چرا مهندسان سازه مقاطع توخالی را انتخاب می کنند؟

تقریباً در هر سایت ساخت و ساز با اسکلت فلزی مدرن- قدم بزنید و بخش‌های توخالی را مشاهده خواهید کرد که کارهایی را انجام می‌دهند که پروفیل‌های باز مانند تیر-و کانال‌ها به سادگی نمی‌توانند آن‌ها را کارآمد انجام دهند: ایستادن به عنوان ستون‌های باریک در معرض دید در یک دهلیز شیشه‌ای، تشکیل مهاربندی مورب در یک قاب لرزه‌ای، یا حمل بارهای منحنی در قاب پایی. ترجیح زیبایی شناختی نیست. این به تعداد انگشت شماری از اصول مهندسی سازه مربوط می شود که اکثر تیم های تدارکات هرگز بحث نمی کنند، اما بی سر و صدا تعیین می کنند که چرا یک مشخصات در وهله اول به SHS، RHS یا CHS نیاز دارد.

این مقاله به دلایل مهندسی واقعی عملکرد بهتر بخش‌های توخالی از نمایه‌های باز در موارد بارگذاری خاص - می‌پردازد و به همان اندازه مهم، جایی که یک پرتو یا کانال I هنوز هم کارآمدتر و مقرون به صرفه‌تر است. درک هر دو طرف این مقایسه چیزی است که یک مشخصات واقعی آگاهانه را از یک عادت پیش فرض جدا می کند.

بزرگترین مزیت ساختاری یک بخش توخالی به یک عدد می رسد: شعاع چرخش.

یک بخش باز مانند یک پرتو پهن-فلنج I- دو شعاع چرخش بسیار متفاوت دارد - یکی در مورد محور قوی خود، یکی در مورد محور ضعیف خود، که اغلب با ضریب دو یا بیشتر متفاوت است. این بدان معناست که یک ستون I- تنها به اندازه ضعیف‌ترین جهت کمانش خود استحکام دارد، و اگر عضوی از چندین جهت در معرض بار یا فشار باد قرار گیرد، مهندس باید حول محور ضعیف‌تر طراحی کند بدون توجه به اینکه محور دیگر چقدر قوی‌تر است.

در مقابل، یک بخش توخالی مربع یا دایره‌ای دارای شعاع چرخش مساوی (یا بسیار نزدیک به مساوی) در هر جهت است. هیچ «محور ضعیف» وجود ندارد. برای ستونی که نیاز به مقاومت در برابر کمانش تحت بار فشاری اعمال شده از منابع غیرقابل پیش‌بینی یا چند جهته دارد- که سهم بزرگی از ستون‌های واقعی ساختمان را توصیف می‌کند، به‌ویژه در پلان‌های طبقات باز بدون دیوارهای مهاربندی برای تعیین جهت بار غالب - این ویژگی هندسی به تنهایی باعث می‌شود بخش توخالی سبک‌تر از{5} ماده "هدر می رود" و استحکام را در جهتی که سازه به آن نیاز ندارد، ایجاد می کند.

همچنین به همین دلیل است که بخش‌های توخالی به‌عنوان اعضای فشاری در قاب‌های فضایی و خرپاهای مشبک غالب هستند: هر عضو مورب و عمودی در یک سیستم خرپا سه‌بعدی بار را از جهت‌گیری متفاوتی تجربه می‌کند، و یک بخش با مقاومت یکنواخت در همه جهات از نظر ساختاری کارآمد است به‌گونه‌ای که اساساً یک بخش I- بدون مواد افزوده نمی‌تواند مطابقت داشته باشد.

نمایش تصویر

اگر شعاع چرخش مزیت ظریف است، سفتی پیچشی یک مزیت چشمگیر است - و این احتمالاً نادیده گرفته‌ترین دلیلی است که بخش‌های توخالی برای اعضای خاص مشخص می‌شوند.

مقاطع باز عمدتاً از طریق تاب خوردگی و ثابت پیچشی نسبتا ضعیف St. Venant در برابر پیچش مقاومت می کنند، زیرا یک شکل دیواره نازک{1} باز به سادگی یک مسیر بار پیوسته در اطراف محیط خود ندارد تا جریان برشی را به طور موثر حمل کند. یک بخش بسته - هر بخش توخالی - در برابر پیچش از طریق جریان برشی که به طور مداوم در اطراف محیط بسته جریان دارد، مقاومت می‌کند، که مکانیزم بسیار سفت‌تر است. از نظر عملی، یک مقطع توخالی بسته می‌تواند ثابت پیچشی مرتبه‌ای بالاتر از یک مقطع باز با اندازه و وزن مشابه داشته باشد.

