Góc thép uốn: Thiết kế và các lựa chọn an toàn hơn

Các tiết diện góc được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật kết cấu do tính kinh tế và dễ chế tạo. Tuy nhiên, khi nói đến việc sử dụng các góc trong uốn cong, cụ thể uốn cong không hạn chế, những thách thức đáng kể xuất hiện. Mặc dù chúng thường được chọn để hỗ trợ tải trọng trên các lỗ mở—chẳng hạn như dầm gạch—nhưng sự bất ổn xoắn Và phản ứng căng thẳng phức tạp khiến chúng trở thành một lựa chọn mạo hiểm.

Bài viết này trình bày tổng quan chi tiết về cách các mặt cắt góc hoạt động trong quá trình uốn, những hạn chế của hướng dẫn thiết kế theo cả hai Tiêu chuẩn BS 5950 Và Tiêu chuẩn Eurocode 3 (EN 1993-1-1)và lý do tại sao các cấu hình thay thế thường là giải pháp đáng tin cậy hơn và có cấu trúc vững chắc hơn.

1.0Ứng dụng phổ biến: Góc uốn cong trên các lỗ mở

Các tiết diện góc uốn cong thường được sử dụng phổ biến nhất trong xây dựng dân dụng để đỡ khối xây phía trên cửa ra vào và cửa sổ. Mặc dù chi tiết này có vẻ đơn giản, nhưng nó lại mang đến tải lệch tâm Và hành vi xoắn có thể dẫn đến các vấn đề về khả năng sử dụng, chẳng hạn như nứt mặt tiền.

Thách thức chính về cấu trúc nằm ở chỗ khi chịu uốn cong, đặc biệt là khi không có sự hạn chế hoàn toàn theo chiều ngang, chân nén của góc có xu hướng lệch ra khỏi mặt phẳng, khiến cho thành viên xoắn. Hiện tượng này trở nên trầm trọng hơn bởi điển hình ứng dụng lệch tâm của tải trọng thẳng đứng, tạo ra mô men quanh cả trục dọc và trục ngang.

2.0Hiệu ứng xoắn: Tại sao tiết diện rỗng được ưa chuộng hơn

Bất kỳ cấu kiện kết cấu nào chịu tải trọng lệch tâm đều sẽ bị xoắn. Điều này không chỉ xảy ra với các góc, mà còn với độ cứng xoắn thấp của các phần góc khiến chúng đặc biệt dễ bị tổn thương. Trong những trường hợp như vậy, sử dụng phần rỗng kín (như HSS hình vuông hoặc hình chữ nhật) là một lựa chọn thay thế tốt hơn. Mặc dù các phần này có thể đắt hơn và đòi hỏi chi tiết phức tạp hơn ở các mối nối, nhưng giảm biến dạng xoắn thường đáng để đánh đổi.

Trong các ứng dụng thực tế như phần mở rộng hoặc dầm ngang trong nhà, các phần khép kín có thể tăng cường đáng kể độ bền và giảm thiểu các khuyết tật có thể nhìn thấy trong kết cấu hoàn thiện.

3.0Tiết diện góc trong nén: Một hành vi dễ dự đoán hơn

Khi các tiết diện góc được sử dụng trong quá trình nén (ví dụ, như một phần của giàn), hành vi của chúng được hiểu rõ. Không giống như uốn cong quanh các trục hình chữ nhật chính hoặc phụ, các góc uốn cong quanh các trục hình chữ nhật của chúng. trục chính: cái u–u Và v-v trục. Điều này dẫn đến mỗi chân của góc cố gắng uốn cong theo hướng ra khỏi mặt phẳng của riêng nó, tạo ra một chế độ uốn cong xoắn.

Mã thiết kế như BS 5950 Điều 4.7.10 Và EN 1993-1-1 Mục BB.1.2 Cung cấp các công thức để tính toán độ mảnh dựa trên chế độ này. Phép tính này điều chỉnh các hiệu ứng xoắn và xem xét liệu góc có kết thúc hạn chế, ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chịu uốn.

