لماذا يختار المهندسون الإنشائيون الأقسام المجوفة؟

قم بالسير إلى أي موقع بناء حديث ذو إطار فولاذي- تقريبًا وستشاهد أقسامًا مجوفة تؤدي أعمالًا لا تستطيع الملفات الشخصية المفتوحة مثل العوارض والقنوات-القيام بها بنفس الكفاءة: حيث تقف كأعمدة رفيعة مكشوفة في ردهة زجاجية، أو تشكل دعامة قطرية في إطار زلزالي، أو تحمل الأحمال الالتوائية في جسر مشاة منحني. التفضيل ليس جماليا. يتعلق الأمر بمجموعة من مبادئ الهندسة الإنشائية التي لم تتم مناقشتها مطلقًا من قبل معظم فرق المشتريات، ولكنها تحدد بهدوء سبب استدعاء المواصفات لـ SHS أو RHS أو CHS في المقام الأول.

تتناول هذه المقالة الأسباب الهندسية الفعلية لتفوق أداء الأقسام المجوفة على الملفات الشخصية المفتوحة في حالات تحميل محددة -، وبنفس القدر من الأهمية، حيث لا يزال شعاع I- أو القناة هو الخيار الأكثر كفاءة واقتصاديًا. إن فهم جانبي هذه المقارنة هو ما يفصل بين المواصفات المستنيرة حقًا والعادة الافتراضية.

الميزة الهيكلية الأكبر للقسم المجوف تعود إلى رقم واحد: نصف قطر الدوران.

يحتوي القسم المفتوح مثل عارضة -الشفة I-العريضة على نصفي قطر دوران مختلفين تمامًا -، أحدهما حول محورها القوي، والآخر حول محورها الضعيف، وغالبًا ما يختلفان بعامل اثنين أو أكثر. وهذا يعني أن قوة عمود القسم - تكون فقط بقدر أضعف اتجاه للانبعاج، وإذا تعرض العضو لضغط الحمل أو الرياح من اتجاهات متعددة، فيجب على المهندس التصميم حول المحور الأضعف بغض النظر عن مدى قوة المحور الآخر.

على النقيض من ذلك، فإن المقطع المجوف المربع أو الدائري له نصف قطر دوران متساوي (أو قريب جدًا من المساواة) في كل اتجاه. لا يوجد "محور ضعيف". بالنسبة للعمود الذي يحتاج إلى مقاومة الانبعاج تحت حمل الضغط المطبق من مصادر -غير متوقعة أو متعددة الاتجاهات - والتي تصف حصة كبيرة من أعمدة البناء الحقيقية، وخاصة في مخططات الطوابق المفتوحة بدون جدران داعمة لتحديد اتجاه الحمل السائد -، فإن هذه الخاصية الهندسية وحدها غالبًا ما تجعل القسم المجوف أخف من القسم المفتوح ذو السعة- المكافئ، لأنه لا يتم "إهدار" أي من المواد مما يوفر القوة في اتجاه لا يحتاج الهيكل إلى نفس القدر.

ولهذا السبب أيضًا تهيمن المقاطع المجوفة كأعضاء الضغط في الإطارات الفضائية والدعامات الشبكية: كل عضو قطري وعمودي في نظام الجمالون ثلاثي الأبعاد يتعرض للحمل من اتجاه مختلف، ويكون القسم ذو المقاومة المنتظمة في جميع الاتجاهات فعالاً من الناحية الهيكلية بطريقة لا يمكن أن يتطابق القسم I- بشكل أساسي بدون مادة مضافة.

إظهار الصورة

إذا كان نصف قطر الدوران هو الميزة الدقيقة، فإن الصلابة الالتوائية هي الميزة المثيرة - ويمكن القول إنها السبب الأكثر عدم تقديره لتحديد المقاطع المجوفة لأعضاء معينين.

تقاوم المقاطع المفتوحة الالتواء في المقام الأول من خلال الالتواء وثابت الالتواء الضعيف نسبيًا في St. Venant، لأن الشكل ذي الجدران الرقيقة المفتوحة-لا يحتوي ببساطة على مسار تحميل مستمر حول محيطه لحمل تدفق القص بكفاءة. قسم مغلق - أي قسم مجوف - يقاوم الالتواء من خلال تدفق القص الذي يجري بشكل مستمر حول المحيط المغلق، وهي آلية أكثر صلابة بشكل كبير. من الناحية العملية، يمكن أن يكون للقسم المجوف المغلق ثابت التوائي أعلى من القسم المفتوح ذي الحجم والوزن المشابهين.

هذا مهم بشكل مباشر للأعضاء الذين يرون حملًا الالتوائيًا ذا معنى: عوارض الجسور المنحنية، وعوارض مدرج الرافعة الخاضعة لأحمال العجلات اللامركزية، وعوارض سباندريل التي تدعم أحمال الأرضية اللامركزية على طول محيط المبنى، وأي عضو في هيكل لا يتم فيه تطبيق الحمل بشكل نظيف من خلال مركز القص. عادةً ما يعني تحديد قسم مفتوح لتطبيق الالتواء الحقيقي- إضافة مواد تقوية أو أغشية أو تكبير حجم العضو لتعويض - تكاليف التصنيع والمواد الإضافية التي غالبًا ما يتجنبها القسم المجوف عن طريق الهندسة وحدها.

