เหล็กฉากในการดัด: การออกแบบและตัวเลือกที่ปลอดภัยยิ่งขึ้น

หน้าตัดมุมถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในงานวิศวกรรมโครงสร้างเนื่องจากประหยัดและง่ายต่อการผลิต อย่างไรก็ตาม เมื่อพูดถึงการใช้มุมใน การดัดงอ, โดยเฉพาะ การดัดงออย่างไม่ยับยั้งความท้าทายที่สำคัญเกิดขึ้น แม้ว่ามักจะเลือกใช้วัสดุเหล่านี้เพื่อรองรับน้ำหนักเหนือช่องเปิด เช่น คานอิฐ แต่ ความไม่เสถียรของแรงบิด และ การตอบสนองต่อความเครียดที่ซับซ้อน ทำให้พวกเขาเป็นทางเลือกที่เสี่ยง

บทความนี้นำเสนอภาพรวมโดยละเอียดเกี่ยวกับพฤติกรรมของส่วนมุมในการดัด ข้อจำกัดของแนวทางการออกแบบภายใต้ทั้งสอง BS 5950 และ ยูโรโค้ด 3 (EN 1993-1-1)และเหตุใดโปรไฟล์ทางเลือกจึงมักเป็นโซลูชันที่เชื่อถือได้และมีโครงสร้างที่มั่นคงมากกว่า

1.0การใช้งานทั่วไป: มุมในการโค้งงอเหนือช่องเปิด

ส่วนโค้งมุมในการดัดมักใช้ในงานก่อสร้างภายในบ้าน เพื่อรองรับงานก่ออิฐเหนือช่องเปิดของประตูและหน้าต่าง แม้ว่ารายละเอียดอาจดูเรียบง่าย แต่สิ่งนี้ก็ช่วย... การโหลดแบบนอกรีต และ พฤติกรรมการบิดตัว ซึ่งอาจนำไปสู่ปัญหาด้านการบริการ เช่น การแตกร้าวของด้านหน้าอาคาร

ความท้าทายโครงสร้างที่สำคัญอยู่ที่ข้อเท็จจริงที่ว่าเมื่อต้องรับแรงดัด โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อไม่มีการยึดด้านข้างอย่างเต็มที่ ขามุมที่ถูกบีบอัดมีแนวโน้มที่จะเบี่ยงออกจากระนาบทำให้สมาชิกได้ บิดปรากฏการณ์นี้จะยิ่งรุนแรงขึ้นตามลักษณะทั่วไป การประยุกต์ใช้แรงแนวตั้งแบบนอกรีตซึ่งสร้างโมเมนต์รอบแกนทั้งแนวตั้งและแนวนอน

2.0ผลกระทบจากแรงบิด: เหตุใดส่วนกลวงจึงเป็นที่นิยม

ชิ้นส่วนโครงสร้างใดๆ ที่รับน้ำหนักนอกรีตจะบิดเบี้ยว ซึ่งไม่ได้เกิดขึ้นเฉพาะกับมุมเท่านั้น แต่ ความแข็งบิดต่ำของส่วนมุม ทำให้พวกเขามีความอ่อนไหวเป็นพิเศษ ในกรณีเช่นนี้ การใช้ ส่วนกลวงปิด (เช่น HSS แบบสี่เหลี่ยมจัตุรัสหรือสี่เหลี่ยมผืนผ้า) เป็นทางเลือกที่ดีกว่า แม้ว่าส่วนเหล่านี้อาจมีราคาแพงกว่าและมีรายละเอียดที่ซับซ้อนกว่าที่จุดเชื่อมต่อ แต่ การลดการเปลี่ยนรูปของแรงบิด มักจะคุ้มค่ากับการแลกเปลี่ยน

ในการใช้งานจริง เช่น ส่วนขยายภายในบ้านหรือคานประตู ส่วนที่ปิดจะช่วยเพิ่มความทนทานและลดข้อบกพร่องที่มองเห็นได้ในโครงสร้างสำเร็จรูปได้อย่างมาก

