С опорами, стойками, колоннами, емкостями из стальных труб и обечаек мы сталкиваемся на каждом шагу. Область использования кольцевого трубного профиля неимоверно широка: от дачных водопроводов, столбиков заборов и опор козырьков до магистральных нефтепроводов и газопроводов, ...
... огромных колонн зданий и сооружений, корпусов самых разнообразных установок и резервуаров.
Труба, имея замкнутый контур, обладает одним очень важным преимуществом: она имеет значительно большую жесткость, чем открытые сечения швеллеров, уголков, С-профилей при одинаковых габаритных размерах. Это означает, что из труб конструкции получаются легче – их масса меньше!
Выполнить расчет трубы на прочность при приложенной осевой сжимающей нагрузке (довольно часто встречающаяся на практике схема) на первый взгляд довольно просто – поделил нагрузку на площадь сечения и сравнил полученные напряжения с допускаемыми. При растягивающей трубу силе этого будет достаточно. Но не в случае сжатия!
Есть понятие — «потеря общей устойчивости». Эту «потерю» следует проверить, чтобы избежать позднее серьезных потерь иного характера. Подробнее об общей устойчивости можете при желании почитать здесь. Специалисты – проектировщики и конструкторы об этом моменте хорошо осведомлены.
Но есть еще одна форма потери устойчивости, которую не многие проверяют – местная. Это когда жесткость стенки трубы «заканчивается» при приложении нагрузок раньше общей жесткости обечайки. Стенка как бы «подламывается» внутрь, при этом кольцевое сечение в этом месте локально значительно деформируется относительно исходных круговых форм.
Предложенная далее программа выполняет комплексный проверочный расчет трубы на прочность и устойчивость в Excel при воздействии внешних нагрузок и давлений на круглую обечайку.
Для справки: круглая обечайка – это лист, свернутый в цилиндр, кусок трубы без дна и крышки.
Расчет в Excel основан на материалах ГОСТ 14249-89 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. (Издание (апрель 2003 г.) с Поправкой (ИУС 2-97, 4-2005)).
Цилиндрическая обечайка. Расчет в Excel.
Работу программы рассмотрим на примере простого часто задаваемого в Интернете вопроса: «Сколько килограммов вертикальной нагрузки должна нести 3-х метровая стойка-опора из 57-ой трубы (Ст3)?»
Исходные данные:
Значения для первых 5-и исходных параметров следует взять в ГОСТ 14249-89. По примечаниям к ячейкам их легко найти в документе.
В ячейки D8 – D10 записываются размеры трубы.
В ячейки D11– D15 пользователем задаются нагрузки, действующие на трубу.
При приложении избыточного давления изнутри обечайки значение наружного избыточного давления следует задать равным нулю.
Аналогично, при задании избыточного давления снаружи трубы значение внутреннего избыточного давления следует принять равным нулю.
В рассматриваемом примере к трубе приложена только центральная осевая сжимающая сила.
Внимание!!! В примечаниях к ячейкам столбца «Значения» содержатся ссылки на соответствующие номера приложений, таблиц, чертежей, пунктов, формул ГОСТ 14249-89.
Результаты расчетов:
Программа вычисляет коэффициенты нагрузок – отношения действующих нагрузок к допускаемым. Если полученное значение коэффициента больше единицы, то это означает, что труба перегружена.
В принципе, пользователю достаточно видеть только последнюю строку расчетов – суммарный коэффициент общей нагрузки, который учитывает совместное влияние всех сил, момента и давления.
По нормам примененного ГОСТа труба ø57×3,5 из Ст3 длиной 3 метра при указанной схеме закрепления концов «способна нести» 4700 Н или 479,1 кг центрально приложенной вертикальной нагрузки с запасом ~2%.
Но стоит сместить нагрузку от оси на край сечения трубы – на 28,5 мм (что на практике может реально произойти), появится момент:
М=4700*0,0285=134 Нм
И программа выдаст результат превышения допустимых нагрузок на 10%:
kн=1,10
Не стоит пренебрегать запасом прочности и устойчивости!
Всё — расчет в Excel трубы на прочность и устойчивость закончен.
Заключение
Конечно, примененный стандарт устанавливает нормы и методы именно для элементов сосудов и аппаратов, но что нам мешает распространить эту методику на другие области? Если вы разобрались в теме, и запас, заложенный в ГОСТе, считаете чрезмерно большим для вашего случая – замените значение коэффициента запаса устойчивости ny с 2,4 на 1,0. Программа выполнит расчет вообще без учета какого-либо запаса.
Значение 2,4, применяемое для рабочих условий сосудов, может служить в иных ситуациях просто ориентиром.
С другой стороны — очевидно, что, рассчитанные по нормативам для сосудов и аппаратов, стойки из трубы будут работать сверхнадежно!
