Важным этапом проектирования любых металлоконструкций, в которых используется трубопрокат с квадратным или, например, прямоугольным сечением, является расчет допустимых нагрузок на профильные трубы. То, насколько правильно он будет произведен, окажет значительное влияние на долговечность, устойчивость, механическую прочность, безопасность эксплуатации объекта.
Для расчета динамических, статических нагрузок на профили существуют различные интернет калькуляторы, таблицы соответствия. Некоторые учитывают (калькуляторы позволяют задавать):
- Марки стали;
- Толщину стенок, сечение труб;
- Прочие технические показатели конкретного металлопроката.
Но таблицы, интернет калькуляторы не принимают в расчет конкретные условия эксплуатации металлоконструкции. Например, повышенную влажность, критически низкую температуру, контакт металлоизделий с химикатами, иными агрессивными средами. Из-за этого, предлагаемые результаты расчетов статических, динамических нагрузок не бывают высокоточными. Однако точности достаточно для проектирования неответственных и/или слабо нагружаемых объектов. При разработке проектной документации мостов, тоннелей, прочих нагружаемых, ответственных металлоконструкций, стоит рассчитывать нагрузки с помощью формулы Кармана, других высокоточных методик.
Во всех случаях, дополнительно следует использовать справочные материалы, специальное программное обеспечение, ГОСТы, иные регламенты. Примеры ПО — инженерно-проектировочные программы Credo, Scad, Лира. Пример наиболее важного для учета нормативного документа — СП 20.13330. Он устанавливает допустимые перемещения, прогибы профилей, массы грунтов, металлоконструкций, прочие нормативы и правила, обязательные для исполнения.
Какие усилия воздействуют на профильные трубы?
До расчетов, нужно определить нагрузки, которые станут действовать на металлоизделия. Усилия делят на несколько типов, с учетом их характера (ветровые, гололедные, атмосферные), направления, времени воздействия (постоянное, периодическое). Варианты по направлению:
- Внеосевая нагрузка — приводит к скручиванию, изгибанию или скручивающе-изгибающей деформации трубопроката, воздействуя к его оси под углом.
- Осевая нагрузка — провоцирует растягивающие усилия или сжатие труб, воздействуя к их оси продольно.
По продолжительности растяжения, изгибающего момента (прогиба трубы), другого деформирующего воздействия, нагрузки бывают:
- Периодические (динамические). Сила, время воздействия, приходящиеся на трубопрокат, непостоянна, изменяются. Примеры — вибрации от работающего мотора, вес снежных масс, усилия ветра.
- Постоянные (статические). Продолжительность, сила воздействия не изменяются. Примеры — вес техники, стройматериалов, элементов самой металлоконструкции.
В отдельную категорию выделяют ударные нагрузки. Они могут быть постоянными или периодическими, продолжительными или кратковременными. Пример постоянных ударных усилий — резкие торможения металлоконструкции (допустим, производственного оборудования, частью которого является профиль), случающиеся всю ее рабочие смену. Пример периодических ударных воздействий — случайные падения тяжелых объектов на профильную трубу.
Какие факторы определяют степень нагрузки на профили?
Усилия на металлоизделия могут быть выше или ниже из-за различных факторов. Ключевые моменты:
- Условия службы — агрессивные среды, повышенная влажность, температура эксплуатации. Чем сложнее условия, тем больший коэффициент запаса прочности нужен металлу;
- Длина пролёта — чем значительнее шаг между опорами, тем большие усилия станут приходиться на профили (их несущие способности снизятся);
- Толщина стенки — чем она больше, тем выше масса, но и несущие показатели трубопроката;
- Сырье изготовления — момент сопротивления, устойчивость к разнонаправленным нагрузкам, например, у стали большие, чем у алюминиевых сплавов.
Важно сечение трубной металлопродукции. В сортаменте профилей наиболее популярны образцы с квадратной, прямоугольной формой (круглые трубы к профильному металлопрокату не относят).
