Perché gli ingegneri strutturali scelgono le sezioni cave?

Camminando in quasi tutti i moderni cantieri con struttura in acciaio- vedrai sezioni cave svolgere lavori che i profili aperti come I-travi e canali semplicemente non possono svolgere in modo così efficiente: stare come sottili colonne esposte in un atrio di vetro, formare il rinforzo diagonale in un telaio sismico o trasportare i carichi torsionali in una passerella curva. La preferenza non è estetica. Si tratta di una manciata di principi di ingegneria strutturale che la maggior parte dei team di procurement non vede mai discussi, ma che determinano silenziosamente il motivo per cui una specifica richiede in primo luogo SHS, RHS o CHS.

Questo articolo esamina i reali motivi ingegneristici per cui le sezioni cave superano i profili aperti in casi di carico specifici - e, cosa altrettanto importante, dove una trave a I-o un canale è ancora la scelta più efficiente ed economica. Comprendere entrambi gli aspetti di questo confronto è ciò che separa una specifica realmente informata da un’abitudine predefinita.

Il singolo più grande vantaggio strutturale di una sezione cava si riduce a un numero: il raggio di rotazione.

Una sezione aperta come una trave a-flangia I-ampia ha due raggi di rotazione molto diversi - uno attorno al suo asse forte, uno attorno al suo asse debole, spesso differendo di un fattore due o più. Ciò significa che una colonna con sezione a I-è resistente tanto quanto la sua direzione di deformazione più debole e se un elemento è esposto al carico o alla pressione del vento da più direzioni, l'ingegnere deve progettare attorno all'asse più debole indipendentemente da quanto più forte potrebbe essere l'altro asse.

Una sezione cava quadrata o circolare, al contrario, ha un raggio di rotazione uguale (o molto vicino all'uguale) in ogni direzione. Non esiste un “asse debole”. Per una colonna che deve resistere alla deformazione sotto carico di compressione applicato da fonti imprevedibili o multidirezionali -sorgenti multidirezionali - che descrive un'ampia percentuale di colonne di edifici reali, specialmente in planimetrie aperte senza muri di rinforzo per definire una direzione di carico dominante - questa proprietà geometrica da sola spesso rende una sezione cava più leggera di una sezione aperta di capacità equivalente-, perché nessuno dei materiali viene "sprecato" fornendo resistenza in una direzione di cui la struttura non ha tanto bisogno.

Questo è anche il motivo per cui le sezioni cave dominano come elementi di compressione nei telai spaziali e nelle tralicci reticolari: ogni elemento diagonale e verticale in un sistema di tralicci 3D subisce un carico da un orientamento diverso e una sezione con resistenza uniforme in tutte le direzioni è strutturalmente efficiente in un modo in cui una sezione a I-fondamentalmente non può eguagliare senza materiale aggiunto.

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Se il raggio di rotazione è il vantaggio sottile, la rigidità torsionale è quello drammatico - ed è probabilmente il motivo più sottovalutato per cui le sezioni cave vengono specificate per determinati membri.

Le sezioni aperte resistono alla torsione principalmente attraverso la deformazione e una costante di torsione di St. Venant relativamente debole, perché una forma aperta a pareti sottili- semplicemente non ha un percorso di carico continuo attorno al suo perimetro per trasportare il flusso di taglio in modo efficiente. Una sezione chiusa - qualsiasi sezione cava - resiste alla torsione attraverso il flusso di taglio che scorre continuamente attorno al perimetro chiuso, che è un meccanismo notevolmente più rigido. In termini pratici, una sezione cava chiusa può avere una costante torsionale di un ordine di grandezza superiore rispetto ad una sezione aperta di dimensioni e peso comparabili.

