구조 엔지니어가 중공 단면을 선택하는 이유는 무엇입니까?

거의 모든 현대식 강철-골조 건설 ​​현장에 걸어가면 I-빔 및 수로와 같은 개방형 프로파일이 효율적으로 수행할 수 없는 작업을 수행하는 빈 섹션을 볼 수 있습니다. 유리 아트리움에서 노출된 가느다란 기둥으로 서 있거나 지진 프레임에서 대각선 버팀대를 형성하거나 곡선 인도교에서 비틀림 하중을 지탱하는 등의 작업을 수행합니다. 선호는 미학적이지 않습니다. 대부분의 조달 팀에서는 결코 논의되지 않지만 사양에 SHS, RHS 또는 CHS가 필요한 이유를 조용히 결정하는 몇 가지 구조 엔지니어링 원칙이 있습니다.

이 기사에서는 중공 단면이 특정 하중 사례 -에서 개방형 프로파일보다 성능이 뛰어난 실제 엔지니어링 이유를 살펴보고, 마찬가지로 중요하게는 I-빔이나 채널이 여전히 더 효율적이고 경제적인 선택임을 살펴봅니다. 비교의 양쪽 측면을 이해하는 것은 진정한 정보를 바탕으로 한 사양과 기본 습관을 구분하는 것입니다.

중공 단면의 가장 큰 구조적 장점은 하나의 숫자, 즉 회전 반경으로 귀결됩니다.

넓은-플랜지 I-빔과 같은 개방형 섹션에는 두 가지 매우 다른 회전 반경이 있습니다. - 하나는 강한 축에 대해, 다른 하나는 약한 축에 대해, 종종 2배 이상 차이가 납니다. 이는 I-단면 기둥의 강도가 가장 약한 좌굴 방향만큼만 강하다는 것을 의미하며, 부재가 여러 방향에서 하중이나 풍압에 노출되는 경우 엔지니어는 다른 축이 얼마나 강한지에 관계없이 약한 축을 중심으로 설계해야 합니다.

이와 대조적으로 정사각형 또는 원형 중공 단면은 모든 방향에서 동일한(또는 거의 동일한) 회전 반경을 갖습니다. "약한 축"은 없습니다. 실제 건물 기둥의 많은 부분을 설명하는 예측할 수 없거나 다방향 소스에서 적용되는 압축 하중에서 좌굴에 저항해야 하는 기둥의 경우, 특히 지배적인 하중 방향을 정의하기 위해 벽을 보강하지 않은 개방형 평면도에서 - 이 기하학적 특성만으로도 종종 등가 용량의 개방형 단면보다 중공 단면이 더 가벼워집니다.- 구조에 그다지 필요하지 않은 방향으로 강도를 제공하는 재료가 "낭비"되지 않기 때문입니다.

이는 중공 단면이 공간 프레임 및 격자 트러스의 압축 부재로 지배적인 이유이기도 합니다. 3D 트러스 시스템의 모든 대각선 및 수직 부재는 서로 다른 방향에서 하중을 받으며, 모든 방향에서 균일한 저항을 갖는 단면은 추가 재료 없이는 I-단면이 기본적으로 일치할 수 없는 방식으로 구조적으로 효율적입니다.

이미지 표시

회전 반경이 미묘한 이점이라면 비틀림 강성은 극적인 이점이며 - 이는 아마도 특정 부재에 대해 중공 단면이 지정되는 가장 과소평가되는 이유일 것입니다.

열린 단면은 주로 뒤틀림과 상대적으로 약한 St. Venant 비틀림 상수를 통해 비틀림에 저항합니다. 왜냐하면 열린 얇은{1}} 벽 모양은 전단 흐름을 효율적으로 전달하기 위해 주변 주위에 연속적인 하중 경로가 없기 때문입니다. 닫힌 섹션 - 임의의 중공 섹션 -은 닫힌 주변 주위를 연속적으로 흐르는 전단 흐름을 통해 비틀림에 저항하며 이는 훨씬 더 견고한 메커니즘입니다. 실제적으로 닫힌 중공 단면은 비슷한 크기와 무게의 열린 단면보다 비틀림 상수가 한 자릿수 더 높을 수 있습니다.