4.0Góc cắt uốn: Những hạn chế trong hướng dẫn của Bộ luật

BS 5950 Hướng dẫn thiết kế uốn

Điều khoản 4.3.8 trong BS 5950 cung cấp cả nền tảng và một phương pháp đơn giản hóa để tính toán mô men kháng uốn (Mb) cho các phần góc. Phương pháp đơn giản hóa được giới hạn ở các góc bằng nhau uốn quanh trục x–x của chúng, thường chịu tải trọng thẳng đứng trên các nhịp như cửa sổ.

Tính toán mẫu sử dụng phương pháp đơn giản hóa BS 5950:

Được cho:

Phần: 150×150×12 mm

Khoảng cách: 4 m

Cấp thép: S275

ε = 1,0 (dựa trên cường độ chịu kéo của thép)

Bán kính quay (rv) = 29,5 mm

Mô đun tiết diện Zx = 67,7×10³ mm³

Công thức đơn giản là:

Kết quả này cho thấy mức độ kháng cự tương đối thấp, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc hiểu rõ giới hạn của phương pháp này.

EN 1993-1-1 (Eurocode 3) Cách tiếp cận: Phức tạp hơn, ít trực tiếp hơn

Tiêu chuẩn Eurocode không đưa ra phương pháp trực tiếp để đánh giá khả năng chịu uốn của góc. Thay vào đó, tiêu chuẩn này khuyến nghị phân tích mô men uốn được áp dụng vào trục chính (u–u và v–v) và xác minh thành viên bằng cách sử dụng phương trình tương tác. Điều này làm tăng thêm sự phức tạp, đặc biệt là đối với các góc không bằng nhau.

Bước quan trọng là tính toán độ mảnh mai tương đối:

lambda_LT = (0,72 × v_a × f_y) / (E × phi_a × lambda_v)

Ở đâu:

• lambda_LT là tỷ lệ độ mảnh ngang-xoắn
• v_a là hệ số hiệu chỉnh cắt
• f_y là giới hạn chảy của vật liệu
• E là mô đun đàn hồi
• phi_a là hệ số độ mảnh (thường là 3,77)
• lambda_v là tỷ lệ độ mảnh cắt (ví dụ, L / r_v)

Ở đâu:

φₐ là hệ số độ mảnh (thường là 3,77)

vₐ được suy ra bằng cách sử dụng công thức dựa trên λᵥ và chỉ số đối xứng đơn ψₐ

λᵥ = L / rᵥ = 4000 / 29,5 = 135,6

Đối với một góc bằng nhau (ψₐ = 1), điều này tạo ra:

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

Sử dụng mô men thứ hai của diện tích và mô đun đàn hồi:

IU = 1170 cm⁴
Khoảng cách sợi cực đại = 106 mm

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

Mb = 0,724 × 275 × 110 × 10³ = 21,9 kNm

5.0Kiểm tra tương tác: So sánh giữa BS 5950 và Eurocode

Giả sử mômen tác dụng là 14 kNm được phân giải đều thành các trục chính:

Được cho:

Mu = Mv = 9,9 kNm
Wv = 52 × 10³ mm³
Ngô = 110 × 10³ mm³

Kiểm tra tương tác Eurocode:

Kiểm tra tương tác BS 5950:

Sử dụng lực cản uốn Mb = 26 kNm:

Tương tác = 1,07 ✓ Có thể chấp nhận được, nhưng ở mức giới hạn

Sử dụng phương pháp đơn giản hóa (Mb = 13,9 kNm):

Tương tác = 1,01 ✘ Vượt quá giới hạn

6.0Các phần góc không bằng nhau: Độ phức tạp và hạn chế được thêm vào

Những cân nhắc khi chế tạo các mặt cắt góc

Ngoài sự phức tạp về mặt cấu trúc khi sử dụng các tiết diện góc trong uốn, việc chế tạo cũng đặt ra những thách thức - đặc biệt là khi cần đặt lỗ chính xác, chuẩn bị đầu cuối hoặc khía rãnh. Để đạt được độ chính xác, đặc biệt đối với các tiết diện góc không bằng nhau hoặc các kết nối phức tạp, các nhà chế tạo thường sử dụng máy gia công sắt. Những máy này cho phép cắt, đột và ghép góc thép hiệu quả chỉ trong một lần thiết lập, tiết kiệm thời gian đồng thời đảm bảo tính lặp lại.

