Který profil trubky je pevnější v ohybu?
Správný výpočet zatížení profilového potrubí je důležitou fází při navrhování spolehlivých a bezpečných konstrukcí. Tento článek vám poskytl komplexní informace o typech zatížení, způsobech jejich výpočtu, doplňkové informace a regulační rámec nezbytný pro kvalifikovaný výběr profilových trubek. Pokud jsou vyžadovány složité technické výpočty, doporučuje se kontaktovat kvalifikované odborníky.
Profilové trubky jsou běžným typem válcovaného kovu používaného v různých oblastech, od stavebnictví a strojírenství až po výrobu nábytku. Bezpečnost, spolehlivost a trvanlivost konstrukce závisí na správném výpočtu zatížení profilové trubky.
Podívejme se na hlavní typy zatížení, způsoby jejich výpočtu a také poskytněte rozšířené tabulky, příklady výpočtů a další informace potřebné pro profesionální návrh a výběr profilové trubky na základě zatížení na ní.
Určení typu a parametrů zatížení
Typ zatížení:
- Statický: stálé zatížení, které se v čase nemění (hmotnost konstrukce, tlak zeminy).
- Dynamický: zatížení, které se v čase mění (zatížení větrem, zatížení sněhem, vibrace).
- Poklep: krátkodobé zatížení velkého rozsahu (náraz, padající předmět).
Směr zatížení:
- Axiální: působí podél osy potrubí (tlak, tah).
- Mimo osu: působí pod úhlem k ose potrubí (ohýbání, kroucení).
Operační podmínky:
- Teplota: ovlivňuje pevnost oceli.
- Vlhkost: může vést ke korozi.
- Agresivní prostředí: Některé látky mohou zničit ocel.
Výpočet zatížení
Statické zatížení
- Eulerův vzorec (pro kompresi): P = π²EI / L²
- Zhuravského vzorec (pro kompresi mimo osu): P = nπ²EI / (L² + (πd / 2)²n²)
- Kde:
- P – přípustné zatížení (N)
- E – modul pružnosti oceli (200 GPa)
- I – moment setrvačnosti části potrubí (m⁴)
- L – délka trubky (m)
- d – průměr trubky (m)
- n – koeficient zohledňující mimoosové zatížení
Dynamické zatížení
- Hertzův vzorec (pro rázové zatížení): P = Gh / (1.67δ)
- Ritzův vzorec (pro cyklické zatížení): P = σ_add * F / n
- Kde:
- P – přípustné zatížení (N)
- G – smykový modul oceli (80 GPa)
- h – výška pádu (m)
- δ – průhyb potrubí (m)
- σ_add – dovolené napětí (N/m²)
- F – plocha průřezu potrubí (m²)
- n – faktor cykličnosti zatížení
Šokové zatížení
- Maxwellův vzorec: P = mv2 / XNUMX
- Karmanův vzorec: P = αmv² / (2δl)
- Kde:
- P – přípustné zatížení (N)
- m – hmotnost padajícího předmětu (kg)
- v – rychlost pádu (m/s)
- δ – průhyb potrubí (m)
- α – koeficient zohledňující tvar padajícího předmětu
- l – délka potrubí (m)
Tabulka přípustných zatížení profilových trubek (ocel)
- Údaje v tabulce jsou uvedeny pro statické zatížení při centrální kompresi.
- Pro ostatní typy zatížení (ohyb, mimoosé stlačení, rázové zatížení) a provozní podmínky (teplota, vlhkost, agresivní prostředí) je nutné provést samostatný výpočet.
- Pro přesný výběr profilové trubky se doporučuje použít specializované programy a poradit se s inženýry.
| velikost trubky (mm) | Tloušťka stěny (mm) | Oblast průřez (cm²) | Moment setrvačnosti (cm⁴) | Přípustné zatížení (t) |
|---|---|---|---|---|
| 20 × 20 | 1.5 | 2.8 | 2.33 | 4.1 |
| 20 × 20 | 2.0 | 3.6 | 4.67 | 8.2 |
| 25 × 25 | 1.5 | 4.37 | 5.67 | 9.9 |
| 25 × 25 | 2.0 | 5.84 | 9.33 | 16.5 |
| 30 × 30 | 1.5 | 6.75 | 11.67 | 20.5 |
| 30 × 30 | 2.0 | 9.0 | 18.67 | 33.1 |
| 40 × 20 | 1.5 | 6.0 | 8.0 | 14.1 |
| 40 × 20 | 2.0 | 8.0 | 16.0 | 28.2 |
| 40 × 40 | 1.5 | 9.6 | 25.33 | 44.6 |
| 40 × 40 | 2.0 | 12.8 | 41.33 | 72.9 |
| 50 × 50 | 1.5 | 15.62 | 51.67 | 91.2 |
| 50 × 50 | 2.0 | 19.62 | 83.33 | 146.6 |
| 60 × 60 | 1.5 | 22.5 | 75.0 | 132.5 |
| 60 × 60 | 2.0 | 28.8 | 120.0 | 211.2 |
| 80 × 40 | 1.5 | 24.0 | 64.0 | 113.6 |
| 80 × 40 | 2.0 | 32.0 | 128.0 | 227.2 |
| 80 × 80 | 1.5 | 38.4 | 153.33 | 271.7 |
| 80 × 80 | 2.0 | 48.0 | 240.0 | 422.4 |
| 100 × 100 | 1.5 | 60.0 | 250.0 | 441.0 |
| 100 × 100 | 2.0 | 80.0 | 400.0 | 710.4 |
V tabulce jsou uvedeny nejoblíbenější velikosti profilových trubek.