این موضوع مستقیماً در اعضایی که بار پیچشی معنی‌داری را مشاهده می‌کنند اهمیت دارد: تیرهای پل منحنی، تیرهای باند جرثقیل در معرض بارهای چرخ‌های غیرمتمرکز، تیرهای اسپندل که بارهای خارج از مرکز کف را در امتداد محیط ساختمان تحمل می‌کنند و هر عضوی در سازه‌ای که بار به طور تمیز از طریق مرکز برشی اعمال نمی‌شود. مشخص کردن یک بخش باز برای یک کاربرد واقعی پیچشی{1}}معمولاً به معنای افزودن سخت‌کننده‌ها، دیافراگم‌ها، یا بزرگ‌کردن عضو برای جبران - هزینه ساخت و مواد اضافی است که بخش توخالی اغلب با هندسه به تنهایی از آن اجتناب می‌کند.

 

فرآیند حفاری سوراخ

پردازش بخش توخالی

پردازش لوله فولادی گرد

هیچ یک از اینها به این معنی است که بخش های توخالی بدون قید و شرط برتر هستند، و اینجاست که یک نکته ظریف تر و کمتر مورد بحث قرار می گیرد: رفتار کمانش موضعی.

کدهای طراحی - EN 1993-1-1 در اروپا، AISC 360 در ایالات متحده - بخش‌های سازه‌ای (باز و بسته را به طور یکسان) بر اساس عرض-به-ضخامت یا نسبت قطر به ضخامت طبقه‌بندی‌شده از صفحه‌های کاملاً ناهموار به ضخامت آنها طبقه‌بندی می‌کنند (نسبت صفحه‌های کاملاً ناهموار به ضخامت آن‌ها، از صفحه‌های کاملاً ناهموار به دیوار، به» ظرفیت لحظه ای و چرخش پایدار برای طراحی پلاستیک) از طریق "slender" (که در آن کمانش موضعی قبل از اینکه بخش به تسلیم برسد رخ می دهد و ظرفیت طراحی باید متناسب با آن کاهش یابد).

برای مقاطع توخالی، این طبقه‌بندی مستقیماً به نسبت عرض-به ضخامت وجه‌های صاف (برای SHS/RHS) یا نسبت قطر-به-به ضخامت (برای CHS) مرتبط است. یک-دیواره نازک،-قطر بزرگ-یا یک RHS با دیواره پهن-می‌تواند در طبقه‌بندی باریک قرار گیرد، همانطور که یک بخش باز نازک-فلنجدار - نمایه بسته به‌طور خودکار بخشی را از بررسی‌های کمانش محلی مستثنی نمی‌کند. مهندسانی که بخش‌های توخالی بزرگ‌تر و نازک‌تر{11}را برای کاربردهای معماری یا دهانه{12}}طول{12}} تعیین می‌کنند، به جای اینکه فرض کنند "توخالی" به معنای "فشرده" است، باید صریحاً طبقه‌بندی بخش را تأیید کنند. این یکی از متداول‌ترین نادیده‌گیری‌ها در اندازه‌گیری اولیه است که تنها زمانی مشخص می‌شود که در نهایت بررسی دقیق انجام شود.

یکی از مزیت‌های واقعاً مورد بحث مقاطع توخالی در مهندسی آتش نشانی نشان داده می‌شود، نه طراحی گرانش یا بار جانبی.

الزامات حفاظتی سازه در برابر آتش اساساً توسط "ضریب مقطع" یک بخش - نسبت محیط گرم شده به سطح مقطع- (اغلب Hp/A نوشته می شود) هدایت می شود. قسمتی با نسبت Hp/A پایین‌تر در هنگام آتش‌سوزی آهسته‌تر گرم می‌شود، زیرا به نسبت سطح در معرض کمتری وجود دارد که گرما را به یک توده فولادی معین هدایت می‌کند. بخش‌های باز مانند پرتوهای I-مساحت سطح را در هر دو طرف تار و هر دو فلنج نشان می‌دهند که همه به طور جداگانه گرم می‌شوند. یک بخش توخالی با ظرفیت بار قابل مقایسه اغلب دارای نسبت Hp/A کمتری است فقط به این دلیل که هندسه آن همان جرم فولادی را در پشت یک سطح فشرده تر و پیوسته متمرکز می کند.

نتیجه عملی این است که اعضای بخش توخالی گاهی اوقات می‌توانند با پوشش نازک‌تر نازک‌تر یا مواد حفاظت در برابر آتش کمتر از یک بخش باز که بار طراحی یکسان را حمل می‌کند، به یک درجه مقاومت در برابر آتش دست یابند، یک صرفه‌جویی در هزینه و وزن واقعی که به ندرت در مواد بازاریابی عمومی ظاهر می‌شود، زیرا برای نشان دادن به یک بخش-محاسبات خاص نیاز دارد، نه یک ادعای کلی که در همه اندازه‌ها و کاربردهای یکسان اعمال می‌شود.

این نقطه‌ای است که بخش‌های توخالی برخی از مزیت‌هایی را که در جاهای دیگر به دست می‌آورند از دست می‌دهند، و در تصمیم‌گیری‌های مشخصات بیشتر از آنچه معمولاً می‌شود مستحق توجه است.