 

عملية حفر حفرة

معالجة القسم المجوف

معالجة الأنابيب الفولاذية المستديرة

لا يعني أي من هذا أن المقاطع المجوفة متفوقة دون قيد أو شرط، وهنا تأتي نقطة أكثر دقة وأقل شيوعًا: سلوك الإبزيم المحلي.

رموز التصميم - EN 1993-1-1 في أوروبا، AISC 360 في الولايات المتحدة - تصنف المقاطع الهيكلية (المفتوحة والمغلقة على حد سواء) حسب العرض -إلى-نسبة السُمك أو نسبة القطر إلى السُمك للوحة الفردية أو عناصر الجدار، إلى فئات تتراوح تقريبًا من "مدمج" (قادر على الوصول إلى قدرة اللحظة البلاستيكية الكاملة والحفاظ على الدوران للتصميم البلاستيكي) إلى "نحيف" (حيث يحدث التواء موضعي قبل أن يصل القسم إلى الإنتاجية، ويجب تقليل سعة التصميم وفقًا لذلك).

بالنسبة للمقاطع المجوفة، يرتبط هذا التصنيف مباشرة بنسبة العرض-إلى-سمك الأسطح المسطحة (لـ SHS/RHS) أو نسبة القطر-إلى-السمك (لـ CHS). يمكن أن يقع نظام CHS-ذو جدران رفيعة وكبيرة-أو نظام RHS ذو جدران عريضة ورفيعة-في تصنيف نحيف بنفس السهولة التي يمكن بها للقسم المفتوح ذو الحواف الرفيعة-أن - لا يعفي الملف الشخصي المغلق تلقائيًا قسمًا من عمليات فحص الإبزيم المحلية. يحتاج المهندسون الذين يحددون أقسامًا مجوفة ذات جدران أكبر وأرفع- للتطبيقات المعمارية أو الطويلة- إلى التحقق من تصنيف القسم بشكل صريح بدلاً من افتراض أن كلمة "أجوف" تشير إلى "مضغوط". يعد هذا أحد الأخطاء الأكثر شيوعًا في التحجيم الأولي، ويتم اكتشافه فقط عند إجراء فحص تفصيلي أخيرًا.

إحدى المزايا التي لم تتم مناقشتها حقًا للمقاطع المجوفة تظهر في هندسة الحرائق، وليس الجاذبية أو تصميم الحمل الجانبي.

يتم تحديد متطلبات الحماية الهيكلية من الحرائق بشكل أساسي من خلال "عامل القسم" للقسم - نسبة المحيط الساخن إلى -مساحة المقطع العرضي (غالبًا ما يُكتب Hp/A). يتم تسخين القسم الذي يحتوي على نسبة Hp/A أقل بشكل أبطأ أثناء الحريق، نظرًا لوجود مساحة سطح مكشوفة أقل نسبيًا تدفع الحرارة إلى كتلة معينة من الفولاذ. تعرض الأقسام المفتوحة مثل عوارض I- مساحة السطح على جانبي الشبكة وكلا الحافتين، ويتم تسخينها بشكل منفصل. غالبًا ما يكون للقسم المجوف ذو سعة الحمولة المماثلة نسبة Hp/A أقل، وذلك ببساطة لأن هندسته تركز نفس الكتلة الفولاذية خلف سطح مكشوف أكثر إحكاما واستمرارًا.

والنتيجة العملية هي أن أعضاء القسم المجوف يمكن أن يحققوا في بعض الأحيان تصنيف مقاومة الحريق المطلوب بطبقة أرق منتفخة أو مادة أقل للحماية من الحرائق مقارنة بقسم مفتوح يحمل نفس حمل التصميم -، وهو توفير حقيقي في التكلفة والوزن نادرًا ما يظهر في المواد التسويقية العامة لأنه يتطلب حسابًا خاصًا بالقسم-لتوضيحه، وليس مطالبة عامة تنطبق بشكل موحد عبر كل حجم وتطبيق.

هذه هي النقطة التي تفقد فيها المقاطع المجوفة بعض المزايا التي تكتسبها في أي مكان آخر، وتستحق مزيدًا من الاهتمام في قرارات المواصفات أكثر مما تحصل عليه عادةً.

