Yapı Mühendisleri Neden İçi Boş Kesitleri Seçiyor?

Hemen hemen tüm modern çelik-çerçeveli inşaat sahalarına yürüdüğünüzde, I-kirişler ve kanallar gibi açık profillerin o kadar verimli bir şekilde yapamadığı işi yapan içi boş bölümleri görürsünüz: cam bir atriyumda ince açık sütunlar olarak durmak, sismik bir çerçevede çapraz destek oluşturmak veya kavisli bir yaya köprüsünde burulma yüklerini taşımak. Tercih estetik değildir. Bu, çoğu satın alma ekibinin asla tartışıldığını görmediği, ancak bir spesifikasyonun neden ilk etapta SHS, RHS veya CHS'yi gerektirdiğini sessizce belirleyen bir avuç yapısal mühendislik ilkesine gelir.

Bu makale, içi boş profillerin belirli yük durumlarında ({0}}) açık profillerden daha iyi performans göstermesinin gerçek mühendislik nedenlerini ve aynı derecede önemli olarak, bir I-kirişinin veya kanalının hala daha verimli ve ekonomik bir seçim olduğu durumları ele almaktadır. Bu karşılaştırmanın her iki tarafını da anlamak, gerçekten bilgilendirilmiş bir spesifikasyonu varsayılan bir alışkanlıktan ayıran şeydir.

İçi boş bir bölümün en büyük yapısal avantajı tek bir sayıya bağlıdır: dönme yarıçapı.

Geniş-flanşlı I-kirişi gibi açık bir kesit, biri güçlü ekseni etrafında, diğeri zayıf ekseni etrafında, genellikle iki veya daha fazla faktörle farklılık gösteren çok farklı iki dönme yarıçapına - sahiptir. Bu, I-kesitli bir kolonun yalnızca en zayıf burkulma yönü kadar güçlü olduğu anlamına gelir ve bir eleman birden fazla yönden yüke veya rüzgar basıncına maruz kalırsa, mühendisin diğer eksenin ne kadar güçlü olabileceğine bakılmaksızın daha zayıf eksen etrafında tasarım yapması gerekir.

Buna karşılık, kare veya dairesel içi boş bir bölüm, her yönde eşit (veya eşite çok yakın) bir dönme yarıçapına sahiptir. "Zayıf eksen" yoktur. Tahmin edilemeyen veya çok-yönlü kaynaklardan - uygulanan basınç yükü altında burkulmaya karşı direnç göstermesi gereken bir kolon için, bu, gerçek bina kolonlarının büyük bir kısmını temsil eder, özellikle de baskın bir yük yönünü tanımlamak için destek duvarları olmayan açık kat planlarında - bu geometrik özellik tek başına içi boş bir bölümü eşdeğer-kapasiteli bir açık bölümden daha hafif yapar, çünkü hiçbir malzeme "boşa gitmez" ve yapının çok fazla ihtiyaç duymadığı bir yönde mukavemet sağlar.

Uzay çerçevelerinde ve kafes kafes kirişlerde sıkıştırma elemanları olarak içi boş bölümlerin baskın olmasının nedeni de budur: 3B kafes kiriş sistemindeki her diyagonal ve dikey eleman, farklı bir yönelimden gelen yüke maruz kalır ve tüm yönlerde tek tip dirence sahip bir bölüm, bir I-kesitinin temel olarak malzeme eklenmeden eşleşemeyeceği şekilde yapısal olarak verimlidir.

Resmi Göster

Dönme yarıçapı ince bir avantajsa, burulma sertliği dramatik bir şeydir - ve içi boş bölümlerin belirli elemanlar için belirtilmesinin tartışmasız en az takdir edilen nedenidir.

Açık kesitler öncelikle bükülme ve nispeten zayıf bir St. Venant burulma sabiti yoluyla burulmaya karşı direnç gösterir, çünkü açık ince-duvarlı bir şekil, kesme akışını verimli bir şekilde taşımak için çevresi etrafında sürekli bir yük yoluna sahip değildir. Kapalı bir bölüm - herhangi bir içi boş bölüm -, önemli ölçüde daha sert bir mekanizma olan, kapalı çevre çevresinde sürekli olarak çalışan kesme akışı yoluyla burulma direncine sahiptir. Pratik açıdan, kapalı bir içi boş bölümün burulma sabiti, karşılaştırılabilir boyut ve ağırlığa sahip bir açık bölümden daha büyük bir mertebede olabilir.

