Què és una viga de caixa d'acer?
Una biga de caixa d'acer és un element buit tancat, rectangular o trapezoïdal fabricat a partir de plaques d'acer soldades. La seva-secció transversal consisteix en una brida superior, una brida inferior i dues bandes verticals o inclinades, formant una cel·la tancada. A l'interior de la caixa, els reforços longitudinals (costelles U-tancades o costelles de plaques planes) i els diafragmes transversals controlen el pancament local de les plaques primes i mantenen la geometria-de secció transversal estable sota càrrega.
La secció tancada ofereix a una biga de caixa d'acer tres avantatges estructurals respecte a les bigues I-obertes:
Rigidesa torsional.Sota càrregues vives excèntriques, el flux de cisalla es desenvolupa al voltant del perímetre tancat complet, donant a St. Venant una rigidesa torsional molt més alta i una distorsió menor que una secció oberta de pes similar.
Relació força{0}}a-pes.Una biga de caixa d'acer és significativament més lleugera que una biga de caixa de formigó pretensat de la mateixa llum, la qual cosa redueix la càrrega morta que ha de suportar la subestructura i redueix la demanda de fonamentació i sísmica.
Rendiment aerodinàmic.El perfil pla i aerodinàmic redueix l'arrossegament i ajuda a augmentar la velocitat crítica del vent per a l'aleteig en comparació amb les bigues d'armadura, que és important per a les regions costaneres i propenses a tifons-.
Aquestes propietats fan que la biga de caixa d'acer sigui l'opció estàndard en dues funcions: com a biga de càrrega primària-portant de ponts de biga-i com a bigueta de reforç de ponts-suportats per cable (cable-tirant i suspensió).
Intervals per sistema estructural
La classificació d'envergadura d'una biga de caixa d'acer es basa en el sistema estructural en què treballa la biga, no en un sol valor de longitud. La mateixa secció de caixa pot aparèixer en un tram de viaducte curt o en un pont de més d'un quilòmetre; la diferència rau en com es transporten les càrregues.
Sistemes de bigues i encavallades (-autoportants)
En aquest sistema, la biga caixó abasta directament entre suports i depèn de la seva pròpia capacitat de flexió i cisalla; no hi ha cables ni torres que proporcionin camins de càrrega suplementaris.
| Interval d'abast | Aplicació típica | Configuració de bigues de caixa |
|---|---|---|
| Uns 50-100 m | Viaductes urbans, passos superiors corbats | Caixa-de cel·la única-de profunditat constant |
| Uns 100-250 m | Creues de rius, ponts d'autopistes | Caixa de cel·la-variable,- o doble- |
| Uns 250-350 m | Principals canals de navegació | Biga híbrida de formigó-acer-de profunditat variable (envergadura mitjana d'acer amb llums laterals de formigó) |
| Més enllà d'uns 350 m | Zona límit econòmica per a-bigues autoportants | Normalment es requereix un sistema híbrid o amb cable-; necessita una justificació-específica del lloc |
Sistemes-suportats per cable (biga de reforç)
En els ponts-tirants i penjants, els cables suporten les càrregues verticals primàries, mentre que la biga de caixa proporciona rigidesa torsional, estabilitat aerodinàmica i la plataforma de coberta.
| Interval d'abast | Tipus de pont | Paper de la biga de caixa d'acer |
|---|---|---|
| Uns 400-1.200 m | Pont-atirantat | Biga de rigidesa: resisteix la compressió axial dels tirants i la flexió sota càrrega viva |
| Aproximadament 1.000-2,000+ m | Pont penjant | Biga de rigidesa: proporciona rigidesa torsional i estabilitat aerodinàmica |
Alguns exemples-ben documentats inclouen el pont de Sutong a la Xina (atirantat-, vano principal 1.088 m, biga de reforç de caixa d'acer) i el pont de Canakkale de 1915 a Turquia (suspensió, llum principal de 2.023 m, biga de caixa d'acer doble). No hi ha un límit superior teòric fix per al sistema admès per cable-; s'aconsegueixen traves més llargues mitjançant perfils aerodinàmics optimitzats i la concordança del sistema de cables.
