Определение допустимой нагрузки на профильную трубу различными способами

Используя профильную трубу для создания несущих конструкций, в обязательном порядке должны выполняться расчеты на изгиб. Такой вид трубного проката применяется в промышленном, коммерческом и частном строительстве. Из него изготавливают навесы, всевозможные каркасные и лестничные конструкции, фермы, стеллажи, козырьки, тепличные сооружения, элементы кровельной системы, беседки. Поэтому без правильных и тщательных расчетов никак не обойтись. Превышение допустимого давления приведет к деформации или разрыву изделия в месте сгибания профтрубы.

Схема 1

Используя методы расчета нагрузок на профильную трубу, можно:

• сохранить первоначальную форму изделий;
• придать конструкции повышенной прочности;
• увеличить период эксплуатации;
• минимизировать расходы на материале;
• избежать негативных разрушительных последствий.

Применение профилей

Чтобы знать, для чего нужен расчет нагрузки на профильную трубу, посмотрим, где она используется.

Стояки с профильным сечением нашли свое применение в различных сферах жизнедеятельности человека.

С их помощью:

• монтируются навесы на балконах, верандах, возле частных домов;
• собираются лестницы, подиумы, сцены.

На аналогичных конструкциях размещают барные стойки, телевизионные подставки, поручни, аквариумы. Без них нельзя обойтись в строительстве.

Особую популярность детали приобрели при сооружении объектов в сельском хозяйстве. Они незаменимы при возведении ангаров для хранения зерна, складов, гаражей, иных зданий.

Этот список можно продолжать, но главное, что нужно запомнить:

чтобы конструкции были безопасными, надежными, служили долго необходимо провести расчет вертикальной нагрузки на профильную трубу. Если этого не сделать, то система может не выдержать веса, что приведет к нежелательным последствиям.

Рассчитывать нагрузку обязательно?

Популярность профильных труб объясняется низкой стоимостью, небольшой массой, высокой прочностью при изгибе. Выбирая прокат с прямоугольным или квадратным сечением, большинство заказчиков понимают важность расчета нагрузки на профильную трубу. Учитывается соответствие линейных размеров профилей к возможной силе механического воздействия на деталь.

Что будет, если не учесть возможного воздействия тяжести на конструкцию? О таком думать даже нельзя, поскольку при воздействии максимально допустимого веса возможны 2 варианта:

• безвозвратный изгиб трубы, поскольку она потеряет свою упругость;
• разрушение целой конструкции, что чревато негативными последствиями.

Допустимые радиусы сгиба исходя из прочности материала

Радиус изгиба профиля зависит от внешнего сечения DN, толщины материала, его плотности и гибкости.

Государственные стандарты устанавливают минимальные значения радиусов изгиба для профилированных труб. Их допустимый размер во многом обусловлен способом загиба детали.

1. Если загиб производят нагреванием заготовки, или путем набивания её песком, радиус загиба должен составлять не менее 3,5 DN.
2. Загиб на гибочном оборудовании без нагрева возможен с минимальным радиусом 4 DN.
3. Если в технологическом процессе используется печной нагрев, допускается значение в 2,5 DN.
4. Важным условием гнутья является утончение стенок изделия в площади операции не более, чем на 15%.

Какая нагрузка действует на профильную трубу

Другой вопрос, как рассчитать размеры профильной трубы так, чтобы обойтись «малой кровью», купить подходящую по нагрузке трубу. Для изготовления перил, оградок, теплиц можно обойтись без расчетов. Но если вы строите навес, кровлю, козырек, без серьезных расчетов нагрузки не обойтись.

Каждый материал сопротивляется воздействию внешних нагрузок, и сталь – не исключение. Когда нагрузка на профильную трубу не превышает допустимых значений, то конструкция согнется, но выдержит нагрузку. Если вес груза убрать, профиль примет исходное положение. В случае превышения допустимых значений нагрузки труба деформируется и остается такой навсегда, либо разрывается в месте сгиба.

