Per què els enginyers d'estructures trien seccions buides?

Camineu a gairebé qualsevol obra moderna d'estructura d'acer-i veureu seccions buides fent un treball que els perfils oberts com les bigues I-i els canals simplement no poden fer-ho amb tanta eficàcia: dempeus com columnes esveltes exposades en un atri de vidre, formant l'arriostrament diagonal en un marc sísmic o portant les càrregues de torsió en una passarel·la corba. La preferència no és estètica. Es redueix a un grapat de principis d'enginyeria estructural que la majoria dels equips de contractació no veuen discutits mai, però que determinen en silenci per què una especificació demana SHS, RHS o CHS en primer lloc.

Aquest article analitza els motius reals d'enginyeria pels quals les seccions buides superen els perfils oberts en casos de càrrega específics - i, el que és igual d'important, on una biga o canal en I-és encara l'opció més eficient i econòmica. Comprendre ambdós costats d'aquesta comparació és el que separa una especificació genuïnament informada d'un hàbit predeterminat.

L'avantatge estructural més gran d'una secció buida es redueix a un número: el radi de gir.

Una secció oberta com una biga de-brida en I-ample té dos radis de giració molt diferents - un al voltant del seu eix fort, un al voltant del seu eix feble, que sovint difereixen en un factor de dos o més. Això vol dir que una columna de secció I- només és tan forta com la seva direcció més feble de pandeig, i si un membre està exposat a càrrega o pressió del vent des de diverses direccions, l'enginyer ha de dissenyar al voltant de l'eix més feble, independentment de la força que pugui ser l'altre eix.

Una secció buida quadrada o circular, en canvi, té un radi de gir igual (o molt proper) en totes les direccions. No hi ha cap "eix feble". Per a una columna que necessita resistir el pandeig sota càrrega de compressió aplicada a partir de fonts imprevisibles o multi-direccionals - que descriu una gran part de columnes reals d'edificis, especialment en plànols de planta oberts sense parets de reforç per definir una direcció de càrrega dominant - aquesta propietat geomètrica per si sola sovint fa que una secció buida sigui més lleugera que una secció buida equivalent perquè la secció oberta no té capacitat, perquè la secció oberta no té capacitat, proporcionant una "secció oberta sense capacitat" no necessita tant.

També és per això que les seccions buides dominen com a membres de compressió en marcs espacials i encavallades de gelosia: cada membre diagonal i vertical d'un sistema d'encavallada 3D experimenta càrrega des d'una orientació diferent, i una secció amb una resistència uniforme en totes les direccions és estructuralment eficient d'una manera que una secció I-, fonamentalment, no pot coincidir sense material afegit.

Mostra la imatge

Si el radi de gir és l'avantatge subtil, la rigidesa torsional és la dramàtica - i probablement és la raó per la qual s'especifiquen seccions buides per a determinats membres més poc apreciada.

Les seccions obertes resisteixen la torsió principalment a causa de la deformació i una constant de torsió de St. Venant relativament feble, perquè una forma oberta de paret fina-no té un camí de càrrega continu al voltant del seu perímetre per portar el flux de cisalla de manera eficient. Una secció tancada - qualsevol secció buida - resisteix la torsió a través del flux de cisalla que corre contínuament al voltant del perímetre tancat, que és un mecanisme espectacularment més rígid. En termes pràctics, una secció buida tancada pot tenir una constant de torsió un ordre de magnitud superior a una secció oberta de mida i pes comparables.

Això importa directament en els membres que veuen una càrrega de torsió significativa: bigues corbes del pont, bigues de la pista de grua subjectes a càrregues excèntriques de les rodes, bigues que suporten càrregues excèntriques del sòl al llarg d'un perímetre de l'edifici i qualsevol membre d'una estructura on la càrrega no s'aplica netament a través del centre de cisalla. Especificar una secció oberta per a una aplicació genuïnament crítica de torsió-acostuma a significar afegir reforços, diafragmes o sobredimensionar l'element per compensar - el cost addicional de fabricació i material que una secció buida sovint evita només amb la geometria.

 

PROCÉS DE PERFORAR

PROCESSACIÓ DE SECCIÓ BUIDA

Processament de tubs d'acer rodons

Res d'això vol dir que les seccions buides són incondicionalment superiors, i aquí és on entra un punt més matisat i menys discutit: el comportament de pandeig local.

Els codis de disseny - EN 1993-1-1 a Europa, AISC 360 als EUA - classifiquen les seccions estructurals (obertes i tancades per igual) per l'amplada-a-espessor o la relació diàmetre-espessor de les seves individuals plaques o elements que assoleixen la paret (des de les classes "completes de la placa o els elements de la paret" fins a les classes "completes" que poden assolir el gruix). capacitat i mantenir la rotació per al disseny plàstic) a través de "esvelt" (on es produeix un pandeig local abans que la secció assoleixi el rendiment, i la capacitat de disseny s'ha de reduir en conseqüència).

Per a les seccions buides, aquesta classificació està directament lligada a la relació d'amplada-a-espessor de les cares planes (per a SHS/RHS) o la relació diàmetre-a-espessor (per a CHS). Un CHS-de paret prima, de gran-diàmetre o un RHS de paret-ample i prima pot caure en una classificació esvelta amb la mateixa facilitat que una secció oberta-de brida prima - el perfil tancat no eximeix automàticament una secció de les comprovacions locals de pandeig. Els enginyers que especifiquen seccions buides de paret més grans i-més primes per a aplicacions arquitectòniques o de llarg-camp han de verificar la classificació de la secció de manera explícita en lloc de suposar que "buit" implica "compacte". Aquest és un dels descuits més habituals en el dimensionament preliminar, detectat només quan finalment s'executa un control detallat.

