Стальные уголки для гибки: конструкция и более безопасные варианты

Уголковые профили широко используются в строительстве благодаря своей экономичности и простоте изготовления. Однако, когда речь заходит об использовании уголков в изгиб, особенно неограниченный изгиб, возникают серьёзные проблемы. Хотя их часто выбирают для поддержки грузов над проёмами, например, над кирпичными перемычками, их торсионная нестабильность и сложная реакция на стресс сделать их рискованным выбором.

В этой статье представлен подробный обзор того, как ведут себя угловые профили при изгибе, а также ограничения, накладываемые на проектирование в обоих случаях. БС 5950 и Еврокод 3 (EN 1993-1-1)и почему альтернативные профили часто являются более надежным и конструктивно обоснованным решением.

1.0Распространенные области применения: гибка углов над проемами

Изогнутые уголки чаще всего используются в жилищном строительстве для поддержки кладки над дверными и оконными проёмами. Хотя конструкция может показаться простой, она вносит ясность. эксцентричная нагрузка и крутильное поведение что может привести к проблемам с эксплуатацией, таким как растрескивание фасада.

Основная структурная проблема заключается в том, что при изгибе, особенно без полного бокового ограничения, сжатая сторона угла имеет тенденцию отклоняться от плоскости, заставляя члена крутитьЭто явление усугубляется типичным эксцентричное приложение вертикальной нагрузки, который создает момент вокруг вертикальной и горизонтальной осей.

2.0Эффекты кручения: почему полые профили предпочтительны

Любой элемент конструкции, несущий эксцентричную нагрузку, будет скручиваться. Это характерно не только для углов, но низкая крутильная жесткость уголковых профилей делает их особенно восприимчивыми. В таких случаях использование закрытое полое сечение (например, квадратный или прямоугольный HSS) представляет собой превосходную альтернативу. Хотя такие секции могут быть дороже и требуют более сложной детализации соединений, уменьшение крутильной деформации часто стоит пойти на компромисс.

В практических применениях, таких как пристройки к домам или перемычки, закрытые секции могут значительно повысить долговечность и свести к минимуму видимые дефекты готовой конструкции.

3.0Уголковые профили при сжатии: более предсказуемое поведение

Когда уголковые профили используются при сжатии (например, в составе фермы), их поведение хорошо изучено. В отличие от потери устойчивости относительно главных или второстепенных прямоугольных осей, уголки теряют устойчивость относительно своих главные оси: то у–у и в–в осей. Это приводит к тому, что каждая сторона угла пытается изгибаться в своём направлении вне плоскости, создавая крутильный режим потери устойчивости.

Коды дизайна, такие как BS 5950, пункт 4.7.10 и EN 1993-1-1 Раздел BB.1.2 Приводятся формулы для расчета гибкости на основе этого режима. Расчет учитывает крутящие эффекты и учитывает, имеет ли угол конечные ограничения, которые существенно влияют на устойчивость к изгибу.

4.0Уголковые профили при гибке: ограничения в руководстве по нормам

BS 5950 Руководство по проектированию гибочных изделий

Пункт 4.3.8 стандарта BS 5950 предусматривает как базовый и упрощенный метод для расчета момент сопротивления изгибу (Мб) для угловых сечений. Упрощенный метод ограничен равные углы, согнутые вокруг своей оси x–x, как правило, под вертикальными нагрузками через пролеты, например оконные проемы.

Пример расчета с использованием упрощенного метода BS 5950:

Данный:

Сечение: 150×150×12 мм

Размах: 4 м

Марка стали: S275

ε = 1,0 (на основе предела текучести стали)

Радиус инерции (rv) = 29,5 мм

Модуль сопротивления сечения Zx = 67,7×10³ мм³

Упрощенная формула:

Этот результат демонстрирует относительно низкое сопротивление, что подчеркивает важность понимания ограничений этого подхода.

Подход EN 1993-1-1 (Еврокод 3): более сложный, менее прямой

Еврокод не предлагает прямого метода оценки прочности уголков на изгиб. Вместо этого он рекомендует разложить приложенный изгибающий момент на главные оси (u–u и v–v) и проверка участника с помощью уравнение взаимодействия. Это добавляет сложности, особенно для неравных углов.

