Οι στήλες από χαλύβδινο κουτί, που ονομάζονται επίσης συγκολλημένα τμήματα κουτιού ή κλειστά χτισμένα-τμήματα, κατασκευάζονται με συγκόλληση τεσσάρων πλακών σε ένα κοίλο τετράγωνο ή ορθογώνιο πρίσμα. Η κλειστή τους γεωμετρία προσδίδει συμμετρική ακαμψία και στους δύο άξονες, υψηλή αντίσταση στρέψης και εξαιρετική απόδοση κάτω από βαριά αξονικά φορτία, γεγονός που τα καθιστά τυπική επιλογή για πυρήνες υψηλής-ανύψωσης, γέφυρες μεγάλου-ανοιχώματος και βιομηχανικά πλαίσια. Το ερώτημα που αντιμετωπίζει νωρίς κάθε ομάδα έργου είναι: τι μέγεθος πρέπει να είναι η στήλη; Η απάντηση προέρχεται από τη δομική σχεδίαση, όχι από έναν κατάλογο, και αυτός ο οδηγός εξηγεί τους παράγοντες και τους ελέγχους που την καθορίζουν.
Τι είναι μια στήλη από χαλύβδινο κουτί;
Μια στήλη χαλύβδινου κουτιού είναι ένα κλειστό, κοίλο δομικό μέλος, που συνήθως παράγεται με συγκόλληση τεσσάρων χαλύβδινων πλακών μεταξύ τους για να σχηματίσουν μια τετράγωνη ή ορθογώνια διατομή-. Σε σύγκριση με ανοιχτά τμήματα, όπως δέσμες I- ή H-, το τμήμα κουτιού παρέχει:
Συμμετρική διαξονική ακαμψία:δεν υπάρχει ισχυρός ή αδύναμος άξονας, επομένως η κολόνα αντιστέκεται στην ίδια κάμψη προς όλες τις κατευθύνσεις.
Υψηλή αντίσταση στρέψης:το κλειστό στοιχείο αντιστέκεται στη ροπή πολύ πιο αποτελεσματικά από τα ανοιχτά τμήματα.
Υψηλή συμπιεστική απόδοση:το υλικό κατανέμεται μακριά από το κέντρο, δίνοντας μεγάλη ακτίνα περιστροφής για την περιοχή του τμήματος.
Εξαιρετικός τοπικός έλεγχος λυγισμού:Τα τέσσερα τοιχώματα της πλάκας μπορούν να αναλογούν ώστε να πληρούν τα όρια συμπαγούς του ισχύοντος κώδικα.
Οι κολώνες κουτιού χρησιμοποιούνται ευρέως ως κολώνες κτιρίου σε κουφώματα-υψηλής ανύψωσης, ως προβλήτες γεφυρών και πυλώνες και ως κύρια μέλη σε βιομηχανικά και δημόσια κτίρια.
Παράγοντες που οδηγούν το μέγεθος της στήλης Box
Φορτία σχεδίασης
Η διατομή-πρέπει να αντέχει στο συντελεστή αξονικό φορτίο, σε ροπές κάμψης από βαρυτικά και πλευρικά φορτία και στη διάτμηση, σε συνδυασμό σύμφωνα με τον ισχύοντα κώδικα. Πρέπει να πληρούνται και οι δύο καταστάσεις ορίου αντοχής και λειτουργικότητας.
Μη στηριγμένο ύψος και πραγματικό μήκος
Τα μεγαλύτερα μήκη χωρίς στήριξη αυξάνουν τη λεπτότητα της στήλης και μειώνουν την ικανότητα συμπίεσης της. Το πραγματικό μήκος είναι το γινόμενο του πραγματικού μήκους και ενός συντελεστή Κ- που αντικατοπτρίζει τους ακραίους περιορισμούς: σταθερές, καρφιτσωμένες ή μερικώς συγκρατημένες συνδέσεις στο επάνω και στο κάτω μέρος του μέλους.
