Hvorfor vælger bygningsingeniører hule sektioner?

Gå ind på næsten enhver moderne byggeplads med-stålramme, og du vil se hule sektioner udføre arbejde, som åbne profiler som I-bjælker og kanaler simpelthen ikke kan gøre så effektivt: at stå som slanke, blotlagte søjler i et glasatrium, der danner den diagonale afstivning i en seismisk ramme, eller bærer torsionsbroen ind i en buet fodbro. Præferencen er ikke æstetisk. Det kommer ned til en håndfuld konstruktionstekniske principper, som de fleste indkøbsteams aldrig ser diskuteret, men som stille og roligt bestemmer, hvorfor en specifikation kræver SHS, RHS eller CHS i første omgang.

Denne artikel ser på de faktiske tekniske årsager til, at hule sektioner udkonkurrerer åbne profiler i specifikke belastningstilfælde - og, lige så vigtigt, hvor en I-bjælke eller kanal stadig er det mere effektive og økonomiske valg. At forstå begge sider af denne sammenligning er det, der adskiller en ægte informeret specifikation fra en standardvane.

Den største enkeltstående strukturelle fordel ved en hul sektion kommer ned til ét tal: svingningsradius.

En åben sektion som en bred-flange I-stråle har to meget forskellige gyrationsradier -, en omkring dens stærke akse, en omkring dens svage akse, der ofte adskiller sig med en faktor på to eller mere. Det betyder, at en I-sektionssøjle kun er så stærk som dens svageste knækretning, og hvis et element udsættes for belastning eller vindtryk fra flere retninger, skal ingeniøren designe omkring den svagere akse, uanset hvor meget stærkere den anden akse kan være.

En firkantet eller cirkulær hul sektion har derimod en ens (eller meget tæt på lige) gyrationsradius i alle retninger. Der er ingen "svag akse". For en søjle, der skal modstå bøjning under trykbelastning påført fra uforudsigelige eller multi{2}}retningsbestemte kilder -, som beskriver en stor andel af reelle bygningssøjler, især i åbne grundplaner uden afstivende vægge for at definere en dominerende belastningsretning - alene gør denne geometriske egenskab ofte en hul sektion til en åben sektion, som er lettere end et ækvivalent materiale,- fordi "spild" giver styrke i en retning, strukturen ikke har brug for så meget.

Det er også grunden til, at hule sektioner dominerer som kompressionselementer i rumrammer og gitter-bindingsværker: Hvert diagonalt og lodret element i et 3D-fagværkssystem oplever belastning fra en anden orientering, og en sektion med ensartet modstand i alle retninger er strukturelt effektiv på en måde, som en I--sektion grundlæggende ikke kan matche uden tilføjet materiale.

Vis billede

Hvis gyrationsradius er den subtile fordel, er vridningsstivhed den dramatiske -, og det er uden tvivl den mest undervurderede grund til, at hule sektioner bliver specificeret for visse medlemmer.

Åbne sektioner modstår torsion primært gennem vridning og en relativt svag St. Venant torsionskonstant, fordi en åben tynd-væggede form simpelthen ikke har en kontinuerlig belastningsbane rundt om sin omkreds for at kunne transportere forskydningsflow effektivt. En lukket sektion - enhver hul sektion - modstår torsion gennem forskydningsstrøm, der løber kontinuerligt rundt om den lukkede omkreds, hvilket er en dramatisk stivere mekanisme. Rent praktisk kan en lukket hul sektion have en torsionskonstant en størrelsesorden højere end en åben sektion af sammenlignelig størrelse og vægt.

Dette har direkte betydning for medlemmer, der ser en meningsfuld torsionsbelastning: buede brodragere, kranbanebjælker, der udsættes for excentriske hjulbelastninger, spandrel-bjælker, der understøtter excentriske gulvbelastninger langs en bygnings perimeter, og ethvert element i en struktur, hvor belastningen ikke påføres rent gennem forskydningscentret. Angivelse af en åben sektion til en virkelig torsions-kritisk anvendelse betyder normalt, at man tilføjer afstivninger, membraner eller overdimensionerer elementet for at kompensere for - ekstra fremstillings- og materialeomkostninger, som en hul sektion ofte undgår med geometri alene.

 

PROCES til BORING AF HUL

HUL AFSNIT BEHANDLING

Bearbejdning af runde stålrør

Intet af dette betyder, at hule sektioner er ubetinget overlegne, og det er her en mere nuanceret, mindre almindeligt diskuteret pointe kommer ind: lokal knækadfærd.

Designkoder - EN 1993-1-1 i Europa, AISC 360 i USA - klassificerer strukturelle sektioner (åbne og lukkede ens) efter bredden-til-tykkelsen eller diameter-til-tykkelse-forholdet af deres individuelle plader eller vægelementer, der rækker fra plastik til fuld kapacitet (fra plastik til fulde kapaciteter). og opretholde rotation for plastikdesign) gennem "slank" (hvor lokal knækning forekommer, før sektionen når udbytte, og designkapaciteten skal reduceres tilsvarende).

For hule sektioner er denne klassifikation direkte knyttet til forholdet mellem bredde-til-tykkelse af de flade flader (for SHS/RHS) eller diameter-til-tykkelsesforholdet (for CHS). En tynd-væget CHS med stor-diameter eller en bred, tynd-væg RHS kan falde ind i en slank klassificering lige så let, som en tynd-åben sektion med flange kan - den lukkede profil fritager ikke automatisk en sektion fra lokal bukningskontrol. Ingeniører, der specificerer større, tyndere-væggede hule sektioner til arkitektoniske eller lange-applikationer, skal bekræfte sektionens klassificering eksplicit i stedet for at antage, at "hul" betyder "kompakt". Dette er en af ​​de mere almindelige forglemmelser i foreløbig dimensionering, der kun fanges, når en detaljeret kontrol endelig udføres.