Factors que limiten l'envergadura de les bigues de la caixa d'acer
Pes propi i cicle del moment flector
El moment de flexió del pes-propi augmenta aproximadament amb el quadrat de l'envergadura. Les seccions més grans necessàries per resistir el moment afegeixen pes mort, creant un cicle que fa que totes les-bigues d'acer siguin antieconòmiques més enllà d'uns pocs centenars de metres; les bigues compostes (acer-formigó) estenen una mica l'embolcall econòmic i, més enllà d'això, un sistema suportat per cable-acostuma a ser més eficient.
Límits de deflexió i rigidesa
La-desviació mitjana de la càrrega viva creix ràpidament amb l'abast. Com que el mòdul elàstic de l'acer és fix, les llargues llums autoportants requereixen bigues molt profundes per complir els límits de deflexió imposats pel codi regulador (per als ponts d'autopistes normalment entre L/500 i L/600, i més estrictes per als ponts ferroviaris), la qual cosa augmenta el material, l'exposició al vent i la dificultat de muntatge.
Pandeig local de plaques primes
Els trams més llargs augmenten la tensió de compressió a les brides i les xarxes, la qual cosa pot provocar un pandeig local de plaques primes. Els reforços longitudinals i els diafragmes transversals solucionen el problema de pandeig, però afegeixen soldadura, tensió residual i cost de fabricació, i l'augment del contingut de soldadura s'ha de tenir en compte en el disseny de fatiga.
Efecte Shear Lag
A les bigues de caixa amples i llargues{0}}, les càrregues verticals provoquen deformacions per cisalla a les brides amples. La tensió es concentra a prop de les xarxes i el material de la brida remota està infrautilitzat, de manera que l'amplada efectiva de la brida es redueix a mesura que l'envergadura creix, reduint l'eficiència del coixinet de la secció.
Estabilitat aerodinàmica del vent
Les bigues profundes necessàries per a la rigidesa de llarg-envergadura augmenten l'àrea de contacte del vent i intensifiquen els riscos de vibració i vibració induïts pel vòrtex-. Sovint, l'estabilitat del vent es converteix en la limitació de control de les zones costaneres i de tifons, i requereixen estudis de túnels de vent i detalls aerodinàmics, com ara seccions de caixa bessones-alineades o ranurades.
Biga de caixa d'acer enfront d'altres tipus de pont
| Item | Biga de caixa d'acer | Biga de caixa de formigó pretensat | Pont-atirantat | Pont penjant |
|---|---|---|---|---|
| Interval típic de competició | 100-350 m (autoportant) | Fins a uns 300 m | 250-1,200 m | 1,000-2,000+ m |
| Pes propi-biga | Baixa | Alt (aproximadament 2-3 vegades l'acer) | De baix a moderat | De baix a moderat |
| Rigidesa torsional | Molt alt (secció tancada) | Alt | Alt (biga de reforç de caixa) | Alt (biga de reforç de caixa) |
| Rendiment aerodinàmic | Excel·lent (perfil simplificat) | Moderat | Bé | Excel·lent (opció de-caixa doble) |
| Velocitat de construcció | Ràpid (fabricació de segments de fàbrica) | Lenta (-encofrat i fosa al lloc) | Moderat | Llarg (muntatge de la torre i el cable) |
| Demanda de manteniment | Superior (revestiment i inspecció de soldadura) | Menor manteniment rutinari | Superior (cables, torres, ancoratges) | Més alt (cables principals, ancoratges) |
Estàndards i materials de disseny
Les bigues de caixa d'acer per als ponts es dissenyen i es fabriquen segons el codi aplicable a la jurisdicció del projecte:
Qualitats d'acer:Acers de pont xinesos Q345q i Q370q a GB/T 714; Graus europeus S355J2 i S355NL a EN 10025; Grau dels EUA ASTM A709 Grau 50/50W. Es poden especificar acers de pont per a la meteorització per a projectes costaners per estendre els cicles de manteniment del recobriment.
Codis de disseny:JTG D64 per a ponts d'acer de carreteres xineses; EN 1993-2 per a ponts d'acer europeus; Especificacions de disseny del pont AASHTO LRFD per a projectes dels EUA.
