De ce inginerii structurali aleg secțiuni goale?

Mergeți pe aproape orice șantier de construcții modern-încadrat de oțel și veți vedea secțiuni goale care fac lucrări pe care profilele deschise, cum ar fi grinzile I-și canalele, pur și simplu nu pot face la fel de eficient: stând ca coloanele subțiri expuse într-un atrium de sticlă, formând contravântuirea diagonală într-un cadru seismic sau transportând sarcinile de torsiune într-un pod curbat. Preferința nu este estetică. Se reduce la o mână de principii de inginerie structurală pe care majoritatea echipelor de achiziții nu le văd niciodată discutate, dar care determină în liniște de ce o specificație necesită în primul rând SHS, RHS sau CHS.

Acest articol analizează motivele de inginerie reale pentru care secțiunile goale depășesc profilele deschise în cazuri specifice de încărcare - și, la fel de important, în cazul în care o grinda I-sau un canal este încă alegerea mai eficientă și mai economică. Înțelegerea ambelor părți ale acestei comparații este ceea ce separă o specificație cu adevărat informată de un obicei implicit.

Cel mai mare avantaj structural al unei secțiuni goale se reduce la un număr: raza de rotație.

O secțiune deschisă, cum ar fi o grindă lată-flanșă I{-, are două raze de rotație foarte diferite -, una în jurul axei sale puternice, una în jurul axei sale slabe, care diferă adesea cu un factor de doi sau mai mult. Aceasta înseamnă că o coloană cu secțiune I-este la fel de puternică ca direcția sa cea mai slabă de flambaj și, dacă un element este expus la sarcină sau presiunea vântului din mai multe direcții, inginerul trebuie să proiecteze în jurul axei mai slabe, indiferent de cât de puternică ar putea fi cealaltă axă.

O secțiune goală pătrată sau circulară, în schimb, are o rază de rotație egală (sau foarte apropiată de egală) în toate direcțiile. Nu există o „axă slabă”. Pentru o coloană care trebuie să reziste la flambaj sub sarcină de compresiune aplicată din surse imprevizibile sau multi-direcționale - care descrie o mare parte a stâlpilor de clădire reale, în special în planuri de etaj deschise fără pereți de contravântuire pentru a defini o direcție dominantă de încărcare - această proprietate geometrică singură face adesea o secțiune goală mai ușoară decât o secțiune goală echivalentă, deoarece rezistența materialului este lipsită de capacitate. nu are nevoie la fel de mult.

Acesta este, de asemenea, motivul pentru care secțiunile goale domină ca elemente de compresie din cadrele spațiale și zăbrelele: fiecare element diagonal și vertical dintr-un sistem de ferme 3D suferă o sarcină dintr-o orientare diferită, iar o secțiune cu rezistență uniformă în toate direcțiile este eficientă din punct de vedere structural într-un mod în care o secțiune I-principal nu se poate potrivi fără material adăugat.

Afișați imaginea

Dacă raza de rotație este avantajul subtil, rigiditatea la torsiune este cea dramatică - și este probabil cel mai subapreciat motiv pentru care secțiunile goale sunt specificate pentru anumiți membri.

Secțiunile deschise rezistă la torsiune în primul rând prin deformare și o constantă de torsiune St. Venant relativ slabă, deoarece o formă deschisă cu pereți subțiri-pur și simplu nu are o cale de încărcare continuă în jurul perimetrului său pentru a transporta eficient fluxul de forfecare. O secțiune închisă - orice secțiune goală - rezistă la torsiune prin fluxul de forfecare care rulează continuu în jurul perimetrului închis, care este un mecanism dramatic mai rigid. În termeni practici, o secțiune goală închisă poate avea o constantă de torsiune cu un ordin de mărime mai mare decât o secțiune deschisă de dimensiune și greutate comparabile.

