Varför väljer konstruktionsingenjörer ihåliga sektioner?

Gå in på nästan alla moderna byggarbetsplatser med-stålram och du kommer att se ihåliga sektioner som gör arbete som öppna profiler som I-balkar och kanaler helt enkelt inte kan göra lika effektivt: att stå som smala exponerade pelare i ett glasatrium, forma diagonalstagen i en seismisk ram, eller bära den vridna fotbryggan i en krökt fotbro. Preferensen är inte estetisk. Det handlar om en handfull konstruktionstekniska principer som de flesta inköpsteam aldrig ser diskuterade, men som tyst avgör varför en specifikation kräver SHS, RHS eller CHS i första hand.

Den här artikeln tittar på de faktiska tekniska skälen till att ihåliga sektioner överträffar öppna profiler i specifika belastningsfall - och, lika viktigt, där en I-balk eller kanal fortfarande är det mer effektiva och ekonomiska valet. Att förstå båda sidorna av den jämförelsen är det som skiljer en genuint informerad specifikation från en standardvana.

Den enskilt största strukturella fördelen med en ihålig sektion kommer ner till ett nummer: svängningsradien.

En öppen sektion som en bred-fläns I-stråle har två mycket olika svängningsradier -, en kring sin starka axel, en kring sin svaga axel, som ofta skiljer sig med en faktor två eller mer. Det betyder att en I-sektionskolumn bara är lika stark som dess svagaste bucklingsriktning, och om ett element utsätts för belastning eller vindtryck från flera riktningar måste ingenjören designa runt den svagare axeln oavsett hur mycket starkare den andra axeln kan vara.

En kvadratisk eller cirkulär ihålig sektion, däremot, har en lika stor (eller mycket nära lika) rotationsradie i alla riktningar. Det finns ingen "svag axel". För en pelare som behöver motstå buckling under tryckbelastning som appliceras från oförutsägbara eller fler{2}}riktade källor - som beskriver en stor andel av verkliga byggnadspelare, särskilt i öppna planlösningar utan stagande väggar för att definiera en dominerande belastningsriktning - enbart denna geometriska egenskap gör ofta en ihålig sektion med öppen sektion - eftersom{100}{101} "slösat" ger styrka i en riktning som strukturen inte behöver lika mycket.

Det är också anledningen till att ihåliga sektioner dominerar som kompressionselement i rymdramar och gallerfackverk: varje diagonal och vertikal del i ett 3D-fackverkssystem upplever belastning från en annan orientering, och en sektion med enhetligt motstånd i alla riktningar är strukturellt effektiv på ett sätt som en I-sektion i grunden inte kan matcha utan tillsatt material.

Visa bild

Om vridningsradie är den subtila fördelen, är vridstyvheten den dramatiska - och det är utan tvekan den mest underskattade anledningen till att ihåliga sektioner specificeras för vissa medlemmar.

Öppna sektioner motstår vridning främst genom vridning och en relativt svag vridningskonstant för St. Venant, eftersom en öppen tunn-väggig form helt enkelt inte har en kontinuerlig belastningsbana runt sin omkrets för att transportera skjuvflöde effektivt. En stängd sektion - vilken som helst ihålig sektion - motstår vridning genom skjuvflöde som löper kontinuerligt runt den stängda omkretsen, vilket är en dramatiskt styvare mekanism. Rent praktiskt kan en sluten ihålig sektion ha en vridningskonstant som är en storleksordning högre än en öppen sektion av jämförbar storlek och vikt.

Detta har direkt betydelse för medlemmar som ser en meningsfull vridningsbelastning: krökta brobalkar, kranbalkar som utsätts för excentriska hjulbelastningar, spännbalkar som stöder excentriska golvbelastningar längs en byggnads omkrets, och alla element i en struktur där belastningen inte appliceras rent genom skjuvcentrumet. Att specificera en öppen sektion för en verkligt torsions-kritisk tillämpning innebär vanligtvis att man lägger till förstyvningar, membran eller överdimensionerar elementet för att kompensera - extra tillverknings- och materialkostnad som en ihålig sektion ofta undviker med enbart geometri.

 

PROCESS FÖR ATT BORRA HÅL

BEHANDLING AV HÅLA SNITT

Bearbetning av runda stålrör

Inget av detta betyder att ihåliga sektioner är ovillkorligt överlägsna, och det är här en mer nyanserad, mindre vanligt diskuterad punkt kommer in: lokalt bucklingsbeteende.

Designkoder - EN 1993-1-1 i Europa, AISC 360 i USA - klassificerar strukturella sektioner (öppna och stängda likadana) efter bredden-till-tjockleken eller diameter-till-tjocklek-förhållandet för deras individuella plåt eller väggelement som sträcker sig från räckvidd från plast till full kapacitet (i klasser som går att nå helt och bibehålla rotation för plastdesign) genom "slank" (där lokal buckling inträffar innan sektionen når avkastning, och designkapaciteten måste minskas i enlighet därmed).

För ihåliga sektioner är denna klassificering direkt kopplad till förhållandet bredd-till-tjocklek för de plana ytorna (för SHS/RHS) eller diametern-till-tjockleksförhållandet (för CHS). En tunn-väggig, stor-diameter CHS eller en bred, tunn-väggig RHS kan falla in i en smal klassificering lika lätt som en tunn-flänsad öppen sektion kan - den stängda profilen undantar inte automatiskt en sektion från lokala bucklingskontroller. Ingenjörer som specificerar större, tunnare-väggiga ihåliga sektioner för arkitektoniska eller långa-applikationer måste verifiera sektionens klassificering uttryckligen snarare än att anta att "ihålig" innebär "kompakt". Detta är ett av de vanligaste förbiseendena vid preliminär dimensionering, som bara upptäcks när en detaljerad kontroll slutligen körs.

