Stalowe kolumny skrzynkowe, zwane także spawanymi profilami skrzynkowymi lub zamkniętymi-sekcjami zabudowanymi, są wytwarzane przez spawanie czterech płyt w wydrążony kwadratowy lub prostokątny pryzmat. Ich zamknięta geometria zapewnia symetryczną sztywność wokół obu osi, wysoką odporność na skręcanie i doskonałe działanie przy dużych obciążeniach osiowych, co czyni je standardowym wyborem do-rdzeń wysokich budynków,-mostów o dużej rozpiętości i ram przemysłowych. Pytanie, przed którym staje każdy zespół projektowy na początku, brzmi: jaki rozmiar powinna mieć kolumna? Odpowiedź pochodzi z projektu konstrukcyjnego, a nie z katalogu, a w tym przewodniku wyjaśniono czynniki i kontrole, które to determinują.
Co to jest kolumna ze stalową skrzynką?
Stalowa kolumna skrzynkowa to zamknięty, pusty w środku element konstrukcyjny, zwykle wytwarzany przez zespawanie ze sobą czterech stalowych płyt w celu utworzenia kwadratowego lub prostokątnego-przekroju. W porównaniu z przekrojami otwartymi, takimi jak belki dwuteowe- lub dwuteowe-, przekrój skrzynkowy zapewnia:
Symetryczna sztywność dwuosiowa:nie ma mocnej ani słabej osi, więc kolumna jest odporna na zginanie jednakowo we wszystkich kierunkach.
Wysoka odporność na skręcanie:zamknięta komórka wytrzymuje moment obrotowy znacznie skuteczniej niż sekcje otwarte.
Wysoka skuteczność ściskania:materiał jest rozprowadzany z dala od środka ciężkości, co zapewnia duży promień bezwładności w obszarze przekroju.
Doskonała kontrola wyboczenia lokalnego:cztery ściany płytowe mogą być proporcjonalne, aby spełnić ograniczenia zwartości określone w obowiązujących przepisach.
Kolumny skrzynkowe są szeroko stosowane jako kolumny konstrukcyjne-ram wieżowców, jako filary i pylony mostów oraz jako główne elementy budynków przemysłowych i publicznych.
Czynniki wpływające na wielkość kolumny pudełkowej
Obciążenia projektowe
Przekrój poprzeczny- musi wytrzymać uwzględnione obciążenie osiowe, momenty zginające wynikające z obciążeń grawitacyjnych i bocznych oraz ścinanie, łącznie zgodnie z obowiązującymi normami. Muszą być spełnione zarówno stany graniczne wytrzymałości, jak i użytkowalności.
Wysokość bez usztywnień i długość efektywna
Dłuższe odcinki nieusztywnione zwiększają smukłość kolumny i zmniejszają jej zdolność do ściskania. Długość efektywna to iloczyn długości rzeczywistej i współczynnika K-, który odzwierciedla utwierdzenia końcowe: połączenia stałe, przegubowe lub częściowo utwierdzone na górze i na dole elementu.
Utwierdzenia końców i warunki brzegowe
Stałe podstawy i{0}}połączone momentowo blaty zmniejszają współczynnik długości efektywnej, podczas gdy podstawy przegubowe i proste połączenia go zwiększają. Warunki podparcia muszą być modelowane dokładnie, ponieważ bezpośrednio regulują kontrolę wyboczenia.
Stopień stali
Wyższe-klasy wytrzymałości, takie jak S355 (EN 10025-2), ASTM A572 klasa 50 lub Q355B (GB/T 1591) pozwalają uzyskać bardziej zwarty przekrój przy tym samym obciążeniu, kosztem wyższej ceny jednostkowej oraz bardziej rygorystycznych wymagań dotyczących spawania i produkcji. Gatunek należy wybrać, biorąc pod uwagę wytrzymałość projektową i możliwości produkcyjne.
