Сравнение параметров прочности квадратных и круглых труб

Для монтажа различных металлических конструкций широко применяются трубы. Как правило, это круглые или квадратные изделия. Для того, чтобы сделать правильный расчёт нагрузок на элементы конструкции, необходимо знать, что прочнее – обычная круглая труба, или профильная труба квадратного сечения. Зная максимальную нагрузку на элемент конструкции, можно очень точно определить, какой профиль более уместен для использования в процессе монтажа.

Показатели прочности круглого и квадратного профилей

ГОСТы для квадратных и круглых труб регламентируют самые разные процессы:

• физические свойства поверхностей.
• механические характеристики соединений.
• порядок осуществления трансформации (изгиба, кручения, вытяжки, и т.д.).

Условия изгиба профиля могут быть различными. Также отличаются и данные о наружном диаметре нержавеющих и углеродистых труб.

Если гибка осуществляется методами нагрева или наполнения полого пространства сыпучим материалом, наружный диаметр должен составлять не менее 3,5DN (номинальных диаметров). Для трубогибочных станков эта величина составляет 4DN. Отступление от требований ГОСТов 494/90 и 617/90 допускается в случае, если уменьшение толщины изгибаемой стенки составляет не более 15%. В этом случае можно уменьшать номинальные данные для расчёта изгибной прочности профиля.

Сравнить уровень прочности полого квадрата и круга из стали помогает часть технической механики, изучающая сопротивление различных материалов. При расчёте показателя прочности на изгиб используются две формулы:

1. Вычисление длины изгибаемой детали.

 L= 0,0175*r*α+Ι,

где

r – радиус изгиба профиля, мм.

α – искомый угол изгиба, ^о.

I – расстояние 100/300 для оборудования, удерживающего заготовку.

2. Расчёт величины изгибаемого участка.

U = π*α/180*(r + DH/2),

где

α – угол изгиба, ^о.

r – радиус изгиба, мм.

DH – внешний диаметр.

Расчёт профильной трубы завершается после определения величины напряжения, исчисляемой в соответствии с законом Гука:

Н = Μ/W,

где

Μ – степень изгиба по оси воздействия силы.

W – сопротивление изгибу по оси.

При проведении расчётов необходимо обязательно учитывать меру инертности тела при вращении – момент инерции. При одинаковой толщине стенок полых труб разных сечений и удельной тяжёсти изгибное усилие для квадрата в 1,181 раза больше, чем для круга. Но радиус инерции круглой трубы больше, чем квадратной. Поэтому она является менее прочной.

*

Круг или квадрат

Полые металлические (стальные или алюминиевые) стержни квадратного и круглого сечений широко применяются в строительстве и производстве металлоконструкций. Полый профиль имеет гораздо меньший, в сравнении с брусом, вес. Как несущий элемент металлической конструкции квадрат более удобен, нежели круг. Он легче монтируется. Два мерных отрезка квадратного профиля можно соединить при помощи сварки, в отличие от круга. Плоская поверхность квадратного профиля обеспечивает лучший контакт с различными навесными элементами (поликарбонатом, ДВП различными видами прессованного утеплителя, и пр.).

А наличие рёбер жёсткости позволяет успешно использовать квадрат в местах, где отмечаются максимальные нагрузки. Если изгибающее усилие направлено под углом 90^о к грани профиля, сопротивление изгибу одинаково в любом месте трубы. Изгибная нагрузка наиболее сильна по краям профиля. Центральная же его часть значительно более устойчива. Замкнутое поперечное сечение также даёт высокую прочность профиля на кручение. Это позволяет использовать квадратные трубы при монтаже различных сложных конструкций:

• сводов арочного типа.
• кровель с крутыми уклонами.
• ребристых куполов.

