.3) (Tablebolt of area stressA s →
... *2 shsshd RR =
١٨ pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ٥
, Resistance of PlateBearing Failure-(3) Connected, (Rb .):
Where:
∑= tFR bb min..φ
⎪⎪⎩
⎪⎪⎨
⎧
→
→
→
=→==2
2
2
U
/2.552
/4.444
/6.337
F*stress bearing Allowable
cmtsteel
cmtsteel
cmtsteel
FF Ub α
١٨ pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ٦
= factor depends on end distance α (e)(P102).
bolt ofdiameter =φ
∑ =tmin
End distance
1.21.00.80.6α
φ5.1≥e φ0.3≥eφ0.2≥e φ5.2≥e
١٨ pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ٧
-Required Number of Bolts:
FailureShearDoubleRorRofSmallerR
FailureShearSingleRorRofSmallerR
bshdLeast
bshsLeast
⇒=
⇒=
.
.
)(2.1*.
BcaseRFN
least
D
→=φ
١٨ pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ٨
(II) Resistance of Bolts in Bolted Connection Subjected to Tension:
•Tensile Resistance of a Single Bolt is given by:
)33.0(4
*7.0
**7.0
.
2..
boltUTension
bolttallboltTension
FR
FAR
πφ=
=
١٨ pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ٩
(III) Resistance of Bolts in Bolted Connection Subjected to Tension and Shear:
•Bolts subjected to Combined action of Shear and Tension should Satisfy the interaction Equation :
oneBoltTensionActualnT
boltoneShearActualnQ
Where
Rn
T
Rn
Q
tensionLeast
=
=
≤=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛+
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛
)(
)(
:
0.1.....
١٨ pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ١٠
Positioning Holes for Bolts:
Spacing in Tension andCompression Member
Min.Edge distance = e1 & e2 > 1.5 diameterMax.Edge
distance = e1 & e2 < 12t
Staggered Spacing in Compression Member
Spacing Bet. Bolts = Pitch =SSmin = gmin = 3 diameterSma x= gmax = 14t or 20cm (Least)
Staggered Spacingin Tension Member
mmandts 20014 ≤≤
e1
e2g
s
s
s
2sOuter row
Inner row
T or C
C C
TT
١٨ pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ١١
Design Procedure of Bolted Connections:.Data given-1)
Diameter of Bolts, Thickness of Guesst
plate,Sections of members & Design forces
Resistance of Bolts.:-2
Required Number of Bolts.-3Drawing.-4
FailureShearDoubleRorRofSmallerR
FailureShearSingleRorRofSmallerR
bshdLeast
bshsLeast
⇒=
⇒=
.
.
MembereachfortFR bb ⇒= ∑min..φ
... sbshs AqR =
... *2 shsshd RR =
)(2.1*.
BcaseRFN
least
D
→=φ
١٨ pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ١٣
-Solved Example:Design the connection shown in figure using non-pretensionbolts grade (4.6) M16, Gusset plate thickness is 10 mm.
N3N2
N1
N5
N4F= -12t(B) & L=1.60m & 2<60x6
F= +12t(B) & L=1.60m & 2<55x5F= -2.0t(B) & L=2.5m & 1<80x8
F= -2
.5t(B
) & L
=2.5m
& 1<
80x8 F= +4.5t(B) &
L=2.0m &
1<55x5
-2.0 t
+4.5t
+12.0 t
-12.0 t
-2.5 t
١٨ pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ١٤
Solution:-1) Data given.Diameter of Bolts (M16),Grade of Bolts (4.6),Thickness of Gusset plate (10mm),Sections of members & Design forces (as in fig.)
2) Resistance for bolts:(Rleast): Rleast*1.2 Case (B)
tRtR
nnnAqR
SD
SS
sbsh
14.357.1
57.1*57.1*4*25.0..
.
.
=→=→
===
∑ ∑∑ === minminmin 6.4*6.1*6.3*8.0... tttFR ub φα
١٨ pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ١٥
Cont. Solution:-3- Required Number of Bolts.
