Proč si stavební inženýři vybírají duté profily?

Projděte se téměř na jakékoli moderní staveniště s ocelovou-konstrukcí a uvidíte, jak duté sekce vykonávají práci, kterou otevírají profily, jako jsou I-nosníky a kanály, prostě nemohou dělat tak efektivně: stojí jako štíhlé obnažené sloupy v proskleném atriu, tvoří diagonální výztuhu v seismickém rámu nebo přenášejí torzní zatížení v zakřivené lávce. Preference není estetická. Jde o hrstku principů stavebního inženýrství, o kterých většina týmů pro zadávání zakázek nikdy neviděla diskutovat, ale které tiše určují, proč specifikace vyžaduje SHS, RHS nebo CHS.

Tento článek se zabývá skutečnými technickými důvody, proč duté profily překonávají otevřené profily v konkrétních zatěžovacích stavech -, a co je neméně důležité, tam, kde je I-nosník nebo kanál stále účinnější a ekonomičtější volbou. Pochopení obou stran tohoto srovnání je to, co odděluje skutečně informovanou specifikaci od výchozího zvyku.

Jediná největší konstrukční výhoda dutého profilu spočívá v jediném čísle: poloměru otáčení.

Otevřená část, jako je široký-přírubový I-nosník, má dva velmi odlišné poloměry otáčení -, jeden kolem své silné osy a druhý kolem slabé osy, které se často liší o faktor dva nebo více. To znamená, že sloup I-profilu je pouze tak silný, jak silný je jeho nejslabší směr vybočení, a pokud je prvek vystaven zatížení nebo tlaku větru z více směrů, musí konstruktér navrhnout kolem slabší osy bez ohledu na to, o kolik silnější může být druhá osa.

Čtvercový nebo kruhový dutý úsek má naopak stejný (nebo velmi blízký stejný) poloměr otáčení v každém směru. Neexistuje žádná „slabá osa“. U sloupu, který potřebuje odolat vybočení při tlakovém zatížení aplikovaném z nepředvídatelných nebo vícesměrných zdrojů -, což popisuje velký podíl skutečných sloupů budov, zejména v otevřených půdorysech bez vyztužení stěn pro definování dominantního směru zatížení - tato geometrická vlastnost sama o sobě často činí dutý profil lehčím než ekvivalentní-kapacitní, protože materiál ve směru otevřeného průřezu „nepotřebuje žádnou pevnost, protože nepotřebuje žádnou pevnost hodně.

To je také důvod, proč duté profily dominují jako kompresní prvky v prostorových rámech a příhradových vaznících: každý diagonální a vertikální prvek v 3D příhradovém systému je vystaven zatížení z jiné orientace a sekce s rovnoměrným odporem ve všech směrech je konstrukčně účinná způsobem, jakým se I-profil bez přidaného materiálu v zásadě nemůže vyrovnat.

Zobrazit obrázek

Pokud je poloměr otáčení jemnou výhodou, torzní tuhost je dramatická - a je to pravděpodobně nejvíce nedoceněný důvod, proč jsou duté profily specifikovány pro určité prvky.

Otevřené sekce odolávají kroucení především díky deformaci a relativně slabé St. Venantově torzní konstantě, protože otevřený tenkostěnný-tvar jednoduše nemá po svém obvodu souvislou dráhu zatížení, která by účinně přenášela smykový tok. Uzavřená sekce - jakákoli dutá sekce - odolává kroucení prostřednictvím smykového proudění probíhajícího nepřetržitě kolem uzavřeného obvodu, což je výrazně tužší mechanismus. V praxi může mít uzavřená dutá sekce torzní konstantu o řád vyšší než otevřená sekce srovnatelné velikosti a hmotnosti.