Чтобы исключить негативные последствия, при расчете профильной трубы учитывайте:

1. размеры и сечение (квадратное или прямоугольное);
2. напряжение конструкции;
3. прочность стали;
4. типы возможных нагрузок.

Методы и формулы для вычисления

Чтобы рассчитать прочность трубы профильной на изгиб необходимо определить максимальное напряжение на ту либо иную точку конструкции. Каждый вид материала, из которого изготавливается прокатная продукция, обладает индивидуальным показателем напряжения и точкой сопротивления. В учет берутся следующие параметры: вид проката, сечение, толщина стенки, общие характеристики. Владея такими данными, можно предположить, какие будут последствия от воздействия различных факторов, в том числе окружающей среды. При давлении на поперечную часть профтрубы напряжение создается даже в точках, которые удалены от нейтральной оси.

Получить данные можно разными способами:

• Берутся готовые показатели из строительных справочников и подставляются в формулу. Такие действия предусматривают выбор трубного проката в соответствии с указанными характеристиками, что позволяет делать самые точные подсчеты прогиба. ГОСТ 8639-82 (для изделий квадратного сечения) и ГОСТ 8645-68 (прямоугольного) регламентированы: момент инерции трубы (I), длину пролета (L), нагрузку (Q), модуль упругости в соответствии СНиП. Схемы вычислений индивидуальные и для каждого случая подбирается формула.
• Самостоятельно рассчитывается прочность на изгиб. В данном случае применим Закон Гука, который выражается формулой: Pизг = M/W, где Pизг — величина прочностного предела, M — изгибающий момент; W — сопротивление. Такие вычисления требуют дополнений: учитываются характеристики исходного материала, давления и т.д.
• При помощи калькулятора. В специальную расчетную таблицу вносятся исходные данные — длина пролета, нормативная и расчетная нагрузка, Fmax,количество изделий, расчетное сопротивление, параметры. После нажатия на клавишу «Рассчитать» выдается готовый результат.

Не стоит выполнять расчеты самостоятельно. Нужно уметь пользоваться ГОСТами, СНиПами и владеть сложной специфической техникой — сопроматом. При малейших неточностях в подсчетах не избежать серьезных последствий.

Проще применить один из калькуляторов для расчета нагрузки на профильную трубу:

Также полезно будет просмотреть видео:

Выбирая профильную трубу для несущих конструкций самостоятельно, заказчик понимает важность точных вычислений параметров и нагрузки. В этой статье мы попробуем разобраться, стоит ли экономить на расчетах.

Профильные трубы для высокой нагрузки

С приходом лета начинается строительный сезон для компаний, владельцев коттеджей, дачных участков. Кто-то строит беседку, теплицу или забор, другие люди перекрывают кровлю или возводят баню. И когда перед заказчиком возникает вопрос о несущих конструкциях, чаще выбор останавливается на профильной трубе из-за низкой стоимости и прочности на изгиб при малом весе.

Что нужно учитывать при расчетах

Приступая к монтажу постройки, необходимо ее начертить. Благодаря такому проекту каркаса, можно проводить определенные расчеты. Для этого нужно проставить точные размеры на чертеже, после чего провести вычисления, учитывая суммарное напряжение. Если все сделать точно, то сооружение будет надежным и безопасным.
Для точности и быстроты расчета нагрузки на профильную трубу можно воспользоваться калькулятором или программой SketchUP. (Скачать торрентом — Официальная русская версия! Разрядность: 64bit, Язык интерфейса: Русский, Таблетка: Присутствует)

Расчет будет правильным при соблюдении таких 3-ех условий:

1. Если в системе будут опоры и верхняя рама, в которых будут возникать механические (не электрические!) напряжения, то усилия будут распределяться между несколькими стояками, в зависимости от их соединения между собой.
2. Достаточно большая высота системы способна уменьшить несущую способность отдельных опор. Связано это с появлением крутящего момента в стояках.
3. Чтобы получить надежную металлоконструкцию большой высоты, нужно добавить дополнительные опоры. Благодаря ребрам жесткости, которыми будут связаны между собой стояки, механическое напряжение сможет распределиться более равномерно.