Ciò è importante direttamente negli elementi che vedono un carico torsionale significativo: travi curve di ponti, travi di piste di gru soggette a carichi eccentrici delle ruote, travi spandrel che supportano carichi eccentrici del pavimento lungo il perimetro dell'edificio e qualsiasi elemento in una struttura in cui il carico non viene applicato in modo pulito attraverso il centro di taglio. Specificare una sezione aperta per un'applicazione realmente-critica per la torsione di solito significa aggiungere irrigidimenti, diaframmi o sovradimensionare l'elemento per compensare - costi aggiuntivi di fabbricazione e materiale che una sezione cava spesso evita grazie alla sola geometria.

 

PROCESSO DI FORATURA

LAVORAZIONE DI SEZIONI CAVO

Lavorazione di tubi tondi in acciaio

Ciò non significa che le sezioni cave siano incondizionatamente superiori, ed è qui che entra in gioco un punto più sfumato e meno comunemente discusso: il comportamento di instabilità locale.

I codici di progettazione - EN 1993-1-1 in Europa, AISC 360 negli Stati Uniti - classificano le sezioni strutturali (aperte e chiuse allo stesso modo) in base alla larghezza-a-spessore o al rapporto diametro/spessore dei singoli elementi della piastra o della parete, in classi che vanno approssimativamente da "compatto" (in grado di raggiungere la piena capacità del momento plastico e sostenere la rotazione per la progettazione plastica) a "snello" (dove l'instabilità locale si verifica prima che la sezione raggiunga lo snervamento e la capacità di progetto deve essere ridotta di conseguenza).

Per le sezioni cave, questa classificazione è direttamente legata al rapporto tra larghezza-e-spessore delle facce piane (per SHS/RHS) o al rapporto tra diametro-e-spessore (per CHS). Un CHS con pareti sottili e di ampio diametro - o un RHS con pareti sottili e larghe possono rientrare in una classificazione snella con la stessa facilità con cui può cadere una sezione aperta con flangia sottile - il profilo chiuso non esenta automaticamente una sezione dalle verifiche di instabilità locali. Gli ingegneri che specificano sezioni cave più grandi e sottili-con pareti sottili per applicazioni architettoniche o-a campata lunga devono verificare esplicitamente la classificazione della sezione anziché dare per scontato che "cavo" implichi "compatto". Questa è una delle sviste più comuni nel dimensionamento preliminare, che viene rilevata solo quando viene finalmente eseguito un controllo dettagliato.

Un vantaggio sinceramente sottodiscusso delle sezioni cave si manifesta nell’ingegneria antincendio, non nella progettazione della gravità o del carico laterale.

I requisiti di protezione antincendio strutturale sono determinati sostanzialmente dal "fattore di sezione" di una sezione - il rapporto tra perimetro riscaldato e area di sezione trasversale- (spesso scritto Hp/A). Una sezione con un rapporto Hp/A più basso si riscalda più lentamente durante un incendio, perché c'è proporzionalmente meno superficie esposta che trasporta il calore in una data massa di acciaio. Le sezioni aperte come le travi a I- espongono la superficie su entrambi i lati dell'anima e su entrambe le flange, tutte riscaldate separatamente. Una sezione cava di capacità di carico comparabile ha spesso un rapporto Hp/A inferiore semplicemente perché la sua geometria concentra la stessa massa di acciaio dietro una superficie esposta più compatta e continua.

La conseguenza pratica è che gli elementi a sezione cava a volte possono raggiungere la classe di resistenza al fuoco richiesta con un rivestimento intumescente più sottile o meno materiale ignifugo rispetto a una sezione aperta che trasporta lo stesso carico di progetto - un risparmio reale in termini di costi e peso che raramente appare nel materiale di marketing generale perché richiede un calcolo specifico della sezione-per dimostrarlo, non un'affermazione generale che si applica uniformemente a ogni dimensione e applicazione.

Questo è il punto in cui le sezioni cave perdono parte del vantaggio che ottengono altrove, e merita più attenzione di quella che normalmente viene prestata nelle decisioni relative alle specifiche.