Đối với các ứng dụng liên quan đến chi tiết tinh xảo hoặc cắt góc bên trong—chẳng hạn như khi chuẩn bị góc để kết nối gọn gàng với tấm hoặc miếng đệm—máy khía góc kim loại tấm thường được sử dụng. Dụng cụ này cho phép cắt góc chính xác, giúp lắp ráp và căn chỉnh tốt hơn trong quá trình lắp ráp. Sử dụng thiết bị chế tạo chính xác không chỉ cải thiện hiệu quả mà còn đảm bảo duy trì hiệu suất kết cấu như dự kiến trong thiết kế cho đến khi lắp đặt.

Tiêu chuẩn BS 5950 không cho phép phương pháp đơn giản hóa đối với các góc không bằng nhau. Các nhà thiết kế phải sử dụng phương pháp cơ bản và giải quyết các mô men thành trục chính. Trong khi các thuộc tính như vị trí tâm, I _u và I _v có thể được tìm thấy trong các bảng đã xuất bản, thì nó yêu cầu thêm lượng giác, tính toán chỉ số đơn đối xứng, Và xác định mô đun tiết diện hiệu dụng.

Đối với đôi chân thon gọn, việc phân loại phần trở nên quan trọng:

BS 5950 Giới hạn loại 3: 15ε

Giới hạn Eurocode Lớp 3: 14ε (dựa trên c/t)

Ví dụ, một chân 150×10 mm với c ≈ 128 mm sẽ cho:

c/t = 12,8 < 14ε = 12,9 → Chỉ chấp nhận được

Kết nối thiết kế kết cấu và chế tạo tại xưởng

Việc triển khai thành công các tiết diện góc - đặc biệt là trong các ứng dụng chịu tải trọng - không chỉ phụ thuộc vào thiết kế lý thuyết mà còn vào độ chính xác chế tạo thực tế. Khi các cấu kiện kết cấu yêu cầu cắt, khía hoặc đột chính xác, đặc biệt là trong các ứng dụng tùy chỉnh hoặc nhịp ngắn, việc sử dụng đúng thiết bị là điều cần thiết. Các công cụ như máy làm sắt Và góc cắt kim loại tấm thường được sử dụng để chuẩn bị thép góc một cách hiệu quả và chính xác, giảm thiểu việc sửa đổi tại chỗ và đảm bảo tuân thủ tốt hơn ý định thiết kế.

Nếu phần đó là Lớp 4, sự phức tạp hơn nữa phát sinh:

Sử dụng tính chất tiết diện hiệu dụng (Eurocode), hoặc

Ứng dụng của giảm sức mạnh thiết kế (BS 5950)

Đối với kết hợp tải trọng uốn và dọc trục, điều này có thể trở nên phức tạp một cách không thực tế.

7.0Kết luận: Chỉ sử dụng góc uốn một cách thận trọng

Bài đánh giá kỹ thuật này nêu bật hai nguyên tắc thiết kế quan trọng:

• Góc không lý tưởng để mang theo những khoảnh khắc quan trọng—đặc biệt nếu không được hạn chế. Hành vi xoắn dưới tải trọng lệch tâm hoặc tải trọng ngang có thể hạn chế nghiêm trọng hiệu suất và dẫn đến hư hỏng khả năng sử dụng như nứt mặt tiền.
• Thiết kế các góc không bằng nhau rất tốn công sức và dễ mắc lỗi, đặc biệt là khi xử lý các phần Lớp 4 hoặc các tình huống tải kết hợp.

Thực hành được khuyến nghị:

Sử dụng các phần góc bằng nhau của ít nhất Lớp 3 mặt cắt ngang.

Đối với các tình huống uốn cong không bị hạn chế, hãy cân nhắc thay thế bằng phần cứng xoắn, chẳng hạn như một phần rỗng hoặc dầm chữ I.