Расчет профильной трубы на прогиб

Выполняем расчеты на прогиб трубы самостоятельно

В промышленном и частном строительстве распространены профильные трубы. Из них конструируют хозяйственные постройки, гаражи, теплицы, беседки. Конструкции бывают как классически прямоугольными, так и витиеватыми. Поэтому важно правильно сделать расчет трубы на изгиб. Это позволит сохранить форму и обеспечить конструкции прочность, долговечность.

Свойства сгибаемого металла

Металл имеет свою точку сопротивления, как максимальную, так и минимальную.

Максимальная нагрузка на конструкцию приводит к деформациям, ненужным изгибам и даже изломам. При расчетах обращаем внимание на вид трубы, сечение, размеры, плотность, общие характеристики. Благодаря этим данным известно, как поведет себя материал под воздействием факторов окружающей среды.

Учитываем, что при давлении на поперечную часть трубы напряжение возникает даже в точках, удаленных от нейтральной оси. Зоной наиболее касательного напряжения будет та, которая располагается вблизи нейтральной оси.

Во время сгибания внутренние слои в согнутых углах сжимаются, уменьшаются в размерах, а наружные слои растягиваются, удлиняются, но средние слои сохраняют и после окончания процесса первоначальные размеры.

Как сделать правильные расчеты

Расчет профильной трубы на прогиб – это определение степени максимального напряжения на конкретную точку трубы.

У каждого материала существуют показатели нормального напряжения. Они не влияют на само изделие. Чтобы правильно сделать расчеты, следует применить специальную формулу. Нужно следить за тем, чтобы показатели не превышали максимально допустимые значения. По закону Гука возникающая сила упругости прямо пропорциональна деформации.

При расчете изгиба необходимо также применять и формулу напряжения, которая выглядит как М/W, где М – показатель изгиба по оси, на которую и приходится усилие, а вот W – это показатель сопротивления изгиба по этой же оси.

Технологический процесс изгиба

Гнутье создает в стенках металла определенную степень напряжения. На наружном участке получается растягивающее напряжение, а на внутреннем – сжимающее. Благодаря этим воздействиям изменяется наклон оси.

В процессе изгиба на согнутом месте меняется форма поперечного сечения. В результате кольцевой профиль приобретает овальную форму. Более четкая форма овала просматривается на середине прогиба, а вот к концу и к началу деформация понижается.

Для труб с сечением до 20 мм овальность в деформированном месте не должна превышать 15 %. Для труб с сечением 20 и больше – 12,5%.

Обратить внимание следует на то, что на вогнутом месте у тонкостенной продукции могут возникнуть складки. Они, в свою очередь, негативно сказываются на функционировании системы (снижают проходимость рабочей среды, повышают уровень гидравлического сопротивления, степень засорения).

Допустимые радиусы сгиба трубы

Согласно государственным стандартам трубы имеют минимальный радиус изгиба.

Если сгибание осуществляется путем нагревания и набивкой песком, наружный диаметр трубы составляет не менее 3,5DN.

Формирование трубы на трубогибочном станке (без нагрева) – не менее 4DN.

Сгиб при нагреве газовой горелкой или в печи для получения наполовину рифленых складок возможен при показателе в 2,5DN.

Если сгиб предусматривается крутой (для согнутых канализационных отводов, изготовленных путем горячей протяжки или же способом штамповки) – не меньше 1DN.

Сгиб трубы может быть меньше указанных показателей. Однако это возможно в том случае, если метод производства гарантирует, что стенки трубы утончатся на 15% от общей толщины.

Расчет на прочность при изгибе трубы выполняем ответственно.

Формулы и таблицы

Чтобы сделать расчет трубы на прогиб, определяем длину детали. Она высчитывается по данной формуле:

R – это радиус изгиба в мм;

α – величина угла;

І – прямой участок в 100/300, необходимый для захвата изделия (в работе с инструментом).

Осуществляя расчет на изгиб профильной трубы, учитываем размер сгибаемого элемента. Он определяется по следующей формуле:

Значение числа π = 3,14;

α – угол изгиба в градусах;

R – величина радиуса (значение в расчет берется в мм);

DH – диаметр по внешней стороне трубы.

Минимальные радиусы сгиба для медных и латунных изделий поданы в таблице. Данные соответствуют Гостам №494/90 и №617/90. Кроме того, здесь также поданы величины по внешнему диаметру, минимальная длина статично свободной части.

Сделать расчет круглой трубы на изгиб поможет следующая таблица. Она включает данные, относящиеся к стальным аналогам (показатели соответствуют ГоСТ № 3262/75).

Чтобы не ошибиться в расчетах, следует также учесть диаметр, толщину стенок труб.

Сгиб трубы своими руками

Если осуществляется сгиб своими руками, поможет расчет трубы на изгиб, формула которого проста и универсальна (это 5 диаметров трубы).

Рассчитаем изгиб на детали с сечением в 1,6 см.

1-ый шаг: нужно четко представлять, какая окружность получится в результате (для правильного изгиба нужна одна четвертая окружности).

2-ой шаг: определяем радиус – 16 умножаем на 5. Результат – 80 мм.

3-ий шаг: вычисление начальных точек для изгиба. Для этого используется формула C=2π∙R:4. Величина С – это та длина трубы, которая будет использоваться в работе. Используется два числа пи, а также показатель наружного радиуса трубы.

4-ый шаг: величины заменяются известными данными: 2∙14∙80:4. В результате получим 125 мм. Это и будет длина участка, на котором минимальный радиус изгиба составит 80 мм.

Если с формулами работать не получается, делаем расчет профильной трубы на прогиб, используя калькулятор (специальную программу несложно найти в Интернете).

В работе с трубами рекомендуется также использовать специальный трубогиб. Это ручное приспособление маленького размера упрощает монтаж.

Различают несколько видов такого инструмента. Сегментное приспособление для изгиба предусматривает работу по основаниям особых шаблонов. Их форма уже рассчитана под определенный диаметр и форму сгиба. Инструмент помогает видоизменять трубы до 180˚.

Дорновое оборудование имеет сегмент, который перемещается внутри будущего изделия. Благодаря этому предотвращается деформация, открывается доступ сразу к нескольким участкам.

Какой бы вид инструмента не использовался, помним, что залогом успешного монтажа являются точные, неоднократно проверенные расчеты.

Как правильно производить расчет профильной трубы на прогиб?

Доброго времени суток! Расчет профильных труб на прогиб проводится с использованием простой формулы: M/W, где М – это изгибающий момент силы, а W – это сопротивление. Суть его проведения проста. В данном случае действует закон Гука: сила упругости имеет прямопропорциональную зависимость от деформации. Поэтому, зная степень деформации и максимальное значение напряжения для данного материала, можно подобрать нужный вам параметр.

Рисунок 1. Расчетные сопротивления основного металла строительных конструкций.

Итак, М=FL, где F – деформация, выраженная в килограммах, а L – это плечо силы, выраженное в сантиметрах. Плечо – это расстояние от точки крепления до точки приложения силы.

Также необходимо определить максимальную прочность (R), например, для стали Ст3 она равна 2100 кг/квадратный сантиметр.

Теперь для дальнейшего расчета преобразуем выражение и получим: R=FL/W, еще раз преобразуем и получим: FL=RW, откуда F=RW/L. Поскольку нам известны параметры, кроме W, то только его и остается найти. Для этого необходимы параметры профильной трубы, то есть а – это внешняя ширина, а1 – внутренняя, в – внешняя высота, в1 – внутренняя, а также правильно подставить их в равенства для нахождения неизвестного значения для разных осей: Wx = (ва^3 – в1(а1)^3)/6а, Wy = (aв^3- a1(в1)^3)/6в.

Если же изделие имеет квадратное сечение, то формула становится еще проще, так как теперь показатель W в обоих направлениях (по горизонтали и вертикали) будет одинаковым, да и само равенство упростится, так как длина и ширина профиля тоже одинаковы.

По данным равенствам расчеты можно сделать, используя обычный калькулятор. Значения для максимальных нагрузок являются справочным материалом, поэтому найти их в интернете не составит труда. На рис. 1 представлена небольшая такая таблица. В ней вы найдете необходимые цифры для разных видов стали на прогиб, растяжение и сжатие – может пригодиться.

Расчет прямоугольной трубы на изгиб

Прямоугольная труба относится к профильным изделиям, которые, на сегодняшний момент используются не только в промышленном строительстве, но и в бытовом. Из подобных труб на собственном участке можно построить гараж, беседку навез. С профильной трубой очень любят работать сотрудники рекламной отрасли, которые изготавливают из таких труб заготовки для рекламных щитов и коробов.

