Zašto građevinski inženjeri odabiru šuplje profile?

Prošećite gotovo svim modernim gradilištima s-čeličnim okvirima i vidjet ćete šuplje dijelove kako obavljaju posao koji otvoreni profili poput I-greda i kanala jednostavno ne mogu obaviti tako učinkovito: stoje kao vitki izloženi stupovi u staklenom atriju, formiraju dijagonalne ukrute u seizmičkom okviru ili nose torzijska opterećenja u zakrivljenom pješačkom mostu. Preferencija nije estetska. Sve se svodi na pregršt načela strukturalnog inženjeringa o kojima se većina timova za nabavu nikada ne raspravlja, 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 učinkovitiji i ekonomičniji izbor. Razumijevanje obje strane te usporedbe ono je što odvaja istinski informiranu specifikaciju od zadane navike.

Najveća pojedinačna strukturna prednost šupljeg presjeka svodi se na jedan broj: radijus vrtnje.

Otvoreni presjek poput -prirubnice I-grede ima dva vrlo različita radijusa vrtnje - jedan oko svoje jake osi, jedan oko svoje slabe osi, koji se često razlikuju za faktor dva ili više. To znači da je stup I-presjeka jak onoliko koliko je jak njegov najslabiji smjer izvijanja, a ako je element izložen opterećenju ili pritisku vjetra iz više smjerova, inženjer mora projektirati oko slabije osi bez obzira na to koliko bi druga os mogla biti jača.

Kvadratni ili kružni šuplji presjek, nasuprot tome, ima jednak (ili vrlo blizu jednakog) radijus vrtnje u svakom smjeru. Ne postoji "slaba os". Za stup koji se treba oduprijeti izvijanju pod tlačnim opterećenjem primijenjenim iz nepredvidivih ili više{2}}smjernih izvora - koji opisuje veliki udio stvarnih građevinskih stupova, posebno u otvorenim tlocrtima bez potpornih zidova za definiranje dominantnog smjera opterećenja - ovo geometrijsko svojstvo samo po sebi često čini šuplji presjek lakšim od ekvivalentnog-kapaciteta otvorenog presjeka, jer nijedan materijal nije "potrošeno" pružajući snagu u smjeru koji strukturi nije toliko potreban.

To je i razlog zašto šuplji profili dominiraju kao kompresijski elementi u prostornim okvirima i rešetkastim rešetkama: svaki dijagonalni i okomiti element u 3D rešetkastom sustavu doživljava opterećenje iz različite orijentacije, a presjek s jednakim otporom u svim smjerovima strukturalno je učinkovit 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 nedvojbeno najpodcijenjeniji razlog zbog kojeg se šuplji dijelovi specificiraju za određene članove.

Otvoreni dijelovi odolijevaju torziji primarno kroz savijanje i relativno slabu torzijsku konstantu St. Venanta, jer otvoreni oblik s tankim{1}}stjenkama jednostavno nema kontinuiranu putanju opterećenja oko svog perimetra kako bi učinkovito nosio smični tok. Zatvoreni dio - bilo koji šuplji dio - opire se torziji kroz smični tok koji kontinuirano teče oko zatvorenog perimetra, što je dramatično krući mehanizam. U praktičnom smislu, zatvorena šuplja sekcija može imati torzijsku konstantu za red veličine veću od otvorene sekcije usporedive veličine i težine.

Ovo je izravno važno u elementima koji vide značajna torzijska opterećenja: zakrivljeni nosači mostova, grede uzletno-sletne staze dizalice podložne ekscentričnom opterećenju kotača, polukružne grede koje podupiru ekscentrična opterećenja poda duž perimetra zgrade i bilo koji element u konstrukciji gdje se opterećenje ne primjenjuje čisto kroz središte smicanja. Određivanje otvorenog presjeka za istinski torzijsku-kritičnu primjenu obično znači dodavanje ukrućenja, dijafragmi ili predimenzioniranje elementa kako bi se nadoknadili - dodatni troškovi izrade i materijala koje šuplji presjek često izbjegava samo geometrijom.

 

POSTUPAK BUŠENJA RUPE

OBRADA ŠUPLJIH PROSJEKA

Obrada okruglih čeličnih cijevi

Ništa od ovoga ne znači da su šuplji profili bezuvjetno bolji, a tu dolazi do nijansiranije točke o kojoj se rjeđe raspravlja: lokalnog izvijanja.

Projektni kodovi - EN 1993-1-1 u Europi, AISC 360 u SAD-u - klasificiraju konstrukcijske dijelove (jednako otvorene i zatvorene) prema širini-prema-debljini ili omjeru promjera i debljine njihovih pojedinačnih ploča ili zidnih elemenata, u klase koje se kreću otprilike od "kompaktnih" (sposobnih za postizanje punog kapaciteta plastičnog momenta i održavati rotaciju za plastični dizajn) kroz "vitak" (gdje dolazi do lokalnog izvijanja prije nego što presjek postigne istezanje, a projektirani kapacitet se mora smanjiti u skladu s tim).

Za šuplje profile ova je klasifikacija izravno povezana s omjerom -prema-debljini ravnih površina (za SHS/RHS) ili omjerom -prema-debljini (za CHS). CHS s tankim-zidovima, velikog-promjera ili širokim,-RHS s tankim-zidovima može pasti u vitku klasifikaciju jednako lako kao što to može i tanki-otvoreni dio s prirubnicom - zatvoreni profil ne izuzima automatski odjeljak od lokalnih provjera izvijanja. Inženjeri koji specificiraju veće, tanje{11}}zidne šuplje dijelove za arhitektonske ili-primjene dugog raspona moraju izričito potvrditi klasifikaciju odjeljka umjesto da pretpostavljaju da "šuplje" implicira "kompaktno". Ovo je jedan od češćih propusta u preliminarnom dimenzioniranju, koji se uočava tek kada se konačno izvrši detaljna provjera.