Bu, anlamlı burulma yükü gören elemanlar için doğrudan önemlidir: kavisli köprü kirişleri, eksantrik tekerlek yüklerine maruz kalan vinç pisti kirişleri, bina çevresi boyunca eksantrik zemin yüklerini destekleyen köşe kirişleri ve yükün kesme merkezi boyunca temiz bir şekilde uygulanmadığı bir yapıdaki herhangi bir eleman. Gerçekten burulma-kritik bir uygulama için açık bir bölüm belirtmek, genellikle içi boş bir bölümün yalnızca geometriyle önlediği ekstra imalat ve malzeme maliyetini - telafi etmek için takviyeler, diyaframlar eklemek veya üyeyi aşırı boyutlandırmak anlamına gelir.

 

DELME DELİK SÜRECİ

BOŞ KESİT İŞLEME

Yuvarlak çelik boru işleme

Bunların hiçbiri içi boş profillerin koşulsuz olarak üstün olduğu anlamına gelmez ve burada daha incelikli, daha az tartışılan bir nokta devreye giriyor: yerel burkulma davranışı.

Tasarım kodları - Avrupa'da EN 1993-1{-1, ABD'de AISC 360 - yapısal kesitleri (açık ve kapalı) ayrı ayrı plaka veya duvar elemanlarının genişlik-kalınlığına veya çap-kalınlık oranına göre kabaca "kompakt"tan (tam plastik moment kapasitesine ulaşabilen ve plastik tasarım için dönüşü sürdürebilen) sınıflara ayırır. "ince" (kesit akmaya ulaşmadan önce yerel burkulmanın meydana geldiği ve tasarım kapasitesinin buna göre azaltılması gerektiği yer).

İçi boş profiller için, bu sınıflandırma doğrudan düz yüzlerin genişlik-/kalınlık oranına (SHS/RHS için) veya çap-/kalınlık oranına (CHS için) bağlıdır. İnce-duvarlı, büyük-çaplı bir CHS veya geniş, ince-duvarlı bir RHS, tıpkı ince-flanşlı açık bölümün kolayca sınıflandırabileceği - gibi, narin bir sınıflandırmaya girebilir -, kapalı profil, bir bölümü otomatik olarak yerel burkulma kontrollerinden muaf tutmaz. Mimari veya uzun açıklıklı uygulamalar için daha büyük, daha ince duvarlı içi boş bölümleri belirleyen mühendislerin, "içi boş" kelimesinin "kompakt" anlamına geldiğini varsaymak yerine bölümün sınıflandırmasını açıkça doğrulamaları gerekir. Bu, ön boyutlandırmada en sık yapılan gözden kaçırmalardan biridir ve ancak ayrıntılı bir kontrol nihayet yürütüldüğünde fark edilir.

İçi boş profillerin gerçekten az tartışılan bir avantajı, yerçekimi veya yanal yük tasarımında değil, yangın mühendisliğinde ortaya çıkar.

Yapısal yangından korunma gereklilikleri büyük ölçüde bir bölümün "kesit faktörü" - ısıtılan çevrenin kesit alanına oranı (genellikle Hp/A olarak yazılır) tarafından belirlenir. Daha düşük Bg/A oranına sahip bir bölüm, yangın sırasında daha yavaş ısınır, çünkü ısıyı belirli bir çelik kütlesine yönlendiren orantılı olarak daha az açıkta kalan yüzey alanı vardır. I-kirişleri gibi açık bölümler, ağın her iki tarafında ve her iki flanşta, tümü ayrı ayrı ısıtılan yüzey alanını açığa çıkarır. Karşılaştırılabilir yük kapasitesine sahip içi boş bir profil, geometrisinin aynı çelik kütlesini daha kompakt, sürekli açıkta kalan bir yüzeyin arkasında yoğunlaştırması nedeniyle genellikle daha düşük bir Bg/A oranına sahiptir.

Bunun pratik sonucu, içi boş kesitli elemanların bazen aynı tasarım yükünü taşıyan açık bir kesite göre daha ince bir şişen kaplama veya daha az yangından korunma malzemesi ile gerekli yangına dayanıklılık derecesine ulaşabilmesidir -, her boyut ve uygulama için aynı şekilde geçerli olan genel bir iddia değil, gösterilmesi için bölüme özel bir hesaplama gerektirdiğinden, genel pazarlama materyalinde nadiren görülen gerçek bir maliyet ve ağırlık tasarrufudur.

Bu, içi boş profillerin başka yerlerde kazandıkları avantajların bir kısmını kaybettiği noktadır ve spesifikasyon kararlarında genellikle olduğundan daha fazla dikkati hak eder.

