Miért választják a szerkezeti mérnökök az üreges metszeteket?

Sétáljon szinte bármilyen modern acél{0}}vázas építkezésre, és látni fogja, hogy üreges részek olyan munkát végeznek, amelyet a profilok, például a gerendák és a csatornák egyszerűen nem tudnak olyan hatékonyan elvégezni: karcsú, szabadon álló oszlopokként állnak egy üvegátriumban, átlós merevítést alkotnak egy szeizmikus keretben, vagy hordozzák a torziós terhelést egy torziós lábhídon. A preferencia nem esztétikus. Ez egy maroknyi szerkezeti tervezési alapelvre vezethető vissza, amelyeket a legtöbb beszerzési csapat soha nem lát megvitatásban, de ezek csendesen meghatározzák, hogy egy specifikáció miért igényel SHS-t, RHS-t vagy CHS-t.

Ez a cikk megvizsgálja a tényleges műszaki okokat, amelyek miatt az üreges szakaszok felülmúlják a nyitott profilokat bizonyos terhelési esetekben -, és ami ugyanilyen fontos, ahol az I-gerenda vagy csatorna még mindig a hatékonyabb és gazdaságosabb választás. Az összehasonlítás mindkét oldalának megértése az, ami elválasztja a valóban tájékozott specifikációt az alapértelmezett szokástól.

Az üreges metszet egyetlen legnagyobb szerkezeti előnye egy számban rejlik: a forgási sugárban.

Egy nyitott szakasznak, például egy széles -karima I-sugárnak két nagyon eltérő forgási sugara van - az egyik az erős tengelye, a másik a gyenge tengelye körül, amelyek gyakran kétszeres vagy több tényezővel térnek el egymástól. Ez azt jelenti, hogy egy I-szelvényoszlop csak annyira erős, amennyire a leggyengébb kihajlási iránya van, és ha egy elem több irányból terhelésnek vagy szélnyomásnak van kitéve, a mérnöknek a gyengébb tengely körül kell terveznie, függetlenül attól, hogy a másik tengely mennyivel erősebb.

Ezzel szemben egy négyzet alakú vagy kör alakú üreges metszetnek minden irányban egyenlő (vagy nagyon közel azonos) a forgási sugara. Nincs "gyenge tengely". Olyan oszlopoknál, amelyeknek ellenállniuk kell a kihajlásnak előre nem látható vagy többirányú forrásból származó nyomóterhelés hatására -, amely a valódi épületoszlopok nagy részét írja le, különösen olyan nyitott alaprajzok esetén, amelyekben nem merev falak határozzák meg a domináns terhelési irányt, - ez a geometriai tulajdonság önmagában gyakran könnyebbé teszi az üreges metszetet, mint egy megfelelő nyitott szelvény, mert a nyitott metszettel egyenértékű-szilárdságú. olyan irány, amelyre a szerkezetnek nincs szüksége annyira.

Ez az oka annak is, hogy az üreges szelvények dominálnak a térkeretek és rácsos rácsos rácsok összenyomó elemeiként: a 3D rácsos rendszerben minden átlós és függőleges elem más-más irányból éri a terhelést, és a minden irányban egyenletes ellenállású metszet szerkezetileg hatékony oly módon, hogy az I{1}}szelvény alapvetően nem fér össze hozzáadott anyag nélkül.

Kép megjelenítése

Ha a forgási sugár a finom előny, akkor a torziós merevség a drámai -, és vitathatatlanul ez a leginkább alulértékelt ok, amiért üreges szakaszokat adnak meg bizonyos tagokhoz.

A nyitott szakaszok elsősorban a vetemedés és a viszonylag gyenge St. Venant torziós állandó miatt ellenállnak a csavarodásnak, mivel a nyitott vékony{1}}falú alakzatnak egyszerűen nincs a kerülete mentén folytonos terhelési útja a nyíróáramlás hatékony átviteléhez. A zárt szakasz - bármely üreges szakasz - ellenáll a nyíróáramláson keresztüli csavarodásnak, amely a zárt kerület mentén folyamatosan fut, ami drámaian merevebb mechanizmus. Gyakorlatilag egy zárt üreges szakasz torziós állandója egy nagyságrenddel nagyobb lehet, mint egy hasonló méretű és súlyú nyitott szakaszé.

