Почему инженеры-строители выбирают полые профили?

Зайдите практически на любую строительную площадку со стальным-каркасом, и вы увидите, как полые секции выполняют работу, которую открытые профили, такие как двутавровые балки и швеллеры, просто не могут выполнять так же эффективно: они стоят в виде тонких открытых колонн в стеклянном атриуме, образуют диагональные связи в сейсмической раме или несут скручивающие нагрузки в изогнутом пешеходном мосту. Предпочтение не эстетическое. Все сводится к нескольким принципам структурного проектирования, которые большинство отделов закупок никогда не обсуждают, но которые незаметно определяют, почему спецификация вообще требует использования SHS, RHS или CHS.

В этой статье рассматриваются реальные инженерные причины, по которым полые профили превосходят открытые профили в определенных случаях нагрузки - и, что не менее важно, когда двутавровая балка или швеллер по-прежнему являются более эффективным и экономичным выбором. Понимание обеих сторон этого сравнения — вот что отличает действительно обоснованную спецификацию от привычки по умолчанию.

Самое большое конструктивное преимущество полой секции сводится к одному числу: радиусу вращения.

Открытое сечение, такое как широкий -полочный двутавр-балка, имеет два очень разных радиуса вращения -: один вокруг сильной оси, другой вокруг слабой оси, часто отличающиеся в два и более раз. Это означает, что колонна двутаврового сечения имеет такую ​​же прочность, как и ее самое слабое направление изгиба, и если элемент подвергается нагрузке или давлению ветра с нескольких направлений, инженер должен проектировать вокруг более слабой оси, независимо от того, насколько сильнее может быть другая ось.

Квадратное или круглое полое сечение, напротив, имеет одинаковый (или очень близкий к равному) радиус вращения во всех направлениях. Не существует «слабой оси». Для колонны, которая должна противостоять короблению под действием сжимающей нагрузки, приложенной от непредсказуемых или разнонаправленных источников -, -, что описывает большую долю реальных колонн зданий, особенно в открытых планах этажей без распорных стен, чтобы определить доминирующее направление нагрузки -, само по себе это геометрическое свойство часто делает полую секцию легче, чем открытая секция эквивалентной-емкости, поскольку ни один из материалов не "растрачивается впустую", обеспечивая прочность в направлении, в котором конструкция не нуждается в такой большой степени.

Именно поэтому полые профили доминируют в качестве сжимающих элементов в пространственных рамах и решетчатых фермах: каждый диагональный и вертикальный элемент в трехмерной ферменной системе испытывает нагрузку с разной ориентации, а секция с одинаковым сопротивлением во всех направлениях структурно эффективна в том смысле, что двутавровое сечение принципиально не может соответствовать этому без добавления материала.

Показать изображение

Если радиус вращения является тонким преимуществом, то жесткость на кручение является существенным -, и это, возможно, самая недооцененная причина, по которой для некоторых элементов назначаются полые секции.

Открытые секции противостоят кручению в первую очередь за счет деформации и относительно слабой крутильной постоянной Сен-Венана, поскольку открытая тонкостенная форма просто не имеет непрерывного пути нагрузки по периметру, чтобы эффективно переносить сдвиговый поток. Закрытая секция - любая полая секция - сопротивляется кручению за счет сдвигового потока, непрерывно протекающего по замкнутому периметру, что представляет собой значительно более жесткий механизм. На практике закрытое полое сечение может иметь постоянную кручения на порядок выше, чем открытое сечение сопоставимого размера и веса.

Это имеет непосредственное значение для элементов, которые испытывают значительную скручивающую нагрузку: изогнутые мостовые балки, балки подкрановых путей, подвергающиеся эксцентричным нагрузкам от колес, балки перекрытия, поддерживающие эксцентрические нагрузки на перекрытие по периметру здания, и любой элемент в конструкции, где нагрузка не прилагается четко через центр сдвига. Выбор открытой секции для действительно критического к кручению- приложения обычно означает добавление ребер жесткости, диафрагм или увеличение размера элемента, чтобы компенсировать - дополнительные затраты на изготовление и материалы, которых полая секция часто позволяет избежать только за счет геометрии.

 

ПРОЦЕСС СВЕРЛЕНИЯ ОТВЕРСТИЯ

ОБРАБОТКА ПОЛОСТИХ СЕКЦИЙ

Обработка круглых стальных труб

Ничто из этого не означает, что полые профили безоговорочно превосходят друг друга, и здесь возникает более тонкий и менее часто обсуждаемый момент: поведение при локальном короблении.

Нормы проектирования - EN 1993-1-1 в Европе, AISC 360 в США - классифицируют секции конструкции (как открытые, так и закрытые) по ширине-к-толщине или соотношению диаметра к толщине отдельных пластин или стеновых элементов на классы примерно от "компактных" (способных достигать полного пластического момента и поддерживать вращение для пластиковой конструкции) до "тонких" (когда местное выпучивание происходит до того, как секция достигнет предела текучести, и расчетная мощность должна быть соответственно уменьшена).

Для полых профилей эта классификация напрямую связана с соотношением ширины-к-толщине плоских поверхностей (для SHS/RHS) или отношением диаметра-к-толщине (для CHS). Тонкостенная-стенная, большого-диаметра CHS или широкая, тонкостенная-RHS может попасть в категорию тонких так же легко, как и открытая секция с тонкими-фланцами, - закрытый профиль не освобождает секцию автоматически от локальных проверок на устойчивость. Инженерам, выбирающим более крупные полые профили с более тонкими-стенками для архитектурных проектов или-длинных пролетов, необходимо явно проверить классификацию сечения, а не предполагать, что «полый» подразумевает «компактный». Это одна из наиболее распространенных упущений при предварительном определении размеров, которую можно обнаружить только тогда, когда наконец проводится детальная проверка.