Τελικοί περιορισμοί και οριακές συνθήκες
Οι σταθερές βάσεις και οι συνδεδεμένες κορυφές με ροπή{0}μειώνουν τον παράγοντα ενεργού μήκους, ενώ οι καρφιτσωμένες βάσεις και οι απλές συνδέσεις τον αυξάνουν. Οι συνθήκες στήριξης πρέπει να μοντελοποιούνται με ακρίβεια επειδή διέπουν άμεσα τον έλεγχο λυγισμού.
Βαθμός χάλυβα
Υψηλότερες{0}}βαθμίδες αντοχής όπως S355 (EN 10025-2), ASTM A572 Grade 50 ή Q355B (GB/T 1591) επιτρέπουν ένα πιο συμπαγές τμήμα για το ίδιο φορτίο, με κόστος υψηλότερης τιμής μονάδας και αυστηρότερες απαιτήσεις συγκόλλησης και κατασκευής. Ο βαθμός πρέπει να επιλέγεται με γνώμονα την αντοχή σχεδιασμού και την ικανότητα κατασκευής.
Λόγος πλάτους-προς-πάχους (τοπικός λυγισμός)
Τα τοιχώματα της πλάκας μιας στήλης κιβωτίου πρέπει να έχουν αναλογία για να αποτρέπεται ο τοπικός λυγισμός πριν το τμήμα φτάσει στην πλήρη του αντοχή. Οι κώδικες ορίζουν όρια συμπαγούς ως προς την αναλογία πλάτους-προς-πάχους. για παράδειγμα, το AISC 360 ορίζει μια περιοριστική αναλογία πλάτους-προς-πάχους για λεπτά στοιχεία υπό ομοιόμορφη συμπίεση και τα GB 50017 και EN 1993-1-1 παρέχουν ισοδύναμες απαιτήσεις τοπικού λυγισμού. Ο σχεδιασμός πρέπει να επαληθεύει ότι το επιλεγμένο πάχος πλάκας πληροί το ισχύον όριο.
Έλεγχοι σχεδίασης για στήλες κουτιού
Το μέγεθος μιας στήλης πλαισίου είναι μια επαναληπτική διαδικασία ανάληψης μιας ενότητας, ελέγχου και προσαρμογής της. Οι κύριοι έλεγχοι, που πραγματοποιούνται με τον κυβερνητικό κωδικό (για παράδειγμα AISC 360, EN 1993-1-1 ή GB 50017), είναι:
Αξονική δύναμη:η αντοχή σε θλίψη σχεδιασμού είναι η ονομαστική αντοχή που μειώνεται κατά τον κατάλληλο συντελεστή αντίστασης, όπου η ονομαστική αντοχή αντιπροσωπεύει τον λυγισμό κάμψης γύρω από τον κρίσιμο άξονα και βασίζεται στην αποτελεσματική λεπτότητα KL/r.
Συνδυασμένη αξονική και κάμψη:Τα μέλη υπό αξονικό φορτίο συν ροπές επαληθεύονται με τις εξισώσεις αλληλεπίδρασης του κώδικα, οι οποίες συνδυάζουν τους λόγους χρήσης αξονικής δύναμης και ροπής.
Όρια λεπτότητας:Τα μέλη συμπίεσης συνήθως περιορίζονται σε μια μέγιστη αναλογία λεπτότητας (για παράδειγμα KL/r όχι μεγαλύτερη από 200 για κύρια μέλη συμπίεσης σύμφωνα με το AISC 360· ο ισοδύναμος περιορισμός στο GB 50017 εφαρμόζεται στα κύρια μέλη συμπίεσης).
Τοπικός λυγισμός:οι λόγοι πλάτους-προς-πλάκας ελέγχονται σε σχέση με τα όρια συμπαγούς κώδικα του κώδικα, έτσι ώστε το τμήμα να μπορεί να αναπτύξει την πλαστική ή ελαστική του ικανότητα όπως υποτίθεται στη σχεδίαση.
Δυνατότητα συντήρησης:Η πλευρική μετατόπιση, η αξονική βράχυνση και οι κραδασμοί ελέγχονται έναντι των ορίων του έργου.
