Project 2 - Design following connections of a factory building
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Member end forces (Factored)
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| Shear Force | Moment | Axial force | |||||||||||||||||||||||
| Secondary beam | 120 kN | - | 15 kN (C) | ||||||||||||||||||||||
| Primary beam | 450 kN | 280 kN-m | - | ||||||||||||||||||||||
| Column | 150 kN | - | 1250 kN (C) | ||||||||||||||||||||||
| Part 1 : |
Secondary Beam to primary beam connection – Fin plate shear connection
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Given Data
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For Fe410 Grade of Steel,
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Ultimate strength (fu)
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= | 410 | Mpa | ||||||||||||||||||||||
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The yield strength (fy )
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= | 250 | Mpa | ||||||||||||||||||||||
| Bolts | |||||||||||||||||||||||||
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Grade of Bolts
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= | 4.6 | Grade | ||||||||||||||||||||||
| fub | = | 400 | MPa | ||||||||||||||||||||||
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Factored Shear force
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= | 120 | kN | ||||||||||||||||||||||
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Assuiming dia. Of bolt
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= | 20 | mm | ||||||||||||||||||||||
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Stress area, Anb
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= | 315 | mm2 | ||||||||||||||||||||||
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Minimum pitch, p = 2.5x dia.
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= | 50 | mm | ||||||||||||||||||||||
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Edge Distance, e
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= | 44 | mm | ||||||||||||||||||||||
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Diameter of bolt hole, do
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= | 22 | mm | ||||||||||||||||||||||
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Thickness of fin plate
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= | 16 | mm | (Assumed ) | |||||||||||||||||||||
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Shear Strength of Bolt
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Single Shear case
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Since the web of ISMB 300 is connected to fin plate by bolts, the shear force on bolts acts on a single
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plane on the bolts. Therefore it’s a single shear case
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Shear Strength of Bolt
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Design Shear strength of bolt is given by
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Vnsb= Nominal shear capacity of boly
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fub = Ultimate tensile stress of the bolt
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nn = Number of shearing planes with threads within the shear plane
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ns= Number of shear planes without threads intercepting the shear plane
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Asb = Nominal shank area
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Anb= Net tensile stress area of the bolt in each shear plane
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γmb= Partial safety factor for bolt material
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= | 1.25 | |||||||||||||||||||||||
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Assuming the shear plane of the bolt lies in the shank of the bolt (i.e the threads excluded from the shear plane)
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Refer sketch below:
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| fub = | 800 | MPa | |||||||||||||||||||||||
| nn = | 0 | ||||||||||||||||||||||||
| ns= | 1 | ||||||||||||||||||||||||
| Asb = | N.A | ||||||||||||||||||||||||
| Anb= | 314.2 | mm2 | |||||||||||||||||||||||
| γmb= | 1.25 | ||||||||||||||||||||||||
| Vdsb= | 116083.2 | N | = | 116.1 | kN | ||||||||||||||||||||
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Bearing Strength of Bolt
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kb is small of following :
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| 1 | e/3do = | 0.667 | |||||||||||||||||||||||
| 2 |
p/3do - 0.25 =
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0.758 | |||||||||||||||||||||||
| 3 | fub / fu = | 1.640 | |||||||||||||||||||||||
| 4 | 1 | 1.000 | |||||||||||||||||||||||
| kb = | 0.667 | ||||||||||||||||||||||||
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fub = Ultimate tensile stress of the bolt
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fu = Ultimate tensile strength of plate
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t = Aggregate thickness of connected plates
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| V𝑑𝑝𝑏= | 174933.3333 | N | = | 174.9 | kN | ||||||||||||||||||||
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Strength of bolt is the lower value of shear strength and bearing strength of bolt
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Therefore, Strength of bolt,
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| Vs = | 116.1 | kN | |||||||||||||||||||||||
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Number of Bolts required = Factored Axial Tensile Force / Vs
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Number of Bolts required =
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2 |
Number of Bolts
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Providing 4 bolts in 2 columns
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Weld Thickness
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= | 8 | mm | ||||||||||||||||||||||
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Strength of weld
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| Fin plate | |||||||||||||||||||||||||
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Depth, Lw
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= | 125 | mm | ||||||||||||||||||||||
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Thickness, t
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= | 12 | mm | ||||||||||||||||||||||
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Thickness of weld
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= | 8 | mm | ||||||||||||||||||||||
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Effective throat thickness, tt = KS = 0.7 x t =
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5.6 | mm | |||||||||||||||||||||||
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Design strength of the weld,
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| Pdw = | 132716.763 | N | = | 132.716763 | kN | > | 120 | kN | Hence, OK | ||||||||||||||||
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Therefore, provide weld of 6mm.
