Tại sao kỹ sư kết cấu chọn mặt cắt rỗng?

Bước vào hầu hết mọi công trường xây dựng có khung thép-hiện đại và bạn sẽ thấy các phần rỗng đang thực hiện công việc mở các tiết diện như dầm I-và kênh đơn giản là không thể thực hiện hiệu quả bằng: đứng như những cột thanh mảnh lộ ra trong một giếng trời bằng kính, tạo thành giằng chéo trong khung địa chấn hoặc chịu tải xoắn trong cầu đi bộ cong. Sở thích không mang tính thẩm mỹ. Nó đề cập đến một số nguyên tắc kỹ thuật kết cấu mà hầu hết các nhóm mua sắm chưa bao giờ thấy được thảo luận, nhưng lại xác định rõ ràng lý do tại sao thông số kỹ thuật lại yêu cầu SHS, RHS hoặc CHS ngay từ đầu.

Bài viết này xem xét các lý do kỹ thuật thực tế khiến các phần rỗng hoạt động tốt hơn các biên dạng mở trong các trường hợp tải cụ thể - và cũng quan trọng không kém, trong đó dầm chữ I hoặc kênh vẫn là lựa chọn hiệu quả và kinh tế hơn. Hiểu được cả hai mặt của sự so sánh đó là điều giúp phân biệt giữa thông số kỹ thuật được thông tin thực sự và thói quen mặc định.

Ưu điểm kết cấu lớn nhất của phần rỗng nằm ở một con số: bán kính hồi chuyển.

Một phần mở như dầm chữ I{1}}mặt bích rộng có hai bán kính hồi chuyển rất khác nhau - một bán kính trục mạnh, một bán kính trục yếu, thường khác nhau theo hệ số hai hoặc nhiều hơn. Điều đó có nghĩa là cột tiết diện I{4}}chỉ bền bằng hướng oằn yếu nhất của nó và nếu một bộ phận chịu tải trọng hoặc áp lực gió từ nhiều hướng thì kỹ sư phải thiết kế xung quanh trục yếu hơn bất kể trục kia có thể mạnh hơn bao nhiêu.

Ngược lại, một phần rỗng hình vuông hoặc hình tròn có bán kính hồi chuyển bằng (hoặc rất gần bằng) theo mọi hướng. Không có "trục yếu". Đối với cột cần chống oằn dưới tải trọng nén được áp dụng từ các nguồn-hướng không thể đoán trước hoặc đa hướng - mô tả phần lớn các cột của tòa nhà thực, đặc biệt là trong sơ đồ tầng mở không có tường giằng để xác định hướng tải trọng chủ đạo -, riêng đặc tính hình học này thường làm cho phần rỗng nhẹ hơn phần mở có công suất-tương đương, vì không có vật liệu nào bị "lãng phí" cung cấp độ bền theo hướng mà cấu trúc không cần nhiều.

Đây cũng là lý do tại sao các phần rỗng chiếm ưu thế như các bộ phận nén trong khung không gian và giàn lưới: mọi bộ phận theo đường chéo và dọc trong hệ thống giàn 3D chịu tải từ một hướng khác và một phần có lực cản đồng đều theo mọi hướng sẽ có hiệu quả về mặt cấu trúc theo cách mà phần I{1}}về cơ bản không thể phù hợp nếu không có vật liệu bổ sung.

Hiển thị hình ảnh

Nếu bán kính hồi chuyển là lợi thế nhỏ, thì độ cứng xoắn là một lợi thế ấn tượng - và được cho là lý do khiến các phần rỗng được đánh giá thấp nhất được chỉ định cho một số bộ phận nhất định.

Các mặt cắt mở chống xoắn chủ yếu do cong vênh và hằng số xoắn St. Venant tương đối yếu, bởi vì hình dạng có-có tường mỏng hở đơn giản là không có đường dẫn tải liên tục quanh chu vi của nó để truyền dòng cắt một cách hiệu quả. Phần đóng - bất kỳ phần rỗng nào - chống xoắn thông qua dòng cắt chạy liên tục xung quanh chu vi kín, đây là một cơ chế cứng hơn đáng kể. Trong thực tế, một phần rỗng kín có thể có hằng số xoắn cao hơn một phần mở có kích thước và trọng lượng tương đương.

Điều này quan trọng trực tiếp ở các bộ phận có tải trọng xoắn đáng kể: dầm cầu cong, dầm cầu trục chịu tải trọng bánh xe lệch tâm, dầm spandrel hỗ trợ tải trọng sàn lệch tâm dọc theo chu vi tòa nhà và bất kỳ bộ phận nào trong kết cấu mà tải trọng không được tác dụng rõ ràng qua tâm cắt. Việc chỉ định một phần mở cho ứng dụng quan trọng{1}}xoắn thực sự thường có nghĩa là thêm các thanh làm cứng, màng chắn hoặc kích thước quá lớn của bộ phận để bù đắp cho - chi phí chế tạo và vật liệu tăng thêm mà phần rỗng thường tránh được chỉ bằng hình học.

