Zašto građevinski inženjeri biraju šuplje profile?

Prošetajte na gotovo bilo koje moderno gradilište sa čeličnim{0}}okvirima i vidjet ćete šuplje dijelove koji obavljaju posao koji otvoreni profili kao što su I-grede i kanali jednostavno ne mogu učiniti tako efikasno: stoje poput vitkih izloženih stubova u staklenom atrijumu, formiraju dijagonalno uporište u seizmičkom okviru ili nose teret u torzijskom mostu. Sklonost nije estetska. Svodi se na nekoliko principa strukturalnog inženjeringa o kojima većina timova za nabavku nikada ne govori, ali koji tiho određuju zašto specifikacija uopće zahtijeva SHS, RHS ili CHS.

Ovaj članak razmatra stvarne inženjerske razloge zbog kojih šuplji profili nadmašuju otvorene profile u specifičnim slučajevima opterećenja - i, što je jednako važno, gdje je I-greda ili kanal još uvijek efikasniji i ekonomičniji izbor. Razumijevanje obje strane tog poređenja je ono što odvaja istinski informisanu specifikaciju od standardne navike.

Jedina najveća strukturna prednost šupljeg preseka svodi se na jedan broj: radijus rotacije.

Otvoreni dio poput široke-prirubnice I-grede ima dva vrlo različita radijusa rotacije - jedan oko svoje jake ose, jedan oko svoje slabe ose, često se razlikuju za faktor dva ili više. To znači da je stub I-presjeka jak samo onoliko koliko je jak njegov najslabiji smjer izvijanja, a ako je član izložen opterećenju ili pritisku vjetra iz više smjerova, inženjer mora projektirati oko slabije ose bez obzira na to koliko bi druga osa mogla biti jača.

Nasuprot tome, kvadratni ili kružni šuplji dio ima jednak (ili vrlo blizu jednakom) radijus rotacije u svakom smjeru. Ne postoji "slaba osovina". Za stub koji treba da se odupre izvijanju pod opterećenjem pri pritisku primijenjenom iz nepredvidivih ili više-smjernih izvora - što opisuje veliki udio stvarnih stubova zgrade, posebno u otvorenim tlocrtima bez učvršćenih zidova da bi se definirao dominantni smjer opterećenja - samo ovo geometrijsko svojstvo često čini šuplji presjek lakšim od ekvivalentnog materijala, jer materijal nije jednak{5} "potrošeno" pružajući snagu u smjeru koji strukturi ne treba toliko.

To je i razlog zašto šuplji profili dominiraju kao kompresijski elementi u prostornim okvirima i rešetkastim rešetkama: svaki dijagonalni i vertikalni element u 3D rešetkastom sistemu doživljava opterećenje iz različite orijentacije, a dio s ujednačenim otporom u svim smjerovima je strukturno efikasan na način na koji I-presjek u osnovi ne može parirati bez dodanog materijala.

Prikaži sliku

Ako je radijus rotacije suptilna prednost, torzijska krutost je dramatična - i to je vjerovatno najnecjenjeniji razlog zašto se šuplji dijelovi specificiraju za određene članove.

Otvoreni dijelovi otporni su na torziju prvenstveno zbog savijanja i relativno slabe St. Venantove torzijske konstante, jer otvoreni oblik sa tankim-stinama jednostavno nema kontinuiranu putanju opterećenja oko svog perimetra da bi efikasno nosio strujanje smicanja. Zatvoreni dio - bilo koji šuplji dio - odolijeva torziji kroz posmično strujanje koje se neprekidno odvija oko zatvorenog perimetra, što je dramatično čvršći mehanizam. U praksi, zatvoreni šuplji dio može imati torzijsku konstantu za red veličine veću od otvorenog dijela slične veličine i težine.

Ovo je direktno važno za elemente koji vide značajno torzijsko opterećenje: zakrivljene nosače mosta, grede piste dizalice koje su podložne ekscentričnom opterećenju kotača, grede koje podupiru ekscentrična opterećenja poda duž perimetra zgrade, i bilo koji član u strukturi gdje opterećenje nije primijenjeno čisto kroz centar smicanja. Određivanje otvorenog presjeka za istinski torzijsko-kritičnu primjenu obično znači dodavanje elemenata za ukrućenje, dijafragme ili predimenzioniranje člana kako bi se kompenzirali - dodatni troškovi izrade i materijala koje šuplji dio često izbjegava samo geometrijom.

