Definizione e ruolo strutturale
Una colonna scatolare in acciaio è un elemento a sezione-chiusa con un profilo cavo quadrato o rettangolare, normalmente fabbricato saldando quattro piastre di acciaio lungo i bordi. La forma chiusa e doppiamente simmetrica conferisce alla colonna una rigidità alla flessione quasi uguale attorno a entrambi gli assi principali e un elevato raggio di rotazione per il suo peso, rendendola un elemento efficiente per colonne, pilastri di ponti e supporti industriali pesanti.
L'elemento trasferisce la compressione assiale, la flessione e la torsione attraverso la struttura alle fondazioni. Poiché la sezione è chiusa, è possibile montare diaframmi interni nei punti-di introduzione del carico e la cavità può fungere da inseguimento nascosto per i servizi o essere riempita di cemento per formare un elemento -tubo d'acciaio riempito di cemento (CFST).
Tipi comuni di colonne scatolari in acciaio
Le colonne scatolari sono classificate principalmente in base alla-geometria della sezione trasversale. Le tre famiglie comuni sono colonne scatolari rettangolari, quadrate e rastremate.
| Tipo | Forma e comportamento | Uso tipico |
|---|---|---|
| Colonna scatola rettangolare | Due dimensioni laterali disuguali; maggiore rigidità nella direzione del lato più lungo | Telai di edifici, pilastri di ponti e strutture di impianti dove è richiesta rigidità principalmente in una direzione |
| Colonna a scatola quadrata | Dimensioni laterali uguali; rigidezza identica in tutte le direzioni orizzontali | Supporti architettonici, nuclei e membri esposti in uno spazio ristretto in pianta |
| Colonna scatolare rastremata | La sezione trasversale-si riduce con l'altezza, seguendo l'inviluppo del momento flettente | Pensiline, montanti e telai a portale dove il carico diminuisce verso l'alto |
Vantaggi strutturali della sezione chiusa
Rigidità biassiale bilanciata
Poiché i momenti di inerzia attorno ai due assi principali sono quasi uguali, la colonna non ha assi deboli. I carichi provenienti da qualsiasi direzione orizzontale producono un comportamento simile alla flessione e all'instabilità, il che semplifica la progettazione della connessione nei telai momento e migliora la risposta sotto carico sismico multi-direzionale.
Rigidità torsionale del tubo chiuso
Le quattro piastre formano un tubo chiuso che resiste alla torsione molto meglio di una sezione aperta ad I- o ad H- dello stesso peso. Ciò è importante ovunque sull'elemento agiscano carichi eccentrici, azioni della gru o momenti torcenti sismici.
Utilizzo efficiente dei materiali e peso proprio-ridotto
Il materiale è posizionato sul perimetro della sezione, lontano dal baricentro, il che massimizza il raggio di rotazione per una data quantità di acciaio. Il risultato è una colonna più leggera a parità di capacità, che riduce i carichi sulla fondazione e semplifica la movimentazione e il montaggio.
Spazio per servizi e riempimento di cemento
La cavità interna può essere utilizzata come percorso nascosto per cavi, tubazioni e condotte, oppure riempita con calcestruzzo strutturale per formare una colonna CFST con maggiore capacità assiale, maggiore rigidità e migliore resistenza al fuoco, come previsto da GB 50017, EN 1994-1-1 e AISC 360.
Metodi di fabbricazione
Fabbricazione-assemblata saldata
Il percorso standard per i pilastri scatolari strutturali consiste nel tagliare quattro piastre, preparare i bordi, assemblare la scatola su una maschera e saldare le quattro giunzioni longitudinali mediante saldatura automatica ad arco sommerso (SAW). I diaframmi interni e gli irrigidimenti vengono installati nelle zone dei pannelli, nelle giunzioni e nei punti di introduzione del carico-, spesso utilizzando la saldatura elettroslag (ESW) dove l'accesso è limitato. L'esecuzione segue AWS D1.1 o EN 1090-2 con saldatori qualificati e procedure approvate.