3.0ส่วนมุมในการบีบอัด: พฤติกรรมที่คาดเดาได้มากขึ้น

เมื่อใช้ส่วนมุมในการบีบอัด (เช่น เป็นส่วนหนึ่งของโครงถัก) พฤติกรรมของส่วนมุมจะเข้าใจได้ดี ซึ่งแตกต่างจากการโก่งงอตามแกนสี่เหลี่ยมหลักหรือแกนสี่เหลี่ยมรอง มุมจะโก่งงอตาม แกนหลัก: เดอะ ยู–ยู และ วี–วี แกน ส่งผลให้ขาแต่ละข้างของมุมพยายามงอไปในทิศทางนอกระนาบของตัวเอง ทำให้เกิด โหมดการบิดตัวแบบบิดตัว.

รหัสการออกแบบ เช่น BS 5950 ข้อ 4.7.10 และ EN 1993-1-1 หมวด BB.1.2 นำเสนอสูตรสำหรับคำนวณความเรียวตามโหมดนี้ การคำนวณจะปรับตามผลกระทบจากแรงบิดและพิจารณาว่ามุมมี การควบคุมปลายซึ่งมีอิทธิพลอย่างมากต่อความสามารถในการรับน้ำหนัก

4.0ส่วนมุมในการดัด: ข้อจำกัดในแนวทางโค้ด

BS 5950 คำแนะนำการออกแบบสำหรับการดัด

ข้อ 4.3.8 ใน BS 5950 กำหนดไว้ทั้ง พื้นฐาน และก วิธีการแบบง่าย สำหรับการคำนวณ โมเมนต์ต้านทานการโก่งงอ (Mb) สำหรับส่วนมุม วิธีการแบบง่ายจะจำกัดอยู่ที่ มุมเท่ากันโค้งรอบแกน x–xโดยทั่วไปอยู่ภายใต้แรงแนวตั้งข้ามช่วง เช่น ช่องเปิดหน้าต่าง

ตัวอย่างการคำนวณโดยใช้วิธีการแบบง่ายของ BS 5950:

ที่ให้ไว้:

ขนาดหน้าตัด: 150×150×12 มม.

ช่วง: 4 ม.

เกรดเหล็ก: S275

ε = 1.0 (ขึ้นอยู่กับค่าความแข็งแรงของเหล็ก)

รัศมีการหมุน (rv) = 29.5 มม.

โมดูลัสของส่วน Zx = 67.7×10³ mm³

สูตรที่เรียบง่ายคือ:

ผลลัพธ์นี้แสดงให้เห็นถึงความต้านทานที่ค่อนข้างต่ำ ซึ่งเน้นย้ำถึงความสำคัญของการทำความเข้าใจข้อจำกัดของแนวทางนี้

EN 1993-1-1 (Eurocode 3) แนวทาง: ซับซ้อนมากขึ้น ตรงไปตรงมาน้อยลง

Eurocode ไม่ได้นำเสนอวิธีการโดยตรงสำหรับการประเมินความต้านทานการดัดของมุม แต่แนะนำให้ใช้วิธีการแยกโมเมนต์ดัดที่ใช้ไป แกนหลัก (u–u และ v–v) และตรวจสอบสมาชิกโดยใช้ สมการปฏิสัมพันธ์. สิ่งนี้เพิ่มความซับซ้อน โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับมุมที่ไม่เท่ากัน

ขั้นตอนสำคัญคือการคำนวณ ความผอมบางสัมพัทธ์:

lambda_LT = (0.72 × v_a × f_y) / (E × phi_a × lambda_v)

ที่ไหน:

• แลมบ์ดา_แอลที คืออัตราส่วนความเรียวของแรงบิดด้านข้าง
• วี_เอ คือปัจจัยการแก้ไขแรงเฉือน
• ฟ_วาย คือค่าความแข็งแรงของวัสดุ
• อี คือโมดูลัสของความยืดหยุ่น
• ฟีอา คือค่าสัมประสิทธิ์ความเพรียวบาง (โดยทั่วไปคือ 3.77)
• แลมบ์ดา_วี คืออัตราส่วนความเรียวเฉือน (เช่น L / r_v)