Stosunek szerokości-do-grubości (lokalne wyboczenie)
Ściany płytowe słupa skrzynkowego muszą być dobrane tak, aby zapobiec miejscowemu wyboczeniu, zanim sekcja osiągnie pełną wytrzymałość. Normy definiują granice zwartości w kategoriach stosunku szerokości-do-grubości; na przykład AISC 360 ustala graniczny stosunek szerokości-do-grubości dla smukłych elementów poddanych równomiernemu ściskaniu, a normy GB 50017 i EN 1993-1-1 zapewniają równoważne wymagania dotyczące wyboczenia lokalnego. Projekt musi sprawdzić, czy wybrana grubość płyty spełnia obowiązujące ograniczenia.
Kontrole projektu kolumn skrzynkowych
Wymiarowanie kolumny pudełkowej to iteracyjny proces zakładania sekcji, sprawdzania jej i dostosowywania. Główne kontrole przeprowadzane przy użyciu obowiązującego kodu (na przykład AISC 360, EN 1993-1-1 lub GB 50017) to:
Wytrzymałość osiowa:obliczeniowa wytrzymałość na ściskanie to wytrzymałość nominalna pomniejszona o odpowiedni współczynnik wytrzymałości, gdzie wytrzymałość nominalna uwzględnia wyboczenie giętne wokół osi krytycznej i opiera się na smukłości efektywnej KL/r.
Połączone osiowo i zginanie:elementy obciążone osiowo plus momenty weryfikowane są za pomocą równań interakcji normy, które łączą współczynniki wykorzystania siły i momentu osiowego.
Granice smukłości:elementy ściskane są zwykle ograniczone do maksymalnego współczynnika smukłości (na przykład KL/r nie większy niż 200 dla głównych elementów ściskanych zgodnie z AISC 360; równoważne ograniczenie w GB 50017 ma zastosowanie do głównych elementów ściskanych).
Wyboczenie lokalne:stosunek szerokości-do-grubości płyty sprawdza się pod kątem ograniczeń zwartości określonych w normie, tak aby sekcja mogła rozwinąć swoją plastyczność lub sprężystość zgodnie z założeniami projektu.
Użyteczność:sprawdza się znoszenie boczne, skracanie osiowe i wibracje pod kątem ograniczeń projektowych.
Ponieważ geometria wchodzi w interakcję z kontrolą wytrzymałości, ostateczny rozmiar najlepiej potwierdzi wykwalifikowany inżynier konstruktor, korzystający z uznanego oprogramowania do projektowania, z rysunkami warsztatowymi przygotowanymi na podstawie zatwierdzonych obliczeń.
Praktyczne wskazówki dotyczące rozmiaru według zastosowania
| Aplikacja | Klasa przekroju względnego | Sugerowane przykłady ocen | Kluczowe sterowniki wyboru |
|---|---|---|---|
| Ramy mieszkalne i lekkie obiekty komercyjne | Kompaktowe sekcje, niewielka grubość ścianek | Q235B (GB/T 1591) lub S235JR (EN 10025-2) | Efektywność przestrzenna, oszczędność, proste połączenia |
| Zakłady przemysłowe i magazyny | Średnie sekcje o odpowiedniej sztywności | Q355B (GB/T 1591) lub S355JR (EN 10025-2) | Obciążenia dźwigiem, uderzenia i wibracje, kontrola znoszenia |
| Wysokie-wieże i wieżowce komercyjne | Duże sekcje, grubsze ściany | Q355B, Q420 (GB/T 1591) lub ASTM A572 klasa 50/60 | Wysoka nośność osiowa, ścisła kontrola zwartości, detale sejsmiczne |
| Mosty i infrastruktura | Głębokie przekroje, grube płyty, detale zmęczeniowe | S355K2 (EN 10025-2) lub ASTM A572 klasa 50 | Obciążenia dynamiczne, zmęczenie, naddatek na korozję |
| Tymczasowe konstrukcje wsporcze | Przekroje umiarkowane, połączenia śrubowe | Q355B (GB/T 1591) lub S355 | Możliwość ponownego użycia, możliwość transportu, szybki montaż i demontaż |
Tabela ma charakter wyłącznie orientacyjny: nadrzędny przypadek obciążenia, długość efektywna i wymagania normowe mają zawsze pierwszeństwo, a dokładne wymiary muszą pochodzić z obliczeń konstrukcyjnych.