Прямоугольные металлоизделия прочны на изгиб в одной плоскости. При равной площади сечения, они будут весить меньше, чем квадратный трубопрокат, но обеспечивать большую жёсткость — за счет расположения двух увеличенных сторон вдоль направления изгиба. Прямоугольники рекомендованы для проектирования металлоконструкций с направленной изгибающей, скручивающей, иной нагрузкой (фермы, балки, перекрытия).
Квадратные профили также устойчивы к изгибающим усилиям. Но они распределяют нагрузки равномерно в каждом направлении. Выбрать их стоит для опор (способ опирания неважен), столбов, каркасов строений, других металлоконструкций, которым важна симметричная прочность.
Как выглядят таблицы соответствия нагрузок для профилей?
При неответственном строительстве и использовании трубопроката стандартных типоразмеров, можно воспользоваться таблицами. Общедоступные таблицы не содержат данные для нетиповых образцов труб. Расчеты потребуется производить индивидуально.
Пример, показывающий важность толщины стенки: квадратные образцы с показателями 2 мм и 1.5 мм, при одинаковых типоразмерах 40х40, справятся с массой 72.90 т и 44.60 т соответственно.
При расчетах, нужно учитывать не только модуль упругости, размеры, прочие параметры трубопроката, но и принципы строительной механики. Одно из правил гласит, что с увеличением длины пролета прочностные показатели металлоизделий снижаются. Примеры, доказывающие это — в таблице.
Если вы не можете определить нагрузки самостоятельно, обратитесь в «Велунд Сталь». Наши менеджеры дадут рекомендации.
С какими формулами рассчитывают нагрузки на профильный трубопрокат?
Для каждого типа усилий существуют свои правила вычисления. Сами формулы разрабатывают с помощью математических, кинетических, иных показателей. Благодаря этому, даваемые ими итоги расчетов более точные, чем предлагаемые таблицами.
Важно: во всех приведенных формулах литера Р означает разрешенные нагрузки. Параметр рассчитывается в Н.
Ударные воздействия
Правило для определения нагрузок от ударов: P = mv² / 2δ (формулу Максвелла). Здесь:
- δ — прогиб в м трубопроката;
- v — скорость в м/с, с которой предмет падает на трубу;
- m — вес в кг падающего объекта.
Более точные результаты дает формула Кармана — P = αmv² / (2δl). Она предлагает учитывать дополнительные данные: l — длину в м отрезка, α — коэффициент, учитывающий формулу падающего предмета.
Динамические усилия
Для повторяющихся воздействий применяют формулу Ритца — P = (σ-доп * F)/n. Для ударных нагрузок формулу Герца — P = Gh/(1.67δ). В обоих правилах:
- n — коэффициент цикличности усилий;
- F — площадь поперечного сечения в м2;
- σ-доп — допустимое напряжение в Н/м2;
- δ — прогиб в м трубопроката;
- h — высота падения в м;
- G — модуль сдвига.
Последний параметр — G, приведен для стальных сплавов. Он составляет 80 ГПа.
Статические нагрузки
При расчетах этих усилий, используют два основных правила. Правило выбирают, учитывая тип сжатия — внеосевое или центральное. В первом случае, применяют формулу Журавского — P = nπ²EI / (L² + (πd / 2)²n²), во втором — формулу Эйлера. В обоих правилах:
- n — коэффициент для эксцентриситета (изменение усилия от центра тяжести сечения, приводящее к изгибу трубы);
- d — диаметр в м профиля;
- L — длина в м металлоизделия;
- I — момент инерции сечения в м4;
- E — модуль упругости (для стальных сплавов составит около 200 ГПа).
Итоги вычислений, даваемые любой формулой, ориентировочные. Для перекрытий, несущих стен, иных важных ЖБИ, металлоконструкций, нужно производить индивидуальные инженерные расчеты. Во время них — учитывать персональные факторы для конкретного объекта: ГОСТы, меры безопасности, условия службы.