Cách chọn kích thước cột hộp thép phù hợp

Cột hộp thép, còn được gọi là phần hộp hàn hoặc phần{0}}đóng kín, được chế tạo bằng cách hàn bốn tấm vào một lăng kính hình vuông hoặc hình chữ nhật rỗng. Hình dạng khép kín của chúng mang lại độ cứng đối xứng trên cả hai trục, khả năng chống xoắn cao và hiệu suất tuyệt vời dưới tải trọng trục nặng, khiến chúng trở thành lựa chọn tiêu chuẩn cho lõi tăng cao, cầu nhịp dài- và khung công nghiệp. Câu hỏi mà mọi nhóm dự án phải đối mặt sớm là: cột nên có kích thước bao nhiêu? Câu trả lời đến từ thiết kế kết cấu chứ không phải từ danh mục và hướng dẫn này giải thích các yếu tố và bước kiểm tra quyết định câu trả lời đó.

Cột hộp thép là gì?

Cột hộp thép là một bộ phận kết cấu rỗng, khép kín, thường được tạo ra bằng cách hàn bốn tấm thép lại với nhau để tạo thành mặt cắt ngang hình vuông hoặc hình chữ nhật-. So với các mặt cắt mở như dầm I{2}} hoặc H{3}}, mặt cắt hộp cung cấp:

Độ cứng hai trục đối xứng:không có trục mạnh hay trục yếu nên cột chống uốn cong như nhau theo mọi hướng.

Khả năng chống xoắn cao:ô kín chống lại mô-men xoắn hiệu quả hơn nhiều so với các phần mở.

Hiệu suất nén cao:vật liệu được phân bổ ra xa tâm, tạo ra bán kính hồi chuyển lớn cho khu vực tiết diện.

Kiểm soát oằn cục bộ tuyệt vời:bốn bức tường tấm có thể được cân đối để đáp ứng các giới hạn về độ nén của quy định quản lý.

Cột hộp được sử dụng rộng rãi làm cột xây dựng trong các khung-cao tầng, làm trụ cầu và cột tháp cũng như là bộ phận chính trong các tòa nhà công nghiệp và công cộng.

Các yếu tố quyết định kích thước cột hộp

Tải trọng thiết kế

Mặt cắt ngang{0}}phải chịu được tải trọng dọc trục tính toán, mô men uốn do trọng lực và tải trọng ngang cũng như lực cắt, kết hợp theo quy tắc quản lý. Cả hai trạng thái giới hạn cường độ và khả năng sử dụng phải được thỏa mãn.

Chiều cao không giằng và chiều dài hiệu quả

Chiều dài không giằng dài hơn sẽ làm tăng độ mảnh của cột và giảm khả năng nén của cột. Chiều dài hiệu dụng là tích của chiều dài thực tế và hệ số K{1}}phản ánh các giới hạn cuối: các kết nối cố định, được ghim hoặc bị hạn chế một phần ở đầu và cuối bộ phận.

Hạn chế cuối cùng và điều kiện ranh giới

Đế cố định và mô men-được kết nối làm giảm hệ số chiều dài hiệu dụng, trong khi đế được ghim và kết nối đơn giản lại làm tăng hệ số này. Các điều kiện chống đỡ phải được mô hình hóa chính xác vì chúng trực tiếp chi phối việc kiểm tra mất ổn định.

Lớp thép

Cấp độ bền-cao hơn chẳng hạn như S355 (EN 10025-2), ASTM A572 Cấp 50 hoặc Q355B (GB/T 1591) cho phép tiết diện nhỏ gọn hơn cho cùng tải trọng, với chi phí đơn giá cao hơn cũng như các yêu cầu chế tạo và hàn chặt chẽ hơn. Nên chọn loại có tính đến cường độ thiết kế và khả năng chế tạo.

Tỷ lệ chiều rộng-đến-Độ dày (Oằn cục bộ)

Các thành bản của cột hộp phải được cân đối để tránh hiện tượng oằn cục bộ trước khi tiết diện đạt cường độ tối đa. Mã xác định giới hạn độ nén theo tỷ lệ chiều rộng-trên-độ dày; ví dụ: AISC 360 đặt tỷ lệ chiều rộng-trên-độ dày giới hạn cho các phần tử thanh mảnh dưới mức nén đồng nhất và GB 50017 và EN 1993-1-1 cung cấp các yêu cầu về độ ổn định cục bộ tương đương. Thiết kế phải xác minh rằng độ dày tấm đã chọn đáp ứng giới hạn áp dụng.

Kiểm tra thiết kế cho cột hộp

Định cỡ một cột hộp là một quá trình lặp đi lặp lại từ việc giả định một phần, kiểm tra nó và điều chỉnh. Các bước kiểm tra chính, được thực hiện với mã quản lý (ví dụ AISC 360, EN 1993-1-1 hoặc GB 50017), là:

Sức mạnh trục:Cường độ nén thiết kế là cường độ danh nghĩa được giảm đi bởi hệ số sức kháng thích hợp, trong đó cường độ danh nghĩa tính đến độ oằn uốn quanh trục tới hạn và dựa trên độ mảnh hiệu dụng KL/r.

Kết hợp trục và uốn:các bộ phận chịu tải trọng dọc trục cộng với mô men được xác minh bằng các phương trình tương tác của mã, kết hợp các tỷ số sử dụng lực dọc trục và mô men.