 

QUY TRÌNH LỖ KHOAN

XỬ LÝ PHẦN RỖNG

Gia công ống thép tròn

Điều này không có nghĩa là các phần rỗng vượt trội hơn một cách vô điều kiện, và đây chính là lúc xuất hiện một điểm mang nhiều sắc thái hơn, ít được thảo luận hơn: hiện tượng oằn cục bộ.

Mã thiết kế - EN 1993-1-1 ở Châu Âu, AISC 360 ở Hoa Kỳ - phân loại các phần kết cấu (mở và đóng giống nhau) theo chiều rộng-đến-tỷ lệ độ dày hoặc đường kính trên độ dày của từng tấm hoặc thành phần tường riêng lẻ, thành các lớp từ "nhỏ gọn" (có thể đạt công suất mô men dẻo tối đa và duy trì độ xoay cho thiết kế bằng nhựa) đến "mảnh mai" (nơi xảy ra oằn cục bộ trước khi tiết diện đạt tới giới hạn chảy và khả năng thiết kế phải giảm đi tương ứng).

Đối với các phần rỗng, cách phân loại này được gắn trực tiếp với tỷ lệ chiều rộng-trên-độ dày của các mặt phẳng (đối với SHS/RHS) hoặc tỷ lệ đường kính-trên-độ dày (đối với CHS). CHS có-có thành mỏng, đường kính{6}}lớn hoặc RHS có thành-rộng, mỏng có thể dễ dàng rơi vào phân loại mảnh mai giống như phần mở có mặt bích-mỏng có thể -, biên dạng đóng không tự động miễn một phần khỏi kiểm tra mất ổn định cục bộ. Các kỹ sư chỉ định các phần rỗng có tường lớn hơn,{11}}mỏng hơn cho các ứng dụng kiến ​​trúc hoặc nhịp{12}}dài cần xác minh rõ ràng việc phân loại của phần đó thay vì giả định rằng "rỗng" có nghĩa là "nhỏ gọn". Đây là một trong những sai sót phổ biến hơn trong việc xác định kích thước sơ bộ, chỉ được phát hiện khi quá trình kiểm tra chi tiết cuối cùng được thực hiện.

Một lợi thế thực sự chưa được thảo luận kỹ của các phần rỗng xuất hiện trong kỹ thuật chữa cháy, không phải trọng lực hoặc thiết kế tải trọng ngang.

Các yêu cầu về chống cháy kết cấu về cơ bản được quyết định bởi "hệ số tiết diện" - của một phần, tỷ lệ giữa chu vi được làm nóng trên-diện tích mặt cắt ngang (thường được viết là Hp/A). Phần có tỷ lệ Hp/A thấp hơn sẽ nóng lên chậm hơn trong khi cháy, vì diện tích bề mặt tiếp xúc sẽ ít dẫn nhiệt vào một khối thép nhất định. Các phần mở như dầm chữ I{4}}để lộ diện tích bề mặt trên cả hai mặt của bản bụng và cả hai mặt bích, tất cả đều được gia nhiệt riêng biệt. Một phần rỗng có khả năng chịu tải tương đương thường có tỷ lệ Hp/A thấp hơn đơn giản vì hình dạng của nó tập trung cùng một khối thép phía sau một bề mặt tiếp xúc liên tục, nhỏ gọn hơn.

Hậu quả thực tế là các bộ phận có phần rỗng đôi khi có thể đạt được mức chống cháy cần thiết với lớp phủ phồng mỏng hơn hoặc vật liệu chống cháy ít hơn so với phần mở mang cùng tải trọng thiết kế - tiết kiệm chi phí và trọng lượng thực sự hiếm khi xuất hiện trong tài liệu tiếp thị chung vì nó yêu cầu tính toán cụ thể theo từng phần để chứng minh chứ không phải yêu cầu chung áp dụng thống nhất cho mọi kích thước và ứng dụng.

Đây là điểm mà các phần rỗng mất đi một số lợi thế mà chúng có được ở nơi khác và nó đáng được chú ý nhiều hơn trong các quyết định về thông số kỹ thuật so với mức thường thấy.

