Definição e papel estrutural
Uma coluna de caixa de aço é um membro-de seção fechada com um perfil oco quadrado ou retangular, normalmente fabricado pela soldagem de quatro placas de aço ao longo de suas bordas. A forma fechada e duplamente simétrica confere à coluna uma rigidez de flexão quase igual em torno de ambos os eixos principais e um elevado raio de giração para o seu peso, tornando-a um membro eficiente para colunas, pilares de pontes e suportes industriais pesados.
O membro transfere compressão axial, flexão e torção através da estrutura até as fundações. Como a seção é fechada, diafragmas internos podem ser ajustados nos pontos de introdução-de carga, e a cavidade pode servir como uma cavidade oculta para serviços ou ser preenchida com concreto para formar um membro-de tubo de aço preenchido com concreto (CFST).
Tipos comuns de colunas de caixa de aço
As colunas de caixa são classificadas principalmente pela geometria da seção-transversal. As três famílias comuns são colunas retangulares, quadradas e cônicas.
| Tipo | Forma e Comportamento | Uso típico |
|---|---|---|
| Coluna caixa retangular | Duas dimensões laterais desiguais; maior rigidez na direção do lado mais longo | Estruturas de edifícios, pilares de pontes e estruturas de plantas onde a rigidez é necessária principalmente em uma direção |
| Coluna de caixa quadrada | Dimensões laterais iguais; rigidez idêntica em todas as direções horizontais | Suportes arquitetônicos, núcleos e membros expostos em espaço de planta restrito |
| Coluna de caixa cônica | A seção-transversal reduz com a altura, seguindo o envelope do momento fletor | Coberturas, mastros e pórticos onde a carga diminui em direção ao topo |
Vantagens Estruturais do Trecho Fechado
Rigidez biaxial equilibrada
Como os momentos de inércia em torno dos dois eixos principais são quase iguais, a coluna não possui eixo fraco. Cargas que chegam de qualquer direção horizontal produzem comportamento semelhante de flexão e flambagem, o que simplifica o projeto de conexão em quadros de momento e melhora a resposta sob carregamento sísmico multi-direcional.
Rigidez torcional do tubo fechado
As quatro placas formam um tubo fechado que resiste à torção muito melhor do que uma seção aberta I- ou H-com o mesmo peso. Isto é importante sempre que cargas excêntricas, ações de guindaste ou momentos de torção sísmicos atuam sobre a barra.
Uso eficiente de material e baixo peso-próprio
O material é colocado no perímetro da seção, longe do centróide, o que maximiza o raio de giração para uma determinada quantidade de aço. O resultado é uma coluna mais leve com a mesma capacidade, reduzindo as cargas de fundação e simplificando o manuseio e a montagem.
Espaço para serviços e enchimento de concreto
A cavidade interna pode ser utilizada como passagem oculta de cabos, tubulações e dutos, ou preenchida com concreto estrutural para formar um pilar CFST com maior capacidade axial, maior rigidez e melhor resistência ao fogo, conforme previsto nas normas GB 50017, EN 1994-1-1 e AISC 360.
Métodos de Fabricação
Fabricação construída-soldada
O percurso padrão para pilares de caixa estrutural é cortar quatro placas, preparar as bordas, montar a caixa em um gabarito e soldar as quatro costuras longitudinais por soldagem automática por arco submerso (SAW). Diafragmas internos e reforços são instalados em zonas do painel, emendas e pontos de introdução-de carga, geralmente usando soldagem por eletroescória (ESW), onde o acesso é restrito. A execução segue AWS D1.1 ou EN 1090-2 com soldadores qualificados e procedimentos aprovados.
Conformação a frio e conformação a quente
A conformação a frio por prensagem é limitada a seções pequenas-de paredes finas usadas para membros arquitetônicos leves. A conformação a quente, na qual as placas são aquecidas antes da dobra, é adequada para seções grandes ou espessas onde a conformação a frio não é viável. A maioria das colunas-de caixa de suporte de carga para edifícios e pontes são membros construídos-soldados em vez de seções formadas.
Controle de qualidade durante a fabricação
O controle de qualidade inclui verificação da espessura da placa e certificados de materiais, verificações dimensionais de seção-transversal e retilineidade e testes não{1}}destrutivos de soldas, normalmente testes ultrassônicos (UT) 100% em soldas críticas de penetração total-com testes de partículas magnéticas (MT), quando necessário. A preparação da superfície segue a ISO 8501-1, geralmente até Sa 2.5, antes do revestimento conforme a ISO 12944 ou da galvanização por imersão a quente conforme a ISO 1461.
Lista de verificação de seleção e especificação
Defina as combinações de carga dominantes e a altura da coluna de acordo com GB 50017, AISC 360 ou EN 1993-1-1
Selecione o tamanho da seção e a espessura da placa para satisfazer os limites de resistência, estabilidade e deflexão
Escolha o tipo de aço que corresponda ao código vigente: ASTM A572 Grau 50 ou 60, EN 10025-2 S355JR/J0/J2 ou GB/T 1591 Q355B/C/D/E
Especifique o layout do diafragma e do reforço nas zonas do painel, emendas e pontos de introdução-de carga
Indique o padrão de soldagem (AWS D1.1 ou EN 1090-2) e os requisitos de END, por exemplo, 100% UT em soldas críticas
Definir preparação de superfície de acordo com ISO 8501-1 Sa 2.5 e revestimento de acordo com ISO 12944 ou galvanização por imersão a quente de acordo com ISO 1461
Confirme o tipo de emenda, método de montagem e se a cavidade será preenchida com concreto
Perguntas frequentes
Qual é a diferença entre uma coluna em caixa e uma coluna sólida?a coluna da caixa é oca, com material concentrado no perímetro. Para o mesmo peso proporciona melhor resistência à flexão e torção e um maior raio de giração do que uma seção sólida, utilizando menos material.
As colunas em caixa são adequadas para zonas sísmicas?Sim. A rigidez biaxial equilibrada e a distribuição uniforme de tensões tornam as colunas em caixa adequadas para sistemas estruturais-resistentes a terremotos, projetados de acordo com as disposições aplicáveis de códigos como GB 50017, AISC 341 e EN 1998-1.
As colunas da caixa podem ser personalizadas?Sim. O tamanho da seção, a espessura da placa, o tipo de aço, o espaçamento do diafragma e o tratamento de superfície podem ser ajustados aos requisitos do projeto, o que é um dos motivos pelos quais colunas de caixa construída-soldadas são comuns em estruturas sob medida.
As colunas em caixa são resistentes à corrosão?O aço em si não é à prova de corrosão-, mas as colunas em caixa proporcionam longa vida útil quando fabricadas com classes apropriadas e protegidas com sistemas de revestimento adequados de acordo com a ISO 12944 ou galvanização-por imersão a quente de acordo com a ISO 1461.
Uma coluna em caixa pode ser preenchida com concreto?Sim. As colunas-de tubo de aço preenchido com concreto (CFST) combinam a casca de aço com um núcleo de concreto para maior capacidade axial, maior rigidez e melhor desempenho ao fogo, e são projetadas de acordo com GB 50017, EN 1994-1-1 ou AISC 360 Capítulo I.
Quando é preferível uma coluna de caixa cônica?As seções cônicas seguem o envelope do momento fletor e economizam material onde as cargas diminuem com a altura, como mastros, coberturas e estruturas de portais. Eles acrescentam complexidade de fabricação, portanto a economia deve ser avaliada em relação ao custo extra.