Waarom structurele ingenieurs kiezen voor holle profielen?

Loop bijna elke moderne bouwplaats met een stalen-skelet op en je zult holle profielen werk zien doen dat open profielen zoals -balken en kanalen eenvoudigweg niet zo efficiënt kunnen doen: staan ​​als slanke, blootliggende kolommen in een glazen atrium, die de diagonale schoren vormen in een seismisch frame, of de torsiebelastingen dragen in een gebogen loopbrug. De voorkeur is niet esthetisch. Het komt neer op een handvol bouwkundige principes die de meeste inkoopteams nooit besproken zien worden, maar die stilletjes bepalen waarom een ​​specificatie überhaupt om SHS, RHS of CHS vraagt.

In dit artikel wordt gekeken naar de feitelijke technische redenen waarom holle profielen beter presteren dan open profielen in specifieke belastingsgevallen - en, net zo belangrijk, waar een I-ligger of kanaal nog steeds de efficiëntere en economischere keuze is. Het begrijpen van beide kanten van die vergelijking is wat een echt geïnformeerde specificatie onderscheidt van een standaardgewoonte.

Het grootste structurele voordeel van een hol profiel komt neer op één getal: de draaistraal.

Een open gedeelte zoals een brede-flens-I-balk heeft twee zeer verschillende draaiingsstralen - één rond zijn sterke as, één rond zijn zwakke as, die vaak een factor twee of meer verschillen. Dat betekent dat een kolom met I-sectie slechts zo sterk is als de zwakste knikrichting, en als een staaf wordt blootgesteld aan belasting of winddruk vanuit meerdere richtingen, moet de ingenieur rond de zwakkere as ontwerpen, ongeacht hoeveel sterker de andere as is.

Een vierkante of cirkelvormige holle sectie heeft daarentegen een gelijke (of bijna gelijke) draaistraal in elke richting. Er is geen ‘zwakke as’. Voor een kolom die weerstand moet bieden aan knikken onder drukbelasting uitgeoefend door onvoorspelbare of multi{2}}directionele bronnen - die een groot deel van de kolommen van echte gebouwen beschrijft, vooral in open plattegronden zonder steunmuren om een ​​dominante belastingsrichting te definiëren - maakt deze geometrische eigenschap alleen al een holle sectie vaak lichter dan een open sectie met gelijkwaardige- capaciteit, omdat geen van het materiaal wordt "verspild" en zorgt voor kracht in een richting die de constructie niet zoveel nodig heeft.

Dit is ook de reden waarom holle secties domineren als compressie-elementen in ruimteframes en vakwerkspanten: elk diagonaal en verticaal element in een 3D-truss-systeem ervaart belasting vanuit een andere oriëntatie, en een sectie met uniforme weerstand in alle richtingen is structureel efficiënt op een manier die een I-sectie fundamenteel niet kan evenaren zonder toegevoegd materiaal.

Toon afbeelding

Als de draaistraal het subtiele voordeel is, is de torsiestijfheid het dramatische voordeel - en het is misschien wel de meest ondergewaardeerde reden waarom holle profielen voor bepaalde elementen worden gespecificeerd.

Open secties zijn voornamelijk bestand tegen torsie door kromtrekken en een relatief zwakke torsieconstante van St. Venant, omdat een open, dun{1}}wandige vorm eenvoudigweg geen continu belastingspad rond de omtrek heeft om de schuifstroming efficiënt te transporteren. Een gesloten sectie - elke holle sectie - is bestand tegen torsie door schuifstroming die continu rond de gesloten omtrek loopt, wat een aanzienlijk stijver mechanisme is. In praktische termen kan een gesloten hol gedeelte een torsieconstante hebben die een orde van grootte hoger is dan een open gedeelte van vergelijkbare grootte en gewicht.

Dit is direct van belang bij elementen die een betekenisvolle torsiebelasting ervaren: gebogen brugliggers, kraanbaanbalken die onderhevig zijn aan excentrische wielbelastingen, borstweringbalken die excentrische vloerbelastingen ondersteunen langs de omtrek van een gebouw, en elk onderdeel in een constructie waar de belasting niet netjes door het dwarskrachtcentrum wordt uitgeoefend. Het specificeren van een open sectie voor een echt torsie-kritieke toepassing betekent meestal het toevoegen van verstijvingen, diafragma's of het overdimensioneren van het onderdeel om - extra fabricage- en materiaalkosten te compenseren die een holle sectie vaak vermijdt door alleen de geometrie.