توفر الأقسام المفتوحة شفة مسطحة يسهل الوصول إليها وأسطح شبكية تجعل التوصيلات المثبتة بمسامير واضحة - يمكن تثبيت لوحة التوصيل مباشرة على الحافة باستخدام الخلوصات القياسية والتفاصيل القياسية. لا توفر المقاطع المجوفة، بحكم طبيعتها المغلقة، نفس السطح الذي يمكن الوصول إليه للتوصيل التقليدي المثبت بمسامير بدون أجهزة إضافية: من خلال-يتطلب التثبيت الوصول إلى الجزء الداخلي للأنبوب (غالبًا ما يكون مستحيلًا بمجرد تجميع الهيكل)، وتحتاج الوصلات المثبتة على السطح-عادةً إلى ألواح شفة، أو ألواح أغطية، أو أنظمة مسامير مسدودة- مصممة خصيصًا للمقاطع المغلقة.

الاتصالات الملحومة تحمل تعقيدها الخاص. عندما يلتقي أعضاء القسم المجوف عند عقدة الجمالون - وصلة K أو T أو Y أو X في بناء العارضة الشبكية -، لا يقتصر الاتصال على مجرد لحام أنبوبين معًا. يجب فحص وجه الوتر عند المفصل للتأكد من عدم وجود قص تثقيب أو تليين موضعي تحت الحمل المركز من عضو الدعامة الواردة، وذلك باتباع أحكام التصميم مثل تلك الواردة في EN 1993-1-8 القسم 7 أو أدلة تصميم CIDECT التي تم تطويرها خصيصًا لتصميم المفصل الأنبوبي. تعد هذه الفحوصات أكثر تعقيدًا من تصميم التوصيل القياسي للقسم المفتوح، ويعد التقليل من هذا التعقيد في مرحلة التصميم أحد المصادر الأكثر شيوعًا لإعادة التصميم في المرحلة المتأخرة في مشاريع الجمالون الأنبوبي.

لا شيء من هذا يجعل توصيلات المقاطع المجوفة غير عملية - يتم بناء الجمالونات الأنبوبية بنجاح في جميع أنحاء العالم - ولكن هذا يعني أنه يجب موازنة تكلفة التصنيع وتصميم التوصيل مقابل كفاءة المواد المكتسبة من القسم نفسه، بدلاً من افتراض أن المقطع المجوف يمثل ربحًا مباشرًا من حيث التكلفة في كل حالة.

بالنظر إلى كل ما سبق، من المفيد أن نكون مباشرين بشأن المكان الذي يظل فيه الشعاع أو القناة- هو الخيار الأفضل: أعضاء الثني الأساسية حيث يتم تطبيق الحمل في الغالب حول محور واحد، وحيث يكون هذا المحور معروفًا وثابتًا بواسطة هندسة الهيكل -، فإن عارضة الأرضية النموذجية التي تدعم بلاطة، على سبيل المثال، تنحني حول محور واحد فقط، وتكون مادة القسم I-، المركزة في الحواف البعيدة عن المحور المحايد، أكثر فعالة في الانحناء أحادي المحور النقي من مادة المقطع المجوف الموزعة حول محيط مغلق.

المقاطع المفتوحة أيضًا أرخص عمومًا في التوصيل، كما تمت مناقشته أعلاه، وهي متاحة على نطاق أوسع في نطاق أوسع من الأحجام الملفوفة القياسية للأعضاء الكبيرة جدًا والعميقة مقارنة بالمقاطع المجوفة عادةً. بالنسبة إلى عارضة أرضية بسيطة، عادةً ما يظل القسم I-المواصفات الأكثر اقتصادية؛ بالنسبة للعمود المعرض لأحمال متعددة الاتجاهات-، أو عضو تقوية تحت الضغط والالتواء المحتمل، أو وتر الجمالون في إطار فضاء، فإن القسم المجوف عادةً ما يفوز بكل من كفاءة المواد، وفي كثير من الحالات، أداء الحرائق.

 

 

 

 

إن الاختيار بين الأقسام المجوفة والمفتوحة لا يتعلق بكون أحدهما متفوقًا بشكل قاطع -، بل يتعلق بمطابقة هندسة القسم مع حالة التحميل الفعلية التي يواجهها العضو. إن المهندس الإنشائي الذي يدرس هذا القرار يتساءل حقًا: هل يرى هذا العضو الحمل من اتجاه واحد يمكن التنبؤ به، أم من اتجاهات متعددة وربما الالتواء؟ هل سيحكم تصنيف الإبزيم المحلي التصميم عند سماكة الجدار قيد النظر؟ ما التكلفة الفعلية لتصميم الاتصال بمجرد أخذ ألواح الحواف، أو ألواح الأغطية، أو وصلات الأنابيب في الاعتبار، بدلاً من سعر -الطن الواحد من الفولاذ نفسه فقط؟

إن تنفيذ ذلك بشكل صحيح في مرحلة المواصفات - بدلاً من الالتزام بالعادة أو أي نوع قسم حدث استخدامه في مشروع سابق - هو مصدر توفير المواد الحقيقية والتكلفة في مشروع الفولاذ الهيكلي، وهو قرار يستحق إعادة النظر فيه في كل هيكل جديد بدلاً من افتراض أن اختيار قسم المشروع السابق لا يزال ساريًا.

اتصل الآن