เหตุใดวิศวกรโครงสร้างจึงเลือกส่วนกลวง

เดินเข้าไปในสถานที่ก่อสร้างโครงเหล็กที่ทันสมัยเกือบทุกแห่ง- แล้วคุณจะเห็นส่วนกลวงที่ทำงานโดยเปิดโปรไฟล์ เช่น คานและช่อง I- ซึ่งไม่สามารถทำได้อย่างมีประสิทธิภาพ เช่น ยืนเป็นเสาเปลือยเรียวบางในห้องโถงกระจก สร้างแนวขวางในแนวทแยงในกรอบแผ่นดินไหว หรือการแบกรับแรงบิดในสะพานคนเดินโค้ง ความชอบไม่ใช่ความสวยงาม ขึ้นอยู่กับหลักการทางวิศวกรรมโครงสร้างจำนวนหนึ่งที่ทีมจัดซื้อส่วนใหญ่ไม่เคยเห็นมีการพูดคุยกัน แต่นั่นเป็นการพิจารณาอย่างเงียบๆ ว่าเหตุใดข้อกำหนดจำเพาะจึงต้องใช้ SHS, RHS หรือ CHS ตั้งแต่แรก

บทความนี้กล่าวถึงเหตุผลทางวิศวกรรมที่แท้จริงว่าส่วนกลวงมีประสิทธิภาพดีกว่าโปรไฟล์แบบเปิดในกรณีโหลดเฉพาะ - และที่สำคัญไม่แพ้กัน โดยที่ลำแสงหรือช่อง I- ยังคงเป็นตัวเลือกที่มีประสิทธิภาพและประหยัดกว่า การทำความเข้าใจทั้งสองฝ่ายของการเปรียบเทียบนั้นเป็นสิ่งที่แยกข้อกำหนดที่ได้รับแจ้งอย่างแท้จริงออกจากนิสัยเริ่มต้น

ข้อได้เปรียบเชิงโครงสร้างที่ใหญ่ที่สุดเพียงอย่างเดียวของส่วนกลวงนั้นมีอยู่เพียงตัวเลขเดียว นั่นก็คือ รัศมีของการหมุน

ส่วนเปิด เช่น ลำแสง-หน้าแปลน I- กว้างมีรัศมีการหมุนที่แตกต่างกันมากสองรัศมี - รัศมีหนึ่งเกี่ยวกับแกนแข็งแรง และอีกหนึ่งรัศมีเกี่ยวกับแกนอ่อนของมัน ซึ่งมักจะแตกต่างกันด้วยปัจจัยสองหรือมากกว่านั้น นั่นหมายความว่าคอลัมน์ส่วน I- จะแข็งแรงพอๆ กับทิศทางการโก่งงอที่อ่อนที่สุดเท่านั้น และหากชิ้นส่วนสัมผัสกับน้ำหนักหรือแรงลมจากหลายทิศทาง วิศวกรจะต้องออกแบบรอบแกนที่อ่อนกว่า ไม่ว่าแกนอื่นจะแข็งแกร่งแค่ไหนก็ตาม

ในทางตรงกันข้าม ส่วนกลวงที่เป็นสี่เหลี่ยมจัตุรัสหรือวงกลมจะมีรัศมีการหมุนเท่ากัน (หรือใกล้เคียงกันมาก) ในทุกทิศทาง ไม่มี "แกนอ่อน" สำหรับคอลัมน์ที่ต้องต้านทานการโก่งงอภายใต้แรงอัดที่ใช้จากแหล่ง-ทิศทางที่คาดเดาไม่ได้หรือหลายทิศทาง - ซึ่งอธิบายส่วนแบ่งขนาดใหญ่ของคอลัมน์อาคารจริง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแผนผังพื้นที่เปิดโล่งที่ไม่มีผนังค้ำยันเพื่อกำหนดทิศทางการรับน้ำหนักที่โดดเด่น - คุณสมบัติทางเรขาคณิตนี้เพียงอย่างเดียวมักจะทำให้ส่วนกลวงเบากว่าส่วนเปิดที่มีความจุเท่ากัน- เนื่องจากไม่มีวัสดุใดที่ "สูญเปล่า" ซึ่งให้ความแข็งแรงในทิศทางที่โครงสร้างไม่ต้องการ มาก