Acest lucru contează direct în elementele care văd o sarcină de torsiune semnificativă: grinzi curbe ale podurilor, grinzile pistei macaralei supuse sarcinilor excentrice ale roților, grinzile care suportă sarcini excentrice ale podelei de-a lungul perimetrului clădirii și orice element dintr-o structură în care sarcina nu este aplicată curat prin centrul de forfecare. Specificarea unei secțiuni deschise pentru o aplicație cu adevărat critică de torsiune-de obicei înseamnă adăugarea de rigidizări, diafragme sau supradimensionarea elementului pentru a compensa - costul suplimentar de fabricație și material pe care o secțiune goală le evită adesea doar prin geometrie.

 

PROCESUL GĂURILOR

PRELUCRARE CU SECȚIUNEA GOBĂ

Prelucrare țevi rotunde din oțel

Nimic din toate acestea nu înseamnă că secțiunile goale sunt necondiționat superioare și aici intervine un punct mai nuanțat, mai puțin discutat: comportamentul de flambaj local.

Codurile de proiectare - EN 1993-1-1 în Europa, AISC 360 în SUA - clasifică secțiunile structurale (deschise și închise deopotrivă) în funcție de lățime-la-grosime sau raportul diametru la grosime al lor individuale, de la elementele de acoperire a plăcilor sau a peretelui, în clasele „compact de material plastic” capacitatea și susținerea rotației pentru proiectarea din plastic) prin „subțire” (unde flambajul local are loc înainte ca secțiunea să ajungă la randament, iar capacitatea de proiectare trebuie redusă în consecință).

Pentru secțiunile goale, această clasificare este direct legată de raportul lățime-la-grosime al fețelor plate (pentru SHS/RHS) sau raportul diametru-la-grosime (pentru CHS). Un CHS cu pereți subțiri, cu diametru- mare sau un RHS cu pereți lați,-pereți subțiri pot intra într-o clasificare subțire la fel de ușor ca o secțiune deschisă-subțire cu flanșă - profilul închis nu scutește automat o secțiune de verificările locale de flambaj. Inginerii care specifică secțiuni goale cu pereți mai mari și mai subțiri-pentru aplicații arhitecturale sau cu deschidere lungă-trebuie să verifice clasificarea secțiunii în mod explicit, în loc să presupună că „gol” implică „compact”. Aceasta este una dintre cele mai frecvente neglijeri în dimensionarea preliminară, surprinsă doar atunci când se efectuează în sfârșit o verificare detaliată.

Un avantaj cu adevărat subdiscutat al secțiunilor goale apare în inginerie de incendiu, nu în proiectarea gravitației sau a sarcinii laterale.

Cerințele structurale de protecție împotriva incendiilor sunt determinate în mod substanțial de „factorul de secțiune” al unei secțiuni - raportul dintre perimetrul încălzit și aria-secțiunii transversale (deseori scris Hp/A). O secțiune cu un raport Hp/A mai scăzut se încălzește mai lent în timpul unui incendiu, deoarece există proporțional mai puțină suprafață expusă care conduce căldura într-o anumită masă de oțel. Secțiunile deschise, cum ar fi grinzile I-, expun suprafața de pe ambele părți ale benzii și pe ambele flanșe, toate încălzite separat. O secțiune goală cu capacitate de încărcare comparabilă are adesea un raport Hp/A mai mic, pur și simplu pentru că geometria sa concentrează aceeași masă de oțel în spatele unei suprafețe expuse mai compacte și continue.

Consecința practică este că elementele cu secțiuni goale pot atinge uneori un grad de rezistență la foc necesar cu un strat intumescent mai subțire sau cu un material de protecție la foc mai mic decât o secțiune deschisă care poartă aceeași sarcină de proiectare - o economie reală de cost și greutate care apare rar în materialul de marketing general, deoarece necesită un calcul specific secțiunii-pentru a demonstra, nu o afirmație generală pentru fiecare dimensiune și aplicație uniformă.

Acesta este punctul în care secțiunile goale pierd o parte din avantajul pe care îl câștigă în altă parte și merită mai multă atenție în deciziile de specificație decât primește de obicei.

