Hvorfor velger konstruksjonsingeniører hule seksjoner?

Gå inn på nesten hvilken som helst moderne byggeplass med-stålramme, og du vil se hule seksjoner som utfører arbeid som åpne profiler som I-bjelker og kanaler rett og slett ikke kan gjøre like effektivt: å stå som slanke, eksponerte søyler i et glassatrium, som danner diagonalavstivningen i en seismisk ramme, eller bærer torsjonsbroen i en krum fotbro. Preferansen er ikke estetisk. Det kommer ned til en håndfull konstruksjonstekniske prinsipper som de fleste innkjøpsteam aldri ser diskutert, men som i det stille bestemmer hvorfor en spesifikasjon krever SHS, RHS eller CHS i utgangspunktet.

Denne artikkelen ser på de faktiske tekniske årsakene til at hule seksjoner overgår åpne profiler i spesifikke belastningstilfeller - og, like viktig, der en I-bjelke eller kanal fortsatt er det mer effektive og økonomiske valget. Å forstå begge sider av den sammenligningen er det som skiller en genuint informert spesifikasjon fra en standardvane.

Den største enkeltstående strukturelle fordelen med en hul seksjon kommer ned til ett tall: svingningsradius.

En åpen seksjon som en bred-flens I-bjelke har to svært forskjellige svingningsradier -, en om dens sterke akse, en om dens svake akse, ofte avvikende med en faktor på to eller mer. Det betyr at en I-seksjonskolonne bare er like sterk som dens svakeste knekkretning, og hvis et element utsettes for belastning eller vindtrykk fra flere retninger, må ingeniøren designe rundt den svakere aksen uavhengig av hvor mye sterkere den andre aksen kan være.

En firkantet eller sirkulær hul seksjon har derimot en lik (eller veldig nær lik) svingningsradius i alle retninger. Det er ingen "svak akse". For en søyle som trenger å motstå knekking under trykkbelastning påført fra uforutsigbare eller multi{2}}retningsbestemte kilder - som beskriver en stor andel av ekte bygningssøyler, spesielt i åpne gulvplaner uten avstivende vegger for å definere en dominerende lastretning - denne geometriske egenskapen alene gjør ofte en hul seksjon som er åpen seksjon-, fordi den er lettere enn en ekvivalent material "bortkastet" gir styrke i en retning strukturen ikke trenger så mye.

Dette er også grunnen til at hule seksjoner dominerer som kompresjonselementene i romrammer og gitterfagverk: hvert diagonalt og vertikalt element i et 3D-fagverkssystem opplever belastning fra en annen orientering, og en seksjon med jevn motstand i alle retninger er strukturelt effektiv på en måte som en I--seksjon i utgangspunktet ikke kan matche uten tilsatt materiale.

Vis bilde

Hvis svingningsradius er den subtile fordelen, er torsjonsstivhet den dramatiske - og det er uten tvil den mest undervurderte grunnen til at hule seksjoner blir spesifisert for visse medlemmer.

Åpne seksjoner motstår torsjon først og fremst gjennom vridning og en relativt svak St. Venant torsjonskonstant, fordi en åpen tynn-veggform rett og slett ikke har en kontinuerlig belastningsbane rundt omkretsen for å transportere skjærstrøm effektivt. En lukket seksjon - enhver hul seksjon - motstår torsjon gjennom skjærstrøm som løper kontinuerlig rundt den lukkede omkretsen, som er en dramatisk stivere mekanisme. Rent praktisk kan en lukket hulseksjon ha en torsjonskonstant en størrelsesorden høyere enn en åpen seksjon med sammenlignbar størrelse og vekt.