Các phần mở cung cấp mặt bích và bề mặt bản phẳng, dễ tiếp cận, giúp kết nối bằng bu lông trở nên đơn giản - một tấm kết nối có thể được bắt vít trực tiếp vào mặt bích với khoảng hở tiêu chuẩn và chi tiết tiêu chuẩn. Các phần rỗng, do tính chất khép kín, không cung cấp cùng một bề mặt có thể tiếp cận được đối với kết nối bắt vít thông thường mà không có phần cứng bổ sung:-việc bắt vít xuyên qua yêu cầu quyền truy cập vào bên trong ống (thường không thể thực hiện được sau khi cấu trúc đã được lắp ráp) và các kết nối bắt vít-gắn trên bề mặt thường cần tấm mặt bích, tấm nắp hoặc hệ thống bu lông-mù ​​được thiết kế đặc biệt cho các phần kín.

Các kết nối hàn có độ phức tạp riêng. Nơi các thành phần tiết diện rỗng gặp nhau tại nút giàn - khớp K, T, Y hoặc X trong kết cấu dầm lưới -, kết nối không chỉ là vấn đề hàn hai ống lại với nhau. Mặt dây cung tại mối nối phải được kiểm tra khả năng cắt đột dập và nhựa hóa cục bộ dưới tải trọng tập trung từ bộ phận giằng tới, tuân theo các quy định về thiết kế như trong EN 1993-1-8 Phần 7 hoặc hướng dẫn thiết kế CIDECT được phát triển riêng cho thiết kế mối nối dạng ống. Những kiểm tra này thực sự có liên quan nhiều hơn so với thiết kế kết nối mặt cắt mở tiêu chuẩn và việc đánh giá thấp sự phức tạp này ở giai đoạn thiết kế là một trong những nguyên nhân phổ biến hơn của việc thiết kế lại giai đoạn cuối đối với các dự án giàn ống.

Không điều nào trong số này làm cho các kết nối phần rỗng trở nên không thực tế - giàn hình ống được xây dựng thành công trên toàn thế giới - nhưng điều đó có nghĩa là chi phí thiết kế chế tạo và kết nối phải được cân nhắc so với hiệu quả vật liệu đạt được từ chính phần đó, thay vì cho rằng phần rỗng là một lợi thế rõ ràng về chi phí trong mọi trường hợp.

Với tất cả những điều trên, cần phải nói thẳng về vị trí mà dầm chữ I{0}}hoặc kênh vẫn là lựa chọn tốt hơn: các bộ phận uốn chính trong đó tải trọng được áp dụng chủ yếu lên một trục và trong đó trục đó được xác định và cố định bởi hình học của kết cấu - chẳng hạn, dầm sàn điển hình đỡ tấm sàn chỉ uốn quanh một trục và vật liệu của phần I-, tập trung ở các mặt bích cách xa trục trung hòa, sẽ hiệu quả hơn khi uốn một trục thuần túy so với vật liệu của phần rỗng được phân bố xung quanh một trục chu vi khép kín.

Các phần mở thường rẻ hơn để kết nối, như đã thảo luận ở trên, và có sẵn rộng rãi hơn với nhiều kích thước cuộn tiêu chuẩn hơn cho các thành viên rất lớn, sâu so với các phần rỗng thông thường. Đối với dầm sàn thẳng, tiết diện chữ I{1}}thường vẫn là thông số kỹ thuật tiết kiệm hơn; đối với một cột chịu tải trọng đa hướng, một bộ phận giằng chịu nén và có thể bị xoắn hoặc một dàn hợp âm trong khung không gian, phần rỗng thường đạt được cả hiệu quả sử dụng vật liệu và, trong nhiều trường hợp, hiệu suất chống cháy.

 

 

 

 

Việc lựa chọn giữa phần rỗng và phần mở không phải là vấn đề phần nào ưu việt hơn về mặt phân loại - mà là vấn đề hình dạng phần phù hợp với trường hợp tải thực tế mà thành viên trải nghiệm. Một kỹ sư kết cấu đang cân nhắc quyết định này thực sự đang đặt câu hỏi: bộ phận này có nhìn thấy tải trọng từ một hướng có thể dự đoán được hay từ nhiều hướng và có thể bị xoắn không? Phân loại oằn cục bộ có chi phối thiết kế ở độ dày thành đang được xem xét không? Thiết kế kết nối thực sự có giá bao nhiêu khi tính đến các tấm mặt bích, tấm nắp hoặc các tấm kiểm tra mối nối dạng ống, thay vì chỉ tính giá mỗi-tấn thép?

Thực hiện đúng điều này ở giai đoạn đặc điểm kỹ thuật - thay vì mặc định theo thói quen hoặc bất kỳ loại phần nào mà dự án trước đây đã tình cờ sử dụng - là nơi tiết kiệm vật liệu và chi phí thực sự đến từ một dự án kết cấu thép và đó là một quyết định đáng xem xét lại đối với mọi cấu trúc mới thay vì cho rằng lựa chọn phần của dự án trước đó vẫn được áp dụng.

Liên hệ ngay