To je důležité přímo u prvků, které vidí smysluplné torzní zatížení: zakřivené mostní nosníky, nosníky jeřábové dráhy vystavené excentrickému zatížení kol, parapetní nosníky nesoucí excentrická zatížení podlahy podél obvodu budovy a jakýkoli prvek v konstrukci, kde zatížení nepůsobí čistě přes střed smyku. Určení otevřeného průřezu pro skutečně torzní-kritickou aplikaci obvykle znamená přidání výztuh, membrán nebo předimenzování prvku, aby se kompenzovaly - dodatečné výrobní a materiálové náklady, kterým se dutý průřez často vyhýbá jen díky geometrii.

 

PROCES VRTÁNÍ OTVORŮ

ZPRACOVÁNÍ DUTÝCH PRŮŘEZŮ

Zpracování kulatých ocelových trubek

Nic z toho neznamená, že duté profily jsou bezpodmínečně lepší, a to je místo, kde přichází na řadu jemnější, méně často diskutovaný bod: místní vzpěrné chování.

Návrhové kódy - EN 1993-1-1 v Evropě, AISC 360 v USA - klasifikují konstrukční části (otevřené i uzavřené) podle šířky-k-tloušťce nebo poměru průměru k tloušťce jejich jednotlivých deskových nebo stěnových prvků a do tříd sahajících od "plné kapacity pro plastický design" zhruba od ") komprimace "štíhlý" (kde dojde k místnímu vybočení dříve, než průřez dosáhne kluzu, a návrhová nosnost musí být odpovídajícím způsobem snížena).

U dutých profilů je tato klasifikace přímo vázána na poměr šířky -k{1}}tloušťce plochých ploch (pro SHS/RHS) nebo poměr průměru -k{3}}tloušťce (pro CHS). Tenkostěnný, velký-průměr CHS nebo široký,{7}}tenkostěnný RHS může spadat do štíhlé klasifikace stejně snadno jako tenká{8}}přírubová otevřená sekce - uzavřený profil automaticky nevyjímá sekci z místních kontrol vzpěru. Inženýři, kteří specifikují větší a tenčí -duté sekce se stěnami pro architektonické aplikace nebo aplikace s dlouhým rozpětím, musí klasifikaci sekce explicitně ověřit, nikoli předpokládat, že „dutý“ znamená „kompaktní“. Toto je jeden z častějších nedopatření v předběžném dimenzování, který se zachytí pouze tehdy, když je konečně spuštěna podrobná kontrola.

Jedna skutečně málo diskutovaná výhoda dutých profilů se ukazuje v požárním inženýrství, nikoli gravitační nebo boční zatížení.

Požadavky na požární ochranu konstrukcí jsou v podstatě řízeny „faktorem průřezu“ sekce - poměrem vyhřívaného obvodu k průřezové- ploše (často psáno Hp/A). Sekce s nižším poměrem Hp/A se během požáru zahřívá pomaleji, protože je zde úměrně méně exponované povrchové plochy přivádějící teplo do dané hmoty oceli. Otevřené sekce, jako jsou I-nosníky, odhalují povrchovou plochu na obou stranách pásu a obou přírub, vše samostatně vyhřívané. Dutý profil se srovnatelnou nosností má často nižší poměr Hp/A jednoduše proto, že jeho geometrie soustřeďuje stejnou ocelovou hmotu za kompaktnější, souvislý exponovaný povrch.

Praktickým důsledkem je, že duté profily mohou někdy dosáhnout požadovaného stupně požární odolnosti s tenčím intumescentním povlakem nebo menším množstvím protipožárního materiálu než s otevřeným profilem se stejným návrhovým zatížením -, což je skutečná úspora nákladů a hmotnosti, která se v obecných marketingových materiálech objevuje jen zřídka, protože k prokázání vyžaduje konkrétní -výpočet, nikoli obecné tvrzení, které platí jednotně pro každou velikost a aplikaci.

Toto je bod, kde duté profily ztrácejí část výhody, kterou získávají jinde, a zaslouží si více pozornosti při rozhodování o specifikaci, než se mu obvykle dostává.