Un avantatge genuïnament poc discutit de les seccions buides apareix en l'enginyeria contra incendis, no en el disseny de la gravetat o de la càrrega lateral.

Els requisits estructurals de protecció contra incendis estan determinats substancialment pel "factor de secció" d'una secció - la relació entre el perímetre escalfat i l'àrea de la secció transversal-(sovint escrit Hp/A). Una secció amb una relació Hp/A més baixa s'escalfa més lentament durant un incendi, perquè hi ha proporcionalment menys superfície exposada que condueix la calor a una massa determinada d'acer. Les seccions obertes com les bigues I-exposen la superfície a banda i banda de la xarxa i les dues brides, tot escalfat per separat. Una secció buida de capacitat de càrrega comparable sovint té una relació Hp/A més baixa simplement perquè la seva geometria concentra la mateixa massa d'acer darrere d'una superfície exposada més compacta i contínua.

La conseqüència pràctica és que els membres de la secció buida de vegades poden assolir una qualificació de resistència al foc requerida amb un recobriment intumescent més prim o menys material de protecció contra incendis que una secció oberta amb la mateixa càrrega de disseny - un estalvi real de cost i pes que rarament apareix en el material de màrqueting general perquè requereix un càlcul específic de secció-per demostrar, no una afirmació general en totes les mides i aplicacions.

Aquest és el punt on les seccions buides perden part de l'avantatge que obtenen en altres llocs, i mereix més atenció en les decisions d'especificació del que sol rebre.

Les seccions obertes ofereixen superfícies de brida i web planes i accessibles que fan que les connexions cargolades siguin senzilles - una placa de connexió es pot cargolar directament a una brida amb espais lliures estàndard i detalls estàndard. Les seccions buides, per la seva naturalesa tancada, no ofereixen la mateixa superfície accessible per a una connexió cargolada convencional sense maquinari addicional: els-perns requereixen accés a l'interior del tub (sovint impossible una vegada que l'estructura està muntada) i les connexions cargolades muntades a la superfície-normalment necessiten plaques de brida, plaques de tapa o sistemes de perns-de secció cega dissenyats específicament per a sistemes de cargols.

Les connexions soldades porten la seva pròpia complexitat. Quan els membres de la secció buida es troben en un node d'armadura - una unió K, T, Y o X en la construcció de bigues de gelosia -, la connexió no és només una qüestió de soldar dos tubs junts. S'ha de comprovar la cara de la corda a l'articulació per tal de punxar i plastificar localment sota la càrrega concentrada de l'element de tirant entrant, seguint les disposicions de disseny com les de l'EN 1993-1{-8 Secció 7 o les guies de disseny CIDECT desenvolupades específicament per al disseny de juntes tubulars. Aquestes comprovacions són realment més implicades que un disseny estàndard de connexió de secció oberta, i subestimar aquesta complexitat en l'etapa de disseny és una de les fonts més habituals de redisseny en fase tardana en projectes d'encavallada tubular.

Res d'això fa que les connexions de secció buida siguin poc pràctiques - Les armadures tubulars es construeixen amb èxit a tot el món -, però sí que significa que el cost del disseny de la fabricació i la connexió s'ha de ponderar amb l'eficiència del material obtingut de la secció en si, en lloc de suposar que la secció buida és un guany de costos senzill en tots els casos.

Tenint en compte tot l'anterior, val la pena ser directe sobre on una-biga o canal segueix sent la millor opció: membres de flexió primaris on la càrrega s'aplica predominantment al voltant d'un eix, i on aquest eix es coneix i es fixa per la geometria de l'estructura - una biga de sòl típica que suporta una llosa, per exemple, es doblega al voltant d'un eix en un eix, només es concentra en un material i es concentra en un eix{2} des de l'eix neutre, és més eficient en la flexió uniaxial pura que el material d'una secció buida distribuïda al voltant d'un perímetre tancat.

Les seccions obertes també són generalment més barates de connectar, tal com s'ha comentat anteriorment, i estan més àmpliament disponibles en una gamma més àmplia de mides enrotllades estàndard per a membres molt grans i profunds que les seccions buides normalment. Per a una biga de terra senzilla, una secció I-normalment segueix sent l'especificació més econòmica; per a una columna exposada a una càrrega multi-direccional, un element de reforç sota compressió i possible torsió, o una corda d'armadura en un marc espacial, una secció buida normalment guanya tant l'eficiència del material com, en molts casos, el rendiment al foc.

 

 

 

 

L'elecció entre seccions buides i obertes no és qüestió de ser categòricament superior -, sinó de fer coincidir la geometria de la secció amb el cas de càrrega real que experimenta el membre. Un enginyer estructural que sospesa aquesta decisió realment es pregunta: aquest membre veu la càrrega des d'una única direcció predictible, o des de múltiples direccions i possiblement una torsió? La classificació local de pandeig regirà el disseny als gruixos de paret que es consideren? Què costa realment el disseny de la connexió un cop es tenen en compte les plaques de brida, les plaques de tapa o les comprovacions d'unió tubular, en lloc del preu per-tona de l'acer en si?

Aconseguir-ho bé en l'etapa d'especificació - en comptes d'haver predeterminat l'hàbit o qualsevol tipus de secció que un projecte passat va utilitzar - és el lloc d'on provenen els estalvis reals de material i costos en un projecte d'acer estructural, i és una decisió que val la pena revisar a cada estructura nova en lloc de suposar que l'elecció de la secció del projecte anterior encara s'aplica.

Contacta ara