Ez közvetlenül számít azoknál az elemeknél, amelyek jelentős torziós terhelést látnak: íves hídgerendák, excentrikus kerékterhelésnek kitett daru futógerendák, excentrikus padlóterhelést hordozó feszítőgerendák az épület kerülete mentén, és minden olyan szerkezet olyan eleme, ahol a terhelés nem jut tisztán a nyírási középponton keresztül. A nyitott szakasz megadása valóban torziós{1}}kritikus alkalmazáshoz általában merevítők, membránok hozzáadását vagy az elem túlméretezését jelenti, hogy kompenzálja a - többlet gyártási és anyagköltségeket, amelyeket az üreges metszet gyakran elkerül önmagában a geometriával.

 

FÚRÁSI FOLYAMAT

ÜREGES RÉSZ FELDOLGOZÁSA

Kerek acélcső feldolgozás

Ezek egyike sem jelenti azt, hogy az üreges szakaszok feltétel nélkül jobbak, és itt jön egy árnyaltabb, ritkábban tárgyalt pont: a helyi kihajlási viselkedés.

Az - EN 1993-1-1 tervezési kódok Európában, az AISC 360 az Egyesült Államokban - osztályozzák a szerkezeti szakaszokat (nyitott és zárt egyaránt) az egyes lemezek vagy falelemek szélessége- és -vastagsága, illetve átmérő-vastagság aránya alapján (a műanyagtól a teljes kapacitástól a "tömörödő" méretig. a forgás fenntartása műanyag kialakításnál) a "karcsú" révén (ahol helyi kihajlás következik be, mielőtt a szakasz eléri a folyáshatárt, és ennek megfelelően csökkenteni kell a tervezési kapacitást).

Üreges metszeteknél ez a besorolás közvetlenül a lapos felületek szélessége-/-vastagság aránya (SHS/RHS esetén) vagy az átmérő-:-vastagság aránya (CHS esetén). Egy vékony-falú, nagy-átmérőjű CHS vagy egy széles, vékony{7}}falú RHS ugyanolyan könnyen beleeshet egy vékony osztályozásba, mint ahogy egy vékony-karimás nyitott szakasz is - a zárt profil nem mentesít automatikusan egy szakaszt a helyi kihajlás ellenőrzése alól. Azoknak a mérnököknek, akik nagyobb, vékonyabb falú üreges metszeteket határoznak meg építészeti vagy hosszú fesztávú alkalmazásokhoz, kifejezetten ellenőrizniük kell a szakasz besorolását, nem pedig azt feltételezni, hogy az „üreges” „kompakt”-ot jelent. Ez az egyik leggyakrabban előforduló hiba az előzetes méretezés során, és csak akkor észlelhető, amikor végre lefut a részletes ellenőrzés.

Az üreges szelvények egyik valóban alábecsült előnye a tűztechnikában mutatkozik meg, nem a gravitációs vagy oldalirányú terhelési tervezésben.

A szerkezeti tűzvédelmi követelményeket alapvetően egy szakasz "szelvénytényezője" (- a fűtött kerület és a keresztmetszeti terület aránya-) határozza meg (gyakran Hp/A). Az alacsonyabb Hp/A arányú metszet lassabban melegszik fel tűz során, mivel arányosan kisebb a kitett felület, amely egy adott tömegű acélba viszi a hőt. Az olyan nyitott részek, mint az I-gerendák, szabaddá teszik a felületet a szövedék mindkét oldalán és mindkét karimán, mindegyik külön fűthető. Egy hasonló teherbírású üreges metszetnek gyakran alacsonyabb a Hp/A aránya egyszerűen azért, mert geometriája ugyanazt az acéltömeget koncentrálja egy kompaktabb, folytonos szabad felület mögé.

A gyakorlati következmény az, hogy az üreges profilelemek néha elérhetik a szükséges tűzállósági besorolást vékonyabb duzzadó bevonattal vagy kevesebb tűzvédelmi anyaggal, mint az azonos tervezési terhelést hordozó nyitott szakasz - valós költség- és súlymegtakarítás, ami ritkán jelenik meg az általános marketinganyagokban, mivel ennek bizonyítása egy szakasz-specifikus számítást igényel, nem pedig egy általános állítást, amely minden méretre és alkalmazásra egységesen érvényes.

Ez az a pont, ahol az üreges szelvények elveszítik a másutt megszerzett előnyük egy részét, és ez több figyelmet érdemel a specifikációs döntéseknél, mint általában.

