Нагрузка на профильную трубу: расчет, таблица

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.

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.

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.

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.

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.

Что получилось в результате

Нужно не только уметь пользоваться программой, но также уметь объяснить полученные результаты.

Необходимо сопоставить отношение действующей нагрузки к допускаемой: при получении числа, большего за единицу, труба – перегруженная. В противном случае – заданный вес стояк выдержит, при условии, что расчет нагрузки на трубу круглого сечения проведен правильно.

Что произойдет, если не рассчитать нагрузку?

1) Если на профильную трубу воздействует вес, который меньше максимально допустимого, то:

— труба не изменит своих параметров,

— труба изогнется, но только на период воздействия нагрузки.

2) Если на профильную трубу воздействует вес, который больше максимально допустимого, то:

— труба изогнется и не вернется в изначальное положение, если нагрузку убрать,

— труба изогнется и сломается, конструкция разрушится.