מדוע מהנדסי מבנים בוחרים בחתכים חלולים?

היכנס כמעט לכל אתר בנייה מודרני עם מסגרת פלדה-תראה חלקים חלולים שעושים עבודה שפרופילים פתוחים כמו I-קורות ותעלות פשוט לא יכולים לעשות ביעילות כזו: עומדים כעמודים חשופים דקיקים באטריום זכוכית, יוצרים את החיזוק האלכסוני במסגרת סיסמית, או נושאים את עומסי הרגליים המפותלים בפיתול. ההעדפה אינה אסתטית. זה מסתכם בקומץ של עקרונות הנדסיים מבניים שרוב צוותי הרכש אף פעם לא רואים אותם נדונים, אבל שקובעים בשקט מדוע מפרט דורש SHS, RHS או CHS מלכתחילה.

מאמר זה בוחן את הסיבות ההנדסיות האמיתיות לכך שקטעים חלולים עולים על פרופילים פתוחים במקרי עומס ספציפיים -, ולא פחות חשוב מכך, כאשר קרן I-או ערוץ הם עדיין הבחירה היעילה והחסכונית יותר. הבנת שני הצדדים של ההשוואה היא מה שמפריד בין מפרט מושכל באמת לבין הרגל ברירת מחדל.

היתרון המבני הגדול ביותר של קטע חלול מסתכם במספר אחד: רדיוס הסיבוב.

לקטע פתוח כמו קרן -אוגן I- רחבה יש שני רדיוסי תנועות שונים מאוד - אחד סביב הציר החזק שלה, אחד סביב הציר החלש שלה, לעתים קרובות שונה בפקטור של שניים או יותר. זה אומר שעמודת I-מקטע היא חזקה רק כמו כיוון ההתכווצות החלש ביותר שלה, ואם איבר נחשף לעומס או ללחץ רוח ממספר כיוונים, המהנדס צריך לתכנן סביב הציר החלש יותר ללא קשר לכמה חזק יותר הציר השני עשוי להיות.

לקטע חלול מרובע או עגול, לעומת זאת, יש רדיוס סיבוב שווה (או קרוב מאוד לשווה) לכל כיוון. אין "ציר חלש". עבור עמוד שצריך להתנגד להתכווצות תחת עומס דחיסה המופעל ממקורות בלתי צפויים או מרובי -כיוונים - המתארים חלק גדול של עמודי בניין אמיתיים, במיוחד בתוכניות קומה פתוחות ללא קירות מחזקים כדי להגדיר כיוון עומס דומיננטי - תכונה גיאומטרית זו לבדה הופכת לעתים קרובות קטע חלול לפתוח- לקל יותר מקטע לא קיבולת{5}, משום{ "מבוזבז" מספק חוזק בכיוון שהמבנה לא צריך כל כך.

זו גם הסיבה שקטעים חלולים שולטים כאיברי הדחיסה במסגרות חלל ובמסבכי סריג: כל איבר אלכסוני ואנכי במערכת מסבך תלת-ממדית חווה עומס מכיוון שונה, וקטע עם התנגדות אחידה לכל הכיוונים יעיל מבחינה מבנית באופן שקטע I-אינו יכול להתאים ביסודו ללא תוספת חומר.

הצג תמונה

אם רדיוס התנועה הוא היתרון העדין, קשיחות הפיתול היא הדרמטית - וזו ללא ספק הסיבה הכי לא מוערכת שחלקים חלולים מוגדרים עבור איברים מסוימים.

קטעים פתוחים מתנגדים לפיתול בעיקר באמצעות עיוות וקבוע פיתול חלש יחסית של St. Venant, מכיוון שלצורת דופן דקה- פתוחה פשוט אין נתיב עומס מתמשך סביב ההיקף שלה כדי לשאת זרימת גזירה ביעילות. קטע סגור - כל קטע חלול - מתנגד לפיתול באמצעות זרימת גזירה העוברת ברציפות סביב ההיקף הסגור, שהוא מנגנון קשיח באופן דרמטי. מבחינה מעשית, לקטע חלול סגור יכול להיות קבוע פיתול בסדר גודל גבוה יותר מקטע פתוח בגודל ומשקל דומים.