 

PROCES BUŠENJA RUPA

OBRADA ŠUPLJIH PRESJEKA

Obrada okruglih čeličnih cijevi

Ništa od toga ne znači da su šuplji dijelovi bezuslovno superiorni, i tu dolazi do nijansiranog, manje uobičajenog pitanja: lokalno ponašanje izvijanja.

Kodovi dizajna - EN 1993-1-1 u Europi, AISC 360 u SAD-u - klasificiraju strukturne presjeke (otvorene i zatvorene podjednako) po širini-do-debljini ili omjeru prečnika i debljine njihovih pojedinačnih momenata od plastične ploče ili zidnih elemenata u rasponu od punog momenta do pune plastične ploče, kapacitet i održivu rotaciju za plastični dizajn) preko "vitkog" (gdje se lokalno izvijanje događa prije nego što sekcija dostigne popuštanje, a projektni kapacitet se mora u skladu s tim smanjiti).

Za šuplje presjeke, ova klasifikacija je direktno vezana za omjer širine-prema-debljine ravnih površina (za SHS/RHS) ili omjera-prema-omjera debljine (za CHS). CHS s tankim-stinama, velikog-prečnika ili širokim, tankim-RHS-om sa tankim stijenkama mogu se svrstati u vitku klasifikaciju jednako lako kao što otvoreni dio s tankim-prirubnicom može - zatvoreni profil ne izuzima automatski dio od lokalnih provjera izvijanja. Inženjeri koji specificiraju veće šuplje sekcije sa-tanjim zidovima za arhitektonske ili dugačke{12}}prilike moraju eksplicitno provjeriti klasifikaciju odjeljka umjesto da pretpostavljaju da "šuplje" implicira "kompaktno". Ovo je jedan od najčešćih propusta u preliminarnom dimenzioniranju, koji se uočava tek kada se konačno izvrši detaljna provjera.

Jedna istinski nedovoljno razmatrana prednost šupljih sekcija pojavljuje se u vatrogastvu, a ne u dizajnu gravitacije ili bočnog opterećenja.

Zahtjevi konstrukcijske zaštite od požara su u velikoj mjeri vođeni "faktorom presjeka" - sekcije, odnosom zagrijanog perimetra i-površine presjeka (često se piše Hp/A). Sekcija sa nižim omjerom Hp/A se sporije zagrijava za vrijeme požara, jer postoji proporcionalno manja izložena površina koja dovodi toplinu u datu masu čelika. Otvoreni dijelovi kao što su I-grede otkrivaju površinu na obje strane mreže i obje prirubnice, sve odvojeno grijane. Šuplji profil uporedive nosivosti često ima niži Hp/A omjer jednostavno zato što njegova geometrija koncentrira istu čeličnu masu iza kompaktnije, kontinuirane izložene površine.

Praktična posljedica je da šuplji dijelovi ponekad mogu postići potrebnu ocjenu otpornosti na vatru s tanjim intumescentnim premazom ili manje materijala za zaštitu od požara od otvorenog dijela koji nosi isto konstrukcijsko opterećenje - stvarna ušteda troškova i težine koja se rijetko pojavljuje u općem marketinškom materijalu jer zahtijeva specifičan proračun za sekciju-za demonstraciju, a ne opću tvrdnju koja se primjenjuje na sve veličine i primjenu ujednačeno.

Ovo je tačka u kojoj šuplji delovi gube neke od prednosti koje dobijaju na drugim mestima, i zaslužuje više pažnje u odlukama o specifikacijama nego što se obično dobija.