Profilové trubky jsou k dispozici v jiných velikostech.
Informace o přípustném zatížení u nestandardních velikostí potrubí lze získat ze specializovaných referenčních knih a výpočtových programů.
Na internetu najdete mnoho dalších tabulek s přípustným zatížením profilových trubek.
Příklady výpočtu
- Určíme moment setrvačnosti části trubky: I = (bh² – b’h’²) / 12 = (40 * 20² – 20 * 2²) / 12 = 1133.33 mm⁴
- Dosadíme hodnoty do Eulerova vzorce: P = π² * 200 * 10⁹ * 1133.33 / (2000² * 10⁻⁶) = 15280 N
Povolené zatížení konzolového nosníku je 15280 N.
Vypočítejte přípustný průhyb trubky 40x20x2 mm, délky 2 m, při statickém zatížení 10000 N.
- Transformujme Eulerův vzorec, abychom určili výchylku: δ = PL² / (π²EI)
- Dosadíme hodnoty: δ = 10000 * 2² * 10⁻⁶ / (π² * 200 * 10⁹ * 1133.33) = 7.07 mm
Přípustný průhyb potrubí při zatížení 10000 7.07 N je XNUMX mm.
Průhyb profilové trubky
Průhyb trubky je velikost její odchylky od přímky pod vlivem zatížení.
Údaje v tabulce jsou uvedeny pro statické zatížení při centrální kompresi.
Pro ostatní typy zatížení (ohyb, mimoosé stlačení, rázové zatížení) a provozní podmínky (teplota, vlhkost, agresivní prostředí) je nutné provést samostatný výpočet.
Pro přesný výběr profilové trubky se doporučuje použít specializované programy a poradit se s inženýry.
| velikost trubky (mm) | Tloušťka stěny (mm) | Platné průhyb (mm) |
|---|---|---|
| 20 × 20 | 1.5 | 4.0 |
| 20 × 20 | 2.0 | 6.0 |
| 25 × 25 | 1.5 | 5.0 |
| 25 × 25 | 2.0 | 7.5 |
| 30 × 30 | 1.5 | 6.0 |
| 30 × 30 | 2.0 | 9.0 |
| 40 × 20 | 1.5 | 7.0 |
| 40 × 20 | 2.0 | 10.5 |
| 40 × 40 | 1.5 | 8.0 |
| 40 × 40 | 2.0 | 12.0 |
| 50 × 50 | 1.5 | 9.0 |
| 50 × 50 | 2.0 | 13.5 |
| 60 × 60 | 1.5 | 10.0 |
| 60 × 60 | 2.0 | 15.0 |
| 80 × 40 | 1.5 | 11.0 |
| 80 × 40 | 2.0 | 16.5 |
| 80 × 80 | 1.5 | 12.0 |
| 80 × 80 | 2.0 | 18.0 |
| 100 × 100 | 1.5 | 14.0 |
| 100 × 100 | 2.0 | 21.0 |
V tabulce jsou uvedeny nejoblíbenější velikosti profilových trubek. Profilové trubky jsou k dispozici v jiných velikostech. Informace o přípustných průhybech pro nestandardní velikosti potrubí lze získat ze specializovaných referenčních knih a výpočtových programů.
Výpočet zatížení profilové trubky
Výpočet zatížení profilového potrubí je inženýrský úkol, který vyžaduje speciální znalosti a dovednosti. U složitých konstrukcí se doporučuje kontaktovat kvalifikované projektanty.
Existují různé metody pro výpočet zatížení profilové trubky:
- Ruční výpočet: pomocí mechaniky materiálových vzorců.
- Software: specializované programy pro výpočty stavebních konstrukcí (ANSYS, SCAD, AutoDesk Inventor Nastran).
- Referenční materiály: Příručka pevnosti materiálů, Příručka stavebních konstrukcí.