( ) ( )
( ) ( )
( ) ( )
( ) ( )
( ) ( ) 1642.32.1*14.3
0.120.12
1642.32.1*14.3
0.120.12
1621.12.1*57.1
0.20.2
1634.22.1*57.1
5.45.4
16233.12.1*57.1
5.25.2
0.1&.
55
0.1&.
44
8.0&.
33
5.0&.
22
8.0&.
11
MRorRR
FN
MRorRR
FN
MRorRR
FN
MRorRR
FN
MRorRR
FN
tbSDboltleast
tbSDboltleast
tbSSboltleast
tbSSboltleast
tbSSboltleast
≈====
≈====
≈====
≈====
≈====
=−
=−
=−
=−
=−
- 2 .0 t
+ 4 .5 t
+ 1 2 .0 t
- 1 2 .0 t
- 2 .5 t
١٨ pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ١٦
خطوات الرسم **لكل الوصلة) CL(S)( رسم ال -١سواء علوية أو سفلية ثم رسم األعضاء ) Cords( رسم ال -٢
بقدر اإلمكان وعدم ) Cords(الداخلية بحيث تكون قريبه من ال .ترك مسافات بينهما بقدر اإلمكان
أوال على ال Cord)(األآبر عددا في ال ) Bolts( رص ال -٣Smin ثم المائل الذي يحتوى على أآبر عدد على الSmin ثم بعد
بشكل مناسب ) G.P(ذلك نشكل ال الداخلية (في األعضاء اآلخرى ) Bolts( فرض بقية ال -٤
بقياس المسافة وقسمتها على عدد المسامير ونوجد ) والخارجية تقع بين القيم العليا والدنيا بحيت pitch ال
( )mmtS 200&143 min≤≤φ
١٨ pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ١٧
-Drawing (Connection):
2 < 6 0x6
2 < 5 5x5
1<80x8
1<80
x8
1<55
x5
1 0m mG .P l
S c a le 1 :1 0
١٨ pagesســـعد الدين مصـطفى . د.أ
رئيس قســم االنشـــــاءات ١٨
-Drawing (Gusset Plate):
46,77
5,5
22,16
5,516,08
8
11,6
8
6
2 ,79 5,57 5,57 5,577,58
5,57 5,57 5,57 2,97
2,75
32,
585,
155,
152 ,75
3,77
7,52
2,45
4,9
7,26
١٢ Pagesسعد الدين مصطفى ./ د.أ
١ رئيس قسم اإلنشاءات
Cont. Ch.3 "Design of steel
“connections
III- Welded Connections
١٢ Pagesسعد الدين مصطفى ./ د.أ
٢ رئيس قسم اإلنشاءات
Types of Weld:Types of Weld:(1) - Butt Weld (Groove weld):
Allowable Stress:-
Square Butt Weld
Double "V" Butt weld
Single "V" Butt weld
Single "U" Butt Weld
Excellent WeldGood WeldKind of StressType
1.1 Fc1.0 FcCompression
Butt Weld 1.0 Ft0.7 FtTension
1.1 qall1.0 qallShear
١٢ Pagesسعد الدين مصطفى ./ د.أ
٣ رئيس قسم اإلنشاءات
(2) - Fillet Weld:
SS
S
SL
S S
L
e
SS
L
L
F
F1
F2
a
١٢ Pagesسعد الدين مصطفى ./ د.أ
٤ رئيس قسم اإلنشاءات
Notes on Fillet Weld:Notes on Fillet Weld:Min. and Max. Thickness and Lengths of Welds-(1)
S Size of weld (S) Smin= 4mm & Smax ≤ tminL Length of weld (L) Lmin.=4S or 5 cm & Lmax ≤ 70S
Area of Weld = L * S(2) - Allowable stress:-
All Kind of stresses Fw ≤
0.2 Fu Fu =3.6 t/cm2 (St.37)
L1
L2
X>2X >2XX
١٢ Pagesسعد الدين مصطفى ./ د.أ
٥ رئيس قسم اإلنشاءات
(3) (3) -- Welding Symbols :Welding Symbols :-
S = 4 mm
S = 4 mm
Purlin
S = 4 mmS = 4 mm
S = 4 mm
١٢ Pagesسعد الدين مصطفى ./ د.أ
٦ رئيس قسم اإلنشاءات
-Distribution of Forces in Fillet Weld-(4)
m = 1.0 (one angle) &m = 2.0 (two angle)
e SS
L1
L2
F
F1
F2
a
( ) ( )aeFF
aeaFF =
−= 21 &
( ) ( )U
weldallweld
FLSmFFAForce
2.0***
11
.