นี่เป็นเหตุผลว่าทำไมส่วนกลวงจึงมีอิทธิพลเหนือส่วนประกอบในการบีบอัดในสเปซเฟรมและโครงตาข่าย: ชิ้นส่วนทั้งแนวทแยงและแนวตั้งทุกตัวในระบบโครงถัก 3 มิติต้องรับน้ำหนักจากการวางแนวที่แตกต่างกัน และส่วนที่มีความต้านทานสม่ำเสมอในทุกทิศทางจะมีโครงสร้างที่มีประสิทธิภาพในลักษณะที่ส่วน I- โดยพื้นฐานแล้วไม่สามารถจับคู่ได้หากไม่มีวัสดุเพิ่มเติม

แสดงรูปภาพ

ถ้ารัศมีของการหมุนเป็นข้อได้เปรียบเล็กๆ น้อยๆ ความแข็งของแรงบิดคือค่าที่น่าทึ่ง - และอาจเป็นเหตุผลที่ประเมินค่าไม่ได้มากที่สุดที่ส่วนกลวงถูกระบุสำหรับส่วนประกอบบางตัว

ส่วนที่เปิดจะต้านทานการบิดโดยการบิดงอเป็นหลักและค่าคงที่แรงบิดของ St. Venant ที่ค่อนข้างอ่อน เนื่องจากรูปร่างผนังบาง-แบบเปิดนั้นไม่มีเส้นทางรับน้ำหนักที่ต่อเนื่องรอบๆ เส้นรอบวงเพื่อให้สามารถส่งกระแสเฉือนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส่วนปิด - ส่วนกลวงใดๆ - ต้านทานการบิดผ่านการไหลของแรงเฉือนที่ไหลอย่างต่อเนื่องรอบๆ เส้นรอบวงปิด ซึ่งเป็นกลไกที่แข็งกว่ามาก ในทางปฏิบัติ ส่วนกลวงแบบปิดสามารถมีค่าคงที่เชิงบิดซึ่งมีขนาดสูงกว่าส่วนเปิดที่มีขนาดและน้ำหนักที่เทียบเคียงได้

สิ่งนี้สำคัญโดยตรงในสมาชิกที่มองเห็นภาระแรงบิดที่มีความหมาย: คานสะพานโค้ง, คานรันเวย์ของเครนที่รับภาระล้อเยื้องศูนย์, คานแปนเดรลที่รองรับการรับน้ำหนักของพื้นเยื้องศูนย์ตามแนวเส้นรอบวงของอาคาร และส่วนประกอบใดๆ ในโครงสร้างที่ไม่ได้รับแรงโหลดอย่างหมดจดผ่านศูนย์กลางแรงเฉือน การระบุส่วนเปิดสำหรับการบิดที่สำคัญ-มักจะหมายถึงการเพิ่มตัวทำให้แข็ง ไดอะแฟรม หรือการเพิ่มขนาดชิ้นส่วนให้ใหญ่ขึ้นเพื่อชดเชย - ต้นทุนการผลิตและวัสดุเพิ่มเติมที่ส่วนกลวงมักจะหลีกเลี่ยงด้วยรูปทรงเพียงอย่างเดียว

 

กระบวนการเจาะรู

การประมวลผลส่วนกลวง

การแปรรูปท่อเหล็กกลม

ทั้งหมดนี้ไม่ได้หมายความว่าส่วนกลวงจะดีกว่าอย่างไม่มีเงื่อนไข และนี่คือจุดที่มีการพูดคุยกันน้อยกว่าและเหมาะสมยิ่งขึ้น: พฤติกรรมการโก่งงอเฉพาะที่