Классификация нагрузок на профильную трубу

Согласно СП 20.13330.2011 по времени действия выделяют следующие типы нагрузок:

1. постоянные, вес и давление которых не меняется со временем (вес частей здания, грунта и т.д.);
2. временные длительные (вес лестницы, котлов в коттедже, перегородок из гипсокартона);
3. кратковременные (снеговые и ветровые, вес людей, мебели, транспорт и т.д.);
4. особые (землетрясения, взрывы, удар машины и т.д).

К примеру, вы сооружаете навес во дворе участка и используете профильную трубу как несущую конструкцию. Тогда при расчете трубы учитывайте возможные нагрузки:

1. материал для навеса;
2. вес снега;
3. сильный ветер;
4. возможное столкновение автомобиля с опорой во время неудачной парковки во дворе.

Для этого воспользуйтесь СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия». В ней есть карты и правила, необходимые для правильного расчета нагрузки профиля.

Зачем это нужно

Зачем знать массу погонного метра профильного изделия?

1. При сооружении металлоконструкций одни элементы давят на другие собственным весом наряду с полезной нагрузкой. Скажем, каркас перегородки в промышленном здании создает нагрузку на балки, ферма моста – на колонны и так далее. Эту нагрузку нужно учитывать при расчете прочности конструкций.
2. Кроме того, прокат на металлобазах продается не метражом, а на вес, и его цена указывается за тонну. Чтобы пересчитать погонаж, рассчитанный при создании проекта, в заветные тонны, необходимо знать, сколь весит метр при том или ином сечении и толщине стенки.

Уточним: от марки стали точная масса тоже, разумеется, зависит; однако разница между разными марками настолько мала, что действующие ГОСТ ей пренебрегают. Плотность стали берется равной 7,85 т/м3.

Когда нужен расчет на прогиб? Попробуем объяснить на примере.

Представьте себе, что вы хотите соорудить в своем коттедже балкон с каркасом из профтрубы. Вылет балкона вам известен, предполагаемая нагрузка – тоже. Вот для того, чтобы подобрать оптимальное сечение профтрубы на роль несущих балок, вам и нужно знать метод расчета прочности на изгиб.

Максимальные нагрузки на профильную трубу

Некоторые читатели задаются вопросом: «Зачем делать такие сложные расчеты, если мне нужно сварить перила для крыльца». В таких случаях нет необходимости в сложных расчетах с учетом нюансов, так как можно прибегнуть к готовым решениям (таб. 1, 2).

Таблица 1. Нагрузка для профильной трубы квадратного сечения Размеры профиля, ммМаксимальная нагрузка, кг с учетом длины пролета1 метр2 метра3 метра4 метра5 метров6 метровТруба 40х40х2 Труба 40х40х3 Труба 50х50х2 Труба 50х50х3 Труба 60х60х2 Труба 60х60х3 Труба 80х80х3 Труба 100х100х3 Труба 100х100х4 Труба 120х120х4 Труба 140х140х4

Таблица 2. Нагрузка для профильной трубы прямоугольного сечения (рассчитывается по большей стороне) Размеры профиля, ммМаксимальная нагрузка, кг с учетом длины пролета1 метр2 метра3 метра4 метра5 метров6 метровТруба 50х25х2 Труба 60х40х3 Труба 80х40х2 Труба 80х40х3 Труба 80х60х3 Труба 100х50х4 Труба 120х80х3

Пользуясь готовыми расчетами, помните, что в таблицах 2 и 3 указана максимальная нагрузка, от воздействия которой труба согнется, но не сломается. При ликвидации нагрузки (прекращение сильного ветра) профиль вновь обретет первоначальное состояние. Превышение максимальной нагрузки даже на 1 кг ведет к деформации или разрушению конструкции, поэтому покупайте трубу с запасом прочности, в 2 – 3 раза превышающим предельное значение.