==
( )
( )70S L cm 5or 4S22.0**
70S L cm 5or 4S22.0**
22
11
≤≤→+=
≤≤→+=
SFSm
FL
SFSm
FL
u
u
١٢ Pagesسعد الدين مصطفى ./ د.أ
٧ رئيس قسم اإلنشاءات
**Steps of Design:**Steps of Design:1- Data Given:Design force. , Section of members. , Allowable Stress
& Assume Size of Weld (S=4mm).
2- Design Procedure:a)- Determine F1 &F2 In fillet weld.
b)- Determine The lengths of weld L1 &L2 .
c)- Draw the connection.
e SS
L1
L2
F
F1
F2
a
( ) ( )aeFF
aeaFF =
−= 21 &
( )
( )70S L cm 5or 4S.....22.0**
2
70S L cm 5or 4S....22.0**
1
2Pr
1Pr
≤≤→=+=
≤≤→=+=
cmSFSm
FL
cmSFSm
FL
uactice
uactice
١٢ Pagesسعد الدين مصطفى ./ د.أ
٨ رئيس قسم اإلنشاءات
Solved Example:Design the connection shown in figure as Welded Connection,
Gusset plate thickness is 10 mm.
F= -12t(B) & L=1.60m & 2<60x6
F= +12t(B) & L=1.60m & 2<55x5
F= -2.0t(B) & L=2.5m & 1<80x8
F= -2
.5t(B
) & L
=2.5m
& 1<
80x8
F= +4.5t(B) & L=2.0m
& 1<55x5
-2.0 t
+4.5t
+12.0 t
-12.0 t
-2.5 t D1D2
V1
U2
U1
١٢ Pagesسعد الدين مصطفى ./ د.أ
٩ رئيس قسم اإلنشاءات
Cont. Solution:-1- Data Given:Design forces, Section of members, Allowable Stress (0.2Fu)& Assume Size of Weld (S=5mm).
2- Design Procedure:a)- Determine F1&F2 In fillet weld.b)- Determine The lengths of weld L1&L2.For Diagonal and Vertical: m=1.0 one angle 1< For Diagonal and Vertical: m=1.0 one angle 1<
Case(BCase(B) ) FweldFweld=0.2Fu*1.2=0.2Fu*1.2
LL 22 (cm)(cm)LL 11 (cm)(cm)Size of Size of weld (S) weld (S) FF 22 =F=Fmm *e/a*e/aFF 11 =F=Fmm *(a*(a--e)/ae)/aaa--eee (table)e (table)FF mmSectionSectionmembermember
2.645.140.50.711.795.742.26-2.5(B)1<80*8D1
2.294.330.50.561.445.742.26-2.0(B)1<80*8D2
3.858.550.51.233.263.981.52+4.50(B)1<55*5V1
١٢ Pagesسعد الدين مصطفى ./ د.أ
١٠ رئيس قسم اإلنشاءات
Cont. Solution:-For Upper Members: m=2.0 one angle 2< For Upper Members: m=2.0 one angle 2<
Case(BCase(B) ) FweldFweld=0.2Fu*1.2=0.2Fu*1.2
Hint:Hint:Any Length ≤
5cm Take it = 5cm
LL 22 (cm)(cm)LL 11 (cm)(cm)Size of Size of weld (S)weld (S)FF 22FF 11aa--eee (table)e (table)FF mmSectionSectionmembermember
4.9111.00.53.388.624.311.69-12.0(B)2<60*6U1
4.8411.050.53.328.683.981.52-12.0(B)2<55*5U2
١٢ Pagesسعد الدين مصطفى ./ د.أ
١١ رئيس قسم اإلنشاءات
Cont. Solution:-c)- Draw the connection.
240x5
240x5
240x5
167x5
167x5
240x5
S cale 1 :10
68x5