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Provided length of weld is ok as capacity of weld is more than factored load.
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| Part 2: |
Primary beam to column connection – Extended end plate connection
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| Property | ISMB 500 | ISMB 300 |
(All dimensions are in mm)
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| F1 | Depth of section (h) | 500 | 300 | ||||||||||||||||||||||
| Width of flange (bf) | 180 | 140 | |||||||||||||||||||||||
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M
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Thickness of flange (tf) | 17.2 | 12.4 | ||||||||||||||||||||||
| Thickness of web (tw) | 10.2 | 7.5 | |||||||||||||||||||||||
| Gauge (g) | 100 | 80 | |||||||||||||||||||||||
| F2 | |||||||||||||||||||||||||
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Resolving moment for the lever arm from centre to centre of flanges
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2(F1+F2)x(500-17.2)=280x10^3
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Also, F1=F2=F
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| F= | 144.99 | kN | |||||||||||||||||||||||
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For Fe410 Grade of Steel,
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Ultimate strength (fu)
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= | 410 | Mpa | ||||||||||||||||||||||
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The yield strength (fy )
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= | 250 | Mpa | ||||||||||||||||||||||
| Bolts | |||||||||||||||||||||||||
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Grade of Bolts
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= | 8.8 | Grade | ||||||||||||||||||||||
| fub | = | 800 | MPa | ||||||||||||||||||||||
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Assuiming dia. Of bolt
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= | 24 | mm | ||||||||||||||||||||||
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Stress area, Anb
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= | 356 | mm2 | ||||||||||||||||||||||
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Tension Capacity of Bolt
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Tnb = 0.9fub Anb /1.25
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| Tnb = | 205056 | N | = | 205.056 | kN | ||||||||||||||||||||
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Permissioble prying force Q = Tension Capacity - F
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| Q= | 60.07 | kN | |||||||||||||||||||||||
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Design of End Plate for Prying Action
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Thicknes of End plate
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= | 30 | mm | (Assume) | |||||||||||||||||||||
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Edge distance
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= | 50 | mm | (Assume) | |||||||||||||||||||||
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Width of plate
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= | 180 | mm | (Max = width of column) | |||||||||||||||||||||
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Distance from centre line of bolt to fillet weld
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| Iy = |
((180/2)-50)-10
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| Iy = | 30 | mm | |||||||||||||||||||||||
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Distance from centre line of bolt (Ie) to prying force is the minimum of following:
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1. the end distance, n
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= | 90 | mm | ||||||||||||||||||||||
| 3. | |||||||||||||||||||||||||
| 2 | |||||||||||||||||||||||||
| fo = | 0.7 x440 | = | 560 | Mpa | |||||||||||||||||||||
| le= | 69.84783461 | mm | |||||||||||||||||||||||
| Therefore , le= | 70 | mm | |||||||||||||||||||||||
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Moment at toe of weld =
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F x Iy- Q x le
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| = | 153.977585 | N/mm | |||||||||||||||||||||||
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Effective width of end plate for each bolt w= be / 2
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| = | 90 | mm | |||||||||||||||||||||||
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Moment Capacity =
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| = | 4602.27 | > | 153.977585 | N/mm | Hence, OK | ||||||||||||||||||||
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Minimum Prying force (IS 800, Cl. No.10.4.7) is as below:
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| n= | 1.5 | ||||||||||||||||||||||||
| Q= | 15.64 | < | 60.07 | ||||||||||||||||||||||
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Hence, OK
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Check for combined shear and tension (IS 800, Cl. No.10.4.6),
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| Vsf = | 18.75 | kN | |||||||||||||||||||||||
| Vdf= | 60 | kN | |||||||||||||||||||||||
| Tf= | 160.63 | kN | |||||||||||||||||||||||
| Tdf= | 205.056 | kN | |||||||||||||||||||||||
| = | 0.71127169 | < | 1 |
Hence, OK
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| Part 3: |
Column to base plate connection - Pinned connection
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Given Data:
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Properties of ISMB500 section
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Flange width
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= | 180 | mm | Property | ISMB 500 | ISMB 300 |
(All dimensions are in mm)
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Overall depth
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= | 500 | mm | Depth of section (h) | 500 | 300 | |||||||||||||||||||
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Flange thickness
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= | 17.2 | mm | Width of flange (bf) | 180 | 140 | |||||||||||||||||||
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Web thickness
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= | 10.2 | mm | Thickness of flange (tf) | 17.2 | 12.4 | |||||||||||||||||||
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Radius of gyration about major axis
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= | 202.1 | mm | Thickness of web (tw) | 10.2 | 7.5 | |||||||||||||||||||
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Radius of gyration about minor axis
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= | 35.2 | mm | Gauge (g) | 100 | 80 | |||||||||||||||||||
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Cross sectional area
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= | 11074 | mm2 | ||||||||||||||||||||||
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Root radius
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= | 17 | mm | ||||||||||||||||||||||
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Axial compressive load
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= | 1250 | kN | ||||||||||||||||||||||
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Shear force
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= | 150 | kN | ||||||||||||||||||||||
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Given Data
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For Fe410 Grade of Steel,
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Ultimate strength (fu)
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= | 410 | Mpa | ||||||||||||||||||||||
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The yield strength (fy )
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= | 250 | Mpa | ||||||||||||||||||||||
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γmw= Partial safety factor for weld
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= | 1.5 | |||||||||||||||||||||||
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For M30 grade of concrete:
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Bearing strength of concrete scbc= 0.45 fck = 0.45 × 30 =
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9 | N/mm2 | |||||||||||||||||||||||
| γm0= | 1.1 | ||||||||||||||||||||||||
| γmw = | 1.25 | (for shop welding) | |||||||||||||||||||||||
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Area of Base Plate Requieed, Ar
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| Ar = | P/ scbc | ||||||||||||||||||||||||
| Ar = | 138888.8889 | mm2 | |||||||||||||||||||||||
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Providing square base plate
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| L = | 372.6779962 | ~ | 450 | ||||||||||||||||||||||
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Providing square base plate of 450mmx450mm
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Check for bearing pressure of concrete,
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Bearing pressure,
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| w= | P/A | ||||||||||||||||||||||||
| w= | 6.172839506 | < | 9 | N/mm2 | |||||||||||||||||||||
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Hence, OK
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Thickness of Base plate
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| a= | 135 | mm | |||||||||||||||||||||||
| b= | -25 | mm | |||||||||||||||||||||||
| ts= | 34.99669297 | mm | Say | 40 | mm | ||||||||||||||||||||
| ts= | 40 | mm | |||||||||||||||||||||||
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Thus providing 450mm x 450mm x 40mm base plate
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Length available for welding around column profile,
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| La = | 1630.8 | mm | |||||||||||||||||||||||
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Size of weld
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= | 8 | mm | ||||||||||||||||||||||
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Total end returns
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= | 12 | |||||||||||||||||||||||
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Effective length of weld =
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1438.8 | mm | |||||||||||||||||||||||
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Strength of weld per mm,
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Strength of weld per mm
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= | 884.8 | N/mm | ||||||||||||||||||||||
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Required length of weld =
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Shear Force / Strength of weld per mm
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Required length of weld =
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169.5339721 | mm | < | 1438.8 | mm | ||||||||||||||||||||
| Hence, OK | |||||||||||||||||||||||||