Квадратні труби та круглі труби є двома найпоширенішими порожнистими сталевими профілями, і питання про те, що міцніше, не має однозначної відповіді, оскільки міцність визначається навантаженням, а не формою. Круглий перетин ефективніше протистоїть скрученню та різно{1}}згинанням і забезпечує найбільший радіус обертання для певної області, тоді як квадратний порожнистий перетин пропонує плоскі поверхні для з’єднань і передбачуваної поведінки в ортогональних рамах. У наведеному нижче порівнянні розглядаються властивості секцій, вигин, кручення, вигин і з’єднання, щоб вибір можна було зробити на основі технічних даних.
Як вимірюється міцність труб
Місткість труби під навантаженням визначається трьома властивостями перетину.
Момент інерції (I): опір вигину, оцінений щодо кожної головної осі.
Модуль перетину (S): напруга згину на одиницю моменту, рівна I, поділена на відстань від нейтральної осі до крайнього волокна.
Полярний момент інерції (J): опір скрученню та основа постійної кручення, яка використовується в розрахунках скручування.
Для тієї самої маси на метр форма, яка розміщує матеріал далі від осі, забезпечує більшу жорсткість і меншу напругу на вигин. Ось чому геометрія, а не лише марка сталі, визначає вантажопідйомність. Корисною четвертою величиною є радіус обертання, який поєднує площу та момент інерції та контролює навантаження Ейлера на вигин колони.
Кругла труба: однакова поведінка в усіх напрямках
Кругла труба, що поставляється відповідно до ASTM A53, ASTM A106 або API 5L, має однакові властивості перерізу навколо кожної осі, і ця однорідність є її перевагою.
Кручення: замкнута кругла ділянка рівномірно розподіляє напругу зсуву навколо стіни та забезпечує найвищу ефективність кручення на одиницю маси.
Багато-направлене згинання: круглий елемент поводиться однаково незалежно від того, звідки надходить навантаження, що підходить для елементів, навантаження яких не повністю визначено на етапі проектування.
Дія колони: для заданої площі поперечного-перерізу коло створює найбільший радіус повороту, що збільшує навантаження Ейлера на вигин під час осьового стиснення.
Компроміс -з’являється на кінцях, оскільки круглі секції потребують плоских пластин, затискачів або профільованих з’єднань для зустрічі з сусідніми елементами, що коштує більше деталей, різання та зварювання.
Квадратні та прямокутні HSS: плоскі грані, створені для обрамлення
Квадратні та прямокутні порожнисті конструкційні секції, виготовлені відповідно до стандартів ASTM A500 або EN 10219, зосереджують матеріал у кутах, які є найжорсткішими ділянками при вигині та природному шляху навантаження між суміжними елементами.
Плоскі поверхні дозволяють здійснювати пряме болтове кріплення, зварювання до косинкових пластин і прості торцеві з’єднання без профілювання.
Квадратний переріз має однакові властивості на згин навколо обох головних осей, що підходить для колон і балок в ортогональних сітках.
Місцеве вигин під час стиснення регулюється співвідношенням ширини-до-товщини плоских стінок, і секції з компактними пропорціями можуть розвинути свій повний пластичний момент.
Відомими слабкими сторонами є концентрація напруги в кутах під час кручення, нижча жорсткість на кручення, ніж у круглого профілю такої ж маси, і утримання води на горизонтальних поверхнях, що вимагає дренажу або герметизації деталей у відкритих роботах.