Formatura a freddo e formatura a caldo
La formatura a freddo mediante pressa piegatrice è limitata a sezioni piccole e sottili-a parete utilizzate per elementi architettonici leggeri. La formatura a caldo, in cui le piastre vengono riscaldate prima della piegatura, è adatta a sezioni grandi o spesse dove la formatura a freddo non è fattibile. La maggior parte delle-colonne scatolari portanti per edifici e ponti sono costituite da elementi saldati-e non da sezioni formate.
Controllo qualità durante la fabbricazione
Il controllo di qualità include la verifica dello spessore della lamiera e dei certificati dei materiali, controlli dimensionali della sezione trasversale-e della rettilineità e test non-distruttivi delle saldature, in genere test a ultrasuoni (UT) al 100% su saldature critiche a penetrazione completa-con test con particelle magnetiche (MT) ove richiesto. La preparazione della superficie segue la norma ISO 8501-1, solitamente Sa 2.5, prima del rivestimento secondo la norma ISO 12944 o della zincatura a caldo secondo la norma ISO 1461.
Lista di controllo per la selezione e le specifiche
Definire le combinazioni di carico applicabili e l'altezza della colonna secondo GB 50017, AISC 360 o EN 1993-1-1
Selezionare la dimensione della sezione e lo spessore della piastra per soddisfare i limiti di resistenza, stabilità e deflessione
Scegli il grado di acciaio che corrisponde al codice applicabile: ASTM A572 Grado 50 o 60, EN 10025-2 S355JR/J0/J2 o GB/T 1591 Q355B/C/D/E
Specifica la disposizione del diaframma e dell'irrigidimento nelle zone dei pannelli, nelle giunzioni e nei punti-di introduzione del carico
Dichiarare lo standard di saldatura (AWS D1.1 o EN 1090-2) e i requisiti NDT, ad esempio 100% UT su saldature critiche
Definire la preparazione della superficie secondo ISO 8501-1 Sa 2.5 e rivestimento secondo ISO 12944 o zincatura a caldo secondo ISO 1461
Confermare il tipo di giunzione, il metodo di costruzione e se la cavità sarà riempita di cemento
Domande frequenti
Qual è la differenza tra una colonna scatolare e una colonna solida?la colonna della scatola è cava, con materiale concentrato sul perimetro. A parità di peso offre una migliore resistenza alla flessione e alla torsione e un raggio di rotazione più elevato rispetto a una sezione solida, utilizzando meno materiale.
Le colonne scatolari sono adatte per le zone sismiche?SÌ. La rigidità biassiale bilanciata e la distribuzione uniforme delle sollecitazioni rendono le colonne scatolari particolarmente adatte ai sistemi strutturali sismico-resistenti, progettati secondo le disposizioni applicabili di codici come GB 50017, AISC 341 ed EN 1998-1.
È possibile personalizzare le colonne box?SÌ. Le dimensioni della sezione, lo spessore della piastra, il tipo di acciaio, la spaziatura dei diaframmi e il trattamento superficiale possono essere adattati ai requisiti del progetto, motivo per cui le colonne scatolari saldate-sono comuni nelle strutture su misura.
Le colonne box sono resistenti alla corrosione?L'acciaio in sé non è resistente alla corrosione-, ma le colonne scatolari garantiscono una lunga durata se prodotte con gradi appropriati e protette con sistemi di rivestimento adeguati secondo ISO 12944 o zincatura a caldo-secondo ISO 1461.
È possibile riempire una colonna scatolare con cemento?SÌ. Le colonne in tubi di acciaio riempiti di cemento- (CFST) combinano il guscio di acciaio con un nucleo di cemento per una maggiore capacità assiale, maggiore rigidità e migliori prestazioni antincendio e sono progettate secondo GB 50017, EN 1994-1-1 o AISC 360 Capitolo I.
Quando è preferibile una colonna scatolare rastremata?Le sezioni rastremate seguono l'inviluppo del momento flettente e risparmiano materiale laddove i carichi diminuiscono con l'altezza, come pali, tettoie e telai di portali. Aggiungono complessità di fabbricazione, quindi il risparmio dovrebbe essere valutato rispetto al costo aggiuntivo.