Профильные трубы применяют как несущие конструкции при сборке мебели, оборудования, техники, малых архитектурных форм, интерьерных и рекламных конструкций. Более толстый и жесткий прокат используют как опоры.
Наиболее востребованные формы сечения — прямоугольник, квадрат или овал. Металлургические предприятия принимают заказы на треугольные, шестиугольные, ромбовидные и другие профили.
Согласно СНиП, возведению несущих конструкций предшествует расчет прочности. Общие требования к профильным трубам перечислены в ГОСТ 32931-2015. Методы испытаний указаны в ГОСТ 14019-2003.
Способы расчета прочности профильной трубы
Основной параметр, определяющий несущую способность металла, — сопротивление деформации на изгиб. Стандартное обозначение предела прочности — σизг.
Каждое изделие выдерживают свою предельную нагрузку. Прочность опоры зависит от внешних и внутренних факторов. Первый параметр связан с силой ветра и давлением от массы осадков: дождя, снега.
Ко второму фактору относят суммарный вес балки и системы, которая опирается на конструкцию. Имеет значение способ заделки, прочность сплава, величина постоянных и переменных напряжений.
Если сумма всех сил превышает предел прочности, конструкция перестает работать: изгибается или разрывается. Опасно эксплуатировать опору, которая не соответствует требованиям. Цель выполнения расчета — предотвратить аварийную ситуацию на объекте.
Когда определяют прочность профильной трубы, используют несколько методов. Расчет помогает подобрать типоразмер, который противостоит суммарно действующим нагрузкам. Пользователь получает информацию о наружном диаметре, толщине стенке, площади сечения, моментах сопротивления и инерции.
В стандарте указаны классы прочности: КП205-КП460. Характеристика зависит от предела текучести, временного сопротивления и относительного удлинения. Механические свойства профильных труб проверяю на испытаниях.
Характеристика σизг указана в нормативах на материал. У стали обыкновенного качества предел прочности более 300 МПа. Максимальная величина σизг для низкоуглеродистых сплавов — 900 МПа.
К упрощенным методам проверки относят справочные таблицы.
Когда можно не делать расчет прочности?
Специалисты рекомендуют не пропускать подготовительные работы. Расчет прочности не делают в случае, когда деформирование или падение конструкции не вредит здоровью и жизни людей, а также окружающей обстановке. Например, при изготовлении малых сооружений на приусадебном участке, установке заборов, зонировании пространства.
Обязателен расчет прочности при возведении конструкций, которые работают под нагрузкой. Рекомендация относится к крупным и малым сооружениям: бассейнам, оранжереям, сараям, навесам, террасам, теплицам.
Когда определяют суммарную нагрузку, учитывают силу ветра и уровень осадков для конкретной местности. Гидрометцентр регулярно публикует данные по дням, месяцам, кварталам, годам. Информацию дублируют в печатных СМИ и интернете.
Пренебрежение расчетом на прочность ведет к дополнительным расходам, связанным с ликвидацией последствий и строительством новой конструкции. Служба надзора за архитектурными объектами накладывает на виновника штраф.
Когда повреждено чужое имущество, собственник возмещает материальный ущерб. Если в результате чрезвычайного происшествия пострадали люди, наступает уголовная ответственность.
Виды нагрузок на профильные трубы
Нормативный документ СП 20.13330.2011 рассматривает все категории нагрузок и последствия. Регламент распространяется на здания и сооружения, которые по предельному состоянию относят к первой и второй группе.
Стандарт содержит ссылку на другой документ. Критерии надежности конструкций определяет ГОСТ Р 54257-2010:
- К первой группе относят строительные объекты, которые при действии предельных нагрузок утратили несущую способность. Сооружения частично или полностью разрушены.
- Вторая категория включает конструкции, которые в результате приложения максимальных сил стали непригодными к дальнейшей эксплуатации или исчерпали ресурс долговечности. В группу входят объекты, не обеспечивающие людям нормальный уровень комфорта.
При расчете профильных труб на прочность учитывают характер усилий. Стандарт описывает две категории: постоянные и переменные нагрузки.
К особой категории относят чрезвычайные обстоятельства, вызванные наводнениями, пожарами, взрывами, землетрясениями. Расчетные усилия учитывают при проектировании опасных строительных объектов и производств.
Как опора, профильная труба соприкасается с разными средами. Стандарт рассматривает несколько схем расстановки сил.