Otvoreni dijelovi nude ravne, pristupačne prirubnice i mrežne površine koje čine vijčane veze jednostavnim - priključna ploča se može pričvrstiti direktno na prirubnicu sa standardnim zazorima i standardnim detaljima. Šuplji dijelovi, po svojoj zatvorenoj prirodi, ne nude istu dostupnu površinu za konvencionalnu vijčanu vezu bez dodatnog hardvera: putem-zavrtnja zahtijeva pristup unutrašnjosti cijevi (često nemoguće nakon što se struktura sastavi), a površinski{3}}zavrtnjevi koji se montiraju na površinu obično zahtijevaju prirubničke ploče, poklopce ili slijepe{4}} sisteme zatvorenih dijelova.

Zavareni spojevi nose svoju složenost. Tamo gdje se šuplji dijelovi spajaju u čvoru rešetke - K, T, Y ili X spoju u konstrukciji rešetkastih nosača -, veza nije samo stvar zavarivanja dvije cijevi zajedno. Čelo tetive na spoju se mora provjeriti radi smicanja pri probijanju i lokalnog plastifikacije pod koncentriranim opterećenjem od ulaznog elementa podupirača, slijedeći odredbe dizajna kao što su one u EN 1993-1-8 odjeljak 7 ili CIDECT vodiči za dizajn koji su razvijeni posebno za dizajn cjevastih spojeva. Ove provjere su zaista složenije od standardnog dizajna spojeva otvorenog presjeka, a potcjenjivanje ove složenosti u fazi projektiranja jedan je od češćih izvora redizajniranja u kasnoj fazi na projektima cijevnih rešetki.

Ništa od ovoga ne čini spojeve šupljih profila nepraktičnim - cijevne rešetke se uspješno grade u cijelom svijetu -, ali to znači da se troškovi izrade i dizajna povezivanja moraju odmjeriti u odnosu na efikasnost materijala dobivenu od samog odjeljka, umjesto da se pretpostavlja da je šuplji profil direktna pobjeda u troškovima u svakom slučaju.

S obzirom na sve gore navedeno, vrijedi biti direktan o tome gdje I-greda ili kanal ostaju bolji izbor: primarni elementi za savijanje gdje se opterećenje primjenjuje pretežno oko jedne ose, i gdje je ta os poznata i fiksirana geometrijom konstrukcije - tipična podna greda koja podržava ploču, na primjer, savija se i savija se samo oko jedne ose 2 materijal{} savija se oko jedne ose 2} prirubnice daleko od neutralne ose, efikasnije je u čistom jednoosnom savijanju od materijala šupljeg preseka raspoređenog po zatvorenom perimetru.

Otvoreni dijelovi su također općenito jeftiniji za spajanje, kao što je gore objašnjeno, i dostupniji su u širem rasponu standardnih valjanih veličina za vrlo velike, duboke članove nego što su šuplji dijelovi obično. Za ravnu podnu gredu, I-odjeljak obično ostaje ekonomičnija specifikacija; za stup koji je izložen višesmjernom opterećenju, učvršćeni element pod kompresijom i mogućom torzijom, ili rešetkasti pojas u prostornom okviru, šuplji dio obično pobjeđuje i na efikasnosti materijala i, u mnogim slučajevima, na performansama požara.

 

 

 

 

Izbor između šupljih i otvorenih sekcija nije stvar kategoričke superiornosti -, već je stvar usklađivanja geometrije presjeka sa stvarnim opterećenjem koje član doživljava. Građevinski inženjer koji vaga ovu odluku zaista se pita: vidi li ovaj član opterećenje iz jednog predvidljivog smjera ili iz više smjerova i eventualno torziju? Da li će lokalna klasifikacija izvijanja upravljati dizajnom na razmatranim debljinama zida? Koliko zapravo košta dizajn veze kada se uzmu u obzir prirubničke ploče, poklopci ili provjere cijevnih spojeva, a ne samo cijena po-toni samog čelika?

Postizanje ovoga u fazi specifikacije - umjesto zadane po navici ili bilo kojoj vrsti sekcije koju je prošli projekat koristio - je stvarna ušteda materijala i troškova na projektu konstrukcijskog čelika, i odluka je vrijedna ponovnog razmatranja na svakoj novoj strukturi umjesto pretpostavke da je izbor sekcije prethodnog projekta i dalje primjenjiv.

Kontaktirajte sada