ที่ไหน:

φₐ คือค่าสัมประสิทธิ์ความเพรียวบาง (โดยทั่วไปคือ 3.77)

vₐ ได้มาโดยใช้สูตรที่อิงจาก λᵥ และดัชนีโมโนสมมาตร ψₐ

แลม = L / rᵥ = 4000 / 29.5 = 135.6

สำหรับมุมเท่ากัน (ψₐ = 1) จะได้ผลลัพธ์ดังนี้:

vₐ ≈ 0.984 → λ_LT = 0.580 → χ_LT = 0.724

การใช้โมเมนต์ที่สองของพื้นที่และโมดูลัสยืดหยุ่น:

Iu = 1170 ซม.⁴
ระยะห่างของเส้นใยสูงสุด = 106 มม.

วู = (1170 × 10⁴) / 106 = 110 × 10³ mm³

Mb = 0.724 × 275 × 110 × 10³ = 21.9 กิโลนิวตันเมตร

5.0การตรวจสอบการโต้ตอบ: การเปรียบเทียบระหว่าง BS 5950 และ Eurocode

สมมติว่าโมเมนต์ที่ใช้ 14 kNm ถูกแบ่งเท่าๆ กันในแกนหลัก:

ที่ให้ไว้:

มิว = เอ็มวี = 9.9 กิโลนิวตันเมตร
Wv = 52 × 10³ มม.³
หวู่ = 110 × 10³ มม.³

การตรวจสอบการโต้ตอบของ Eurocode:

BS 5950 การตรวจสอบการโต้ตอบ:

โดยใช้ค่าความต้านทานการโก่งงอ Mb = 26 kNm:

ปฏิสัมพันธ์ = 1.07 ✓ ยอมรับได้ แต่อยู่ในขอบเขต

โดยใช้วิธีการแบบง่าย (Mb = 13.9 kNm):

ปฏิสัมพันธ์ = 1.01 ✘ เกินขีดจำกัด

6.0ส่วนมุมไม่เท่ากัน: ความซับซ้อนและข้อจำกัดที่เพิ่มขึ้น

ข้อควรพิจารณาในการผลิตส่วนมุม

นอกจากความซับซ้อนเชิงโครงสร้างของการใช้ส่วนมุมในการดัดแล้ว การผลิตยังมีความท้าทาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อต้องวางตำแหน่งรู การเตรียมปลาย หรือการทำบากที่แม่นยำ เพื่อให้ได้การดัดแปลงที่แม่นยำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับส่วนมุมที่ไม่เท่ากันหรือการเชื่อมต่อที่ซับซ้อน ผู้ผลิตมักจะใช้เครื่องจักรสำหรับงานเหล็ก เครื่องจักรเหล่านี้ช่วยให้สามารถตัด เจาะ และขึ้นรูปเหล็กฉากได้อย่างมีประสิทธิภาพในการติดตั้งเพียงครั้งเดียว ช่วยประหยัดเวลาและยังคงรักษาความสามารถในการทำซ้ำได้

สำหรับงานที่ต้องอาศัยรายละเอียดประณีตหรือการตัดมุมภายใน เช่น เมื่อเตรียมมุมสำหรับการเชื่อมต่อแผ่นหรือแผ่นเสริมมุมให้เรียบร้อย มักใช้เครื่องบากมุมแผ่นโลหะ เครื่องมือนี้ช่วยให้ตัดมุมได้อย่างแม่นยำ ช่วยให้ประกอบและจัดแนวได้แม่นยำยิ่งขึ้นในระหว่างการประกอบ การใช้อุปกรณ์การผลิตที่ถูกต้องไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ แต่ยังช่วยให้มั่นใจได้ว่าประสิทธิภาพโครงสร้างตามที่คาดการณ์ไว้ในแบบจะคงอยู่ตลอดการติดตั้ง

BS 5950 ไม่อนุญาตให้ใช้วิธีแบบง่าย สำหรับมุมที่ไม่เท่ากัน นักออกแบบต้องใช้วิธีการพื้นฐานและแก้ไขโมเมนต์เป็น แกนหลักในขณะที่คุณสมบัติเช่นตำแหน่งเซนทรอยด์ I _u และ I _v สามารถพบได้ในตารางที่เผยแพร่ แต่จำเป็นต้องมีเพิ่มเติม ตรีโกณมิติ, การคำนวณดัชนีเอกสมมาตร, และ การกำหนดโมดูลัสของส่วนที่มีประสิทธิภาพ.