Масса

Простейший способ расчета сводится к использованию интернета: калькулятор расчета веса профильной трубы в зависимости от ее сечения и толщины стенки несложно найти на сайтах многих производителей и продавцов.

Один из онлайн-калькуляторов.

Однако мы не будем искать легких путей и постараемся найти альтернативные способы выполнения подсчетов своими руками. Собственно, их два.

Нормативные документы

Необходимые нам данные содержатся в отечественных стандартах:

1. ГОСТ 8645-68 содержит сортамент прямоугольных стальных труб.
2. Для квадратного сечения сортамент отыщется в ГОСТ 8639-82.

Полные таблицы слишком объемны для небольшой статьи, поэтому приведем лишь некоторые значения в качестве примера.

Некоторые значения, не вошедшие в наш список.

Обратите внимание: мы настоятельно рекомендуем ознакомиться с полным текстом документов. Как мы выясним далее, полная версия таблиц будет полезна в дальнейших расчетах.

Расчет по плотности

С некоторой погрешностью расчет веса профильной трубы может быть выполнен и без таблиц сортамента. Достаточно знать все основные размеры изделия и плотность стали, которая, как мы уже выяснили, при расчетах принимается равной 7850 кг/м3, или 7,85 г/см3.

Инструкция по расчету не вызовет сложностей у любого человека, помнящего основы геометрии.

1. Рассчитываем площадь поверхности погонного метра профтрубы. Она равна произведению периметра (суммы всех четырех сторон) и единицы.

Внимание: чтобы получить результат в тоннах без сложных пересчетов, лучше сразу перевести размеры в метры.

1. Умножаем площадь на толщину стенки и получаем объем металла в погонном метре.
2. Умножив объем на плотность стали, мы получим массу погонного метра.

Мысленно развернув профиль в плоскую пластину, несложно вычислить его объем и вес.

Давайте в качестве примера выполним расчет для прямоугольного сечения 180х150 при толщине стенки 12,0 мм.

1. Площадь будет равной (0,15 + 0,15 + 0,18 + 0,18) х 1 = 0,66 м2.
2. Объем – 0,66 м2 х 0,012 м= 0,00792м3.
3. Масса – 0,00792х7850= 62,172 кг.

Результат несколько отличается от прописанного в ГОСТ (55,71 кг) за счет того, что при разворачивании реальной профтрубы в плоскую заготовку мы получим заметное утончение там, где были ее продольные грани. Погрешность будет тем меньше, чем тоньше стенки и чем больше размер сечения.

Варианты расчета

Рассмотрим разные варианты расчета.

Как рассчитать нагрузку с помощью таблиц

С учетом различных параметров произведены общепринятые математические расчеты, которые сведены в единые таблицы.

Каждый желающий по стандартам и правилам может произвести расчет допустимой нагрузки по справочным общедоступным таблицам и выбрать вид металлического профиля.

Обратите внимание! Значения в справочных материалах получены учеными и расчетными бюро при использовании теории сопротивлений материалов и законов физики.

Методика расчета нагрузок на металлопрофиль по утвержденным таблицам более точна в связи с учетом в них:

• вида опор;
• наличия креплений;
• типа нагрузок.

В проектах используют данные справочных таблиц из документа СП 20.13330.2011.

В случаях, когда конструкция не имеет нагрузки, берутся значения из таблицы 1 утвержденного стандарта.

Например, для перильных или декоративных конструкций. Таблицы 2 и 3 содержат показатели максимальной нагрузки на трубный профиль, когда материал может деформироваться, но без разрыва и при прекращении воздействия металлический элемент примет исходную форму и состояние.

При увеличении максимальной нагрузки конструкция может сломаться или разрушиться.

Это важно! Рекомендуется приобретать стальные профили с запасом прочности минимум в 2 раза больше предельно допустимого.

Расчет по формуле максимального напряжения при изгибе профильной трубы

Расчет напряжения при изгибе вычисляется при помощи формулы:

где M – изгибающий момент силы, а W – сопротивление.

