Ce este o coloană cutie de oțel?
O coloană de cutie de oțel este un element vertical cu-secțiune închisă cu un profil gol pătrat sau dreptunghiular, fabricat de obicei prin sudarea a patru plăci de oțel de-a lungul marginilor lor longitudinale. Forma închisă, dublu simetrică, conferă stâlpului o rigiditate la încovoiere aproape egală în jurul ambelor axe principale, ceea ce reprezintă un avantaj decisiv pentru elementele care primesc sarcini din mai multe direcții într-un cadru înalt-.
Stâlpii cu casete rezistă la sarcini gravitaționale axiale, vântului lateral și forțelor seismice și momentelor încovoietoare transferate de grinzi și contravântuiri. Acestea apar în miezurile clădirilor, cadrele de moment perimetral, structurile de transfer și suporturile de acoperiș cu deschidere lungă-. Miezul tubular poate rămâne gol sau poate fi umplut cu beton structural pentru a crea o coloană de-tub de oțel umplut cu beton (CFST), care combină rezistența la tracțiune a oțelului cu masa la compresiune și rigiditatea betonului.
De ce coloanele casete au performanțe bune în cadre-înalte
În comparație cu secțiunile deschise, cum ar fi coloanele H-, secțiunea casetă închisă modifică comportamentul structural al elementului în moduri care sunt direct relevante pentru clădirile înalte.
Rigiditate la torsiune{0}}închisă
Deoarece cele patru plăci formează un tub închis, o coloană cu casetă rezistă la torsiune mult mai eficient decât o secțiune deschisă I- sau H-de greutate similară. Acest lucru contează oriunde acționează asupra cadrului sarcinile nesimetrice de fațadă, acțiunile macaralei sau momentele de torsiune seismică. Beneficiul provine din geometria închisă în sine și se aplică indiferent de calitatea oțelului.
Rigiditate biaxială echilibrată și comportament la flambaj
Cu momente de inerție aproape egale în jurul ambelor axe principale, coloana casetei nu are o axă slabă pronunțată. Prin urmare, rezistența la încovoiere și la flambaj este stabilă la sarcini din orice direcție, ceea ce simplifică proiectarea conexiunii și reduce riscul de defecțiune a axei-slabe în timpul evenimentelor seismice. Regulile de proiectare pentru secțiuni închise urmează aceleași prevederi naționale ca și alte elemente din oțel, cum ar fi GB 50017, AISC 360 și EN 1993-1-1.
Opțiune-umplută cu beton (CFST)
Umplerea miezului cu beton structural crește capacitatea axială și rigiditatea la încovoiere și îmbunătățește performanța la foc, deoarece masa de beton absoarbe căldura în timp ce carcasa de oțel limitează miezul. Comportamentul compus al membrilor CFST este acoperit de GB 50017, EN 1994-1-1 și AISC 360 Capitolul I, iar această opțiune este frecvent aleasă pentru stâlpii de la etaj inferioare cu încărcare mare.
Stâlp cu casetă vs coloană H-secțiune vs coloană din beton armat
| Proprietate | Coloana cutie de oțel | H-Coloana secțiunii | Stâlp din beton armat |
|---|---|---|---|
| Secțiune transversală | Goluri pătrate sau dreptunghiulare închise | Deschide-forma I | Secțiune turnată solidă |
| Rigiditate biaxială | Aproape egal pe ambele axe | Axa puternică dominantă, axa slabă limitată | Aproape egal |
| Rezistenta la torsiune | Acțiune înaltă, cu tub închis | Scăzut | Moderat |
| Raport putere-la-greutate | Ridicat | Ridicat | Scăzut |
| Umplutura de beton | Posibilă, opțiune CFST | Nu tipic | Nu se aplică |
| Viteza de erecție | Rapid, prefabricat | Rapid, prefabricat | Încet, cofraj și întărire |
| Rezistenta la foc | Necesită protecție | Necesită protecție | Inerent mai bine |
Considerații de proiectare și fabricație
Alegerea materialului
Materialul plăcii este ales pentru a se potrivi cu codul de proiectare și specificațiile proiectului. Clasele obișnuite de construcție sudate-includ ASTM A572 Grad 50 sau Grad 60, EN 10025-2 S355JR/J0/J2 și GB/T 1591 Q355B/C/D/E; ASTM A36 sau EN 10025-2 S235JR pot fi utilizate acolo unde este acceptabilă o rezistență mai mică. Pentru elementele cu reținere puternică la conexiuni, pot fi specificate proprietățile de grosime pentru a proteja împotriva ruperii lamelare.