 

BOORGATENPROCES

HOLLE SECTIEVERWERKING

Ronde stalen buisverwerking

Niets van dit alles betekent dat holle profielen onvoorwaardelijk superieur zijn, en dit is waar een genuanceerder, minder algemeen besproken punt om de hoek komt kijken: lokaal knikgedrag.

Ontwerpcodes - EN 1993-1-1 in Europa, AISC 360 in de VS - classificeren structurele secties (zowel open als gesloten) op basis van de breedte-tot-dikte of diameter-tot-dikteverhouding van hun individuele plaat- of wandelementen, in klassen die ruwweg variëren van "compact" (in staat om de volledige plastische momentcapaciteit te bereiken en rotatie te ondersteunen voor plastisch ontwerp) tot en met "slank" (waarbij plaatselijk knikken optreedt voordat de sectie vloeit, en de ontwerpcapaciteit dienovereenkomstig moet worden verminderd).

Voor holle profielen is deze classificatie rechtstreeks gekoppeld aan de breedte-tot-dikteverhouding van de platte vlakken (voor SHS/RHS) of de diameter-tot-dikteverhouding (voor CHS). Een dun-wandige CHS met een grote- diameter of een brede, dun- RHS met dunne wanden kunnen net zo gemakkelijk in een slanke classificatie vallen als een dun-open gedeelte met een flens -. Het gesloten profiel stelt een sectie niet automatisch vrij van lokale knikcontroles. Ingenieurs die grotere, dunnere-wandige holle secties specificeren voor architecturale toepassingen of-toepassingen met grote overspanningen moeten de classificatie van de sectie expliciet verifiëren in plaats van aan te nemen dat 'hol' 'compact' betekent. Dit is een van de meest voorkomende vergissingen bij de voorlopige dimensionering, die pas wordt opgemerkt wanneer uiteindelijk een gedetailleerde controle wordt uitgevoerd.

Een echt onderbelicht voordeel van holle profielen komt naar voren in de brandtechniek, en niet in het ontwerp van zwaartekracht of zijdelingse belasting.

Structurele brandbeveiligingseisen worden hoofdzakelijk bepaald door de "doorsnedefactor" van een sectie - de verhouding tussen de verwarmde omtrek en het dwars-doorsnedeoppervlak (vaak geschreven als Hp/A). Een sectie met een lagere Hp/A-verhouding warmt langzamer op tijdens een brand, omdat er verhoudingsgewijs minder blootgesteld oppervlak is dat warmte in een bepaalde massa staal drijft. Open secties zoals I-balken leggen het oppervlak aan beide zijden van het lijf en beide flenzen bloot, allemaal afzonderlijk verwarmd. Een hol profiel met een vergelijkbaar draagvermogen heeft vaak een lagere Hp/A-verhouding, simpelweg omdat de geometrie ervan dezelfde staalmassa achter een compacter, continu blootgesteld oppervlak concentreert.

De praktische consequentie is dat holle profielen soms de vereiste brandwerendheidsgraad kunnen bereiken met een dunnere opzwellende coating of minder brandwerend materiaal dan een open sectie die dezelfde ontwerpbelasting draagt ​​- een reële kosten- en gewichtsbesparing die zelden voorkomt in algemeen marketingmateriaal omdat er een sectie-specifieke berekening voor nodig is om dit aan te tonen, en niet een algemene claim die uniform van toepassing is op elke maat en toepassing.

Dit is het punt waarop holle profielen een deel van het voordeel verliezen dat ze elders behalen, en dit verdient meer aandacht bij specificatiebeslissingen dan gewoonlijk het geval is.

Open secties bieden vlakke, toegankelijke flens- en lijfoppervlakken die boutverbindingen eenvoudig maken - een verbindingsplaat kan rechtstreeks op een flens worden vastgeschroefd met standaardafstanden en standaarddetails. Holle secties bieden door hun gesloten aard niet hetzelfde toegankelijke oppervlak voor een conventionele boutverbinding zonder extra hardware: via-bouten vereist toegang tot het inwendige van de buis (vaak onmogelijk zodra de constructie is gemonteerd), en op het oppervlak-gemonteerde boutverbindingen hebben doorgaans flensplaten, kapplaten of blinde- boutsystemen nodig die specifiek zijn ontworpen voor gesloten secties.