Постоянными считают нагрузки от давления воды, наслоений почвы (горных пород), насыпей природного и искусственного происхождения. К этой группе учитывают суммарный вес конструкций, которые нагружают основание опоры и действует постоянно. Стандарт рассматривает связанные с профильными трубами массы всех строительных объектов, оборудования и приспособлений, используемых в цехе.
К кратковременным усилиям относят факторы:
- измерения веса передвигаемого во время ремонта или обслуживания оборудования;
- нагрузки, создаваемые движением транспорта;
- природные явления: силу ветра, скопление снега и дождя.
Что такое максимальная нагрузка?
Когда рассчитывают прочность профильной трубы, изделие рассматривают как балку, закрепленную двумя концами. Под максимальной нагрузкой понимают сосредоточенную силу, приложенную посередине пролета. Условно считают: напряжения распределяются по всей длине равномерно.
Под действием силы длинномерный прокат в центре прогибается. Когда нагрузка исчезает, конструкция возвращается в исходное положение.
В теории, если численное значение усилие превышает установленный предел, балка сломается. На практике, иногда труба останется изогнутой.
Чтобы снизить нагрузку на профильную трубу, используют несколько методов, самый эффективный — уменьшить длину пролета.
Второй вариант — замена опоры на прокат с большей толщиной стенки. Этот способ увеличивает металлоемкость конструкции и нагрузку на фундамент.
Существует промежуточный вариант, который позволяет избежать капитального ремонта объекта: в опасных местах устанавливают дополнительные опоры.
Как сильно изогнется профильная труба при максимальной нагрузке или намеренном изменении формы?
Для каждого профиля стандарт устанавливает предельно допустимый радиус деформирования. Парамер Dmax кратный условному проходу DN.
Радиус изгиба зависит от плотности металла, толщины стенки, формы и размера сечения. При расчете прочности профильной трубы обращают внимание на температурные параметры и содержимое пустотелой конструкции.
Регламент устанавливает пропорции параметров для случаев:
- предварительного нагрева или набивки полости отвода песком: Dmax = 3,5*DN;
- формообразования с предварительным нагревом изделия в печи: Dmax = 2,5*DN;
- обработки проката на профилегибочном оборудовании: Dmax = 4,0*DN.
Стандарт определяет минимальное утончение стенок на внешней стороне изгиба. Допустимое значение — не более 15% от номинальной величины.
Если расчет на прочность выполнен неправильно, внешняя стенка разрывается.
Схемы приложения сил к профильным трубам
Начинают работу с определения численного значения нагрузок. Следующий этап — выбор типовой схемы действия сил и расположения опор. Заключительная стадия — построение эпюр.
Если балка опирается на две опоры, определяют прогиб по центру. Для одноконсольных конструкций вычисляют изгиб.
Чтобы выбрать профильную трубу, которая соответствует пределу прочности, используют онлайн-калькуляторы и таблицы с готовыми расчетами.
Третий вариант — формулы вычисления нагрузок. Например, σ = M/W, где M — момент инерции, а W — момент сопротивления сечения. Чем больше М, тем меньшие напряжения испытывает сечение.
Схема работы с первыми двумя инструментами похожа. Исходные данные:
- форма профиля: квадрат, овал, прямоугольник;
- типоразмер: толщина стенки, длина сторон (для фигур с прямыми углами), максимальный и минимальный диаметр (для овала);
- длина пролета: L = 1,0-6,0 м.
Чтобы подобрать номер профильной трубы, в таблице находят числа, близкие к максимальной нагрузке. Лучший вариант — конструкция с более толстыми стенками или запасом прочности.
Например, в результате расчета определили нагрузку — 700 кг/м. Рассмотрим две металлоконструкции.
Первый вариант: профильная труба квадратного сечения 40*40*2,0 мм. Опора выдерживает нагрузку при установке в пролетах:
- L = 1,0 м — 709 кг/м;
- L = 3,0 м — 72 кг/м;
- L = 6,0 м — 5,0 кг/м.
Второй вариант выбора: прямоугольный прокат 50*25*2,0. Достаточную прочность обеспечивает расстановка опор:
- L = 1,0 м — 684 кг/м;
- L = 3,0 м — 69 кг/м;
- L = 6,0 м — 6,0 кг/м.
Первый и второй вариант выдерживает примерно одинаковые нагрузки. По условиям прочности подходят оба профиля.
Любая балка противостоит «своему» — нормальному — напряжению. Усилие направлено перпендикулярно сечению профильной трубы. Чтобы определить правильность вычислений, сравнивают практический и расчетный показатель. Если числа соответствуют, все в порядке.