Επειδή η γεωμετρία αλληλεπιδρά με τους ελέγχους αντοχής, το τελικό μέγεθος επιβεβαιώνεται καλύτερα από έναν ειδικευμένο δομικό μηχανικό χρησιμοποιώντας αναγνωρισμένο λογισμικό σχεδιασμού, με σχέδια καταστημάτων που έχουν προετοιμαστεί από τον εγκεκριμένο υπολογισμό.
Πρακτική καθοδήγηση μεγεθών ανά εφαρμογή
| Εφαρμογή | Τάξη σχετικής ενότητας | Προτεινόμενα παραδείγματα βαθμών | Προγράμματα οδήγησης επιλογής κλειδιών |
|---|---|---|---|
| Κουφώματα κατοικιών και ελαφρών επαγγελματικών χώρων | Συμπαγείς τομές, μέτριο πάχος τοιχώματος | Q235B (GB/T 1591) ή S235JR (EN 10025-2) | Απόδοση χώρου, οικονομία, απλές συνδέσεις |
| Βιομηχανικές εγκαταστάσεις και αποθήκες | Μέσες τομές με επαρκή ακαμψία | Q355B (GB/T 1591) ή S355JR (EN 10025-2) | Φορτία γερανού, κρούσεις και κραδασμοί, έλεγχος ολίσθησης |
| Πολυώροφα-και εμπορικοί πύργοι | Μεγάλα τμήματα, παχύτεροι τοίχοι | Q355B, Q420 (GB/T 1591) ή ASTM A572 Βαθμός 50/60 | Υψηλή αξονική ικανότητα, αυστηρός έλεγχος συμπαγούς, σεισμική λεπτομέρεια |
| Γέφυρες και υποδομές | Βαθιές τομές, βαριές πλάκες, λεπτομέρειες κούρασης | S355K2 (EN 10025-2) ή ASTM A572 Βαθμός 50 | Δυναμικά φορτία, κόπωση, επίδομα διάβρωσης |
| Προσωρινές δομές στήριξης | Μέτρια τμήματα, βιδωτές συνδέσεις | Q355B (GB/T 1591) ή S355 | Επαναχρησιμοποίηση, δυνατότητα μεταφοράς, γρήγορη ανέγερση και αποσυναρμολόγηση |
Ο πίνακας είναι μόνο ενδεικτικός: η ισχύουσα περίπτωση φορτίου, το πραγματικό μήκος και οι απαιτήσεις κωδικού έχουν πάντα προτεραιότητα και οι ακριβείς διαστάσεις πρέπει να προέρχονται από δομικό υπολογισμό.
Κατασκευή και Ποιοτικός Έλεγχος
Οι συγκολλημένες στήλες κιβωτίων απαιτούν πειθαρχημένη κατασκευή επειδή το κλειστό τμήμα καθιστά τις εσωτερικές συγκολλήσεις απρόσιτες μετά τη συναρμολόγηση:
Συγκόλληση:Οι τέσσερις γωνιακές ραφές συγκολλούνται συνήθως με συγκόλληση με υποβρύχιο τόξο (SAW) με ελεγχόμενες αλληλουχίες. Οι διαδικασίες συγκόλλησης πρέπει να πληρούν τα πρότυπα AWS D1.1, EN 1090 ή τον ισχύοντα κωδικό.
Εσωτερική σκλήρυνση:εγκάρσια διαφράγματα στα σημεία εισαγωγής φορτίου και, όπου απαιτείται, διαμήκεις ενισχυτές ελέγχουν τον τοπικό λυγισμό και κατανέμουν συγκεντρωμένες δυνάμεις.
Μη-μη καταστροφική δοκιμή:Οι κρίσιμες συγκολλήσεις εξετάζονται με δοκιμές υπερήχων (UT), με μαγνητικά σωματίδια (MT) ή ραδιογραφικές δοκιμές (RT) όπου το απαιτεί η προδιαγραφή.
Ιχνηλασιμότητα υλικού:Τα πιστοποιητικά δοκιμής μύλου σύμφωνα με το EN 10204 (τύπος 3.1) τεκμηριώνουν τη χημεία και τις μηχανικές ιδιότητες της πλάκας.