Одно из действительно недооцененных преимуществ полых профилей проявляется в пожарной технике, а не в расчете гравитационных или боковых нагрузок.

Требования к структурной противопожарной защите в значительной степени определяются «коэффициентом сечения» секции - отношением обогреваемого периметра к площади поперечного- сечения (часто обозначаемого Hp/A). Секция с более низким соотношением Hp/A нагревается медленнее во время пожара, поскольку пропорционально меньшая площадь открытой поверхности передает тепло данной массе стали. Открытые секции, такие как двутавровые балки, обнажают поверхность с обеих сторон стенки и обеих полок, которые нагреваются отдельно. Полая секция с сопоставимой несущей способностью часто имеет более низкое соотношение Hp/A просто потому, что ее геометрия концентрирует ту же стальную массу за более компактной, непрерывной открытой поверхностью.

Практическим следствием этого является то, что элементы полых секций иногда могут достичь требуемого класса огнестойкости с более тонким вспучивающимся покрытием или меньшим количеством противопожарного материала, чем открытая секция, несущая ту же расчетную нагрузку -. Это реальная экономия средств и веса, которая редко появляется в общих маркетинговых материалах, поскольку для ее демонстрации требуется-расчет конкретного сечения, а не общее утверждение, которое одинаково применимо для каждого размера и применения.

Это тот момент, когда полые профили теряют часть преимуществ, которые они получают в других местах, и это заслуживает большего внимания при принятии решений по спецификациям, чем обычно.

Открытые секции имеют плоские, доступные поверхности фланцев и стенок, что упрощает болтовые соединения - соединительную пластину можно прикрепить болтами непосредственно к фланцу со стандартными зазорами и стандартной детализацией. Полые секции из-за своей закрытой природы не имеют такой же доступной поверхности, как обычное болтовое соединение без дополнительного оборудования: сквозное-болтовое соединение требует доступа к внутренней части трубы (часто невозможно после сборки конструкции), а для поверхностных-болтовых соединений обычно требуются фланцевые пластины, накладки или системы глухих-болтов, специально разработанные для закрытых секций.

Сварные соединения имеют свою сложность. Там, где элементы полого профиля встречаются в узле фермы -, соединении K, T, Y или X в конструкции решетчатой ​​балки -, соединение представляет собой не просто сварку двух труб вместе. Поверхность пояса в соединении должна быть проверена на продавливание и местную пластификацию под действием сосредоточенной нагрузки от входящего элемента раскоса в соответствии с положениями проектирования, такими как положения EN 1993-1-8, раздел 7 или руководства по проектированию CIDECT, разработанные специально для проектирования трубчатых соединений. Эти проверки действительно более сложны, чем стандартное проектирование соединений открытого сечения, и недооценка этой сложности на этапе проектирования является одной из наиболее распространенных причин перепроектирования на поздней стадии проектов трубчатых ферм.

Ничто из этого не делает соединения полых сечений непрактичными - трубчатые фермы успешно строятся во всем мире -, но это означает, что стоимость изготовления и проектирования соединений необходимо сопоставлять с эффективностью использования материалов, получаемой от самой секции, а не предполагать, что полая секция в каждом случае является прямым экономическим выигрышем.

Учитывая все вышесказанное, стоит сразу указать, где двутавровая балка или швеллер остается лучшим выбором: первичные изгибаемые элементы, в которых нагрузка прикладывается преимущественно вокруг одной оси, и где эта ось известна и фиксируется геометрией конструкции -, например, типичная балка перекрытия, поддерживающая плиту, изгибается только вокруг одной оси, а материал двутаврового сечения, сосредоточенный в полках, удаленных от нейтральной оси, более эффективен при чистом одноосном изгибе, чем полый материал секции распределен по замкнутому периметру.

Открытые секции также обычно дешевле соединять, как обсуждалось выше, и они более широко доступны в более широком диапазоне стандартных размеров проката для очень больших и глубоких элементов, чем обычно полые профили. Для прямой балки перекрытия двутавровое сечение обычно остается более экономичным вариантом; для колонны, подвергающейся разнонаправленной нагрузке, элемента связи, находящегося под сжатием и возможным кручением, или пояса фермы в пространственной раме, полая секция обычно выигрывает как по эффективности использования материала, так и, во многих случаях, по огнестойкости.

 

 

 

 

Выбор между полыми и открытыми секциями заключается не в том, что какое-либо из них категорически превосходит -, а в том, чтобы геометрия сечения соответствовала фактическому варианту нагрузки, который испытывает элемент. Инженер-строитель, обдумывающий это решение, на самом деле задается вопросом: воспринимает ли этот элемент нагрузку с одного предсказуемого направления или с нескольких направлений и, возможно, скручивание? Будет ли местная классификация потери устойчивости определять расчет при рассматриваемой толщине стенок? Сколько на самом деле стоит конструкция соединения, если учитывать фланцевые пластины, крышки или проверки трубчатых соединений, а не только цену за-тонну самой стали?

Правильный подход к этому на этапе спецификации -, а не по умолчанию или к любому типу сечения, который использовался в прошлом проекте -, дает реальную экономию материалов и затрат на проект стальной конструкции, и это решение, которое стоит пересматривать при каждой новой конструкции, а не предполагать, что выбор сечения предыдущего проекта все еще применим.

Свяжитесь сейчас