Порівняння--голови за варіантом навантаження
| Випадок навантаження | Кругла труба | Квадратний або прямокутний HSS |
|---|---|---|
| Кручення | Найкращий рівномірний розподіл зсуву | Слабші кутові концентрації напруги |
| Згинання навколо однієї осі | добре | Краще, коли плоскі грані сидять на крайніх волокнах |
| Згинання навколо обох осей | Рівні в усіх напрямках | Рівне для квадрата, нерівно для прямокутника |
| Осьовий стиск, колона | Більший радіус обертання для тієї самої площі | Трохи менший радіус обертання для тієї ж площі |
| Зв'язки | Потрібні профільовані торці або плоскі пластини | Пряме болтове з’єднання та зварювання плоских поверхонь |
| Корозія та дренаж | Немає рівної поверхні для уловлювання води | На горизонтальних поверхнях можна скупчувати воду |
Сорт і товщина стінок часто мають більше значення, ніж форма
Основний матеріал задає стелю для обох форм. Порожнисті секції ASTM A500 Grade C мають мінімальну межу текучості 50 ksi, що еквівалентно 345 МПа, тоді як труби ASTM A53 Grade B визначають 35 ksi, або 240 МПа. Кругла труба, виготовлена з вищого класу міцності, може легко -нести квадратний переріз м’якої конструкційної сталі такої ж маси. Товщина стінки має подібний ефект, тому що важча стінка підвищує як модуль перетину, так і локальний опір вигину плоских поверхонь. Таким чином, будь-яке чесне порівняння фіксує спочатку сорт і стіну, а потім форму.
Вибір правильного перерізу для варіанту навантаження
Вибирайте круглу трубу для валів, торсіонних елементів, кнехтів, поручнів, паль і будь-яких елементів, навантажених з непередбачуваних напрямків.
Вибирайте квадратні або прямокутні HSS для будівельних каркасів, ферм, колон на ортогональній сітці, баз машин і зварних вузлів, де простота з’єднання обумовлює вартість.
Для колони, навантаженої виключно осьовим стисненням із закріпленими кінцями, кругла труба зазвичай дає вищу пропускну здатність для тієї самої маси через більший радіус обертання.
Для балки з домінуючим вертикальним навантаженням і простими торцевими з’єднаннями, прямокутний HSS з його глибиною, орієнтованою вертикально, зазвичай забезпечує кращий модуль перетину.
Якщо рама змішує обидві форми, спроектуйте перехід за допомогою вставної пластини або готової фурнітури, а не змушуйте невідповідне пряме зварювання.
Практичні закупівлі слідують тій же логіці. Вкажіть стандарт, сорт, номінальні розміри та товщину стінки, а потім підтвердьте, що надані сертифікати стану відповідають цим значенням, оскільки різниця між сумісною та невідповідною секцією часто вимірюється десятими частками міліметра стінки.
Часті запитання
Q: Що міцніше, квадратна труба чи кругла труба?
Жоден з них не є універсально сильнішим. Кругла труба ефективніше протистоїть крученню та всенаправленому згину та має більший радіус обертання для навантаження на колону, тоді як квадратна HSS пропонує кращі властивості для згинання по одній-осьі та набагато простіші з’єднання.
Питання: Чому кругла труба краще піддається крученню?
Круговий переріз рівномірно розподіляє напругу зсуву навколо стіни та має найвищу постійну кручення на одиницю площі поперечного-перерізу. Квадратні секції концентрують напругу в кутах, які спочатку деформуються під час скручування.
З: Квадратна труба міцніша за круглу такої ж ваги?
Для осьового стиснення це не так, тому що круглий переріз має більший радіус обертання для тієї самої площі і, отже, вигинається при більшому навантаженні. Для згинання по одній-осьі з плоским-з’єднанням поверхонь квадратний переріз може бути більш ефективним.
З: Які стандарти охоплюють кожну форму?
Круглі труби зазвичай постачаються відповідно до ASTM A53, ASTM A106 або API 5L, а квадратні або прямокутні порожнисті профілі — відповідно до ASTM A500 або EN 10219. Перед оцінкою пропускної здатності потрібно порівняти межу текучості марки.
З: Кут квадратної труби послаблює її?
Кути концентрують напругу під час кручення і можуть стати точкою ініціації втоми, але при згині вони є найжорсткішою частиною секції і працюють на користь члена.
Q: Чи можна змішувати квадратні та круглі секції в одній структурі?
Так, і це поширена практика: кругла труба для стійок і торсіонів, квадратна HSS для балок і розкосів, з косинками або фабричними переходами на стиках.