Otevřené profily nabízejí ploché, přístupné povrchy přírub a žeber, díky nimž jsou šroubové spoje přímočaré - spojovací desku lze přišroubovat přímo k přírubě se standardními vůlemi a standardními detaily. Duté profily díky své uzavřené povaze nenabízejí stejný přístupný povrch pro konvenční šroubové spoje bez dalšího hardwaru: průchozí-šroubování vyžaduje přístup do vnitřku trubky (často nemožné, když je konstrukce smontována), a šroubové spoje namontované na povrchu -obvykle potřebují přírubové desky, krycí desky nebo slepé-šroubové systémy speciálně navržené pro uzavřené sekce.

Svařované spoje mají svou vlastní složitost. Tam, kde se prvky dutých profilů setkávají v uzlu příhradového nosníku - ve spoji K, T, Y nebo X v konstrukci příhradového nosníku -, není spojení pouze záležitostí svařování dvou trubek dohromady. Čelo tětivy ve spoji musí být zkontrolováno na smyk protlačení a místní plastifikaci pod koncentrovaným zatížením z přicházejícího výztuhy, podle konstrukčních ustanovení, jako jsou ustanovení v EN 1993-1-8, oddíl 7 nebo návrhové příručky CIDECT vyvinuté speciálně pro návrh trubkového spoje. Tyto kontroly jsou skutečně náročnější než standardní návrh spojení s otevřeným průřezem a podcenění této složitosti ve fázi návrhu je jedním z častějších zdrojů přepracování v pozdní fázi u projektů trubkových vazníků.

Nic z toho nečiní spojení dutými sekcemi nepraktické - trubkové nosníky jsou úspěšně stavěny po celém světě -, ale to znamená, že náklady na výrobu a návrh spojení je třeba porovnat s materiálovou efektivitou získanou ze samotné sekce, spíše než předpokládat, že dutá sekce je v každém případě přímou cenou.

Vzhledem ke všemu výše uvedenému stojí za to být přímo, kde I-nosník nebo kanál zůstává lepší volbou: primární ohybové prvky, kde zatížení působí převážně kolem jedné osy a kde je tato osa známá a pevná geometrií konstrukce - typický podlahový nosník podpírající desku, například, se ohýbá pouze kolem jedné osy, a I{2} materiál je koncentrovaný z neutrálního přírubu{2} účinnější při čistě jednoosém ohýbání než materiál dutých profilů rozmístěný po uzavřeném obvodu.

Otevřené sekce jsou také obecně levnější na spojování, jak bylo diskutováno výše, a jsou šířeji dostupné v širším rozsahu standardních válcovaných velikostí pro velmi velké, hluboké prvky, než jsou obvykle duté sekce. U přímého podlahového nosníku zůstává I-sekce obvykle ekonomičtější specifikací; u sloupu vystaveného vícesměrnému-zatížení, výztužného prvku pod tlakem a možným kroucením nebo příhradového nosníku v prostorovém rámu obvykle vítězí dutý profil jak z hlediska materiálové účinnosti, tak v mnoha případech z hlediska požárního výkonu.

 

 

 

 

Volba mezi dutými a otevřenými průřezy není záležitostí kategoricky lepšího průřezu -, jde o přizpůsobení geometrie průřezu skutečnému zatěžovacímu stavu, kterému prut čelí. Statik zvažující toto rozhodnutí se skutečně ptá: Vidí tento člen zatížení z jednoho předvídatelného směru, nebo z více směrů a případně zkroucení? Bude místní klasifikace vzpěru řídit návrh při uvažovaných tloušťkách stěn? Kolik skutečně stojí návrh spoje po započtení přírubových plechů, krycích plechů nebo trubkových spojů, nikoli pouze cena za -tunu samotné oceli?

Správné dosažení tohoto cíle ve fázi specifikace - namísto výchozího nastavení zvyku nebo jakéhokoli typu sekce, kterou minulý projekt náhodou použil -, je místo, kde se u projektu konstrukční oceli projeví skutečné úspory materiálu a nákladů, a je to rozhodnutí, které stojí za to znovu zvážit u každé nové konstrukce, než předpokládat, že stále platí výběr sekce předchozího projektu.

Kontaktujte nyní