СПОСОБ ПЕРЕПРОФИЛИРОВАНИЯ КРУГЛОЙ ТРУБЫ В ПРЯМОУГОЛЬНУЮ
METHOD FOR RESHAPING A ROUND PIPE INTO A RECTANGULAR PIPE

Предлагаемое техническое решение относится к сфере обработки металла давлением, а также к области строительства, и может быть использовано в мостовых и подкрановых конструкциях, в несущих системах покрытий (перекрытий) различных зданий и сооружений.
Разработано технические решение, оформленное как способ изготовления овальных сварных прямолинейных труб, который осуществляется следующим образом. Круглую прямошовную трубу после формовки и сварки ориентируют по периметру сечения под определенным углом относительно малой оси овала (примерно 39°32'). После ориентации сварного шва круглая труба поступает в двухвалковый калибр, где происходит ее овализация с размерами малой оси около 440 мм и большой - 650 мм [Заранкин В.Н. Способ изготовления овальных сварных прямолинейных труб. - Авторское свидетельство №1466827, 23.03.1989, бюл. №11]. Такой способ обеспечивает расположение сварных швов в зонах минимальных напряжений изгиба овальных труб, форма сечений которых при этом отлична от профилей с наибольшей несущей способностью.
Известно техническое решение (принятое за первый аналог), представляющее из себя способ повышения несущей способности цилиндрической трубы на изгиб, который заключается в ее обжатии при нагреве до 600…650°C с образованием овального профиля, оптимизированного по критерию максимума несущей способности, коим является наибольший (максимальный) момент сопротивления [Нежданов К.К., Туманов В.А., Нежданов А.К., Рубликов С.Г. Способ повышения несущей способности цилиндрической трубы на изгиб. - Патент №2304479, 20.08.2007, бюл. №23]. Однако производство горячекатаного профиля овального сечения таким способом вызывает дополнительные затраты на повторный нагрев цилиндрической трубы из высококачественной стали с не менее качественной ее сваркой.
Известно еще одно техническое решение (принятое за второй аналог) в виде способа получения из цилиндрической трубы круглого профиля, работающей на изгиб, трубы овального профиля, оптимизированного по критерию максимума момента сопротивления и сплющенного раздачей трубы в холодном состоянии посредством домкратной системы изнутри между двух матриц [Нежданов К.К., Нежданов А.К., Жуков А.Н. Способ получения из цилиндрической трубы круглого профиля работающей на изгиб трубы овального профиля. - Патент №2460603, 20.04.2011, бюл. №11]. Суть отличительных признаков обоих аналогов заключается в том, что, если трубчатые профили имеют сечения овальной формы с отношением габаритов 1/2,99999≈1/3, то моменты сопротивления этих сечений максимальны, а профили с такими сечениями обладают наибольшими ресурсами несущей способности на изгиб. Основной недостаток аналогов заключается в сложной форме овальной трубы, поверхность которой характеризуется полным отсутствием плоских участков и таким же отсутствием участков постоянной кривизны. Такая характерность увеличивает сложности, как изготовления самой трубы, так и ее применения в стержневых или балочных конструкциях, что сопровождается определенным ростом затрат.
Наиболее близким техническим решением (принятым за прототип) к предлагаемому является способ перепрофилирования круглой трубы, включающий технологические операции по изменению поперечного сечения, в результате которых поперечному сечению трубы придают плоскоовальную форму с отношением габаритных размеров 1/3,064 [Марутян А.С. Способ перепрофилирования круглой трубы. - Патент №2623558, 27.06.2017, бюл. №18]. Форма плоскоовальной трубы по сравнению с овальным профилем несколько упростилась, поскольку ее поверхность включает пару параллельных плоских участков, соединенных парой полукольцевых участков постоянной кривизны. При замене пары полукольцевых участков парой параллельных плоских участков плоскоовальный профиль может еще упроститься и трансформироваться в квадратную трубу [Акопян К.Э., Колобов А.В., Селезнев М.С., Соминин М.А., Юсупов B.C. Производство электросварных стальных труб квадратного сечения. - Череповецкие чтения - 2014. Международный семинар «Проблемы черной металлургии - 2014. С. 140-146»] или прямоугольную трубу [Михайлов А.Г., Маслан Л.В., Бузик В.П., Белоцерковский М.С., Клементьев М.М., Скаченко Ю.Н., Бродский В.М. Устройство для перепрофилирования круглых труб в прямоугольные. - Авторское свидетельство №1438876, 23.11.1988, бюл. №43]. Для того чтобы прямоугольная труба обладала наибольшими ресурсами несущей способности на изгиб, ее необходимо дополнительно проработать и оптимизировать определенным образом.