Gelaste verbindingen hebben hun eigen complexiteit. Waar holle profielelementen samenkomen bij een vakwerkknooppunt - een K-, T-, Y- of X-verbinding in tralieliggerconstructie - is de verbinding niet alleen een kwestie van twee buizen aan elkaar lassen. Het koordevlak bij de verbinding moet worden gecontroleerd op ponsafschuiving en lokale plastificatie onder de geconcentreerde belasting van het binnenkomende schoorelement, volgens ontwerpbepalingen zoals die in EN 1993-1-8 Sectie 7 of de CIDECT-ontwerpgidsen die speciaal zijn ontwikkeld voor het ontwerp van buisvormige verbindingen. Deze controles zijn echt meer betrokken dan een standaard verbindingsontwerp met open doorsnede, en het onderschatten van deze complexiteit in de ontwerpfase is een van de meest voorkomende bronnen van herontwerp in een laat stadium bij buisvormige vakwerkprojecten.

Niets van dit alles maakt verbindingen met holle profielen onpraktisch - buisvormige spanten worden wereldwijd met succes gebouwd - maar het betekent wel dat de fabricage- en verbindingsontwerpkosten moeten worden afgewogen tegen de materiaalefficiëntie die wordt behaald met de sectie zelf, in plaats van aan te nemen dat holle profielen in alle gevallen een eenvoudige kostenwinst zijn.

Gegeven alles hierboven is het de moeite waard om direct te zijn over waar een I-balk of kanaal de betere keuze blijft: primaire buigelementen waarbij de belasting voornamelijk rond één as wordt uitgeoefend, en waar die as bekend is en wordt vastgelegd door de geometrie van de constructie. - Een typische vloerbalk die een plaat ondersteunt, buigt bijvoorbeeld slechts om één as, en het materiaal van een I-sectie, geconcentreerd in flenzen ver van de neutrale as, is efficiënter bij puur uniaxiale buiging dan een holle as. Het materiaal van de sectie is verdeeld rond een gesloten omtrek.

Open secties zijn over het algemeen ook goedkoper om te verbinden, zoals hierboven besproken, en zijn breder verkrijgbaar in een breder scala aan standaard gewalste maten voor zeer grote, diepe elementen dan holle secties doorgaans zijn. Voor een eenvoudige vloerbalk blijft een I-sectie meestal de meest economische specificatie; Voor een kolom die wordt blootgesteld aan belasting in meerdere- richtingen, een verstevigingselement onder druk en mogelijke torsie, of een spantkoord in een ruimteframe, wint een holle sectie doorgaans zowel wat betreft materiaalefficiëntie als, in veel gevallen, wat betreft brandprestaties.

 

 

 

 

De keuze tussen holle en open secties is geen kwestie van categorisch superieur - het is een kwestie van het afstemmen van de sectiegeometrie op het daadwerkelijke belastingsgeval dat de staaf ervaart. Een bouwkundig ingenieur die deze beslissing afweegt, vraagt ​​zich eigenlijk af: ziet dit lid belasting vanuit een enkele voorspelbare richting, of vanuit meerdere richtingen en mogelijk torsie? Zal de lokale knikclassificatie bepalend zijn voor het ontwerp bij de beschouwde wanddiktes? Wat kost het verbindingsontwerp eigenlijk als rekening wordt gehouden met flensplaten, kapplaten of buisverbindingscontroles, in plaats van alleen de prijs per-ton van het staal zelf?

Om dit goed te doen in de specificatiefase - in plaats van terug te vallen op de gewoonte of op welk soort sectie dan ook dat een vorig project toevallig gebruikte - is waar echte materiaal- en kostenbesparingen vandaan komen bij een constructiestaalproject, en het is een beslissing die de moeite waard is om bij elke nieuwe structuur opnieuw te bekijken in plaats van aan te nemen dat de sectiekeuze van het vorige project nog steeds van toepassing is.

Neem nu contact op