이는 곡선 교량 거더, 편심 바퀴 하중을 받는 크레인 활주로 빔, 건물 주변을 따라 편심 바닥 하중을 지지하는 스팬드럴 빔, 전단 중심을 통해 하중이 깔끔하게 적용되지 않는 구조의 모든 부재 등 의미 있는 비틀림 하중을 보는 부재에 직접적으로 중요합니다. 실제로 비틀림-이 중요한 응용 분야에 개방형 섹션을 지정한다는 것은 일반적으로 보강재, 다이어프램을 추가하거나 부재의 크기를 크게 하여 - 기하학적 구조만으로 중공 섹션에서 피할 수 있는 추가 제작 및 재료 비용을 보상한다는 것을 의미합니다.

 

드릴링 홀 프로세스

중공 단면 가공

원형 강관 가공

이 중 어느 것도 중공 단면이 무조건 우월하다는 것을 의미하지 않으며, 여기에서 좀 더 미묘하고 덜 일반적으로 논의되는 지점인 국부 좌굴 동작이 등장합니다.

유럽의 설계 코드 - EN 1993-1-1, 미국의 AISC 360 -은 개별 플레이트나 벽 요소의 너비-대-또는 직경 대 두께 비율에 따라 구조적 섹션(개방형 및 폐쇄형 모두)을 대략 "콤팩트"(전체 플라스틱 모멘트 용량에 도달하고 플라스틱 설계에 대한 회전을 유지할 수 있음)부터 클래스까지 분류합니다. "슬림(slender)"(단면이 항복에 도달하기 전에 국부적인 좌굴이 발생하고 이에 따라 설계 능력이 감소되어야 함).

속이 빈 단면의 경우 이 분류는 평면의 너비{0}}대-두께 비율(SHS/RHS의 경우) 또는 직경-대-두께의 비율(CHS의 경우)과 직접적으로 연결됩니다. 벽이 얇은-큰-직경 CHS 또는 넓고 얇은-벽이 있는 RHS는 얇은-플랜지 개방형 섹션이 -닫힌 프로파일이 로컬 좌굴 검사에서 섹션을 자동으로 면제할 수 없는 것처럼 쉽게 얇은 분류에 속할 수 있습니다. 건축 또는 긴 경간 적용 분야를 위해 더 크고 얇은-벽으로 둘러싸인 빈 섹션을 지정하는 엔지니어는 '빈 공간'이 '콤팩트'를 의미한다고 가정하기보다는 섹션의 분류를 명시적으로 확인해야 합니다. 이는 예비 크기 조정에서 가장 흔히 발생하는 실수 중 하나이며 최종적으로 세부 검사를 실행할 때만 발견됩니다.

실제로 충분히 논의되지 않은 중공 단면의 장점 중 하나는 중력이나 측면 하중 설계가 아닌 소방 공학에서 나타납니다.

구조적 방화 요건은 구역의 "단면 계수"({0}} 단면적에 대한 가열된 둘레의 비율(종종 Hp/A로 표시됨))에 의해 결정됩니다. Hp/A 비율이 낮은 부분은 화재 시 더 천천히 가열됩니다. 왜냐하면 주어진 강철 질량에 열을 발생시키는 노출 표면적이 상대적으로 적기 때문입니다. I-빔과 같은 개방형 섹션은 웹 양쪽과 플랜지 양쪽의 표면적을 노출시키며, 모두 별도로 가열됩니다. 비슷한 하중 용량을 가진 중공 단면은 형상이 더 작고 연속적으로 노출된 표면 뒤에 동일한 강철 질량을 집중시키기 때문에 Hp/A 비율이 더 낮은 경우가 많습니다.

실질적인 결과는 중공형 단면 부재가 동일한 설계 하중을 전달하는 개방형 단면보다 더 얇은 팽창성 코팅 또는 더 적은 방화 재료를 사용하여 필요한 내화 등급을 달성할 수 있다는 것입니다. - 모든 크기와 응용 분야에 걸쳐 균일하게 적용되는 일반적인 주장이 아니라 섹션별 계산이 필요하기 때문에 일반 마케팅 자료에서는 거의 나타나지 않는 실제 비용 및 무게 절감-입니다.

이는 중공 단면이 다른 곳에서 얻을 수 있는 장점 중 일부를 잃는 지점이며, 사양 결정 시 일반적으로 받는 것보다 더 많은 주의를 기울일 가치가 있습니다.

