Qual é a capacidade de carga da coluna de tubo de aço?
A capacidade de carga de uma coluna de tubo de aço, também conhecida como coluna de seção oca circular (CHS), é a força axial máxima que o membro pode suportar antes que ocorra falha do material ou instabilidade estrutural. Para a maioria das aplicações em edifícios, a compressão axial governada pela estabilidade é o estado limite crítico do projeto.
Na engenharia estrutural, a capacidade do pilar é avaliada em três estados principais:
Resistência à compressão axial:a coluna suporta apenas compressão vertical. Como um tubo redondo tem o mesmo raio de giração em todas as direções e rigidez de flexão uniforme, ele é a seção transversal-mais eficiente para compressão axial.
Interação de coluna-de feixe:a coluna suporta tanto a força axial quanto o momento fletor, por exemplo, sob vento horizontal ou forças sísmicas ou carregamento excêntrico. Equações combinadas de interação de tensões são então usadas.
Resistência ao cisalhamento:a capacidade de resistir a forças de cisalhamento laterais, como impulso do vento ou ação sísmica.
Principais fatores que influenciam a capacidade da coluna CHS
| Fator | Impacto Estrutural | Referência de código e parâmetro principal |
|---|---|---|
| Classe de aço | Define o limite de escoamento; graus mais altos, como S355 (EN 10025-2) ou A500 Grau C (ASTM), permitem cargas mais altas em colunas curtas | AISC 360, EN 1993-1-1; Fy=limite de rendimento mínimo especificado |
| Proporção de esbeltez | A relação entre o comprimento efetivo e o raio de giração; à medida que aumenta, o fator de redução de flambagem diminui | lambda=KL/r; Tensão de flambagem elástica de Euler Fe=pi ao quadrado E / lambda ao quadrado |
| Condições limite | A fixidez final (fixada, fixa, cantilever) controla o fator de comprimento efetivo K, de 0,5 para fixo-fixo a 2,0 para um cantilever | Tabelas de fator K em AISC 360 e EN 1993-1-1 |
| Flambagem local (relação D/t) | Tubulações-de paredes finas podem empenar localmente antes da flambagem por flexão global | EN 1993-1-1 classifica CHS por D/t; AISC 360 Seção B4 define limites de compactação |
Como calcular a capacidade de carga da coluna de tubo de aço
A verificação segue um procedimento de vários-estágios. De acordo com AISC 360-16 e EN 1993-1-1, os seguintes passos são padrão para um pilar sob compressão axial:
Passo 1: Calcular Propriedades da Seção
Para uma seção oca circular com diâmetro externo D e espessura de parede t:
Área: A=pi/4 multiplicado por (D ao quadrado menos d ao quadrado), onde d=D menos 2t
Momento de inércia: I=pi/64 multiplicado por (D elevado à quarta potência menos d elevado à quarta potência)
Raio de giração: r=raiz quadrada de (I/A)
Etapa 2: determinar o comprimento efetivo e a esbelteza
Calcule a relação de esbeltez a partir do comprimento não suportado L e do fator de comprimento efetivo K: lambda=KL/r.
Etapa 3: aplicar a resistência à flambagem
Para pilares esbeltos, a carga de flambagem elástica de Euler é Ncr=pi ao quadrado EI / (KL) ao quadrado. Na prática, os códigos de projeto reduzem a resistência nominal com um fator de flambagem baseado nas imperfeições iniciais e nas tensões residuais. EN 1993-1-1 utiliza curvas de encurvadura com fator de redução chi; AISC 360-16 utiliza as equações de flambagem inelástica e elástica dependendo da esbeltez relativa a 4,71 vezes a raiz quadrada de (E/Fy).
Exemplo resolvido (AISC 360-16, apenas para referência)
Dado:ASTM A500 Grau C redondo HSS, Fy=315 MPa (46 ksi nominal), E=200.000 MPa; DE=273 mm; espessura da parede=10 mm; comprimento=4.000 mm, fixado em ambas as extremidades (K=1.0).