Прямоугольные трубы выдерживают большие нагрузки, в том числе и динамические, устойчивы к коррозии. Именно поэтому они получили такое широкое распространение. Однако, чтобы правильно и, главное, безопасно использовать профильную трубу в строительстве, вне зависимости от масштабов такого строительства, необходимо уметь рассчитывать нагрузку на описываемые изделия, знать, какой изгиб может выдержать труба, не лопнув.

Что представляет собой прямоугольная труба?

Прямоугольная металлическая труба представляет собой металлическое изделие длиной в несколько метров. Прямоугольная труба имеет сечение соответствующей формы. Его площадь может быть самой разной. Все параметры таких труб регулируются специальными ГОСТами – документами, исходящими от государства. Требование того, чтобы все габариты соответствовали ГОСТам, связано со следующим:

• труба, произведенная по ГОСТу, будет соответствовать требованиям безопасности. Если труба изготовлена в кустарных условиях, то есть вероятность, что пропорции не соответствуют требованиям безопасности. Есть опасность, что изделие не выдержит нагрузок и станет причиной обрушения конструкции;
• при расчете нагрузок на трубу, не требуется измерять каждое конкретное изделие. Его параметры установлены ГОСТом, следовательно, можно брать данные из данного документа.

Изделия изготавливаются из различных видов стали. Некоторые марки стали не требуют дополнительной обработки. Это, например, так называемая, нержавейка. Сталь, которая боится коррозии, должна быть обработана специальными растворами или краской.

Строения из профильной трубы

Выше упоминалось, что из прямоугольных труб можно изготавливать самые разные металлоконструкции.

Изготавливая конструкцию из металлического профиля, необходимо особое внимание уделить расчетам. Правильные расчеты обеспечат надежность строения.

Если говорить о легких конструкциях, на которые не воздействуют небольшие нагрузки, то здесь расчеты, безусловно, должны быть произведены, но, даже если в них будут какие-либо ошибки, то это не критично. Нельзя допускать ошибок при расчетах нагрузок, в том числе, связанных с изгибом труб, если сооружаются серьезные здания.

Сопротивление материала

Каждый материал имеет точку сопротивления. Этому учат в учебных заведениях технического направления. При достижении указанной точки, материал может лопнуть, а конструкция, соответственно, рассыпаться. Таким образом, когда рассчитывается надежность какой-либо строительной конструкции, учитывается не только то, каковы габариты элементов конструкции, а также и то, из какого материала они сделаны, каковы особенности данного материала, какую нагрузку при изгибе он сможет выдержать. Учитываются и условия окружающей среды, в которых будет находиться конструкция.

Расчет на прочность осуществляется по нормальному напряжению. Это связано с тем, что напряжение распространяется по поверхности прямоугольной трубы неравномерно. В точке оказания давления и на краях трубы оно будет разным. Это необходимо понимать и учитывать.

Стоит добавить, что профильные трубы могут проверяться на изгиб и на практике. Для этого существует специальное оборудование. В нем труба изгибается, фиксируется её напряжение. Отмечается напряжение, при котором труба разрывается.

Необходимость практических экспериментов связана со следующим:

• на практике могут иметь место отступления от ГОСТов. Если строение масштабное, то не следует доверять цифрам. Все необходимо проверить опытным путем;
• в случае, если трубы произведены не в заводских условиях, например, сварены из металлического уголка, то, исходя из теоретических расчетов, нельзя понять, какое напряжение при изгибе выдержит труба.

Как узнать правильность расчетов?

Каждый материал, в том числе и металл, из которого изготавливаются прямоугольные трубы, имеет показатель нормального напряжения. Напряжение, возникающее на практике, не должно превышать данный показатель. Необходимо также учитывать, что сила упругости тем меньше, чем большие нагрузки воздействуют на трубу.

Помимо этого, нужно учитывать и формулу M/W. Где изгибающий момент оси действует на сопротивление изгибу.

Для получения более точных расчетов, изображается эпюра, то есть изображение детали, максимально отражающее особенности данной детали, в данном случае, прямоугольной трубы.

Самое главное

При расчете сопротивления профильной трубы при изгибе, необходимо пользоваться достижениями такой науки, как сопротивление материалов. Какие выводы из этого можно сделать? А вывод простой: все расчеты должны осуществлять профессионалы, которые отлично разбираются в сопротивлении материалов, которые не допустят ошибок.

Экономия на привлечении специалиста к расчетам может, позже, выйти боком. Сооружение просто-напросто может рассыпаться.

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.

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.

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).

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.

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 – 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.