A nyitott részek lapos, hozzáférhető karimát és bordás felületeket kínálnak, amelyek egyszerűvé teszik a csavarkötéseket - a csatlakozólemezek szabványos hézagokkal és szabványos részletekkel közvetlenül a karimához csavarozhatók. Az üreges szelvények zárt jellegüknél fogva nem kínálják ugyanazt a hozzáférhető felületet a hagyományos csavarkötésekhez további hardver nélkül: a csavarozáshoz hozzá kell férni a cső belsejéhez (a szerkezet összeszerelése után gyakran lehetetlen), a felületre szerelt csavarkötésekhez pedig jellemzően karimás lemezekre, kupaklemezekre vagy vak{4}}szelvényű csavarrendszerekre van szükség.

A hegesztett csatlakozásoknak megvan a maguk összetettsége. Ahol az üreges profilelemek egy rácsos csomópontnál - egy K, T, Y vagy X csatlakozásnál találkoznak a rácsos tartószerkezetben -, a csatlakozás nem csupán két cső egymáshoz hegesztésének kérdése. A húrfelületet a csatlakozásnál ellenőrizni kell a bejövő merevítőelem koncentrált terhelése alatti lyukasztási nyírás és helyi képlékenyülés szempontjából, követve az EN 1993-1-8 szabvány 7. szakaszában szereplő előírásokat vagy a kifejezetten a csőkötések tervezésére kifejlesztett CIDECT tervezési útmutatókat. Ezek az ellenőrzések valóban többet igényelnek, mint egy szabványos nyitott metszetű csatlakozási terv, és ennek a bonyolultságnak a tervezési szakaszban történő alábecsülése az egyik leggyakoribb forrása a csőrácsos projektek késői fázisú újratervezésének.

Mindezek egyike sem teszi kivitelezhetetlenné az üreges keresztmetszetű csatlakozásokat - a csőtartókat világszerte sikeresen építik -, de ez azt jelenti, hogy a gyártási és csatlakozási tervezési költségeket össze kell vetni magával a szelvényből származó anyaghatékonysággal, ahelyett, hogy azt feltételeznénk, hogy az üreges profil minden esetben egyértelmű költségnyereség.

A fentieket figyelembe véve érdemes tisztában lenni azzal kapcsolatban, hogy hol marad a jobb választás egy I-gerenda vagy csatorna: az elsődleges hajlítóelemek, ahol a terhelés túlnyomórészt egy tengely körül van, és ahol ez a tengely a szerkezet geometriája alapján ismert és rögzíthető - egy tipikus födémet alátámasztó födémgerenda például egy I tengely körül hajlik { csak az egyik tengely körül, és} a semleges tengelytől, hatékonyabb a tiszta egytengelyű hajlításban, mint a zárt kerületen elosztott üreges szelvény anyaga.

A nyitott szakaszok általában olcsóbban is csatlakoztathatók, amint azt fentebb tárgyaltuk, és szélesebb körben elérhetők a szabványos hengerelt méretek szélesebb skálájában, nagyon nagy, mély elemekhez, mint az üreges szakaszok. Egy egyszerű padlógerendánál általában az I-szelvény marad a gazdaságosabb specifikáció; többirányú terhelésnek kitett oszlop, összenyomott és esetleges csavarás alatt álló merevítő elem vagy térkeretben lévő rácsos húr esetén az üreges szakasz jellemzően nyer az anyaghatékonyság és sok esetben a tűzállóság szempontjából is.

 

 

 

 

Az üreges és nyitott szakaszok közötti választás nem attól függ, hogy valaki kategorikusan jobb legyen -, hanem a metszet geometriájának a tag által tapasztalt tényleges terhelési esethez való igazítása. Egy szerkezetmérnök, aki ezt a döntést mérlegeli, valóban azt kérdezi: ez a tag egyetlen előre látható irányból lát terhelést, vagy több irányból és esetleg torziót? A helyi kihajlási besorolás szabályozza-e a tervezést a vizsgált falvastagságoknál? Mennyibe kerül valójában a csatlakozás kialakítása, ha beleszámítanak a karimás lemezek, a sapkalemezek vagy a csőkötések ellenőrzésébe, nem csak magának az acélnak a tonnánkénti árát-?

Ha ezt a specifikáció szakaszában - alkalmazzuk, ahelyett, hogy alapértelmezés szerint alkalmaznánk a szokást vagy bármely szakasztípust, amelyet egy múltbeli projektben használtak -, akkor valódi anyag- és költségmegtakarítás érhető el a szerkezeti acélprojekteknél, és érdemes minden új szerkezetet felülvizsgálni, nem pedig azt feltételezni, hogy az előző projekt szakaszválasztása továbbra is érvényes.

Lépjen kapcsolatba most