Secțiunile deschise oferă suprafețe plane și accesibile cu flanșă și țesătură care fac conexiunile prin șuruburi simple - o placă de conectare poate fi prinsă direct pe o flanșă cu degajări standard și detalii standard. Secțiunile goale, prin natura lor închisă, nu oferă aceeași suprafață accesibilă pentru o conexiune prin șuruburi convențională fără feronerie suplimentară: prin -șuruburi necesită acces la interiorul tubului (adesea imposibil odată ce structura este asamblată), iar conexiunile cu șuruburi montate la suprafață-au nevoie de obicei de plăci de flanșă, plăci de capac sau plăci de șuruburi-oarbe concepute special pentru sisteme de șuruburi-închise.

Conexiunile sudate au propria lor complexitate. Acolo unde elementele de secțiune goală se întâlnesc la un nod de ferme - o îmbinare K, T, Y sau X în construcția grinzii cu zăbrele -, legătura nu este doar o chestiune de sudare a două tuburi împreună. Fața coardei de la îmbinare trebuie verificată pentru forfecarea prin perforare și plastificarea locală sub sarcina concentrată de la elementul de sprijin care intră, urmând prevederile de proiectare precum cele din EN 1993-1-8 Secțiunea 7 sau ghidurile de proiectare CIDECT dezvoltate special pentru proiectarea îmbinărilor tubulare. Aceste verificări sunt cu adevărat mai implicate decât un proiect standard de conexiune în secțiune deschisă, iar subestimarea acestei complexități în faza de proiectare este una dintre sursele mai frecvente de reproiectare în faza ulterioară a proiectelor de fermă tubulară.

Nimic din toate acestea nu face ca conexiunile cu secțiune goală să fie impracticabile - fermele tubulare sunt construite cu succes la nivel mondial -, dar înseamnă că costul de fabricație și proiectarea conexiunii trebuie să fie cântărit în raport cu eficiența materialului obținut din secțiunea în sine, mai degrabă decât să presupunem că secțiunea tubulară este un câștig simplu de cost în fiecare caz.

Având în vedere toate cele de mai sus, merită să fiți direct în privința locului în care o grinda I-sau un canal rămâne cea mai bună alegere: elementele de îndoire primare unde sarcina este aplicată predominant pe o axă și unde axa este cunoscută și fixată de geometria structurii - o grindă tipică de podea care susține o placă, de exemplu, se îndoaie aproximativ o axă-, se îndoaie și se concentrează numai într-o axă{2}. din axa neutră, este mai eficient în îndoirea uniaxială pură decât materialul unei secțiuni goale distribuite în jurul unui perimetru închis.

Secțiunile deschise sunt, de asemenea, în general mai ieftin de conectat, așa cum s-a discutat mai sus, și sunt disponibile mai pe scară largă într-o gamă mai largă de dimensiuni standard laminate pentru elemente foarte mari și adânci decât sunt de obicei secțiunile goale. Pentru o grinda de podea simplă, o secțiune I-de obicei rămâne specificația mai economică; pentru o coloană expusă la sarcină multi-direcțională, un element de contravântuire sub compresie și posibilă torsiune sau o sferă într-un cadru spațial, o secțiune goală câștigă de obicei atât în ​​ceea ce privește eficiența materialului, cât și, în multe cazuri, performanța la foc.

 

 

 

 

Alegerea dintre secțiunile goale și deschise nu este o chestiune de a fi categoric superior -, este o chestiune de potrivire a geometriei secțiunii cu cazul real de încărcare pe care îl experimentează membrul. Un inginer structural care cântărește această decizie într-adevăr întreabă: acest membru vede sarcina dintr-o singură direcție previzibilă sau din mai multe direcții și, eventual, torsiune? Clasificarea locală a flambajului va guverna proiectarea la grosimile pereților luate în considerare? Cât costă de fapt proiectarea conexiunii odată ce plăcile de flanșă, plăcile de capac sau verificările îmbinărilor tubulare sunt luate în considerare, și nu doar prețul pe-tonă al oțelului în sine?

Obținerea corectă în etapa de specificare -, în loc să se obișnuiască în mod implicit la obișnuință sau la orice tip de secțiune pe care sa întâmplat să-l folosească un proiect trecut - este de unde provin economiile reale de material și costuri pentru un proiect structural din oțel și este o decizie care merită reluată la fiecare structură nouă, în loc să presupunem că alegerea secțiunii din proiectul anterior se aplică în continuare.

Contactați acum