Προστασία από τη διάβρωση:Οι επιφάνειες καθαρίζονται με αμμοβολή κατά Sa 2.5 και επικαλύπτονται κατά ISO 12944 για την κατηγορία έκθεσης ή γαλβανίζονται εν θερμώ-όπου καθορίζεται.
Δοκιμαστική συναρμολόγηση:σύνθετες στήλες ή στήλες υψηλής ανοχής συναρμολογούνται δοκιμαστικά-στο κατάστημα για να επαληθευτεί η ευθυγράμμιση και η γεωμετρία των οπών πριν από την αποστολή.
Συχνές Ερωτήσεις
Ε: Ποια σχήματα στήλης κουτιού είναι διαθέσιμα;
Τα τετράγωνα και ορθογώνια κοίλα τμήματα είναι τα πιο συνηθισμένα. Οι κωνικές και κλιμακωτές στήλες κιβωτίων παράγονται όταν οι αρχιτεκτονικές απαιτήσεις ή οι απαιτήσεις φορτίου απαιτούν μια διαφορετική τομή κατά μήκος του ύψους.
Ε: Ποια ποιότητα χάλυβα να επιλέξω για στήλη κουτιού;
Για μέτρια φορτία, το Q235B (GB/T 1591) ή το S235JR (EN 10025-2) είναι οικονομικό. Για πολυώροφα, γέφυρες και βαριές βιομηχανικές εφαρμογές, τα Q355B/Q420 (GB/T 1591), S355 (EN 10025-2) ή ASTM A572 Grade 50/60 είναι τυπικά. Ο βαθμός επιλέγεται μαζί με την αντοχή σχεδιασμού και τις απαιτήσεις κατασκευής.
Ε: Πώς προσδιορίζεται το πάχος του τοιχώματος;
Το πάχος του τοιχώματος καθορίζεται από τους ελέγχους αξονικής αντοχής και αντοχής σε κάμψη, τα όρια τοπικού λυγισμού (πλάτος-έως-πάχος) του κώδικα και τυχόν επιτρεπόμενα όρια διάβρωσης που απαιτούνται για το περιβάλλον. Χρησιμοποιούνται παχύτεροι τοίχοι όπου διέπει ο έλεγχος λεπτότητας ή τοπικού λυγισμού.
Ε: Ποια είναι η καλή αναλογία πλάτους-προς-πάχους για μια στήλη πλαισίου;
Δεν υπάρχει ενιαία σταθερή τιμή. Η περιοριστική αναλογία πλάτους-προς-πάχους ορίζεται από τον ισχύοντα κώδικα (για παράδειγμα τα όρια συμπαγούς στο AISC 360, GB 50017 ή EN 1993-1-1) και εξαρτάται από την αντοχή διαρροής του χάλυβα και το επίπεδο τάσης του τοίχου. Το σχέδιο πρέπει να επαληθεύει το τμήμα έναντι του ισχύοντος ορίου.
Ε: Μπορούν οι στήλες κουτιού να συνδεθούν επί τόπου;
Ναί. Οι συναρμολογήσεις πεδίου γίνονται με βιδωμένες πλάκες συναρμογής ή με συγκολλήσεις με αυλάκι{1}πλήρους διείσδυσης, λεπτομερείς και ελεγμένες σύμφωνα με τον κώδικα. Αγοράστε-την προετοιμασία των κατασκευασμένων άκρων και τη δοκιμαστική συναρμολόγηση διασφαλίζουν την ευθυγράμμιση στη σύνδεση.
Ε: Ποια τεκμηρίωση συνοδεύει τις κατασκευασμένες στήλες κουτιών;
Η τυπική τεκμηρίωση περιλαμβάνει πιστοποιητικά δοκιμής μύλου (EN 10204 type 3.1), εγγραφές πιστοποίησης διαδικασίας συγκόλλησης και συγκολλητή, εκθέσεις NDT, εκθέσεις επιθεώρησης διαστάσεων και εγκεκριμένα σχέδια καταστήματος.