Dette har direkte betydning for medlemmer som ser meningsfull torsjonsbelastning: buede brobjelker, kranbanebjelker utsatt for eksentriske hjulbelastninger, spandrillbjelker som støtter eksentriske gulvbelastninger langs en bygnings omkrets, og ethvert element i en struktur der belastningen ikke påføres rent gjennom skjærsenteret. Å spesifisere en åpen seksjon for en virkelig torsjons-kritisk applikasjon betyr vanligvis å legge til avstivninger, membraner eller overdimensjonere elementet for å kompensere for - ekstra fabrikasjons- og materialkostnader som en hul seksjon ofte unngår med geometri alene.

 

PROSESS FOR BORING AV HULLM

HUL DELBEHANDLING

Behandling av runde stålrør

Ingenting av dette betyr at hule seksjoner er ubetinget overlegne, og det er her et mer nyansert, mindre ofte diskutert poeng kommer inn: lokal knekkatferd.

Designkoder - EN 1993-1-1 i Europa, AISC 360 i USA - klassifiserer strukturelle seksjoner (åpne og lukkede) etter bredden-til-tykkelsen eller diameter-til-tykkelse-forholdet til deres individuelle plater eller veggelementer som kan strekke seg til full kapasitet (fra plast til full kapasitet) og opprettholde rotasjon for plastdesign) gjennom "slank" (hvor lokal knekking oppstår før seksjonen når yield, og designkapasiteten må reduseres tilsvarende).

For hule seksjoner er denne klassifiseringen direkte knyttet til bredde-til-tykkelsesforholdet til de flate flatene (for SHS/RHS) eller diameter-til-tykkelsesforholdet (for CHS). En tynn-vegget, stor-diameter CHS eller en bred, tynn-vegget RHS kan falle inn i en slank klassifisering like lett som en tynn-åpen seksjon med flens kan - den lukkede profilen fritar ikke automatisk en seksjon fra lokale knekkingskontroller. Ingeniører som spesifiserer større, tynnere-veggede hule seksjoner for arkitektoniske applikasjoner eller lang{12}}applikasjoner, må bekrefte seksjonens klassifisering eksplisitt i stedet for å anta at "hul" innebærer "kompakt". Dette er en av de mer vanlige forglemmelsene i foreløpig dimensjonering, som bare fanges opp når en detaljert sjekk endelig er utført.

En genuint underdiskutert fordel med hule seksjoner viser seg i brannteknikk, ikke gravitasjons- eller sidelastdesign.

Krav til strukturell brannbeskyttelse er hovedsakelig drevet av en seksjons "seksjonsfaktor" - forholdet mellom oppvarmet omkrets og tverrsnittsareal (ofte skrevet Hp/A). En seksjon med et lavere Hp/A-forhold varmes opp saktere under en brann, fordi det er proporsjonalt mindre utsatt overflate som driver varme inn i en gitt masse stål. Åpne seksjoner som I-bjelker avslører overflatearealet på begge sider av banen og begge flensene, alle separat oppvarmet. En hul seksjon med sammenlignbar lastekapasitet har ofte et lavere Hp/A-forhold ganske enkelt fordi geometrien konsentrerer den samme stålmassen bak en mer kompakt, kontinuerlig eksponert overflate.

Den praktiske konsekvensen er at hule seksjonselementer noen ganger kan oppnå en nødvendig brannmotstandsvurdering med et tynnere oppblærende belegg eller mindre brannbeskyttende materiale enn en åpen seksjon som bærer samme designbelastning -, en reell kostnads- og vektbesparelse som sjelden vises i generelt markedsføringsmateriale fordi det krever en seksjons-spesifikk beregning for å demonstrere, ikke en generell påstand som gjelder jevnt for alle størrelser og bruksområder.

Dette er punktet hvor hule seksjoner mister noe av fordelen de oppnår andre steder, og det fortjener mer oppmerksomhet i spesifikasjonsbeslutninger enn det vanligvis får.