Sudarea si fabricarea
Coloanele cu casete sunt în mod normal construite din patru plăci cu suduri longitudinale cu penetrare totală-, realizate prin sudare automată cu arc submers (SAW). Diafragmele interne și elementele de rigidizare sunt montate în zonele panourilor, îmbinări și puncte de introducere a sarcinii, adesea sudate prin sudare cu zgură electrică (ESW) sau procese cu miez-de flux. Execuția urmează AWS D1.1 sau EN 1090-2, cu sudori calificați și specificații aprobate pentru procedura de sudare.
Controlul calității
Sudurile critice sunt examinate prin testare cu ultrasunete (UT) și testare cu particule magnetice (MT). Pregătirea suprafeței urmează ISO 8501-1, de obicei la Sa 2,5, înainte ca sistemele de acoperire specificate în ISO 12944 să fie aplicate sau galvanizarea la cald-prin ISO 1461 unde este necesară protecția împotriva coroziunii. Inspecția dimensională acoperă dimensiunea-secțiunii transversale, dreptatea, perpendicularitatea și pregătirea capătului de îmbinare.
Pentru o prezentare generală a tipurilor de stâlpi disponibile, consultați gama noastră de stâlpi din oțel structural la stâlpi și grinzi.
Aplicații tipice în construcții-înalte
Miez și stâlpi perimetrali din oțel și cadre compozite de moment
Coloane de transfer care susțin etajele inferioare-în plan deschis mare și structurile podiumului
Colțuri de colț la limitele-pereților de bază unde este necesară o rezistență locală mare la flambaj
Coloane arhitecturale expuse, unde suprafețele curate și aplanate fac parte din intenția de proiectare
Acoperiș cu deschidere lungă-și suporturi pentru podium unde greutatea redusă-propie beneficiază de proiectarea fundației
Întrebări frecvente
Î: O coloană cu casetă este pur și simplu o coloană H-cu plăci suplimentare?
Nu. O coloană H- este o secțiune deschisă cu o axă slabă pronunțată, în timp ce o coloană cutie este o secțiune închisă cu rigiditate biaxială echilibrată și rezistență la torsiune mult mai mare. Cele două sunt proiectate și detaliate în mod diferit, inclusiv plasarea diafragmei și accesul la sudură.
Î: Coloanele de cutie au nevoie de protecție împotriva incendiilor?
Da. La fel ca orice oțel de structură, stâlpii de cutie necesită protecție împotriva incendiilor acolo unde o cere codul de guvernare, în mod normal prin acoperire intumescentă, înveliș sau umplutură din beton. Opțiunea CFST folosește miezul de beton în sine ca parte a strategiei de incendiu.
Î: Poate fi sudată orice grosime de placă într-o coloană de cutie?
Limitele practice sunt stabilite de accesul la sudură, proiectarea îmbinării, controlul distorsiunii și capacitatea NDT mai degrabă decât de conceptul în sine. Plăcile groase necesită pregătire teșită, aport de căldură controlat și proceduri de sudare adecvate, motiv pentru care fabricarea este efectuată în mod normal de ateliere de oțel structurale calificate.
Î: O coloană casetă este întotdeauna mai scumpă decât o coloană H-?
Nu neapărat. Costul unitar de fabricație este mai mare din cauza pregătirii plăcii și a patru suduri longitudinale, dar eficiența materialului și greutatea structurală redusă pot compensa acest lucru în elementele subțiri sau puternic încărcate. Comparația trebuie făcută pe costul total instalat, inclusiv fundații, conexiuni și protecție împotriva incendiilor.
Î: Sunt coloanele cu case potrivite pentru proiectarea seismică?
Da. Cu rigiditate echilibrată pe ambele axe, stâlpii cutie sunt utilizați pe scară largă în cadrele seismice și sunt proiectați în conformitate cu aceleași prevederi ca și alte elemente din oțel, de exemplu GB 50017 împreună cu regulile de detaliere seismică ale AISC 341 sau EN 1998-1.
Î: Coloanele cu casete pot fi îmbinate la fața locului?
Da. Îmbinările pot fi înșurubate cu plăci de acoperire sau sudate, în funcție de design. Sudurile cu penetrare completă-de atelier și capetele de îmbinare pregătite cu grijă, verificate de NDT, sunt o practică standard pentru-construcții înalte.