รหัสการออกแบบ - EN 1993-1-1 ในยุโรป AISC 360 ในสหรัฐอเมริกา - จำแนกส่วนโครงสร้าง (เปิดและปิดเหมือนกัน) ตามความกว้าง-ถึง-อัตราส่วนความหนาหรือเส้นผ่านศูนย์กลางต่อความหนาขององค์ประกอบแผ่นหรือผนังแต่ละส่วน ออกเป็นประเภทต่างๆ โดยประมาณตั้งแต่ "กะทัดรัด" (สามารถเข้าถึงโมเมนต์พลาสติกเต็มรูปแบบและรักษาการหมุนอย่างต่อเนื่องสำหรับการออกแบบพลาสติก) ผ่าน "เรียว" (โดยที่การโก่งงอเฉพาะจุดก่อนที่ส่วนจะถึงคราก และความสามารถในการออกแบบจะต้องลดลงตามไปด้วย)

สำหรับส่วนกลวง การจำแนกประเภทนี้จะเชื่อมโยงโดยตรงกับอัตราส่วนความกว้าง-ถึง-ความหนาของหน้าตัดแบน (สำหรับ SHS/RHS) หรืออัตราส่วนเส้นผ่านศูนย์กลาง-ถึง-ความหนา (สำหรับ CHS) CHS ที่มีผนังบาง- ใหญ่- หรือ RHS ที่มีผนังบาง- สามารถจัดอยู่ในประเภทที่บางได้ เช่นเดียวกับที่ง่ายดายพอๆ กับส่วนที่เปิดที่มีหน้าแปลนบาง - โปรไฟล์ที่ปิดจะไม่ได้รับการยกเว้นโดยอัตโนมัติสำหรับส่วนดังกล่าวจากการตรวจสอบการโก่งงอในท้องถิ่น วิศวกรที่ระบุส่วนกลวงที่มีผนัง-มีขนาดใหญ่กว่าและบางกว่าสำหรับสถาปัตยกรรมหรือการใช้งาน-ช่วงยาว จำเป็นต้องตรวจสอบการจัดหมวดหมู่ของส่วนนั้นอย่างชัดเจน แทนที่จะคิดว่า "กลวง" หมายถึง "กะทัดรัด" นี่เป็นหนึ่งในการกำกับดูแลทั่วไปในการกำหนดขนาดเบื้องต้น ซึ่งจะตรวจพบเมื่อมีการดำเนินการตรวจสอบโดยละเอียดในที่สุดเท่านั้น

ข้อดีประการหนึ่งที่ไม่ได้รับการกล่าวถึงอย่างแท้จริงของส่วนกลวงนั้นแสดงให้เห็นในวิศวกรรมอัคคีภัย ไม่ใช่แรงโน้มถ่วงหรือการออกแบบโหลดด้านข้าง

ข้อกำหนดการป้องกันอัคคีภัยเชิงโครงสร้างได้รับแรงผลักดันอย่างมากจาก "ปัจจัยส่วน" ของส่วน - อัตราส่วนของปริมณฑลที่ได้รับความร้อนต่อพื้นที่ตัดขวาง- พื้นที่หน้าตัด (มักเขียนเป็น Hp/A) ส่วนที่มีอัตราส่วน Hp/A ต่ำกว่าจะร้อนได้ช้ากว่าในระหว่างเกิดเพลิงไหม้ เนื่องจากมีพื้นที่ผิวสัมผัสที่น้อยกว่าตามสัดส่วนที่ขับความร้อนเข้าไปในเหล็กที่มีมวลที่กำหนด ส่วนที่เปิด เช่น คาน I- เผยให้เห็นพื้นที่ผิวทั้งสองด้านของรางและหน้าแปลนทั้งสองข้าง ซึ่งทั้งหมดได้รับความร้อนแยกจากกัน ส่วนกลวงที่มีความสามารถในการรับน้ำหนักที่เทียบเคียงได้มักจะมีอัตราส่วน Hp/A ต่ำกว่า เพียงเพราะรูปทรงของมันเน้นมวลเหล็กเดียวกันไว้ด้านหลังพื้นผิวที่มีขนาดกะทัดรัดและต่อเนื่องกัน