สำหรับขาเรียว การจำแนกส่วนต่างๆ ถือเป็นเรื่องสำคัญ:

BS 5950 ขีดจำกัดคลาส 3: 15ε

ขีดจำกัด Eurocode คลาส 3: 14ε (อ้างอิงจาก c/t)

ตัวอย่างเช่น ขาขนาด 150×10 มม. โดยที่ c ≈ 128 มม. จะให้ผลลัพธ์ดังนี้:

c/t = 12.8 < 14ε = 12.9 → ยอมรับได้

การเชื่อมโยงการออกแบบโครงสร้างและการผลิตในร้านค้า

การนำส่วนตัดมุมมาใช้ให้ประสบความสำเร็จ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในงานที่ไวต่อการรับน้ำหนัก ไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับการออกแบบเชิงทฤษฎีเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับความแม่นยำในการผลิตจริงอีกด้วย เมื่อชิ้นส่วนโครงสร้างต้องการการตัด การบาก หรือการเจาะที่แม่นยำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในงานที่ออกแบบเฉพาะหรืองานที่มีช่วงสั้น การใช้อุปกรณ์ที่เหมาะสมจึงเป็นสิ่งสำคัญ เครื่องมืออย่างเช่น เครื่องจักรช่างเหล็ก และ เครื่องวัดมุมแผ่นโลหะ มักใช้กันทั่วไปในการเตรียมเหล็กฉากอย่างมีประสิทธิภาพและแม่นยำ ช่วยลดการปรับเปลี่ยนในสถานที่ และช่วยให้สอดคล้องกับเจตนาการออกแบบได้ดีขึ้น

หากส่วนนั้นเป็น ชั้นประถมศึกษาปีที่ 4ความซับซ้อนเพิ่มเติมเกิดขึ้น:

การใช้ คุณสมบัติของส่วนที่มีประสิทธิภาพ (ยูโรโค้ด) หรือ

การประยุกต์ใช้ ความแข็งแรงของการออกแบบลดลง (บส.5950)

สำหรับการรวม การดัดและการรับน้ำหนักตามแนวแกนสิ่งนี้อาจกลายเป็นเรื่องซับซ้อนจนไม่สามารถนำไปปฏิบัติได้

7.0บทสรุป: ใช้มุมในการดัดด้วยความระมัดระวังเท่านั้น

บทวิจารณ์ทางเทคนิคนี้เน้นหลักการออกแบบที่สำคัญสองประการ:

• มุมไม่เหมาะกับการถ่ายช่วงเวลาสำคัญๆ—โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากไม่ได้รับการควบคุม พฤติกรรมการบิดตัวภายใต้แรงกดนอกศูนย์หรือแรงกดด้านข้างอาจจำกัดประสิทธิภาพการทำงานอย่างรุนแรงและนำไปสู่ความล้มเหลวในการใช้งาน เช่น รอยแตกร้าวที่ผนังด้านหน้า
• การออกแบบมุมที่ไม่เท่ากันต้องใช้แรงงานมากและมีโอกาสเกิดข้อผิดพลาดได้โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อต้องจัดการกับส่วนคลาส 4 หรือสถานการณ์การโหลดแบบรวม

แนวทางปฏิบัติที่แนะนำ:

ใช้ ส่วนที่มีมุมเท่ากัน อย่างน้อยที่สุด ชั้นประถมศึกษาปีที่ 3 หน้าตัด

สำหรับสถานการณ์การโค้งงอที่ไม่ถูกจำกัด ให้พิจารณาทดแทนด้วย ส่วนที่มีความแข็งบิดเช่น ส่วนกลวง หรือ คานไอ.