Техническим результатом предлагаемого решения является увеличение несущих возможностей трубчатого профиля за счет роста прочностной характеристики на изгиб, упрощения формы поперечного сечения, снижения строительной высоты, уменьшения сложностей его изготовления и применения в стержневых или балочных конструкциях, а также сокращения затрат на них.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе перепрофилирования круглой трубы, включающем технологические операции по изменению поперечного сечения, получают трубу с поперечным сечением прямоугольной формы с отношением сторон 1/3 не по наружной, но по средней (срединной) линии этого сечения.
Предлагаемое техническое решение заключается в перепрофилировании трубчатых профилей круглой формы посредством технологических операций из прототипа с заменой плоскоовальной формы сечений, характеризующейся отношением габаритов 1/3,064 на прямоугольную форму с отношением сторон 1/3 по средней линии этих сечений.
Предлагаемое техническое решение поясняется графическими материалами, где на
фиг. 1 показана расчетная схема поперечного сечения прямоугольной трубы;
фиг. 2 приведен снимок среза разнокалиберных прямоугольных труб;
фиг. 3 изображен поперечный разрез прямоугольной трубы, обжатой валками с четырех сторон;
фиг. 4 представлены графики изменений статических (геометрических) характеристик сечений прямоугольных труб в зависимости от увеличения отношений их габаритов.
x
y
2
3
Для вывода приведенного отношения сторон поперечного сечения прямоугольной трубы и количественной оценки ее несущей способности целесообразно рассчитать моменты инерции сечения I и I относительно главных центральных осей, а также площадь сечения А. Такое сечение можно считать составным из четырех прямоугольных участков: двух горизонтальных граней (полок) и двух вертикальных граней (стенок). Расчетные выкладки при этом допустимо выполнять по средней линии тонкостенного сечения без учета численных величин, содержащих значения толщины, возведенной во вторую и третью степень (t, t), а также без учета угловых закруглений [Марутян А.С. Оптимизация конструкций из трубчатых (гнутосварных) профилей квадратных (прямоугольных) и ромбических сечений. - Строительная механика и расчет сооружений, 2016, №1. - С. 30-38].
При вычислении осевых моментов инерции сечения прямоугольной трубы можно воспользоваться правилом параллельного переноса осей и после соответствующих преобразований получить расчетные формулы в следующем виде:
где значение большей стороны, коей является высота стенки, V заменено его соотношением с меньшей стороной, коей является ширина полки, U, то есть V=U/n, a t - толщина прямоугольной трубы.
Площадь поперечного сечения тонкостенного прямоугольного профиля допустимо рассчитать по длине средней линии:
А=2Ut(1+1/n).
Радиусы инерции сечения:
Моменты сопротивления сечения:
Полученные расчетные формулы необходимо протестировать, так как для их вывода использована средняя линия поперечного сечения прямоугольной трубы. Кроме того, моменты сопротивления сечения относительно осей х-х и у-у рассчитаны на уровнях той же средней линии. Тестовый расчет целесообразно выполнить на базе 13 наиболее крупнокалиберных и толстостенных прямоугольных труб (замкнутых гнутосварных профилей) из сортамента стальных ферм покрытий типа «Молодечно» [Металлические конструкции. В 3 т. Т. 1. Общая часть. (Справочник проектировщика) / Под ред. В.В. Кузнецова (ЦНИИпроектстальконструкция им. Н.П. Мельникова) - М.: изд-во АСВ, 1998. - С. 135-136], а его основные итоги нагляднее представить в табличной форме. Как видно из таблицы 1, полученные расчетные формулы достаточно корректны для продолжения численных выкладок с их применением.
Если для продолжения расчетных выкладок в качестве исходных данных принять площадь сечения A=const и толщину t=const штрипса (листовой заготовки), то параметры сечения можно переписать в следующем виде:
x
x
Чтобы найти экстремальное значение момента сопротивления сечения W его формулу необходимо продифференцировать по переменной n и, приравняв к нулю производную (dW/dn=0), получить уравнение второй степени
2
n+0,6666666n-0,3333333=0
с корнями
1
2
n= -0,9999999; n = 0,3333333.
Из этих корней практический интерес представляет второй, значение которого можно округлить до
n=0,3333333≈1/3
и получить тем самым приведенное отношение.