Fabricació i soldadura:Classes d'execució EN 1090-2 o AWS D1.5 per a la soldadura de ponts, amb acceptació NDT d'acord amb l'especificació del projecte.
Protecció contra la corrosió:neteja per granalla a Sa 2,5 segons ISO 8501-1 i sistemes de recobriment seleccionats segons les categories de corrosivitat ISO 12944.
Llista de verificació de selecció per a compradors
Definiu el sistema estructural (-biga/armadura autoportant o biga de rigidesa suportada per cable-) abans de parlar de l'envergadura.
Definiu el codi de disseny rector i el model de càrrega (p. ex., AASHTO HL-93, models de càrrega Eurocode o el codi nacional del país del projecte).
Especifiqueu l'amplada de la coberta, el nombre de cel·les i si cal una coberta d'acer ortotròpica.
Proporcioneu el grau d'acer i els requisits d'impacte (Charpy) per a la temperatura de servei.
Indiqueu l'entorn de corrosió i el sistema de recobriment requerit (categoria ISO 12944).
Definir els límits de longitud del segment en funció dels equips de transport i d'elevació, i el mètode d'erecció (aixecament de grua, llançament o muntatge en voladís).
Acordeu la documentació de control de qualitat: certificats de materials, informes d'inspecció de soldadura, informes dimensionals i informes de pre-muntatge de botiga.
Sol·liciteu un pressupost de fabricació de bigues d'acer
PMF
Quina és la llum màxima d'una biga de caixa d'acer?
No hi ha un màxim únic. Les bigues de caixa d'acer autoportants són econòmiques fins a uns 300-350 m. Com a bigues de reforç de ponts atirantats i penjants, s'han construït bigues de caixa d'acer en vans principals de més de 1.000 m; el pont penjant de Canakkale de 1915 a Turquia, amb una llum principal de 2.023 m, utilitza una bigueta de reforç de caixa d'acer.
Per què una biga de caixa d'acer és més lleugera que una de formigó?
L'acer estructural té una relació de resistència{0}}a-molt més alta que el formigó armat, de manera que una biga de caixa d'acer de la mateixa llum i capacitat pesa una fracció d'una biga de formigó equivalent. Un pes mort més baix redueix les càrregues als molls, els fonaments i, als ponts-suportats per cables, als pilons i als cables.
Quin límit de deflexió s'aplica a les bigues de caixa d'acer?
Els límits de deflexió els estableix el codi de govern i depenen del tipus de pont. Les bigues de caixes d'acer d'autopistes estan dissenyades habitualment per viure-límits de deflexió de càrrega al voltant de L/500 a L/600, mentre que els ponts del ferrocarril apliquen límits més estrictes. El valor exacte s'ha de prendre del codi del projecte, no assumir.
Quan he de triar una biga híbrida d'acer-formigó en lloc d'una biga totalment-d'acer?
Les bigues híbrides, amb una envergadura mitjana d'acer i vans laterals de formigó, són habituals a la banda de 250-350 m dels ponts d'estructura rígida-continua. Combinen l'envergadura mitjana lleugera de l'acer amb la rigidesa i l'economia dels vans laterals de formigó, i són competitius on totes les-bigues d'acer es tornen poc econòmiques, però no es requereix un sistema suportat per cable.
Per què es prefereixen les bigues de caixa d'acer per a traves llargues?
Tres propietats són més importants: la secció tancada dóna una rigidesa torsional excepcional; el perfil aerodinàmic millora l'estabilitat aerodinàmica i augmenta la velocitat crítica del vent de flutter{0}}; i l'alta relació de resistència-a-pess permet que la biga resisteixi grans moments de flexió amb menys material que les bigues de placa oberta.
Es poden fabricar bigues de caixa corbes i-de profunditat variable?
Sí. Les bigues de caixa amb alineació corba, eixamplament i profunditat variable es fabriquen habitualment en segments amb tall CNC i soldadura per arc robòtic o submergit, i després es munten a prova-a la botiga abans de l'enviament. La geometria final ha de seguir els plànols de taller aprovats derivats del disseny del pont.