Kromě výše uvedeného je třeba zvážit následující:
- Výběr materiálu potrubí: Při výběru profilové trubky je nutné vzít v úvahu nejen rozměry průřezu a tloušťku stěny, ale také jakost oceli. Různé třídy oceli mají různou pevnost a vlastnosti svařitelnosti. Výběr materiálu je regulován příslušnými GOST, jako je GOST 994-74 „Výrobky z oceli válcované za tepla. Sortiment” a GOST 10704-2016 “Za studena tvářená válcovaná ocel. Všeobecné technické podmínky“.
- Bezpečnostní faktory: Při výpočtu zatížení se zavádí součinitel bezpečnosti, který zohledňuje nepřesnosti při výrobě potrubí, nerovnoměrné rozložení zatížení v konstrukci, chyby ve výpočtovém modelu a další faktory. Hodnotu bezpečnostního faktoru upravují stavební normy, např. SP 64.13330.2017 „SNiP II-B.1-62. Ocelové konstrukce.”
- S ohledem na geometrické vlastnosti části potrubí: Pro různé tvary průřezu potrubí (čtvercový, obdélníkový, kulatý, oválný) se moment setrvačnosti vypočítá pomocí různých vzorců. Pro usnadnění procesu výběru potrubí existují speciální tabulky obsahující hodnoty momentů setrvačnosti pro standardní velikosti profilových trubek.
- S ohledem na způsob podepření potrubí: Velikost přípustného zatížení profilové trubky závisí na způsobu jejího podepření (konzolový nosník, dvojitý nosník, vazník atd.). Každý způsob podpory má svá vlastní kalkulační schémata a vzorce.
- Účtování ohybového momentu: Při mimoosém zatížení vzniká v potrubí ohybový moment, který způsobí jeho deformaci (průhyb). Pro stanovení velikosti ohybového momentu se používají metody stavební mechaniky.
- Výpočtový software: Pro složité konstrukce skládající se z více prvků se doporučuje použít specializovaný software pro výpočet stavebních konstrukcí (ANSYS, SCAD, AutoDesk Inventor Nastran). Takové programy umožňují zohlednit vliv všech faktorů ovlivňujících návrh a získat přesnější výsledky.
Normativní základ
Při navrhování konstrukcí z profilových trubek je nutné se řídit následujícími regulačními dokumenty:
- GOST 8731-85: „Ohýbané uzavřené svařované obdélníkové ocelové profily“ – stanoví sortiment, technické požadavky, přejímací pravidla, značení, balení, přepravu a skladování obdélníkových elektricky svařovaných profilových trubek.
- GOST 10704-2016: „Za studena deformovaná válcovaná ocel. Všeobecné technické podmínky“ – stanoví všeobecné technické podmínky pro za studena deformovanou válcovanou ocel včetně profilových trubek.
- SP 64.13330.2017: “SNiP II-B.1-62. Ocelové konstrukce“ – obsahuje normy a pravidla pro navrhování ocelových konstrukcí pro různé účely, včetně požadavků na výpočet pevnosti, stability a tuhosti.
Kulaté a profilové trubky mají různé hlavní účely. První z nich se používají pro instalaci potrubí. Profilové trubky jsou jedním z hlavních konstrukčních materiálů ve stavebnictví a průmyslové výrobě. Otázka, která trubka je pevnější – kulatá nebo profilovaná – zajímá více stavebníky, a zejména soukromé developery. Zkusme na to odpovědět z různých úhlů pohledu.
Ocelové kruhové a profilové trubky: rozdíly a vlastnosti
Vnější rozdíl mezi těmito trubkami spočívá ve tvaru jejich průřezu. Druhá skupina výrobků může mít řez ve tvaru obdélníku nebo oválu. Kulaté jsou reprezentovány takovými typy produktů, jako jsou:
- elektricky svařované a bezešvé;
- za tepla deformované, tepelně deformované, za studena deformované a tažené za studena;
- vodovodní a plynové potrubí a hlavní vedení;
- univerzální a speciální.
Lví podíl na sortimentu kruhových trubek je určen pro instalaci komunikací pro dodávku tekutých produktů a plynů. Používají se také jako konstrukční materiál při výrobě různých průmyslových výrobků a ve stavebnictví.
Profilové výrobky jsou především konstrukční materiál. Jsou prezentovány v následujících typech:
- modely s obdélníkovým nebo oválným profilem, vyrobené klasickými technologiemi výroby kovů;
- ohýbané uzavřené profily ve tvaru obdélníku podle GOST 30245-2012, které se také běžně nazývají profilové trubky.
Jedním z hlavních rozdílů mezi nimi je, že pro stavbu potrubí se používají i klasické trubky, kdežto ohýbané profily nikoliv.