Giới hạn độ mảnh mai:các bộ phận nén thường được giới hạn ở tỷ lệ độ mảnh tối đa (ví dụ KL/r không lớn hơn 200 đối với các bộ phận nén chính theo AISC 360; giới hạn tương đương trong GB 50017 được áp dụng cho các bộ phận nén chính).

Độ vênh cục bộ:tỷ lệ chiều rộng-đến-độ dày của tấm được kiểm tra theo giới hạn độ nén của mã để mặt cắt có thể phát triển khả năng dẻo hoặc đàn hồi như giả định trong thiết kế.

Khả năng phục vụ:độ lệch ngang, độ rút ngắn trục và độ rung được kiểm tra theo giới hạn của dự án.

Bởi vì hình học tương tác với việc kiểm tra độ bền, kích thước cuối cùng được xác nhận tốt nhất bởi kỹ sư kết cấu có trình độ sử dụng phần mềm thiết kế được công nhận, với bản vẽ thi công được chuẩn bị từ tính toán đã được phê duyệt.

Hướng dẫn định cỡ thực tế theo ứng dụng

Bảng này chỉ mang tính biểu thị: trường hợp tải chi phối, chiều dài hiệu dụng và các yêu cầu về mã luôn được ưu tiên và kích thước chính xác phải đến từ tính toán kết cấu.

Chế tạo và kiểm soát chất lượng

Cột hộp hàn yêu cầu chế tạo có kỷ luật vì phần kín khiến các mối hàn bên trong không thể tiếp cận được sau khi lắp ráp:

Hàn:các mối nối bốn góc thường được hàn bằng phương pháp hàn hồ quang chìm (SAW) với trình tự được kiểm soát; quy trình hàn phải đạt tiêu chuẩn AWS D1.1, EN 1090 hoặc mã hiện hành.

Độ cứng bên trong:các vách ngăn ngang tại các điểm đưa tải trọng và, khi cần thiết, các nẹp dọc kiểm soát độ oằn cục bộ và phân tán lực tập trung.

Thử nghiệm không{0}}phá hủy:các mối hàn quan trọng được kiểm tra bằng thử nghiệm siêu âm (UT), bằng hạt từ tính (MT) hoặc thử nghiệm chụp ảnh phóng xạ (RT) khi thông số kỹ thuật yêu cầu.

Truy xuất nguồn gốc vật liệu:Giấy chứng nhận kiểm tra nhà máy theo EN 10204 (loại 3.1) ghi lại các đặc tính cơ học và hóa học của tấm.

Bảo vệ chống ăn mòn:các bề mặt được làm sạch bằng phun nổ theo tiêu chuẩn Sa 2.5 và phủ theo tiêu chuẩn ISO 12944 cho loại tiếp xúc hoặc mạ kẽm nhúng nóng-nếu được chỉ định.

Lắp ráp thử:các cột phức tạp hoặc có dung sai cao được lắp ráp thử-tại xưởng để xác minh sự căn chỉnh lỗ và hình học trước khi vận chuyển.

Câu hỏi thường gặp

Hỏi: Cột hộp có những hình dạng nào?
Phần rỗng hình vuông và hình chữ nhật là phổ biến nhất; Cột hộp dạng côn và dạng bậc được sản xuất khi yêu cầu về kiến ​​trúc hoặc tải trọng yêu cầu phần thay đổi dọc theo chiều cao.

Hỏi: Nên chọn loại thép nào cho cột hộp?
Đối với tải vừa phải, Q235B (GB/T 1591) hoặc S235JR (EN 10025-2) là tiết kiệm. Đối với các ứng dụng cao tầng, cầu và công nghiệp nặng, Q355B/Q420 (GB/T 1591), S355 (EN 10025-2) hoặc ASTM A572 Cấp 50/60 là điển hình. Loại được chọn cùng với cường độ thiết kế và yêu cầu chế tạo.

Q: Độ dày của tường được xác định như thế nào?
Độ dày của tường được thiết lập bằng cách kiểm tra độ bền dọc trục và uốn, giới hạn oằn cục bộ (chiều rộng{0}}đến{1}}độ dày) của mã và bất kỳ mức cho phép ăn mòn nào cần thiết cho môi trường. Các bức tường dày hơn được sử dụng khi độ mảnh hoặc kiểm tra mất ổn định cục bộ chi phối.

Câu hỏi: Tỷ lệ chiều rộng-trên-độ dày phù hợp cho cột hộp là bao nhiêu?
Không có giá trị cố định duy nhất. Tỷ lệ chiều rộng-trên{2}}độ dày giới hạn được xác định theo mã quản lý (ví dụ: giới hạn độ nén trong AISC 360, GB 50017 hoặc EN 1993-1-1) và phụ thuộc vào cường độ chảy của thép và mức độ ứng suất của tường. Thiết kế phải xác minh phần này so với giới hạn áp dụng.

Hỏi: Cột hộp có thể được nối trên trang web không?
Đúng. Mối nối hiện trường được thực hiện bằng các tấm mối nối bắt vít hoặc bằng các mối hàn rãnh xuyên-hoàn toàn, được chi tiết và kiểm tra theo quy tắc. -Việc chuẩn bị cuối cùng được chế tạo tại xưởng và lắp ráp thử giúp đảm bảo sự liên kết tại mối nối.

Câu hỏi: Tài liệu nào đi kèm với các cột hộp được chế tạo?
Tài liệu điển hình bao gồm chứng chỉ kiểm tra nhà máy (EN 10204 loại 3.1), hồ sơ xác nhận quy trình hàn và thợ hàn, báo cáo NDT, báo cáo kiểm tra kích thước và bản vẽ thi công đã được phê duyệt.