Jedna doista nedovoljno raspravljana prednost šupljih dijelova pokazuje se u vatrogasnom inženjerstvu, a ne u dizajnu gravitacije ili bočnog opterećenja.

Zahtjevi konstrukcijske zaštite od požara uvelike su vođeni "faktorom presjeka" - omjerom grijanog perimetra i površine poprečnog-presjeka (često napisano Hp/A). Dio s nižim omjerom Hp/A zagrijava se sporije tijekom požara, jer postoji proporcionalno manje izložene površine koja dovodi toplinu u određenu masu čelika. Otvoreni dijelovi poput I-greda izlažu površinu s obje strane mreže i obje prirubnice, a sve se odvojeno griju. Šuplji profil usporedive nosivosti često ima niži omjer Hp/A jednostavno zato što njegova geometrija koncentrira istu čeličnu masu iza kompaktnije, kontinuirano izložene površine.

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

Ovo je točka u kojoj šuplji profili gube neke od prednosti koje dobivaju drugdje, i zaslužuju više pozornosti u odlukama o specifikacijama nego što obično dobivaju.

Otvoreni dijelovi nude ravnu, pristupačnu prirubnicu i mrežne površine koje vijčane veze čine jednostavnim - spojna ploča može se pričvrstiti vijcima izravno na prirubnicu sa standardnim razmacima i standardnim detaljima. Šuplji dijelovi, zbog svoje zatvorene prirode, ne nude istu dostupnu površinu za konvencionalne vijčane spojeve bez dodatnog hardvera: kroz-vijčanja je potreban pristup unutrašnjosti cijevi (često nemoguće nakon što je struktura sastavljena), a površinski-montirani vijčani spojevi obično zahtijevaju prirubničke ploče, poklopce ili slijepe-sustave vijaka posebno dizajniranih za zatvorene dijelove.

Zavareni spojevi nose svoju složenost. Tamo gdje se šuplji elementi susreću u čvoru rešetke - spoj K, T, Y ili X u konstrukciji rešetkastih nosača -, veza nije samo stvar zavarivanja dvije cijevi. Lice tetive na spoju mora se provjeriti na smicanje pri probijanju i lokalnu plastifikaciju pod koncentriranim opterećenjem od nadolazećeg elementa zatezanja, slijedeći odredbe dizajna kao što su one u EN 1993-1-8 odjeljak 7 ili CIDECT vodiče za dizajn razvijene posebno za projektiranje cjevastih spojeva. Te su provjere uistinu složenije od standardnog dizajna veze otvorenog presjeka, a podcjenjivanje ove složenosti u fazi projektiranja jedan je od češćih izvora redizajna u kasnoj fazi na projektima cjevastih rešetki.

Ništa od ovoga ne čini spojeve šupljih presjeka nepraktičnima - cjevaste rešetke uspješno se grade diljem svijeta -, ali to znači da se troškovi izrade i dizajna povezivanja moraju odvagnuti u odnosu na materijalnu učinkovitost dobivenu samim presjekom, umjesto da se pretpostavlja da je šuplji presjek izravni trošak u svakom slučaju.

S obzirom na sve gore navedeno, vrijedi biti izravan o tome gdje I-greda ili kanal ostaju bolji izbor: primarni elementi za savijanje gdje se opterećenje pretežno primjenjuje oko jedne osi, a gdje je ta os poznata i fiksirana geometrijom konstrukcije - tipična podna greda koja podupire ploču, na primjer, savija se samo oko jedne osi, a materijal I-sekcije, koncentriran u prirubnicama daleko od neutralne osi, učinkovitiji je u čistom jednoosnom savijanju od materijala šupljeg presjeka raspoređenog oko zatvorenog perimetra.

Otvoreni profili također su općenito jeftiniji za spajanje, kao što je gore razmotreno, i dostupniji su u širem rasponu standardnih valjanih veličina za vrlo velike, duboke članove od uobičajenih šupljih profila. Za jednostavnu podnu gredu, I-presjek obično ostaje ekonomičnija specifikacija; za stup izložen više-smjernom opterećenju, potpornom elementu pod pritiskom i mogućim uvijanjem, ili rešetkastom pojasu u prostornom okviru, šuplji presjek obično pobjeđuje u pogledu učinkovitosti materijala i, u mnogim slučajevima, otpornosti na vatru.

 

 

 

 

Odabir između šupljih i otvorenih presjeka nije stvar toga da li je jedan kategorički superioran - već je stvar usklađivanja geometrije presjeka sa stvarnim opterećenjem koje član doživljava. Građevinski inženjer koji odmjerava ovu odluku zapravo se pita: vidi li ovaj element opterećenje iz jednog predvidljivog smjera ili iz više smjerova i moguće torzije? Hoće li lokalna klasifikacija izvijanja upravljati dizajnom za debljine stijenki koje se razmatraju? Koliko zapravo košta konstrukcija spoja kada se uračunaju prirubne ploče, poklopci ili čekovi cjevastih spojeva, a ne samo cijena po-toni samog čelika?

Ispravno postizanje ovoga u fazi specifikacije - umjesto zadane navike ili bilo koje vrste presjeka koji se koristio u prošlom projektu - je ono odakle dolaze stvarne uštede materijala i troškova na projektu čeličnih konstrukcija, a to je odluka koju vrijedi ponovno razmotriti na svakoj novoj strukturi, a ne pretpostaviti da se odabir presjeka iz prethodnog projekta još uvijek primjenjuje.

Kontaktirajte odmah