Propriedades da seção: A=8,262 mm quadrado; r=93.1 milímetros
Esbeltez: lambda=(1,0 x 4.000) / 93.1=43.0
Tensão de flambagem elástica: Fe=pi ao quadrado E / lambda ao quadrado=1,069,8 MPa
Como 43,0 é menor que 4,71 x raiz quadrada de (200.000/315)=118.7, a equação de flambagem inelástica se aplica: Fcr=0.658 elevado a (Fy/Fe) multiplicado por Fy=278.5 MPa
Capacidade nominal: Pn=Fcr x A=278.5 x 8,262=2,300,8 kN
Resistência do projeto LRFD: phi cx Pn=0.9 x 2,300.8=2,070,7 kN
Capacidade permitida do ASD: Pn / Omega c=2,300,8 / 1.67=1,377,7 kN
Nota: Pn é a resistência nominal teórica sem fatores de segurança. O dimensionamento final deve ser verificado por engenheiros estruturais licenciados usando o código de construção aplicável, os certificados reais da fábrica de materiais e as condições reais de carga do projeto.
Guia de seleção para colunas de tubos de aço
A seleção da seção oca circular ideal requer o equilíbrio das cargas calculadas com as restrições do local e de fabricação:
Defina condições de contorno e comprimento efetivo:confirme o tipo de conexão em ambas as extremidades, pois controla diretamente a resistência à flambagem por flexão global.
Otimize a relação D/t:para colunas curtas fortemente carregadas, use paredes mais espessas (D/t mais baixo) e classes de aço mais altas para utilizar a resistência ao escoamento; para membros delgados, aumentar o diâmetro externo é a maneira mais eficiente de aumentar o raio de giração e resistir à flambagem.
Verifique a conformidade do código e as tolerâncias de fabricação:projetar de acordo com o código do projeto, por exemplo AISC 360, Eurocódigo 3 ou AS 4100, e adquirir de fabricantes com controle de qualidade que mantém imperfeições geométricas e tensões residuais dentro dos limites-permitidos pelo código.
Como fabricante, fornecemos colunas de tubos em classes de material de Q235B a Q420 e S235 a S355 (EN 10025), bem como ASTM A36 e A572 grau 50/60, com diâmetros externos de 114 mm a 3.000 mm e superiores, espessuras de parede de 4 mm a 120 mm, comprimentos de-seção única de 3 m a 15 m, soldagem SAW ou GMAW, jateamento Sa 2.5 com primer rico em epóxi zinco-ou galvanização-por imersão a quente e END conforme especificação do projeto. Estas são as nossas capacidades de produção; todas as dimensões e notas finais seguem o desenho do projeto.
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Perguntas frequentes
Como aumentar a capacidade de carga de uma coluna de tubos de aço existente?
Os métodos de reforço comuns incluem encher o tubo com concreto (tubo de aço preenchido com concreto-, CFST), soldar reforços ou seções adicionais para aumentar a seção-transversal e reduzir o comprimento efetivo adicionando contraventamento lateral ou vigas transversais.
Como o enchimento de concreto afeta a capacidade de carga?
Os tubos de aço-preenchidos com concreto aumentam significativamente a capacidade axial por meio da ação composta: o tubo de aço confina o concreto e aumenta sua resistência à compressão, enquanto o núcleo de concreto evita a flambagem interna da casca de aço. Este comportamento é abordado no AISC 360 Capítulo I e na EN 1994-1-1 (Eurocódigo 4).
A fórmula de Euler pode ser usada para todas as colunas?
Não. A fórmula de Euler descreve a flambagem elástica de colunas muito delgadas. Para colunas intermediárias e curtas, o escoamento do material e os efeitos inelásticos devem ser considerados usando as equações de projeto do código aplicável.
Qual é a relação D/t máxima para flambagem local?
De acordo com a EN 1993-1-1, as seções ocas circulares são classificadas com épsilon=raiz quadrada de (235/Fy): seções compactas de classe 1 e classe 2 requerem D/t menor ou igual a 50 épsilon; A classe 3 requer D/t menor ou igual a 70 épsilon; acima de 70 épsilon a seção é de Classe 4 e uma seção transversal efetiva deve ser usada para considerar a encurvadura local.
O carregamento excêntrico reduz a capacidade de carga?
Sim, significativamente. A carga excêntrica introduz um momento fletor adicional, e a força axial e o momento combinados são verificados com equações de interação. Isto normalmente requer uma redução na carga axial máxima permitida.
Qual é a diferença entre capacidade nominal, de projeto e permitida?
A capacidade nominal (Pn) é a resistência teórica sem fatores de segurança. A resistência do projeto LRFD aplica o fator de resistência (phi c=0.9 para compressão), enquanto a capacidade permitida do ASD se divide pelo fator de segurança (Omega c=1.67). Os documentos de design devem indicar claramente qual formato está sendo usado.