En genuint underdiskuterad fördel med ihåliga sektioner dyker upp i brandteknik, inte gravitations- eller sidobelastningsdesign.

Krav på strukturellt brandskydd styrs huvudsakligen av en sektions "sektionsfaktor" - förhållandet mellan uppvärmd omkrets och tvärsnittsarea (ofta skrivet Hp/A). En sektion med ett lägre Hp/A-förhållande värms upp långsammare under en brand, eftersom det finns en proportionellt mindre exponerad yta som driver värme in i en given stålmassa. Öppna sektioner som I-balkar exponerar ytarean på båda sidor av banan och båda flänsarna, alla separat uppvärmda. En ihålig sektion med jämförbar lastkapacitet har ofta ett lägre Hp/A-förhållande helt enkelt för att dess geometri koncentrerar samma stålmassa bakom en mer kompakt, kontinuerlig exponerad yta.

Den praktiska konsekvensen är att ihåliga sektionselement ibland kan uppnå en erforderlig brandbeständighetsklassificering med en tunnare svällande beläggning eller mindre brandskyddsmaterial än en öppen sektion som bär samma designbelastning - en verklig kostnads- och viktbesparing som sällan förekommer i allmänt marknadsföringsmaterial eftersom det kräver en sektions-specifik beräkning att visa, inte ett allmänt påstående som gäller enhetligt för alla storlekar och applikationer.

Det här är punkten där ihåliga sektioner förlorar en del av fördelarna de får på andra håll, och det förtjänar mer uppmärksamhet i specifikationsbeslut än det vanligtvis får.

Öppna sektioner erbjuder plana, åtkomliga fläns- och banytor som gör bultanslutningar enkla - en anslutningsplatta kan skruvas direkt på en fläns med standardavstånd och standarddetaljer. Ihåliga sektioner, genom sin slutna karaktär, erbjuder inte samma åtkomliga yta för en konventionell bultförbindning utan extra hårdvara: genom-bultning kräver åtkomst till rörets inre (ofta omöjligt när strukturen väl har monterats), och ytmonterade-bultförband behöver vanligtvis flänsplattor, lockplattor eller blinda-specifika slutna sektionssystem.

Svetsade anslutningar har sin egen komplexitet. Där ihåliga sektionselement möts vid en fackverksnod - en K-, T-, Y- eller X-fog i gallerbalkkonstruktion - är anslutningen inte bara en fråga om att svetsa ihop två rör. Kordytan vid fogen måste kontrolleras med avseende på stansskjuvning och lokal plastifiering under den koncentrerade belastningen från det inkommande stödelementet, enligt konstruktionsbestämmelser som de i EN 1993-1-8 avsnitt 7 eller CIDECT-designguiderna som utvecklats specifikt för rörformig konstruktion. Dessa kontroller är verkligen mer inblandade än en vanlig öppen sektionsdesign, och att underskatta denna komplexitet på designstadiet är en av de vanligaste källorna till sena omkonstruktioner på rörformade fackverksprojekt.

Inget av detta gör anslutningar av ihåliga sektioner opraktiska - rörformade takstolar byggs framgångsrikt över hela världen - men det betyder att tillverknings- och anslutningsdesignkostnaden måste vägas mot materialeffektiviteten som erhålls från själva sektionen, snarare än att anta att ihålig sektion är en enkel kostnadsvinst i alla fall.

Med tanke på allt ovan är det värt att vara direkt om var en I-balk eller kanal fortfarande är det bästa valet: primära bockningselement där belastningen appliceras övervägande kring en axel, och där den axeln är känd och fixerad av strukturens geometri - en typisk golvbalk som stöder en platta, t.ex. böjer sig runt en axel i endast en axel,{2} flänsar långt från den neutrala axeln, är effektivare vid ren enaxlig bockning än en ihålig sektions material fördelat runt en sluten omkrets.

Öppna sektioner är också i allmänhet billigare att ansluta, som diskuterats ovan, och är mer allmänt tillgängliga i ett bredare utbud av standardvalsade storlekar för mycket stora, djupa element än ihåliga sektioner vanligtvis är. För en enkel golvbalk är en I-sektion vanligtvis den mer ekonomiska specifikationen; för en pelare som utsätts för belastning i flera riktningar, ett stödelement under kompression och eventuell vridning, eller ett fackverkskorda i en rymdram, vinner en ihålig sektion vanligtvis både på materialeffektiviteten och i många fall brandprestanda.

 

 

 

 

Valet mellan ihåliga och öppna sektioner är inte en fråga om att en är kategoriskt överlägsen - det är en fråga om att matcha sektionsgeometrin till det faktiska belastningsfallet som medlemmen upplever. En konstruktionsingenjör som väger detta beslut frågar verkligen: ser denna medlem last från en enda förutsägbar riktning, eller från flera riktningar och möjligen vridning? Kommer lokal bucklingsklassificering att styra utformningen vid de väggtjocklekar som övervägs? Vad kostar anslutningsdesignen egentligen när flänsplåtar, lockplåtar eller rörförbandskontroller är inräknade, snarare än bara priset per-ton på själva stålet?

Att få det här rätt i specifikationsstadiet - istället för att som vana eller vilken sektionstyp som helst som ett tidigare projekt råkade använda - är där verkliga material- och kostnadsbesparingar kommer från på ett stålkonstruktionsprojekt, och det är ett beslut som är värt att se över varje ny struktur snarare än att anta att det tidigare projektets sektionsval fortfarande gäller.

Kontakta nu