개방형 섹션은 볼트 연결을 간단하게 만드는 편평하고 접근 가능한 플랜지와 웹 표면을 제공합니다. - 연결 플레이트는 표준 간격과 표준 세부 사항을 사용하여 플랜지에 직접 볼트로 연결할 수 있습니다. 중공 섹션은 닫힌 특성으로 인해 추가 하드웨어 없이 기존 볼트 연결에 대해 동일한 접근 가능한 표면을 제공하지 않습니다. 관통 볼트를 사용하려면 튜브 내부에 접근해야 하며(구조가 조립된 후에는 종종 불가능함) 표면 장착 볼트 연결에는 일반적으로 폐쇄 섹션용으로 특별히 설계된 플랜지 플레이트, 캡 플레이트 또는 블라인드{4}}볼트 시스템이 필요합니다.

용접 연결은 그 자체로 복잡합니다. 중공 단면 부재가 트러스 노드 - 격자 거더 구조의 K, T, Y 또는 X 조인트 -에서 만나는 경우 연결은 단지 두 개의 튜브를 함께 용접하는 문제가 아닙니다. EN 1993-1-8 섹션 7 또는 관형 조인트 설계를 위해 특별히 개발된 CIDECT 설계 가이드와 같은 설계 조항에 따라 조인트의 현 면에서 들어오는 버팀 부재의 집중 하중 하에서 펀칭 전단 및 국부 소성화를 검사해야 합니다. 이러한 점검은 실제로 표준 개방형 단면 연결 설계보다 더 복잡하며 설계 단계에서 이러한 복잡성을 과소평가하는 것은 관형 트러스 프로젝트에서 후기 단계 재설계의 가장 일반적인 원인 중 하나입니다.

이 중 어느 것도 중공 단면 연결을 비현실적으로 만들지는 않습니다. - 관형 트러스는 전 세계적으로 성공적으로 제작되었습니다. - 이는 중공 단면이 모든 경우에 비용 측면에서 직접적인 이점이 있다고 가정하기보다는 단면 자체에서 얻은 재료 효율성에 대해 제작 및 연결 설계 비용을 평가해야 함을 의미합니다.

위의 모든 사항을 고려할 때 I-빔 또는 채널이 더 나은 선택으로 남아 있는 부분에 대해 직접적으로 설명할 가치가 있습니다. 하중이 주로 한 축에 대해 적용되고 해당 축이 구조의 형상에 의해 알려지고 고정되는 기본 굽힘 부재입니다. - 슬래브를 지지하는 일반적인 바닥 보는 예를 들어 한 축에 대해서만 구부러지고, 중립 축에서 멀리 떨어진 플랜지에 집중된 I-섹션의 재료는 중공보다 순수한 일축 굽힘에 더 효율적입니다. 단면의 재료는 폐쇄된 주변에 분포되어 있습니다.

위에서 설명한 것처럼 개방형 섹션은 일반적으로 연결 비용이 저렴하며 일반적으로 중공 섹션보다 매우 크고 깊은 부재에 대해 더 넓은 범위의 표준 압연 크기로 더 널리 사용할 수 있습니다. 간단한 바닥 빔의 경우 I-섹션이 일반적으로 더 경제적인 사양으로 남아 있습니다. 다방향 하중에 노출된 기둥, 압축 및 비틀림 가능성이 있는 버팀 부재 또는 스페이스 프레임의 트러스 코드에 노출된 기둥의 경우 일반적으로 중공 섹션이 재료 효율성과 대부분의 경우 화재 성능 모두에서 유리합니다.

 

 

 

 

속이 빈 단면과 개방형 단면 사이의 선택은 절대적으로 우월한 단면의 문제가 아니라 - 단면 형상을 부재가 경험하는 실제 하중 케이스와 일치시키는 문제입니다. 이 결정을 고려하는 구조 엔지니어는 실제로 이 구성원이 예측 가능한 단일 방향에서 오는 하중을 보는지, 아니면 여러 방향과 비틀림에서 오는 하중을 보는지 묻고 있습니다. 국지적 좌굴 분류가 고려 중인 벽 두께의 설계를 좌우합니까? 강철 자체의 톤당 가격이 아니라 플랜지 플레이트, 캡 플레이트 또는 관형 조인트 검사를 고려하면 실제로 연결 설계에 드는 비용은 얼마입니까?{2}}

과거 프로젝트에서 사용했던 섹션 유형이나 습관을 기본값으로 설정하는 대신 - 사양 단계에서 이를 올바르게 수행하는 것이 철강 구조 프로젝트에서 실질적인 자재 및 비용 절감을 가져올 수 있는 곳이며, 이전 프로젝트의 섹션 선택이 여전히 적용된다고 가정하기보다는 모든 새 구조에 대해 다시 검토해볼 가치가 있는 결정입니다.

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