Produkcja i kontrola jakości
Spawane kolumny skrzynkowe wymagają zdyscyplinowanej produkcji, ponieważ zamknięta sekcja sprawia, że wewnętrzne spoiny stają się niedostępne po montażu:
Spawalniczy:cztery szwy narożne są zwykle spawane łukiem krytym (SAW) w kontrolowanych sekwencjach; procedury spawania muszą spełniać wymagania normy AWS D1.1, EN 1090 lub odpowiedniego kodeksu.
Usztywnienie wewnętrzne:poprzeczne membrany w punktach wprowadzenia obciążenia oraz, tam gdzie jest to wymagane, podłużne usztywnienia kontrolują lokalne wyboczenie i rozkładają siły skupione.
Testy nieniszczące-:krytyczne spoiny są badane za pomocą badań ultradźwiękowych (UT), badań cząstek magnetycznych (MT) lub badań radiograficznych (RT), jeśli wymaga tego specyfikacja.
Identyfikowalność materiału:Certyfikaty badań młyna zgodnie z EN 10204 (typ 3.1) dokumentują skład chemiczny i właściwości mechaniczne płyty.
Ochrona przed korozją:powierzchnie są czyszczone strumieniowo do Sa 2,5 i powlekane zgodnie z ISO 12944 dla kategorii narażenia lub cynkowane ogniowo-zanurzeniowo, jeśli jest to określone.
Montaż próbny:złożone lub o wysokiej tolerancji kolumny są-próbnie montowane w warsztacie w celu sprawdzenia wyrównania otworów i geometrii przed wysyłką.
Często zadawane pytania
P: Jakie kształty kolumn skrzynkowych są dostępne?
Najczęściej spotykane są profile puste kwadratowe i prostokątne; Kolumny stożkowe i schodkowe produkowane są, gdy wymagania architektoniczne lub obciążenia wymagają zróżnicowanego przekroju wzdłuż wysokości.
P: Jaki gatunek stali wybrać do kolumny skrzynkowej?
W przypadku umiarkowanych obciążeń ekonomiczne są Q235B (GB/T 1591) lub S235JR (EN 10025-2). W przypadku wieżowców, mostów i ciężkich zastosowań przemysłowych typowe są Q355B/Q420 (GB/T 1591), S355 (EN 10025-2) lub ASTM A572 klasa 50/60. Gatunek jest wybierany wraz z wytrzymałością projektową i wymaganiami produkcyjnymi.
P: Jak określa się grubość ściany?
Grubość ściany ustalana jest na podstawie kontroli wytrzymałości osiowej i wytrzymałości na zginanie, lokalnych ograniczeń wyboczenia (szerokość-do-grubości) normy oraz wszelkich naddatków na korozję wymaganych dla środowiska. Grubsze ściany stosuje się tam, gdzie decyduje smukłość lub kontrola wyboczenia lokalnego.
P: Jaki jest dobry stosunek szerokości-do-grubości kolumny pudełkowej?
Nie ma jednej stałej wartości. Graniczny stosunek szerokości-do-grubości jest zdefiniowany przez obowiązujące przepisy (na przykład granice zwartości w AISC 360, GB 50017 lub EN 1993-1-1) i zależy od granicy plastyczności stali i poziomu naprężeń ściany. Projekt musi sprawdzić przekrój pod kątem mających zastosowanie wartości granicznych.
P: Czy kolumny skrzynkowe można łączyć na miejscu?
Tak. Połączenia polowe wykonuje się za pomocą przykręcanych płytek łączących lub spoin rowkowych-z pełną penetracją, szczegółowo i sprawdzanych zgodnie z normą. Fabryczne-przygotowanie końcówek i montaż próbny pozwalają zagwarantować wyrównanie na złączu.
P: Jaka dokumentacja towarzyszy prefabrykowanym kolumnom skrzynkowym?
Typowa dokumentacja obejmuje certyfikaty testów walcowni (EN 10204 typ 3.1), kwalifikacje technologii spawania i zapisy spawaczy, raporty NDT, raporty z kontroli wymiarowej i zatwierdzone rysunki warsztatowe.