ผลที่ตามมาในทางปฏิบัติคือบางครั้งชิ้นส่วนกลวงสามารถบรรลุระดับการทนไฟตามที่ต้องการด้วยการเคลือบแบบเรืองแสงที่บางกว่าหรือวัสดุป้องกันไฟน้อยกว่าส่วนที่เปิดซึ่งรับน้ำหนักการออกแบบเดียวกัน - ต้นทุนจริงและการประหยัดน้ำหนักที่แท้จริงซึ่งไม่ค่อยปรากฏในสื่อการตลาดทั่วไป เนื่องจากต้องใช้การคำนวณเฉพาะส่วน- เพื่อแสดงให้เห็น ไม่ใช่การกล่าวอ้างทั่วไปที่ใช้อย่างเท่าเทียมกันในทุกขนาดและการใช้งาน

นี่คือจุดที่ส่วนกลวงสูญเสียความได้เปรียบบางส่วนที่ได้รับจากที่อื่น และสมควรได้รับความสนใจในการตัดสินใจด้านข้อมูลจำเพาะมากกว่าปกติ

ส่วนเปิดมีหน้าแปลนที่เรียบและเข้าถึงได้และพื้นผิวรางที่ทำให้การเชื่อมต่อแบบสลักเกลียวตรงไปตรงมา - สามารถยึดแผ่นเชื่อมต่อเข้ากับหน้าแปลนได้โดยตรงโดยมีระยะห่างมาตรฐานและรายละเอียดมาตรฐาน โดยธรรมชาติของส่วนกลวงแล้ว จะไม่มีพื้นผิวที่เข้าถึงได้เหมือนกันสำหรับการเชื่อมต่อแบบโบลต์แบบทั่วไปโดยไม่มีฮาร์ดแวร์เพิ่มเติม: การโบลท์ผ่าน-จำเป็นต้องเข้าถึงภายในท่อ (มักจะเป็นไปไม่ได้เมื่อประกอบโครงสร้างแล้ว) และการเชื่อมต่อแบบโบลต์ที่ยึดกับพื้นผิว- โดยทั่วไปต้องใช้แผ่นหน้าแปลน แผ่นปิดฝา หรือระบบโบลท์-ที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับส่วนที่ปิด

การเชื่อมต่อแบบเชื่อมมีความซับซ้อนในตัวเอง เมื่อชิ้นส่วนกลวงมาบรรจบกันที่โหนดโครงถัก - ข้อต่อ K, T, Y หรือ X ในโครงสร้างคานตาข่าย - การเชื่อมต่อไม่ได้เป็นเพียงเรื่องของการเชื่อมท่อสองท่อเข้าด้วยกัน หน้าคอร์ดที่ข้อต่อต้องได้รับการตรวจสอบแรงเฉือนแบบเจาะและการพลาสติคเฉพาะที่ภายใต้ภาระที่เข้มข้นจากชิ้นส่วนรั้งที่เข้ามา ตามข้อกำหนดการออกแบบ เช่น ใน EN 1993-1-8 ส่วนที่ 7 หรือแนวทางการออกแบบ CIDECT ที่พัฒนาขึ้นโดยเฉพาะสำหรับการออกแบบข้อต่อแบบท่อ การตรวจสอบเหล่านี้มีส่วนเกี่ยวข้องอย่างแท้จริงมากกว่าการออกแบบการเชื่อมต่อส่วนเปิดมาตรฐาน และการประเมินความซับซ้อนนี้ต่ำเกินไปในขั้นตอนการออกแบบเป็นหนึ่งในแหล่งที่มาของการออกแบบใหม่ขั้นตอนสุดท้ายในโครงการโครงถักแบบท่อ

สิ่งเหล่านี้ไม่ได้ทำให้การเชื่อมต่อส่วนกลวงทำไม่ได้ในทางปฏิบัติ - โครงถักแบบท่อถูกสร้างขึ้นอย่างประสบความสำเร็จทั่วโลก - แต่นั่นหมายความว่าต้นทุนการผลิตและการออกแบบการเชื่อมต่อจะต้องถูกชั่งน้ำหนักเทียบกับประสิทธิภาพของวัสดุที่ได้รับจากส่วนนั้น แทนที่จะถือว่าส่วนกลวงเป็นต้นทุนที่ตรงไปตรงมาในทุกกรณี

