Расчёт профильной трубы на изгиб: для чего и как производятся такие вычисления

Профильные трубы широко применяются в частном и промышленном строительстве. Из них создают беседки, теплицы, гаражи, хозяйственные постройки, рекламные щиты. Конструкции бывают не только классическими прямоугольными, но могут также иметь самую разнообразную конфигурацию. Поэтому очень важно правильно рассчитать максимально допустимый изгиб трубы. Это обеспечит сооружению прочность, долговечность и позволит сохранить его изначальную форму.

При изготовлении конструкций из профильной трубы нельзя изгибать ее «на глаз» — следует произвести соответствующие расчеты

Свойства и особенности профильных трубных изделий

Профильными принято назвать трубы, сечение которых отличается от круглого. Наиболее распространённые варианты – это квадратные и прямоугольные изделия. Особую популярность им придаёт тот факт, что созданная на их основе конечная конструкция имеет относительно небольшой вес. Более того! Благодаря специфической форме, крепление трубных элементов к различным поверхностям и друг к другу значительно упрощается.

Данные строительные изделия производятся из широкого спектра сплавов и металлов. Однако чаще всего используются профильные трубы из низколегированной и углеродистой стали. Каждому металлу характерно такое природное качество, как точка сопротивления. Она бывает как максимальной, так и минимальной. Первая, в частности, служит причиной деформации построенных сооружений, приводит к перегибам, следствием которых могут быть изломы.

Выполняя загиб, важно принимать во внимание такие характеристики, как вид изделия и его плотность, сечение, размер, а также гибкость материала и его жёсткость. Зная все эти свойства металла, исполнитель сможет понять, как поведёт себя конструкция в процессе эксплуатации.

Кроме того, следует помнить, что при сгибании изделия его внутренние части подвергаются сжатию, что ведёт к увеличению их плотности и уменьшению размеров. Длина наружного слоя соответственно возрастает, он становится более растянутым, но менее плотным. При этом даже по завершении процесса изначальные характеристики срединных участков сохраняются.

При сгибании трубы нужно учитывать свойства материала, из которого она изготовлена, ее размеры и толщину стенок

Важно! Напряжение при сгибании трубного профиля будет обязательно возникать даже на максимально удаленных от нейтральной зоны сегментах изделия. Особо высокое давление будут испытывать слои, расположенные в непосредственной близости от вышеуказанной нейтральной зоны.

Как влияет прочность материала на допустимые радиусы изгиба

Действующие на территории нашей страны ГОСТы достаточно подробно регламентируют характеристики и свойства элементов, используемые при расчете прочности трубы на изгиб. Прежде всего, в этом контексте рассматривается минимальный радиус, на который допускается сгибать профильное трубное изделие. Он зависит от условий выполнения гибки. Если эта процедура осуществляется с нагреванием или с набивкой полости трубы песком, значение наружного диаметра начинается с отметки 3,5 DN (под DN понимается условный проход).

В случае, когда исполнителю доступно применение специализированного оборудования (например, трубогибочного станка), позволяющего выполнить последовательность необходимых операций без нагревания, либо иных дополнительных мероприятий, тогда минимальный диаметр составляет 4 DN.

При необходимости выполнения достаточно крутого изгиба диаметр должен быть равен минимум 10 DN, поскольку эта процедура будет проводиться другими способами, преимущественно, при высоких температурах.

Разумеется, предусмотренные государственными стандартами значения можно немного уменьшить, но тогда производить расчет профильной трубы на изгиб необходимо очень внимательно. Отступления от ГОСТа возможны, если при используемом способе сгибания толщина стенки гарантировано изменится от изначальной на 15%. Только тогда можно быть уверенным, что изгиб на меньшие величины существенного влияния на прочность конструкции в дальнейшем не окажет.

Согнуть трубу на максимально допустимый для нее радиус можно только при помощи специального станка или приспособления

Какие применяются формулы и таблицы

Для корректного расчёта прочности трубы на изгиб необходимо узнать длину детали. Делается это по следующей формуле:

Д= 0,0175×Р×У+р1, где

Д — длина заготовки; Р – радиус изгиба трубы (мм); У — требуемый угол изгиба; р1 – расстояние для удержания заготовки, необходимое при применении специального оборудования.

Далее осуществляем оценку величины предполагаемого к изгибу участка по такой формуле:

Д1= π×У/180(Р+ДН/2), где

Д1 – длина сгибаемого участка; π – известная математическая константа; У – угол изгиба (градусы); ДН – диаметр по внешней поверхности трубы (мм).

В ГОСТах №617/90 и №494/90 содержатся наименьшие значения основных характеристик, на основе которых производится расчёт прочности профильного трубного изделия на изгиб.