Ключевым шагом является вычисление относительная стройность:

лямбда_LT = (0,72 × v_a × f_y) / (E × phi_a × лямбда_v)

Где:

• лямбда_LT это отношение поперечной и крутильной гибкости
• в_а это поправочный коэффициент сдвига
• f_y предел текучести материала
• Э это модуль упругости
• phi_a коэффициент гибкости (обычно 3,77)
• лямбда_в — это коэффициент гибкости при сдвиге (например, L / r_v)

Где:

φₐ — коэффициент гибкости (обычно 3,77)

vₐ выводится с использованием формулы, основанной на λᵥ и индексе моносимметрии ψₐ

λᵥ = L/rᵥ = 4000/29,5 = 135,6

Для равного угла (ψₐ = 1) это дает:

vₐ ≈ 0,984 → λ_LT = 0,580 → χ_LT = 0,724

Используя второй момент площади и модуль упругости:

Iu = 1170 см⁴
Максимальное расстояние между волокнами = 106 мм

Wu = (1170×10⁴)/106 = 110×10³ мм³

Mb = 0,724×275×110×10³ = 21,9 кНм

5.0Проверки взаимодействия: сравнение BS 5950 и Еврокода

Предположим, что приложенный момент равен 14 кНм, равномерно распределенный по главным осям:

Данный:

Mu = Mv = 9,9 кНм
Wv = 52 × 10³ мм³
Wu = 110 × 10³ мм³

Проверка взаимодействия с Еврокодом:

Проверка взаимодействия BS 5950:

Используя сопротивление изгибу Mb = 26 кНм:

Взаимодействие = 1,07 ✓ Приемлемо, но на грани

Используя упрощенный метод (Мб = 13,9 кНм):

Взаимодействие = 1,01 ✘ Превышает лимит

6.0Неравнополочные уголки: дополнительная сложность и ограничения

Особенности изготовления угловых профилей

Помимо конструктивной сложности, связанной с гибкой уголков, изготовление также представляет собой проблему, особенно когда требуется точное размещение отверстий, подготовка концов или вырезание. Для точной модификации, особенно для неравнополочных уголков или сложных соединений, производители часто используют металлообрабатывающие станки. Эти станки позволяют эффективно резать, пробивать и копировать стальные уголки за один установ, экономя время и обеспечивая повторяемость результатов.

Для работ, требующих точной обработки деталей или резки внутренних углов, например, при подготовке углов для чистового соединения с пластинами или косынками, часто используется угловой вырубной станок для листового металла. Этот инструмент обеспечивает точную обрезку углов, обеспечивая лучшую подгонку и выравнивание при сборке. Использование правильного производственного оборудования не только повышает эффективность, но и гарантирует сохранение проектных характеристик конструкции вплоть до монтажа.

БС 5950 не допускает упрощенный метод для неравных углов. Проектировщики должны использовать базовый метод и разложить моменты на главные оси. Хотя такие свойства, как местоположение центра масс, I _u и I _v, можно найти в опубликованных таблицах, это требует дополнительных тригонометрия, расчет индекса моносимметрии, и определение эффективных модулей сопротивления сечения.

Для стройных ног классификация секций становится решающей:

Предел BS 5950 класса 3: 15ε

Предел Еврокода Класс 3: 14ε (на основе c/t)

Например, ножка 150×10 мм с c ≈ 128 мм дает:

c/t = 12,8 < 14ε = 12,9 → Достаточно приемлемо

Связывание структурного проектирования и изготовления изделий в цехе

Успешное применение уголковых профилей, особенно в условиях, чувствительных к нагрузкам, зависит не только от теоретической конструкции, но и от практической точности изготовления. Когда элементы конструкции требуют точной резки, вырубки или штамповки, особенно в нестандартных или малопролетных конструкциях, использование правильного оборудования имеет решающее значение. Такие инструменты, как машина для обработки железа и вырубной пресс для листового металла обычно используются для эффективной и точной подготовки стальных уголков, что сокращает необходимость в доработке на месте и обеспечивает лучшее соответствие замыслу проекта.

Если раздел Класс 4, возникает дополнительная сложность:

Использование эффективные свойства сечения (Еврокод), или

Применение уменьшенная расчетная прочность (BS 5950)

Для комбинированного изгиб и осевая нагрузка, это может стать непрактично сложным.

7.0Вывод: используйте углы при гибке только с осторожностью.

В этом техническом обзоре подчеркиваются два важнейших принципа проектирования:

• Углы не идеальны для передачи важных моментов.— особенно если не закреплен. Крутильное поведение под действием эксцентричной или боковой нагрузки может серьёзно ограничить эксплуатационные характеристики и привести к нарушениям эксплуатационной пригодности, таким как растрескивание фасада.
• Проектирование неравных уголков — трудоемкий процесс, подверженный ошибкам., особенно при работе с секциями класса 4 или комбинированными сценариями нагрузки.

Рекомендуемая практика:

Использовать равные уголковые профили по крайней мере Класс 3 поперечное сечение.

В ситуациях, когда изгиб не ограничен, рассмотрите возможность замены на торсионно жесткая секция, например полая секция или двутавровая балка.