จากทุกสิ่งที่กล่าวมาข้างต้น จึงคุ้มค่าที่จะบอกตรงๆ ว่าจุดที่คาน I- ยังคงเป็นตัวเลือกที่ดีกว่า: ส่วนโค้งหลักที่มีการจ่ายโหลดเป็นส่วนใหญ่ประมาณหนึ่งแกน และตำแหน่งที่ทราบและตรึงแกนนั้นด้วยรูปทรงเรขาคณิตของโครงสร้าง - คานพื้นทั่วไปที่รองรับแผ่นพื้น เช่น โค้งประมาณหนึ่งแกนเท่านั้น และวัสดุของส่วน I- ซึ่งมีความเข้มข้นในหน้าแปลนที่อยู่ห่างจากแกนที่เป็นกลางจะมีประสิทธิภาพมากกว่าในบริสุทธิ์ การดัดงอในแกนเดียวมากกว่าวัสดุของส่วนกลวงที่กระจายอยู่รอบปริมณฑลปิด

โดยทั่วไปส่วนที่เปิดจะมีราคาถูกกว่าในการเชื่อมต่อ ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น และมีจำหน่ายกันอย่างแพร่หลายในขนาดม้วนมาตรฐานที่กว้างกว่าสำหรับชิ้นส่วนที่มีขนาดใหญ่มากและลึกกว่าส่วนที่กลวงโดยทั่วไป สำหรับคานพื้นแบบตรงไปตรงมา ส่วน I- มักจะยังคงเป็นข้อกำหนดที่ประหยัดกว่า สำหรับคอลัมน์ที่ต้องรับน้ำหนักหลายทิศทาง- ส่วนค้ำยันภายใต้แรงอัดและแรงบิดที่เป็นไปได้ หรือโครงถักในกรอบอวกาศ โดยทั่วไปแล้ว ส่วนกลวงจะชนะทั้งประสิทธิภาพของวัสดุ และในหลายกรณี ประสิทธิภาพของการยิง

 

 

 

 

การเลือกระหว่างส่วนที่กลวงและส่วนที่เปิดไม่ได้ขึ้นอยู่กับว่าเหนือกว่าอย่างเด็ดขาด - แต่เป็นเรื่องของการจับคู่เรขาคณิตของส่วนกับกรณีโหลดจริงที่สมาชิกประสบ วิศวกรโครงสร้างที่ชั่งน้ำหนักการตัดสินใจนี้กำลังถามจริงๆ ว่า ชิ้นส่วนนี้มองเห็นโหลดจากทิศทางเดียวที่คาดเดาได้ หรือจากหลายทิศทางและอาจเกิดการบิดหรือไม่ การจำแนกประเภทการโก่งงอเฉพาะจุดจะควบคุมการออกแบบที่ความหนาของผนังที่กำลังพิจารณาหรือไม่ การออกแบบการเชื่อมต่อจะมีค่าใช้จ่ายเท่าใดเมื่อคำนึงถึงแผ่นหน้าแปลน แผ่นปิดฝา หรือการตรวจสอบข้อต่อแบบท่อ ไม่ใช่แค่ราคาต่อ-ตันของเหล็กเอง

การได้รับสิทธิ์นี้ในขั้นตอนข้อกำหนด - แทนที่จะเริ่มต้นตามนิสัยหรือประเภทส่วนใดก็ตามที่โครงการในอดีตเกิดขึ้นเพื่อใช้ - คือที่ที่วัสดุจริงและการประหยัดต้นทุนมาจากโครงการเหล็กโครงสร้าง และเป็นการตัดสินใจที่คุ้มค่าที่จะทบทวนโครงสร้างใหม่ทุกรายการ แทนที่จะถือว่าตัวเลือกส่วนของโครงการก่อนหน้านี้ยังคงมีผลใช้อยู่

ติดต่อได้เลย