זה משנה ישירות לחברים שרואים עומס פיתול משמעותי: קורות גשר מעוקלות, קורות מסלול של עגורן הכפופות לעומסי גלגלים אקסצנטריים, קורות כתף התומכות בעומסי רצפה אקסצנטריים לאורך היקף הבניין, וכל חבר במבנה שבו עומס אינו מופעל בצורה נקייה דרך מרכז הגזירה. ציון קטע פתוח עבור יישום קריטי-באמת פירושו בדרך כלל הוספת קשיחים, דיאפרגמות, או הגדלת גודל של האיבר כדי לפצות על - תוספת ייצור וחומר שחלק חלול מונע לעתים קרובות על ידי גיאומטריה בלבד.

 

תהליך קידוח חור

עיבוד מקטע חלול

עיבוד צינור פלדה עגול

כל זה לא אומר שקטעים חלולים עדיפים ללא תנאי, וכאן נכנסת נקודה יותר ניואנסית, פחות נפוצה לדיון: התנהגות נטייה מקומית.

קודי עיצוב - EN 1993-1-1 באירופה, AISC 360 בארה"ב - מסווגים קטעים מבניים (פתוחים וסגורים כאחד) לפי הרוחב-עד-היחס בין קוטר לעובי של יחס הקוטר לעובי של הצלחת הבודדת שלהם או רכיבי הקיר הניתנים לטווח מלא (מדרגות פלסטיק הניתן להגעה לחלקים) ולשמור על סיבוב עבור עיצוב פלסטי) באמצעות "דק" (כאשר מתרחשת פיתול מקומי לפני שהקטע מגיע לתפוקה, ויש להפחית את יכולת העיצוב בהתאם).

עבור קטעים חלולים, סיווג זה קשור ישירות ליחס הרוחב-ל-עובי של הפנים השטוחות (עבור SHS/RHS) או ליחס הקוטר-ל-עובי (עבור CHS). CHS דק-עם קוטר-גדול או RHS רחב ודק-יכול ליפול לסיווג דק באותה מידה כמו שחלק פתוח דק-עם אוגן יכול - הפרופיל הסגור אינו פוטר אוטומטית קטע מבדיקות סתימה מקומיות. מהנדסים המציינים קטעים חלולים גדולים יותר ודקים יותר-עבור יישומים אדריכליים או{12}}ארוכים צריכים לאמת את הסיווג של הקטע במפורש במקום להניח ש"חלול" מרמז על "קומפקטי". זוהי אחת ההשגגות הנפוצות יותר בשינוי גודל ראשוני, שנתפסה רק כאשר לבסוף מתבצעת בדיקה מפורטת.

יתרון אחד שבאמת לא דנו בו בחתכים חלולים מופיע בהנדסת אש, לא בתכנון הכבידה או העומס לרוחב.

דרישות הגנת אש מבניות מונעות באופן מהותי על ידי "גורם החתך" של הקטע - היחס בין ההיקף המחומם לשטח החתך- (לעתים קרובות נכתב Hp/A). קטע עם יחס Hp/A נמוך יותר מתחמם לאט יותר במהלך שריפה, מכיוון שיש פחות שטח פנים חשוף באופן פרופורציונלי המוביל חום למסה נתונה של פלדה. קטעים פתוחים כמו קורות I-חושפים שטח פנים משני צידי הרשת ושני האוגנים, כולם מחוממים בנפרד. לקטע חלול בעל קיבולת עומס דומה יש לעתים קרובות יחס Hp/A נמוך יותר פשוט בגלל שהגיאומטריה שלו מרכזת את אותה מסת פלדה מאחורי משטח חשוף קומפקטי יותר.

ההשלכה המעשית היא שחברי חלקים חלולים יכולים לפעמים להשיג דירוג עמידות באש עם ציפוי דק יותר או פחות חומר הגנה מפני אש מאשר חלק פתוח הנושא אותו עומס עיצובי - חיסכון אמיתי בעלויות ובמשקל שמופיע רק לעתים נדירות בחומר שיווקי כללי, כי זה דורש חישוב ספציפי-לחלק כדי להדגים, לא טענה כללית שתחול באופן אחיד בכל גודל ויישום.

זו הנקודה שבה קטעים חלולים מאבדים חלק מהיתרון שהם משיגים במקומות אחרים, וזה ראוי ליותר תשומת לב בהחלטות מפרט ממה שהוא מקבל בדרך כלל.