Полезно знать! Такой подход – регламентация минимальных значений — обеспечивает удобство мастера, а также наибольшую безопасность при выполнении работ и, конечно же, при эксплуатации конструкций, в частности, возведённых из латунного и медного профиля.

Основные характеристики, используемые в процессе вычисления прочности трубы на изгиб, приведены в ниже размещённой таблице.

Таблица 1

Данные в этой таблице относятся к трубным изделиям из латуни и меди. А расчет нагрузки на изгиб на профильную трубу, произведённую из стали, осуществляется в соответствии с данными, приведёнными ниже (ГОСТ №3263/75).

Таблица 2

В число основных параметров, которые необходимо учитывать, определяя нагрузку при изгибе, входят также толщина стенок и диаметр обрабатываемой заготовки. Корреляция этих двух показателей представлена в очередной таблице. Кстати, содержащиеся в ней сведения можно использовать и для расчета нагрузки на трубу круглого сечения.

Таблица 3

Необходимо сказать ещё вот о чём. Заменить ручной расчёт нагрузки рассматриваемого типа призваны различные присутствующие в интернете он-лайн калькуляторы. Работают они в соответствии с заложенными в них формулами, ориентированными на различные образцы трубной продукции. Спектр применения современного он-лайн калькулятора очень широк: начиная от простейшего расчета круглой трубы на прогиб, и заканчивая подсчётом нагрузки на профильную трубу при её сгибании.

Деформация труб в месте сгиба иногда неизбежна, но она может ухудшить характеристики готовой конструкции

Технологический процесс изгиба

Любая деформация приводит к уменьшению несущей способности профильной трубы и сопровождается возникновением длительных напряжений на её стенках. На внутреннем слое из-за сжатия металла плотность увеличивается, а на внешней части растяжение, наоборот, уменьшает значение данного показателя. Форма сечения при этом также ожидаемо меняется. Совокупность данных факторов приводит к тому, что несущая способность конструкции в месте изгиба заметно уменьшается. Это актуально для круглой трубы, а также для прямоугольного и квадратного трубного изделия. Причём, для последних двух подобное явление не столь выражено, нежели для трубы с круглым сечением.

Однако в любом случае требуется внимательный подход к оценке степени прикладываемой нагрузки при изгибе заготовки. Тогда на ней не появятся ненужные разломы и искривления. С точки зрения функционального предназначения касается это, прежде всего круглых труб, из которых изготавливаются отводы для систем водоснабжения.

Полезно знать! Образуемые складки приводят к возникновению засоров, повышают сопротивление транспортируемой жидкости и снижают проходимость рабочей среды.

Поэтому степень овальной деформации для детали диаметром до 20 мм не должна превышать 15 процентов. При увеличении диаметра значение данного показателя уменьшается до отметки 12,5 процентов. Эти же цифры применяются и при определении оптимальной нагрузки на прогиб трубы с профильным сечением, а вышеуказанные значения диаметров относятся к вписанной/описанной в/вокруг прямоугольник(а) или квадрат(а) окружности.

Применяем закон Гука

Расчёт прочности трубного изделия на изгиб сводится по закону Гука к простому определению величины максимального напряжения на исследуемую точку конструкции. При этом важно учитывать, из какого материала изготовлен профиль, поскольку каждому из них характерен свой показатель напряжения.

По закону Гука сила упругости находится в прямой пропорциональной зависимости от степени деформации. В общем виде для расчётов применяется следующая формула:

Н=P/V, где

Н – напряжение; P – величина изгиба по оси воздействия приложенной силы; V – значение сопротивления изгиба, которое берётся по вышеуказанной оси.

Сгибая трубы, следует помнить о том, что нагрузка на заготовку не должна быть слишком сильной, иначе труба попросту лопнет

Определение нормального значения сопротивления входит в круг основных задач человека, принявшего решение возвести сооружение из профиля. А применение формулы для расчёта оптимального уровня силы, воздействующей на трубу, предполагает проведение проверки правильности полученных результатов. Для этого нужно знать ряд правил и, конечно же, следовать им. Коротко формулируются они так:

• прежде, чем приступить к вычислениям, необходимо нарисовать хотя бы эскиз будущей конструкции. Так вы будете застрахованы от ошибок, вызванных неправильным пониманием формы сооружения;
• чтобы не допустить деформацию или разрушение профиля, затрудняющих эксплуатацию постройки, следует принимать во внимание материал его изготовления и толщину стенок;
• рассчитав прочность трубы на изгиб, необходимо внимательно изучить полученные результаты. Они не должны превышать максимально установленные значения.

Ну и основное правило звучит так: вычисления проводите не торопясь, аккуратно, точно. Применяйте на каждом этапе соответствующие формулы, не подгоняйте значения под выгодные для самого себя.