Согласно закону Гука сила упругости прямо пропорциональна величине деформации. Теперь подставляют значения для нужного профиля. Дальше формула уточняется и дополняется, исходя из характеристик стали для профильной трубы, нагрузки и т.д.

Что в первую очередь рассчитывают при помощи формул

Вычисляют многие параметры.

Чаще других ищут:

1. Допустимый уровень напряжения при изгибах. Используется формула Р= M/W, где Р – возможное напряжение при изгибе, М – значение изгибающего момента силы,W – механическое сопротивление.
2. Требуемое сечение стояка: F = N/R, где F – необходимая площадь сечения (см²), N – действующая масса (кг),R – значение сопротивления металла при деформациях, соответственно пределу текучести (кг/см²).

Применяем таблицы

При применении первого метода нужно сопоставление физических характеристик трубы, которая будет применяться для сооружения системы, с табличными данными. Для этого берут значения величин из таблиц 1 или 2, в зависимости от типа профиля.

Таблица 1. Нагрузки для стояков квадратного сечения

Таблица 2. Нагрузки для стояков прямоугольного сечения (для вычислений используют длинную сторону)

Эти таблицы имеют данные о максимально допустимых массах. При таком воздействии на профиль труба не разрушится, а лишь согнется.

Но стоит увеличить массу хотя бы на 0,5 кг, система может полностью деформироваться, что приведет к разрушению.

В связи с этим, на практике выбирается деталь прямоугольного или квадратного сечения, запас прочности которой был бы большим от минимального хотя бы в 2 раза.

Преимущества табличного метода

Табличный метод отличается высокой точностью. Для его применения нужно обладать информацией о видах опор, способах фиксации на них профилей, типах нагрузок.

Кроме этого, для полных расчетов нагрузок необходимо иметь данные о:

• моментах инерции профильной прямоугольной или квадратной трубы, значение которых можно взять из таблиц, начиная от сечений 15х15х1 5 и оканчивая 100х100х4 и выше;
• длине пролетов;
• величине тяжести на каждый стояк;
• коэффициентах модулей упругости (взять из СНиП).

Масса 1 м.п. профиля 15х15х1,5 составляет 0,606 кг. Исходя из этого, можно провести соответствующие вычисления.

После этого переходим к специальным формулам, то есть, к математическому методу. В соотношениях показано, как связаны между собой данные физические величины, как найти неизвестную величину, имея 2 или больше известных параметра и пр.

Использование Excel

Существует специальная программа в Excel комплексной проверки расчета стояков относительно устойчивости и прочности. Основу данной программы составляют данные ГОСТа 14249 89. С ее помощью можно вычислить максимальную нагрузку на круглую трубу, а также усилия общего характера на обечайку круглого сечения.

В интернете можно часто встретить такие вопросы: «Какую нагрузку выдерживает круглая труба длиной 3, 4, 6 метров? Как это вычислить с помощью онлайн калькулятора? Можно ли это сделать самостоятельно?»

На эти и другие вопросы постараемся дать подробный ответ. Лучшим объяснением будет практический расчет величины вертикальной нагрузки на круглую трубу. Для примера, возьмем вертикальный круглый стояк диаметром 57 мм длиной 3 метра (чаще всего используется для обустройства навесов, гаражей, иных сооружений) и вычислим, какую нагрузку труба сможет выдержать.

Какие данные нужны

Алгоритм работы с программой состоит в следующем:

1. Сначала нужно открыть ГОСТ 14249 89, из которого необходимо выписать первых 5 исходных значений. Для быстрого отыскания параметров воспользоваться примечаниями к каждой ячейке.
2. Заполнить ячейки D8, D9, D10, вписывая в них линейные параметры стояков.
3. В ячейки от D11 до D15 внести возможные нагрузки.

Онлайн калькулятор

Если Вашего материала нет в таблице, но Вам известно допускаемое напряжение при изгибе для этого материала, ведите его значение в это поле (кг/см2): Выберите схему крепления балки и нагрузки на неё

Введите параметры для расчёта