Le sezioni aperte offrono superfici dell'anima e della flangia piatte e accessibili che rendono semplici le connessioni bullonate - una piastra di connessione può essere imbullonata direttamente a una flangia con giochi e dettagli standard. Le sezioni cave, per la loro natura chiusa, non offrono la stessa superficie accessibile per una connessione bullonata convenzionale senza hardware aggiuntivo: la bullonatura passante richiede l'accesso all'interno del tubo (spesso impossibile una volta assemblata la struttura) e le connessioni bullonate montate sulla superficie in genere richiedono piastre flangiate, piastre di copertura o sistemi di bulloni ciechi progettati specificamente per sezioni chiuse.

Le connessioni saldate comportano la loro complessità. Laddove gli elementi a sezione cava si incontrano in un nodo reticolare - un giunto K, T, Y o X nella costruzione di tralicci - la connessione non è solo una questione di saldatura di due tubi insieme. La faccia della corda in corrispondenza del giunto deve essere controllata per verificare il taglio da punzonamento e la plastificazione locale sotto il carico concentrato dell'elemento di controvento in entrata, seguendo le disposizioni di progettazione come quelle nella EN 1993-1-8 Sezione 7 o le guide di progettazione CIDECT sviluppate appositamente per la progettazione di giunti tubolari. Questi controlli sono effettivamente più impegnativi rispetto alla progettazione standard di una connessione a sezione aperta e sottovalutare questa complessità in fase di progettazione è una delle fonti più comuni di riprogettazione in fase avanzata dei progetti di tralicci tubolari.

Niente di tutto ciò rende impraticabili le connessioni a sezione cava - le capriate tubolari sono costruite con successo in tutto il mondo - ma significa che il costo di fabbricazione e progettazione della connessione deve essere valutato rispetto all'efficienza del materiale ottenuta dalla sezione stessa, piuttosto che dare per scontato che la sezione cava sia un semplice vantaggio in termini di costi in ogni caso.

Considerato tutto quanto sopra, vale la pena essere diretti su dove una trave o un canale a I- rimane la scelta migliore: elementi primari flettenti in cui il carico è applicato prevalentemente attorno a un asse e dove tale asse è noto e fissato dalla geometria della struttura - una tipica trave del solaio che supporta una soletta, ad esempio, si piega attorno a un solo asse e il materiale di una sezione a I-, concentrato nelle flange lontane dall'asse neutro, è più efficiente nella flessione uniassiale pura rispetto a una sezione cava materiale della sezione distribuito attorno a un perimetro chiuso.

Le sezioni aperte sono inoltre generalmente più economiche da collegare, come discusso in precedenza, e sono più ampiamente disponibili in una gamma più ampia di dimensioni laminate standard per elementi molto grandi e profondi rispetto alle sezioni cave. Per una trave del solaio semplice, la sezione a I-di solito rimane la specifica più economica; per una colonna esposta a carico multi-direzionale, un elemento di controvento sottoposto a compressione e possibile torsione o una corda di traliccio in un telaio spaziale, una sezione cava in genere vince sia in termini di efficienza del materiale che, in molti casi, di resistenza al fuoco.

 

 

 

 

La scelta tra sezioni cave e aperte non è una questione di categoricamente superiore -, è una questione di abbinare la geometria della sezione al caso di carico effettivo sperimentato dall'elemento. Un ingegnere strutturale che valuta questa decisione si chiede in realtà: questo elemento vede il carico da un'unica direzione prevedibile o da più direzioni ed eventualmente torsione? La classificazione dell’instabilità locale governerà la progettazione per gli spessori delle pareti presi in considerazione? Quanto costa effettivamente il progetto della connessione una volta presi in considerazione i controlli delle piastre flangiate, delle piastre di copertura o dei giunti tubolari, anziché solo il prezzo per-tonnellata dell'acciaio stesso?

Riuscire a farlo correttamente in fase di specifica - piuttosto che ricorrere all'abitudine o a qualsiasi tipo di sezione utilizzata da un progetto passato - è il punto da cui derivano i risparmi reali sui materiali e sui costi su un progetto in acciaio strutturale, ed è una decisione che vale la pena rivedere su ogni nuova struttura piuttosto che dare per scontato che la scelta della sezione del progetto precedente sia ancora valida.

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