بخش‌های باز سطوح فلنج و شبکه‌ای مسطح و قابل دسترسی را ارائه می‌دهند که اتصالات پیچ‌دار را ساده می‌کند - یک صفحه اتصال را می‌توان مستقیماً به فلنج با فاصله‌های استاندارد و جزئیات استاندارد پیچ ​​کرد. مقاطع توخالی، به دلیل ماهیت بسته خود، همان سطح قابل دسترسی را برای اتصال پیچی معمولی بدون سخت‌افزار اضافی ارائه نمی‌دهند: از طریق-پیچ و مهره نیاز به دسترسی به داخل لوله دارد (اغلب پس از مونتاژ سازه غیرممکن است) و اتصالات پیچ‌دار روی سطح-معمولاً به صفحات فلنج، صفحات درپوش، یا سیستم‌های بولت طراحی شده خاص نیاز دارند{4}.

اتصالات جوشی پیچیدگی خاص خود را دارند. جایی که اعضای بخش توخالی در یک گره خرپایی - یک اتصال K، T، Y یا X در ساخت تیرهای مشبک - به هم می‌رسند، اتصال فقط مربوط به جوش دادن دو لوله به هم نیست. سطح وتر در محل اتصال باید از نظر برش پانچ و پلاستیفیک موضعی تحت بار متمرکز از عضو مهاربند ورودی بررسی شود، طبق مقررات طراحی مانند آنچه در EN 1993-1-8 بخش 7 یا راهنماهای طراحی CIDECT به طور خاص برای طراحی اتصال لوله‌ای توسعه یافته است. این بررسی‌ها واقعاً بیشتر از طراحی اتصالات مقطع باز استاندارد انجام می‌شوند، و دست کم گرفتن این پیچیدگی در مرحله طراحی یکی از رایج‌ترین منابع طراحی مجدد در مراحل آخر در پروژه‌های خرپا لوله‌ای است.

هیچکدام از اینها اتصالات بخش توخالی را غیرعملی نمی کند - خرپاهای لوله ای با موفقیت در سرتاسر جهان ساخته می شوند - اما به این معنی است که هزینه ساخت و طراحی اتصال باید در برابر بازده مواد به دست آمده از خود بخش سنجیده شود، نه اینکه فرض کنیم بخش توخالی در هر موردی یک برنده هزینه مستقیم است.

با توجه به همه موارد فوق، ارزش آن را دارد که در مورد اینکه در کجا-تیر یا کانال I انتخاب بهتر باقی می‌ماند، صحبت کنید: اعضای خمشی اولیه که بار عمدتاً حول یک محور اعمال می‌شود، و جایی که آن محور توسط هندسه سازه شناخته و ثابت می‌شود - یک تیر کف معمولی که از یک دال پشتیبانی می‌کند، به عنوان مثال، فقط یک خمش در مورد یک محور متمرکز در فلنج های دور از محور خنثی، در خمش تک محوری خالص کارآمدتر از مواد یک بخش توخالی است که در اطراف یک محیط بسته توزیع شده است.

همانطور که در بالا توضیح داده شد، اتصال بخش‌های باز معمولاً ارزان‌تر است و در طیف وسیع‌تری از اندازه‌های استاندارد نورد شده برای اعضای بسیار بزرگ و عمیق نسبت به بخش‌های توخالی معمولاً در دسترس هستند. برای یک تیر مستقیم کف، یک بخش I-معمولاً مشخصات اقتصادی‌تر باقی می‌ماند. برای ستونی که در معرض بار چند جهته قرار دارد، یک عضو مهاربندی تحت فشار و پیچش احتمالی، یا یک وتر خرپایی در یک قاب فضایی، یک بخش توخالی معمولاً هم از نظر کارایی مواد و هم در بسیاری از موارد عملکرد آتش برنده است.

 

 

 

 

انتخاب بین بخش های توخالی و باز به این نیست که یکی از آنها کاملاً برتر باشد - بلکه موضوع تطبیق هندسه بخش با حالت بار واقعی است که اعضا تجربه می کنند. یک مهندس سازه که این تصمیم را می سنجد واقعاً می پرسد: آیا این عضو بار را از یک جهت قابل پیش بینی واحد می بیند یا از چند جهت و احتمالاً پیچش؟ آیا طبقه بندی کمانش موضعی بر طراحی در ضخامت دیوارهای در نظر گرفته می شود؟ هزینه طراحی اتصال با در نظر گرفتن صفحات فلنج، صفحات کلاهک، یا چک های مفصل لوله ای، به جای قیمت هر{2}تن خود فولاد، واقعاً چقدر است؟

درست کردن این موضوع در مرحله مشخصات - به جای پیش‌فرض به عادت یا هر نوع بخش دیگری که پروژه گذشته از آن استفاده می‌کرد - جایی است که صرفه‌جویی در مواد و هزینه‌های واقعی در پروژه‌های فولادی سازه حاصل می‌شود، و این تصمیمی است که ارزش بازبینی مجدد در هر سازه جدید را دارد تا اینکه فرض کنیم انتخاب بخش پروژه قبلی همچنان اعمال می‌شود.

اکنون تماس بگیرید