Açık bölümler, cıvatalı bağlantıları basit hale getiren düz, erişilebilir flanş ve ağ yüzeyleri sunar - bir bağlantı plakası, standart açıklıklar ve standart ayrıntılarla doğrudan bir flanşa cıvatalanabilir. İçi boş bölümler, kapalı doğaları gereği, ek donanım olmadan geleneksel cıvatalı bağlantı için aynı erişilebilir yüzeyi sunmaz:-civata aracılığıyla borunun iç kısmına erişim gerektirir (yapı monte edildikten sonra genellikle imkansızdır) ve yüzeye-monte cıvatalı bağlantılar genellikle kapalı bölümler için özel olarak tasarlanmış flanş plakalarına, başlık plakalarına veya kör-civata sistemlerine ihtiyaç duyar.

Kaynaklı bağlantılar kendi karmaşıklıklarını taşır. İçi boş kesitli elemanların kafes kiriş yapısında bir K, T, Y veya X ekleminde - bir kafes kiriş düğümünde ({2}} buluştuğu durumda, bağlantı yalnızca iki borunun birbirine kaynaklanması meselesi değildir. Bağlantı yerindeki kiriş yüzeyi, EN 1993-1-8 Bölüm 7'deki veya boru biçimli bağlantı tasarımı için özel olarak geliştirilmiş CIDECT tasarım kılavuzlarındaki tasarım hükümlerine uygun olarak, gelen destek elemanından gelen yoğun yük altında zımbalama kesmesi ve yerel plastikleşme açısından kontrol edilmelidir. Bu kontroller gerçekten standart bir açık kesitli bağlantı tasarımından daha kapsamlıdır ve tasarım aşamasında bu karmaşıklığın hafife alınması, boru şeklindeki kafes kiriş projelerinde geç aşamadaki yeniden tasarımın en yaygın kaynaklarından biridir.

Bunların hiçbiri içi boş kesitli bağlantıları kullanışsız hale getirmez - boru şeklindeki kafes kirişler dünya çapında başarılı bir şekilde inşa edilir - ancak bu, içi boş kesitin her durumda doğrudan bir maliyet kazanımı olduğunu varsaymak yerine imalat ve bağlantı tasarımı maliyetinin kesitin kendisinden elde edilen malzeme verimliliğine göre tartılması gerektiği anlamına gelir.

Yukarıdaki her şey göz önüne alındığında, bir I-kirişin veya kanalın nerede daha iyi bir seçim olarak kaldığı konusunda doğrudan bilgi vermekte yarar var: yükün ağırlıklı olarak bir eksen etrafında uygulandığı ve bu eksenin yapının geometrisi tarafından bilindiği ve sabitlendiği birincil bükme elemanları - örneğin bir döşemeyi destekleyen tipik bir döşeme kirişi yalnızca bir eksen etrafında bükülür ve nötr eksenden uzakta flanşlarda yoğunlaşan bir I-bölüm malzemesi saf tek eksenli bükülmede içi boş bir bölümün dağıtılmış malzemesine göre daha verimlidir kapalı bir çevre çevresinde.

Yukarıda tartışıldığı gibi, açık profillerin bağlanması genellikle daha ucuzdur ve çok büyük, derin elemanlar için tipik olarak içi boş profillerden daha geniş bir standart haddelenmiş boyut yelpazesinde daha yaygın olarak mevcuttur. Düz bir zemin kirişi için, I-kesiti genellikle daha ekonomik spesifikasyon olarak kalır; çok yönlü yüke maruz kalan bir sütun, sıkıştırma ve olası burulma altındaki bir destek elemanı veya bir uzay çerçevesindeki bir kiriş kirişi için, içi boş bir bölüm tipik olarak hem malzeme verimliliği hem de birçok durumda yangın performansı açısından kazanır.

 

 

 

 

İçi boş ve açık bölümler arasındaki seçim, birinin kategorik olarak üstün olması meselesi değildir - bu, kesit geometrisinin elemanın deneyimlediği gerçek yük durumuyla eşleştirilmesi meselesidir. Bu kararı tartan bir yapı mühendisi aslında şu soruyu soruyor: Bu eleman yükü tek bir öngörülebilir yönden mi yoksa birden fazla yönden ve muhtemelen burulmadan mı görüyor? Yerel burkulma sınıflandırması, söz konusu duvar kalınlıklarında tasarımı yönetecek mi? Çeliğin ton başına fiyatı yerine flanş plakaları, kapak plakaları veya boru şeklindeki bağlantı kontrolleri hesaba katıldığında bağlantı tasarımının gerçekte maliyeti nedir?

Alışkanlığa veya geçmişteki bir projenin - kullandığı herhangi bir kesit türüne varsayılan olarak geçmek yerine bunu spesifikasyon aşamasında - doğru yapmak, yapısal çelik projesinde gerçek malzeme ve maliyet tasarrufunun geldiği yerdir ve önceki projenin kesit seçiminin hala geçerli olduğunu varsaymak yerine her yeni yapı üzerinde tekrar gözden geçirilmeye değer bir karardır.

Şimdi iletişime geçin