En virkelig underdiskuteret fordel ved hule sektioner viser sig i brandteknik, ikke tyngdekraft eller sidebelastningsdesign.

Strukturelle brandbeskyttelseskrav er i det væsentlige drevet af en sektions "sektionsfaktor" - forholdet mellem opvarmet perimeter og tværsnitsareal (ofte skrevet Hp/A). En sektion med et lavere Hp/A-forhold opvarmes langsommere under en brand, fordi der er forholdsmæssigt mindre udsat overfladeareal, der driver varme ind i en given stålmasse. Åbne sektioner som I-bjælker afslører overfladeareal på begge sider af banen og begge flanger, alle separat opvarmet. En hul sektion med sammenlignelig belastningskapacitet har ofte et lavere Hp/A-forhold, blot fordi dens geometri koncentrerer den samme stålmasse bag en mere kompakt, kontinuerlig eksponeret overflade.

Den praktiske konsekvens er, at hule sektionselementer nogle gange kan opnå en påkrævet brandmodstandsgrad med en tyndere opsvulmende belægning eller mindre brandbeskyttende materiale end en åben sektion, der bærer den samme designbelastning - en reel omkostnings- og vægtbesparelse, der sjældent optræder i almindeligt markedsføringsmateriale, fordi det kræver en sektions-specifik beregning at demonstrere, ikke en generel påstand, der gælder ensartet på tværs af enhver størrelse og anvendelse.

Dette er det punkt, hvor hule sektioner mister noget af den fordel, de opnår andre steder, og det fortjener mere opmærksomhed i specifikationsbeslutninger, end det normalt får.

Åbne sektioner tilbyder flade, tilgængelige flange- og weboverflader, der gør boltede forbindelser ligetil - en forbindelsesplade kan boltes direkte til en flange med standardafstande og standarddetaljer. Hule sektioner tilbyder i kraft af deres lukkede natur ikke den samme tilgængelige overflade for en konventionel boltforbindelse uden yderligere hardware: gennem-boltning kræver adgang til rørets indre (ofte umuligt, når strukturen er samlet), og overflade-monterede boltede forbindelser har typisk behov for flangeplader, hætteplader eller blinde-sektionssystemer.

Svejste forbindelser har deres egen kompleksitet. Hvor hule sektionselementer mødes ved en truss-knude - en K-, T-, Y- eller X-samling i gitterbjælkekonstruktion - er forbindelsen ikke kun et spørgsmål om at svejse to rør sammen. Kordefladen ved samlingen skal kontrolleres for stanseforskydning og lokal plastificering under den koncentrerede belastning fra det indgående afstivningselement, i overensstemmelse med designbestemmelser som dem i EN 1993-1-8 afsnit 7 eller CIDECT-designguiderne udviklet specifikt til design af rørformede samlinger. Disse kontroller er reelt mere involverede end et standard åbent sektions-forbindelsesdesign, og at undervurdere denne kompleksitet på designstadiet er en af ​​de mere almindelige kilder til sen-fase redesign på rørformede truss-projekter.

Intet af dette gør hulsektionsforbindelser upraktiske - rørformede spær er bygget med succes over hele verden -, men det betyder, at fabrikations- og forbindelsesdesignomkostningerne skal afvejes i forhold til den materialeeffektivitet, der opnås fra selve sektionen, snarere end at antage, at hulsektionen er en ligetil omkostningsgevinst i alle tilfælde.

I betragtning af alt ovenfor er det værd at være direkte om, hvor en I-bjælke eller kanal forbliver det bedste valg: primære bøjningselementer, hvor belastningen påføres overvejende om én akse, og hvor denne akse er kendt og fastgjort af strukturens geometri - en typisk gulvbjælke, der understøtter en plade, f.eks. bøjer kun om én akse i{2} materiale, flanger langt fra den neutrale akse, er mere effektiv i ren enakset bøjning end en hulsektions materiale fordelt rundt om en lukket omkreds.

Åbne sektioner er også generelt billigere at forbinde, som diskuteret ovenfor, og er mere tilgængelige i et bredere udvalg af standardvalsede størrelser til meget store, dybe elementer, end hule sektioner typisk er. For en ligetil gulvbjælke forbliver en I-sektion normalt den mere økonomiske specifikation; for en søjle udsat for belastning i flere-retninger, et afstivningselement under kompression og mulig vridning, eller en truss-akkord i en rumramme, vinder en hul sektion typisk både materialeeffektivitet og i mange tilfælde brandydeevne.

 

 

 

 

Valget mellem hule og åbne sektioner er ikke et spørgsmål om, at en er kategorisk overlegen - det er et spørgsmål om at matche sektionsgeometrien til det faktiske belastningstilfælde, medlemmet oplever. En konstruktionsingeniør, der vejer denne beslutning, spørger virkelig: Ser dette medlem belastning fra en enkelt forudsigelig retning eller fra flere retninger og muligvis vridning? Vil den lokale knækklassificering være styrende for designet ved de overvejede vægtykkelser? Hvad koster forbindelsesdesignet rent faktisk, når først flangeplader, dækplader eller kontrol af rørforbindelser er indregnet i stedet for blot pr-tonsprisen på selve stålet?

At få dette rigtigt på specifikationsstadiet - i stedet for at standardisere til vane eller hvilken sektionstype, et tidligere projekt tilfældigvis brugte -, er der, hvor reelle materiale- og omkostningsbesparelser kommer fra på et stålkonstruktionsprojekt, og det er en beslutning, der er værd at revidere med hver ny struktur i stedet for at antage, at det tidligere projekts sektionsvalg stadig gælder.

Kontakt nu