חלקים פתוחים מציעים אוגן ומשטחי אינטרנט שטוחים ונגישים שהופכים חיבורים מוברגים לפשוטים - ניתן להבריג לוחית חיבור ישירות לאוגן עם מרווחים סטנדרטיים ופרטים סטנדרטיים. חלקים חלולים, מטבעם הסגור, אינם מציעים את אותו משטח נגיש עבור חיבור ברגים קונבנציונלי ללא חומרה נוספת: באמצעות-הברגה נדרשת גישה אל פנים הצינור (לעיתים בלתי אפשרי לאחר הרכבת המבנה), וחיבורי הברגה-על פני השטח זקוקים בדרך כלל ללוחות אוגן, לוחות מכסה או מערכות עיוור-מעוצב במיוחד עבור מערכות מקטעים סגורים.

חיבורים מרותכים נושאים מורכבות משלהם. במקום שבו איברי קטע חלול נפגשים בצומת מסבך - מפרק K, T, Y, או X בבניית קורות סריג -, החיבור אינו רק עניין של ריתוך שני צינורות יחד. יש לבדוק את פני המיתר במפרק עבור גזירת ניקוב וטיוח מקומי תחת העומס המרוכז מאבר הפלטה הנכנס, בהתאם להוראות התכנון כגון אלו ב-EN 1993-1-8 סעיף 7 או מדריכי התכנון של CIDECT שפותחו במיוחד עבור עיצוב מפרק צינורי. בדיקות אלו באמת מעורבות יותר מתכנון חיבור סטנדרטי של חתך פתוח, וחוסר הערכת מורכבות זו בשלב התכנון היא אחד המקורות הנפוצים יותר לתכנון מחדש בשלב מאוחר בפרויקטים של מסבך צינורי.

כל זה לא הופך את חיבורי החתך החלול לבלתי מעשיים - מסבכים צינוריים נבנים בהצלחה ברחבי העולם - אבל זה אומר שצריך לשקול את עלות הייצור ועיצוב החיבור מול יעילות החומר שהושגה מהחתך עצמו, במקום להניח שהחתך החלול הוא עלות פשוטה בכל מקרה.

בהתחשב בכל מה שלמעלה, כדאי להיות ישיר לגבי היכן קרן I-או תעלה נותרה הבחירה הטובה ביותר: איברי כיפוף ראשוניים שבהם העומס מופעל בעיקר על ציר אחד, והיכן ציר זה ידוע ומקובע על ידי הגיאומטריה של המבנה - קורת רצפה טיפוסית התומכת בלוח, למשל, מתכופפת סביב ציר אחד{2} בלבד, אוגנים רחוקים מהציר הנייטרלי, יעילים יותר בכיפוף חד-צירי טהור מאשר חומר של קטע חלול המופץ סביב היקף סגור.

חלקים פתוחים הם בדרך כלל זולים יותר לחיבור, כפי שנדון לעיל, והם זמינים יותר במגוון רחב יותר של גדלים מגולגלים סטנדרטיים עבור איברים גדולים מאוד ועמוקים מאשר חלקים חלולים בדרך כלל. עבור קורת רצפה פשוטה, קטע I-בדרך כלל נשאר המפרט החסכוני יותר; עבור עמוד החשוף לעומס רב-כיווני, איבר חיזוק תחת דחיסה ופיתול אפשרי, או מיתר מסבך במסגרת חלל, קטע חלול מנצח בדרך כלל הן על יעילות החומר והן, במקרים רבים, על ביצועי האש.

 

 

 

 

הבחירה בין קטעים חלולים ופתוחים אינה עניין של אחד שהוא עדיף באופן קטגורי - זה עניין של התאמת גיאומטריית הקטע למקרה העומס בפועל שהחבר חווה. מהנדס מבנים השוקל את ההחלטה הזו באמת שואל: האם חבר זה רואה עומס מכיוון אחד שניתן לצפות אותו, או ממספר כיוונים ואולי פיתול? האם סיווג פיתול מקומי ישלוט בעיצוב בעובי הקיר הנבחן? מה בעצם עולה תכנון החיבור ברגע שמביאים בחשבון לוחות אוגן, לוחות מכסה או בדיקות מפרקים צינוריות, ולא רק המחיר ל-טון של הפלדה עצמה?

ביצוע זה נכון בשלב המפרט - במקום ברירת מחדל להרגל או לאיזה סוג מקטע שפרויקט עבר השתמש ב-- הוא המקום שבו נובעים חיסכון אמיתי בחומר ובעלויות על פרויקט פלדה מבנית, וזו החלטה שכדאי לבדוק מחדש בכל מבנה חדש במקום להניח שבחירת הסעיף של הפרויקט הקודם עדיין חלה.

צור קשר עכשיו