Åpne seksjoner tilbyr flate, tilgjengelige flens- og baneoverflater som gjør boltede forbindelser enkle - en koblingsplate kan boltes direkte til en flens med standardklaringer og standarddetaljer. Hule seksjoner, på grunn av sin lukkede natur, tilbyr ikke den samme tilgjengelige overflaten for en konvensjonell boltforbindelse uten ekstra maskinvare: gjennom-bolting krever tilgang til rørets indre (ofte umulig når strukturen er montert), og overflatemonterte-boltforbindelser trenger vanligvis flensplater, hetteplater eller blinde-spesifikt utformet for lukkede seksjonssystemer.

Sveisede forbindelser har sin egen kompleksitet. Der hule seksjonselementer møtes ved en fagverksnode - en K-, T-, Y- eller X-skjøt i gitterbjelkekonstruksjon - er forbindelsen ikke bare et spørsmål om å sveise sammen to rør. Kordeflaten ved skjøten må kontrolleres for stanseskjæring og lokal plastifisering under den konsentrerte belastningen fra det innkommende avstivningselementet, i henhold til designbestemmelser som de i EN 1993-1-8 Seksjon 7 eller CIDECT-designguidene utviklet spesielt for design av rørformede ledd. Disse kontrollene er virkelig mer involvert enn en standard åpen seksjons koblingsdesign, og å undervurdere denne kompleksiteten på designstadiet er en av de vanligste kildene til sent stadium redesign på rørformede fagverksprosjekter.

Ingenting av dette gjør hulseksjonsforbindelser upraktiske - rørformede fagverk bygges med suksess over hele verden -, men det betyr at fabrikasjons- og tilkoblingsdesignkostnadene må veies opp mot materialeffektiviteten som oppnås fra selve seksjonen, i stedet for å anta at hulseksjonen er en enkel kostnadsgevinst i alle tilfeller.

Gitt alt ovenfor, er det verdt å være direkte om hvor en I-bjelke eller kanal fortsatt er det beste valget: primære bøyeelementer der belastningen påføres hovedsakelig om én akse, og hvor den aksen er kjent og fiksert av strukturens geometri - en typisk gulvbjelke som støtter en plate, for eksempel bøyer om én akse kun i en akse,{2}, flenser langt fra den nøytrale aksen, er mer effektiv i ren uniaksial bøyning enn en hulseksjons materiale fordelt rundt en lukket omkrets.

Åpne seksjoner er også generelt billigere å koble til, som diskutert ovenfor, og er mer tilgjengelig i et bredere spekter av standard valsede størrelser for veldig store, dype elementer enn hule seksjoner vanligvis er. For en enkel gulvbjelke forblir en I-seksjon vanligvis den mer økonomiske spesifikasjonen; for en søyle utsatt for belastning i flere-retninger, et avstivningselement under kompresjon og mulig torsjon, eller en truss-akkord i en romramme, vinner en hul seksjon typisk både på materialeffektiviteten og i mange tilfeller brannytelsen.

 

 

 

 

Valget mellom hule og åpne seksjoner er ikke et spørsmål om at en er kategorisk overlegen - det er et spørsmål om å matche seksjonsgeometrien til det faktiske belastningstilfellet medlemmet opplever. En konstruksjonsingeniør som veier denne avgjørelsen, spør virkelig: ser dette medlemmet last fra en enkelt forutsigbar retning, eller fra flere retninger og muligens torsjon? Kommer lokal knekkklassifisering til å styre utformingen ved veggtykkelsene som vurderes? Hva koster egentlig koblingsdesignet når flensplater, hetteplater eller rørforbindelseskontroller er tatt med, i stedet for bare prisen per-tonn på selve stålet?

Å få dette riktig på spesifikasjonsstadiet - i stedet for å standardisere til vane eller hvilken seksjonstype et tidligere prosjekt tilfeldigvis brukte -, er der reelle material- og kostnadsbesparelser kommer fra på et strukturelt stålprosjekt, og det er en avgjørelse som er verdt å se på nytt for hver ny struktur i stedet for å anta at det forrige prosjektets seksjonsvalg fortsatt gjelder.

Ta kontakt nå