Расчёт профильной трубы показывает, что надёжность конструкции прямо пропорциональна материалу, из которого она изготовлена. Бетон гораздо надёжнее дерева, но значительно уступает стали. Дело в том, что при его применении очень трудно крепить прогоны. Просверленные в бетоне отверстия для анкеров не смогут обеспечить необходимой прочности. У металлического профиля в сравнении с другими материалами масса преимуществ. А у квадрата – столько же преимуществ перед кругом. 

Например, при устройстве ограничительных конструкций (заборов) оптимальный шаг стоек – 2,5 м. При частых порывистых ветрах его следует уменьшить до 2 м. При высоте конструкции до 1,5-2,0 м оптимальный размер квадрата с толщиной стенки 2 мм – 40х40 или 60х60 мм. Применяемый материал – труба профильная для металлоконструкций из углеродистой или низколегированной стали (ГОСТ Р 54157-2010). При монтаже более масштабных конструкций могут применяться трубы размеров от 50х50 до 200х200 мм.

Область использования квадратных труб гораздо шире, нежели круглых. Это связано с тем, что у них выше степень взаимодействия с плоскостями, имеющими симметричную поверхность. Чётко определены отрасли, в которых трубы подобного сечения не применяются:

• изготовление каркасных конструкций.
• транспортировка газообразных веществ.
• водоснабжение и канализация.

Профилированная труба не годится для трубопровода по причине того, что рассчитана, в отличие от круглой, на сопротивление значительным несущим нагрузкам. Из за наличия углов скорость прокачки газов и жидкостей внутри квадратной трубы намного меньше, чем внутри круглой.

Изготовление квадратного профиля

*

В теории, чтобы изготовить квадратную трубу, достаточно вальцовочного станка с возможностью формования профиля необходимых размеров. Круг вальцуется с целью получения квадрата. Но с точки зрения качества продукции данная технология совершенно неприемлема, так как механические характеристики полученных труб значительно отличаются от требуемых по ГОСТ в худшую сторону. Для выпуска профиля в промышленных масштабах необходим комплекс сложного технологического оборудования.

Трубы, которые в дальнейшем планируется использовать для монтажа металлоконструкций, должны быть значительно крепче, и поэтому изготавливаться по полному технологическому циклу. Он включает пять последовательных операций:

1. Обработка стальной ленты (штрипса).
2. Сварка заготовки круглого сечения.
3. Профилирование.
4. Контроль качества готовой продукции.
5. Термообработка.

Нарезка штрипса осуществляется на специальной установке. Лента наматывается на вращающийся барабан. Непрерывный прокат профиля осуществляется для того, чтобы намоточный станок не простаивал. После сварки, прохождения формовочного стана и эмульсионной обработки заготовка принимает нормальную круглую форму.

Следующим этапом изготовления является профилирование:

• скругление заготовки по всей дине профиля.
• четырёхсторонняя обжимка.

Полученная заготовка подлежит разделению на мерные отрезки. В течение всего процесса механической обработки необходимо охлаждать заготовку водой.

Для обеспечения прочности сварного квадратного профиля критически важно иметь ровный и качественный сварной шов. Он должен обязательно подвергаться проверке на герметичность. Кроме того, для завершения процесса производства квадрата необходимо провести проверку по методу дефектоскопии вихревыми токами. С его помощью выявляются возможные дефекты:

• внутренние раковины.
• места повышенного напряжения сварного шва.

Конечным этапом проверки качества готовой продукции является визуальный осмотр. Отбраковке подлежат профили с неровностями и другими механическими повреждениями. Снижению количества дефектов способствует переборка тянущих валков.

В состав линии по производству стальных профилей входят следующие единицы:

• консольный разматыватель для обработки металлического листа.
• формовочный стан.
• сварочный узел и станок для среза кромки шва.
• участок охлаждения.
• профилировочный стан.
• нож для мерной порезки.

Линия по производству профилированных труб могут быть автоматическими и полуавтоматическими. Валы на стандартных линиях имеют прямоугольную форму.