При n=U/V=1/3 трубчатый профиль прямоугольного сечения имеет следующие параметры:
Оптимизированное таким образом сечение прямоугольной трубы (предлагаемое решение) интересно сопоставить с оптимизированными сечениями овальной трубы (первый и второй аналоги), плоскоовальной трубы (прототип) и полуплоскоовальной трубы [Марутян А.С. Полуплоскоовальная профильная труба. - Патент №2669410, 11.10.2018, бюл. №29]. Из сравнения расчетных параметров, приведенных в таблице 2, очевидно, что прямоугольная труба имеет наибольшее значение момента сопротивления в силовой плоскости несущей конструкции, уступая при этом по строительной высоте только полуплоскоовальному профилю.
x
x
x
4
3
Практическую реализацию предлагаемого технического решения можно показать на примере 5-метрового прогона из прямоугольной трубы сечением 166×90×3 мм (I=563 см, W=67,8 см, i=6,08 см) [Брудка Я., Лубиньски М. Легкие стальные конструкции. - М.: Стройиздат, 1974. - С. 201-202]:
при погрешности 100(563,3 - 563)/(563,3…563)=0,0533%.
Если применить ту же листовую заготовку (штрипс), то прямоугольная труба по предлагаемому решению будет иметь следующие параметры:
где два значения одного и того же момента сопротивления позволяют сравнить их в качестве своего рода контрольной проверки, погрешность которой составляет 100(70,31-69,91)/(70,31…69,91)=0,569…0,572%.
Приведенные расчетные выкладки показывают, что прямоугольная труба по предлагаемому решению имеет сечение 190,5×65,5×3 мм, у которого в силовой плоскости момент инерции увеличился в 655,4/563=1,164 раза, момент сопротивления - в 69,91/67,8=1,031 раза, а строительная высота - в 190,5/166=1,148 раза. Полученные результаты можно признать достаточно перспективными для дальнейших проработок нового решения в практике проектирования легких металлических конструкций зданий и сооружений.
В отечественной и зарубежной практике строительства прямоугольные трубы имеют массовое применение. В сортаментах некоторая часть таких труб выделяется отношением своих размеров по ширине и высоте 1/3, определяемым не по средним (срединным) линиям их поперечных сечений, но по наружным. Количественно оценить расчетные параметры прямоугольных труб с отношением размеров по ширине и высоте 1/3 по наружным и средним линям их сечений можно на примере сортамента ГОСТ 8645-68. После уточнения разницы отношений размеров по наружным и средним линиям каждый из выбранных профилей стандартного сортамента условно перепрофилирован так, что отношения размеров по средним линиям равны 1/3, а отношения размеров по наружным линиям отличны от 1/3. Тогда вполне применимы расчетные формулы, полученные при оптимизации прямоугольных труб на изгиб. Для большей наглядности расчетных выкладок их можно показать в табличной форме, где значения наружных размеров оптимизированных профилей округлены с точностью до 0,1 мм. Как видно из таблицы 3, значения прочностной характеристики, коей является момент сопротивления сечения, увеличились на 3,6…13%, а по высоте после оптимизации трубчатые профили стали на 3,9…12% компактнее.
Полученные результаты расчетных выкладок и их сравнения позволяют заключить, что стандартные профили прямоугольной формы с отношением сторон 1/3 по наружным линиям их сечений имеют прочностные характеристики (моменты сопротивления сечения), заниженные по сравнению с предлагаемым техническим решением, в соответствии с которым такие же по форме профили имеют отношение сторон 1/3 по средним линиям их сечений. Кроме того, у профилей по предлагаемому решению большая сторона более компактна, чем у стандартных. Если эта сторона расположена вертикально, то ее компактность может иметь весьма существенное практическое значение, определяющее размеры строительных высот несущих конструкций, что делает положительный эффект от нового технического решения более существенным. Тем более что в современной технологии трубопроката применяется высококачественная гальванизированная сталь и не менее качественная ее сварка, позволяющие повторный нагрев круглых труб либо их холодное деформирование для перепрофилирования по мере поступления очередного заказа [Павлова И.Г. Анализ развития и производства профилей стальных гнутых замкнутых сварных для строительных металлоконструкций. - Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры, 2018, №6. -С.45-51]. При этом для достижения максимальной эффективности целесообразно учитывать расчетные параметры трубчатых профилей по средним линиям их сечений. С введением в практику строительства Свода правил по проектированию сталежелезобетонных конструкций положительный эффект от предлагаемого технического решения может оказаться более емким, поскольку весьма значительную часть из общего объема таких конструкций составляют трубобетонные каркасы, оказывающие силовое сопротивление изгибу от внешних нагрузок и воздействий.