Závěr, který je lepší – profilová trubka nebo kulatá – by měl být vzat v úvahu jejich zamýšlený účel. Nejčastěji vzniká dilema výběru mezi nimi během stavebních prací, a to i z hlediska pevnosti těchto konstrukčních materiálů. Nyní přejdeme k argumentům pro a proti použití těchto trubek ve stavebnictví a začneme specifiky jejich výroby.
Vlastnosti výroby a použití kruhových a profilových trubek
Možnosti kruhových trubek jsou vyráběny v souladu s 13 normami GOST. Další tři regulační dokumenty upravují výrobu profilových trubek. Tyto typy výrobků kombinují klasické způsoby výroby kovů a mají společnou vlastnost – dokážou čerpat různé kapaliny a plyny.
Ohýbané uzavřené profily čtvercového a obdélníkového průřezu jsou vyráběny z pásových přířezů (pásů) na válcovacích stolicích se svařováním švu. Na rozdíl od elektricky svařovaných trubek nemusí být spoj na uzavřených profilech souvislý. Jednoduše spojuje okraje výrobků, aby profily získaly pevnost. Ohýbané obdélníkové a čtvercové profily lze v podstatě považovat za duté ocelové nosníky.
Otázka, zda zvolit čtvercovou nebo kulatou trubku, lze v podstatě odstranit, protože tyto typy výrobků mají různé hlavní účely. Pokud stavíte potrubí, nenapadlo by vás ho vyrobit ze čtvercových nebo obdélníkových trubek. Ale oni a uzavřené profily jsou ideální pro výrobu rámů a jiných konstrukcí ve stavebnictví a průmyslové výrobě.
Co je silnější – kulatá nebo profilová trubka?
Klíčové vlastnosti trubek a uzavřených profilů jsou stanoveny příslušnými GOST. Regulované parametry produktu zahrnují následující ukazatele:
- vnější průměr a boční rozměry (šířka a výška) kruhových a profilových trubek;
- Tloušťka stěny;
- teoretická hmotnost jednoho metru výrobků;
- třídy oceli, ze které lze vyrobit trubky, a další ukazatele.
První dvě položky na seznamu tvoří sortiment. Síla kulatých trubek je regulována GOST 8731-74, podle které jsou výrobky testovány na následující typy vlivů:
- pevnost v tahu;
- schopnost potrubí odolat hydraulickému tlaku;
- pro zploštění, perlení, rozprostření, ohýbání.
Zkoušky nosnosti kruhových trubek jako konstrukčního materiálu pro stavebnictví a průmyslovou výrobu se neprovádějí.
Ale pro profilové trubky a ohýbané uzavřené profily čtvercových a obdélníkových průřezů normy GOST poskytují ukazatele momentu odolnosti vůči vertikálnímu zatížení a momentu setrvačnosti podél os X a Y průřezu výrobků. Tyto parametry přímo ovlivňují pevnost a podle toho i nosnost trubek a profilů. Čím větší je moment odporu a čím menší je moment setrvačnosti, tím je válcovaný výrobek pevnější.
Neexistuje však žádná hotová odpověď na otázku, která je silnější – kulatá trubka nebo profilová trubka, v kilogramech nebo tunách zatížení v GOST. Chcete-li to provést, budete se muset vyzbrojit učebnicemi pevnosti materiálů nebo technickými referenčními knihami, abyste mohli provést výpočty pevnosti v ohybu při vertikálním zatížení nebo najít jiné způsoby, jak najít odpověď.
Porovnání pevnosti kruhových a hranatých trubek
Chcete-li odpovědět na otázku, co je silnější – potrubí nebo profil, musíte nejprve získat výsledky výpočtů těchto ukazatelů. Soubor vzorců pro výpočet jejich síly vzhledem k obrovskému množství těchto informací nebudeme nabízet. Příkladem je SP 20.13330.2011. Pokuste se projít tento dokument. Mnohem snazší je použít online kalkulačky, které výpočet nosnosti potrubí maximálně usnadní. Jeho hodnota závisí na následujících faktorech:
- vlastnosti oceli, ze které jsou trubky vyrobeny;
- typ profilu a velikost průřezu výrobku;
- tloušťka stěny;
- celková délka konstrukčního prvku atd.
Nejmoudřejší je však vzít si na pomoc specialisty v oblasti pevnosti materiálů. Dilema – co je silnější, kulatá trubka nebo profilová – vyřeší přesnými čísly.
Indikátory pevnosti kruhových a hranatých profilů
Únosnost válcovaného kovu a kovových konstrukcí z něj vyrobených se stanoví výpočtem. Zároveň je do výpočtů zahrnuta potřebná míra bezpečnosti. Obvykle to dělají projektanti a konstruktéři, kteří připravují pracovní dokumentaci. Jako příklad pevnostních indikátorů ohýbaných profilů čtvercového a obdélníkového průřezu uvedeme dvě tabulky jejich hodnot získaných pomocí výpočtů:
