Mengapa Insinyur Struktural Memilih Bagian Berongga?

Berjalanlah ke hampir semua lokasi konstruksi-berbingkai baja modern dan Anda akan melihat bagian berlubang melakukan pekerjaan yang tidak dapat dilakukan oleh profil terbuka seperti balok dan saluran I secara efisien: berdiri sebagai kolom ramping dan terbuka di atrium kaca, membentuk penyangga diagonal dalam rangka seismik, atau memikul beban puntir di jembatan penyeberangan yang melengkung. Preferensinya tidak estetis. Hal ini tergantung pada beberapa prinsip teknik struktural yang tidak pernah dibahas oleh sebagian besar tim pengadaan, namun hal ini secara diam-diam menentukan mengapa suatu spesifikasi memerlukan SHS, RHS, atau CHS.

Artikel ini membahas alasan teknik sebenarnya bagian berongga mengungguli profil terbuka dalam kasus beban tertentu - dan, sama pentingnya, di mana balok atau saluran I-masih merupakan pilihan yang lebih efisien dan ekonomis. Memahami kedua sisi perbandingan itulah yang membedakan spesifikasi yang benar-benar terinformasi dari kebiasaan default.

Keuntungan struktural terbesar dari bagian berongga adalah pada satu angka: radius girasi.

Bagian terbuka seperti balok-flensa I-lebar memiliki dua jari-jari girasi yang sangat berbeda -, satu terhadap sumbu kuatnya, satu lagi terhadap sumbu lemahnya, sering kali berbeda dua kali lipat atau lebih. Itu berarti kolom berpenampang I-hanya sekuat arah tekuk terlemahnya, dan jika suatu komponen struktur terkena beban atau tekanan angin dari berbagai arah, insinyur harus merancang di sekitar sumbu yang lebih lemah terlepas dari seberapa kuat sumbu lainnya.

Sebaliknya, bagian berongga persegi atau lingkaran memiliki radius girasi yang sama (atau sangat dekat dengan sama) di segala arah. Tidak ada "poros lemah". Untuk kolom yang harus menahan tekuk akibat beban tekan yang diterapkan dari sumber yang tidak dapat diprediksi atau multiarah - yang menjelaskan sebagian besar kolom bangunan nyata, terutama pada denah lantai terbuka tanpa dinding penahan untuk menentukan arah beban yang dominan - sifat geometris ini saja sering kali membuat bagian berongga lebih ringan daripada bagian terbuka berkapasitas -yang setara, karena tidak ada bahan yang "terbuang" sehingga memberikan kekuatan ke arah yang tidak terlalu dibutuhkan oleh struktur.

Hal ini juga yang menyebabkan bagian berongga mendominasi sebagai bagian tekan pada rangka ruang dan rangka kisi: setiap bagian diagonal dan vertikal dalam sistem rangka 3D mengalami beban dari orientasi yang berbeda, dan bagian dengan tahanan seragam di segala arah memiliki efisiensi struktural sehingga bagian I-pada dasarnya tidak dapat ditandingi tanpa material tambahan.

Tampilkan Gambar

Jika jari-jari girasi adalah keuntungan yang halus, kekakuan torsional adalah keuntungan yang dramatis - dan ini bisa dibilang merupakan alasan yang paling kurang dihargai mengapa bagian berongga ditentukan untuk komponen struktur tertentu.

Bagian terbuka menahan torsi terutama melalui lengkungan dan konstanta torsi St. Venant yang relatif lemah, karena bentuk-berdinding tipis terbuka tidak memiliki jalur beban kontinu di sekelilingnya untuk mengalirkan aliran geser secara efisien. Bagian tertutup - setiap bagian berongga - menahan torsi melalui aliran geser yang berjalan terus menerus di sekeliling keliling tertutup, yang merupakan mekanisme yang jauh lebih kaku. Dalam istilah praktis, bagian berongga tertutup dapat memiliki konstanta torsi yang besarnya lebih tinggi daripada bagian terbuka dengan ukuran dan berat yang sebanding.

Hal ini penting secara langsung pada komponen struktur yang melihat beban puntir yang berarti: balok penopang jembatan melengkung, balok landasan derek yang terkena beban roda eksentrik, balok spandrel yang menopang beban lantai eksentrik di sepanjang keliling bangunan, dan setiap komponen struktur di mana beban tidak diterapkan secara merata melalui pusat geser. Menentukan bagian terbuka untuk aplikasi torsi-yang benar-benar kritis biasanya berarti menambahkan pengaku, diafragma, atau memperbesar ukuran komponen untuk mengkompensasi - biaya fabrikasi dan material ekstra yang sering kali dapat dihindari oleh bagian berongga hanya dengan geometri.

 

PROSES PENGEBORAN

PEMROSESAN BAGIAN HOLLOW

Pengolahan pipa baja bulat

Hal ini tidak berarti bahwa bagian berongga lebih unggul tanpa syarat, dan di sinilah muncul poin yang lebih berbeda dan jarang dibahas: perilaku tekuk lokal.

Kode desain - EN 1993-1-1 di Eropa, AISC 360 di AS - mengklasifikasikan bagian struktural (terbuka dan tertutup sama) berdasarkan rasio lebar-hingga-ketebalan atau diameter terhadap ketebalan masing-masing elemen pelat atau dinding, ke dalam kelas yang berkisar dari "kompak" (mampu mencapai kapasitas momen plastis penuh dan mempertahankan rotasi untuk desain plastis) hingga "ramping" (di mana tekuk lokal terjadi sebelum bagian tersebut mencapai hasil, dan kapasitas desain harus dikurangi).

Untuk bagian berongga, klasifikasi ini terkait langsung dengan rasio lebar-terhadap-ketebalan permukaan datar (untuk SHS/RHS) atau rasio diameter-terhadap-ketebalan (untuk CHS). CHS-berdinding tipis,-berdiameter besar, atau-RHS berdinding lebar dan tipis dapat masuk ke dalam klasifikasi ramping sama seperti bagian terbuka-berflensa tipis - profil tertutup tidak secara otomatis mengecualikan suatu bagian dari pemeriksaan tekuk lokal. Insinyur yang menentukan bagian berongga berdinding lebih besar dan lebih tipis untuk aplikasi arsitektural atau bentang panjang perlu memverifikasi klasifikasi bagian tersebut secara eksplisit daripada berasumsi bahwa "berongga" berarti "kompak". Ini adalah salah satu kekeliruan umum dalam penentuan ukuran awal, yang hanya diketahui saat pemeriksaan mendetail akhirnya dijalankan.

Salah satu keuntungan yang jarang dibahas dari bagian berongga muncul dalam teknik kebakaran, bukan gravitasi atau desain beban lateral.

Persyaratan proteksi kebakaran struktural sebagian besar ditentukan oleh "faktor penampang" - rasio keliling yang dipanaskan terhadap luas penampang (sering ditulis Hp/A). Bagian dengan rasio Hp/A yang lebih rendah memanas lebih lambat selama kebakaran, karena luas permukaan terbuka yang secara proporsional lebih sedikit mendorong panas ke dalam massa baja tertentu. Bagian terbuka seperti balok I-menampakkan luas permukaan pada kedua sisi badan dan kedua flensa, semuanya dipanaskan secara terpisah. Bagian berongga dengan kapasitas beban yang sebanding seringkali memiliki rasio Hp/A yang lebih rendah hanya karena geometrinya mengkonsentrasikan massa baja yang sama di belakang permukaan terbuka yang lebih padat dan kontinu.

Konsekuensi praktisnya adalah anggota bagian berongga terkadang dapat mencapai tingkat ketahanan api yang disyaratkan dengan lapisan intumescent yang lebih tipis atau bahan pelindung kebakaran yang lebih sedikit dibandingkan bagian terbuka yang memikul beban desain yang sama - penghematan biaya dan berat yang nyata yang jarang muncul dalam materi pemasaran umum karena memerlukan perhitungan khusus bagian untuk menunjukkannya, bukan klaim umum yang berlaku secara seragam di setiap ukuran dan aplikasi.

Ini adalah titik di mana bagian berongga kehilangan sebagian keuntungan yang diperoleh di tempat lain, dan hal ini memerlukan perhatian lebih dalam keputusan spesifikasi daripada biasanya.

Bagian terbuka menawarkan permukaan flensa dan badan yang datar dan mudah diakses sehingga membuat sambungan baut menjadi mudah - pelat sambungan dapat dibaut langsung ke flensa dengan jarak bebas standar dan detail standar. Bagian berongga, karena sifatnya yang tertutup, tidak menawarkan permukaan yang dapat diakses seperti untuk sambungan baut konvensional tanpa perangkat keras tambahan: baut tembus memerlukan akses ke bagian dalam tabung (seringkali tidak mungkin dilakukan setelah struktur dirakit), dan sambungan-baut yang dipasang di permukaan biasanya memerlukan pelat flensa, pelat penutup, atau sistem-baut buta yang dirancang khusus untuk bagian tertutup.

Sambungan las mempunyai kompleksitas tersendiri. Jika anggota bagian berongga bertemu pada simpul rangka - sambungan K, T, Y, atau X pada konstruksi gelagar kisi - sambungan tersebut bukan sekadar masalah mengelas dua tabung menjadi satu. Muka tali busur pada sambungan harus diperiksa terhadap adanya geseran tembus dan plastifikasi lokal di bawah beban terkonsentrasi dari bagian bresing yang masuk, mengikuti ketentuan desain seperti yang ada dalam EN 1993-1-8 Bagian 7 atau panduan desain CIDECT yang dikembangkan secara khusus untuk desain sambungan tubular. Pemeriksaan ini benar-benar lebih rumit daripada desain sambungan bagian terbuka standar, dan meremehkan kompleksitas ini pada tahap desain adalah salah satu sumber umum desain ulang tahap akhir pada proyek rangka tubular.

Semua hal ini tidak membuat sambungan bagian berongga menjadi tidak praktis - rangka tubular berhasil dibangun di seluruh dunia - namun hal ini berarti biaya fabrikasi dan desain sambungan harus dibandingkan dengan efisiensi material yang diperoleh dari bagian itu sendiri, daripada berasumsi bahwa bagian berongga adalah solusi langsung dalam setiap kasus.

Mengingat hal-hal di atas, ada baiknya untuk mengetahui secara langsung di mana balok atau saluran I-tetap menjadi pilihan yang lebih baik: komponen struktur lentur primer yang beban diterapkan terutama pada satu sumbu, dan sumbu tersebut diketahui dan ditetapkan oleh geometri struktur - balok lantai tipikal yang menopang pelat, misalnya, membengkok pada satu sumbu saja, dan material bagian I-, terkonsentrasi pada flensa yang jauh dari sumbu netral, lebih efisien dalam pembengkokan uniaksial murni dibandingkan material bagian berongga yang terdistribusi di sekeliling perimeter tertutup.

Bagian terbuka juga umumnya lebih murah untuk disambung, seperti dibahas di atas, dan lebih banyak tersedia dalam rentang ukuran gulungan standar yang lebih luas untuk komponen struktur yang sangat besar dan dalam dibandingkan bagian berongga biasanya. Untuk balok lantai lurus, bagian-I biasanya merupakan spesifikasi yang lebih ekonomis; untuk kolom yang terkena beban multi-arah, bagian penguat yang mengalami kompresi dan kemungkinan torsi, atau tali rangka pada rangka ruang, bagian berongga biasanya unggul dalam hal efisiensi material dan, dalam banyak kasus, kinerja kebakaran.

 

 

 

 

Pilihan antara bagian berongga dan terbuka bukanlah masalah superioritas suatu kategori - ini adalah masalah pencocokan geometri bagian dengan kasus beban aktual yang dialami anggota. Seorang insinyur struktural yang mempertimbangkan keputusan ini sebenarnya bertanya: apakah komponen ini melihat beban dari satu arah yang dapat diprediksi, atau dari berbagai arah dan mungkin torsi? Apakah klasifikasi tekuk lokal akan mengatur desain pada ketebalan dinding yang dipertimbangkan? Berapa sebenarnya biaya desain sambungan setelah pelat flensa, pelat penutup, atau pemeriksaan sambungan tabung diperhitungkan, dan bukan hanya harga per-ton baja itu sendiri?

Melakukan hal ini dengan benar pada tahap spesifikasi - daripada default ke kebiasaan atau jenis bagian apa pun yang kebetulan digunakan oleh proyek sebelumnya - adalah sumber penghematan material dan biaya nyata pada proyek baja struktural, dan ini merupakan keputusan yang patut ditinjau kembali pada setiap struktur baru daripada berasumsi bahwa pilihan bagian proyek sebelumnya masih berlaku.

Hubungi sekarang