Предложенный расчет трубы на прочность в Excel отличается простотой и универсальностью. С помощью программы можно выполнить проверку и трубопровода, и сосуда, и стойки, и опоры – любой детали, изготовленной из стальной круглой трубы (обечайки).
Ссылка на скачивание файла: raschet-truby-na-prochnost-i-ustojchivost (xls 72,5KB).
Здравствуйте! Сейчас широко применяются профильные квадратные и прямоугольные трубы. В какой степени можно применять программу для расчета круглой трубы к этим трубам? Например, при вычислении гибкости каким-то образом подставить радиус инерции, сначала по оси х, потом по оси y.
Reply
Здравствуйте, Юрий!
Я ожидал подобных вопросов, когда писал статью...
Главное на мой взгляд достоинство программы в том, что она делает расчет МЕСТНОЙ устойчивости стенки трубы.
Посчитать общую устойчивость стержня любого сечения (в том числе и квадратных труб) не сложно (пример 1), а вот с местной устойчивостью всё гораздо сложнее (пример 2)...
Отвечу на Ваш вопрос так: лучше не применять ни в какой степени.
Квадратные и прямоугольные трубы следует считать по другим формулам.
Reply
Спасибо за полезную и интересную информацию!
Reply
Спасибо! Иногда приходится делать расчет.
Reply
Очень полезная статья для конструктора!
Я хоть техник-конструктор, но так и до сих пор не умею считать трубу на прочность.
Буду разбираться, спасибо.
Reply
Александр,
материал, представленный в блоге очень интересен.
Мой вопрос касается расчета трубы на прочность:
— возможно ли использовать данный расчет для трубки налива жидкости в разливочных аппаратах во флаконы?
Заранее, спасибо за ответ.
Reply
Марина, возможно.
Из текста статьи: «...примененный стандарт устанавливает нормы и методы именно для элементов сосудов...»
Reply
Добрый день !!!!!
Не очень разобрался как правильно рассчитать нагрузку на трубу.
Помогите пожалуйста.
L -6 метров
S- 10 мм
D-273
Какую допустимую нагрузку может нести такая стойка ?????
Reply
Здравствуйте.
Вы не указали в вопросе марку стали трубы, схему закрепления концов, вид и направления нагрузок...
В примечаниях к зеленым ячейкам исходных данных написано откуда брать эти значения...
В статье подробно рассказано что и как делать. Читайте внимательней.
Reply
А рассчитать прочность подходящего сплава для крепежа по чертежам возможно??? Хочу тут www.volat-spb.ru заказать крепеж и детали, если возьмутся...
Reply
Как допускаемые напряжения вы выбирали?
Reply
Из текста статьи:
«Значения для первых 5-и исходных параметров следует взять в ГОСТ 14249-89. По примечаниям к ячейкам их легко найти в документе.»
Reply
помогите рассчитать какой груз можно повесить. вертикальная труба диаметр 45 мм толщина стенки трубы 3мм труба закопана в землю и забетонирована на 50 см.высота трубы 2 метра в сторону еще один метр как виселица и на виселицу надо повесить груз .вопрос какой максимальный груз можно повесить???
Reply
Ни марки материала трубы..., ни узла соединения вертикальной стойки с горизонтальной... Диаметр 45 — наружный или внутренний?..
Данных недостаточно. (Лучше — эскиз или чертеж. У «виселиц» еще откос, как правило.)
Решение этой задачи можете легко выполнить в программе «Полюс».
Reply
Александр, добрый день!
Помогите пожалуйста. На работе озадачили вопросом, а я в этой области мало что знаю.
Необходимо рассчитать толщину стенки камеры высокого давления, работающей под давлением 1200Бар, внутренний диаметр 150мм. Материал изготовления Титан ВТ-5.
С уважением, Владимир
Reply
Владимир, здравствуйте.
Скачивайте файл, вводите свои данные в свело-зеленые и светло-голубые ячейки и получайте результаты в светло-желтых... В чем проблема?!
Reply
Благодарю!
Reply
Как рассчитать толщину металлическую трубу Диа.Наруж. 820мм х 10мм на прочность?
под автомобильную дорогу Дор.Одежда 77см, высота насып 2.23м
Благодарю!
Reply
Рисуете схему, определяете нагрузки и реакции опоры,открываете учебник по сопромату и считаете.
Reply
Добрый день, подскажите пожалуйста, изходя из чего в формуле берется приведенная длина(всегда ли коэффициент приведенной длины равен 2)?
Reply
Владимир, здравствуйте. Коэффициент приведенной длины равен 2, конечно, не всегда. В примечаниях к ячейкам в столбце D даны ссылки и пояснения, в частности, в D6: "ГОСТ 14249-89 Черт. 7 (0,5 <= μ <= 2 в зависимости от вида нагрузки и схемы закрепления концов)".
Reply