СПОСОБ ПЕРЕПРОФИЛИРОВАНИЯ КРУГЛОЙ ТРУБЫ В ШЕСТИУГОЛЬНУЮ РАВНОКАТЕТНУЮ
METHOD FOR REPROFILING A ROUND PIPE INTO A HEXAGONAL PIPE WITH EQUAL SIDES

Предлагаемое техническое решение относится к сфере обработки металла давлением, а также к области строительства и может быть использовано в мостовых и подкрановых конструкциях, каркасах, 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, 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 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 решений 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.
Продолжением представленного ряда известных технических решений 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.
За аналог можно принять известное решение, заключающееся в еще одном способе перепрофилирования круглой трубы в прямоугольную с отношением сторон 1/3 по средней линии ее расчетного сечения [Марутян А.С. Способ перепрофилирования круглой трубы в прямоугольную // Патент №2756683, 04.10.2021, бюл. №28]. Такое решение имеет недостаток, характерный для всех трубчатых профилей квадратной или прямоугольной формы сечения, представляющий собой полное отсутствие между полками и стенками наклонных граней, что ограничивает их конструктивно-компоновочные возможности.
Наиболее близким техническим решением (принятым за прототип) к предлагаемому является шестиугольная профильная труба, включающая пару равновысоких стенок и две пары равноразмерных наклонных граней, образующих со стенками углы в 135°, а между собой - углы в 90° [Wu Xu, Lin-Hai Han, Wei Li. Seismic performance of concrete-encased column base for hexagonal concrete-filled steel tube: experimental study // Journal of Constructional Steel Research 121 (2016) 107170 352-369]. Трубчатый профиль прототипа имеет в поперечном сечении форму неправильного шестиугольника, поскольку при одинаковых размерах его стенок и граней разнятся его углы. За счет разницы углов такой профиль развит в направлении наибольшей жесткости, как правило, совпадающем с силовой плоскостью несущей конструкции. Для того чтобы он обладал наибольшими ресурсами несущей способности на изгиб, его целесообразно дополнительно проработать и оптимизировать по примеру технического решения из аналога. При этом наличие в поперечном сечении шестиугольной профильной трубы по техническому решению из прототипа прямых углов между равноразмерными гранями (катетами) позволяет для большей определенности маркировать ее равнокатетной.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение несущей способности трубчатого профиля за счет увеличения расчетного параметра, определяющего прочность на изгиб.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе перепрофилирования круглой трубы, включающем технологические операции по изменению поперечного сечения, получают трубу с поперечным сечением шестиугольной формы из пары равновысоких стенок и двух пар равноразмерных наклонных граней. Наклонные грани образуют со стенками углы в 135°, а между собой - углы в 90°. Отношение габаритных размеров ширины и высоты сечения составляет 1/6,79 по средней линии этого сечения.
Предлагаемое техническое решение заключается в перепрофилировании трубчатых профилей круглой формы посредством технологических операций из аналога с заменой прямоугольной формы сечений, характеризующейся отношением сторон 1/3, на шестиугольную форму с отношением габаритов 1/6,79 по средней линии этих сечений.
Предлагаемое техническое решение поясняется графическими материалами, где на
фиг. 1 показана расчетная схема поперечного сечения шестиугольной равнокатетной трубы;
фиг. 2 приведен снимок среза разнокалиберных шестиугольных равнокатетных труб;
фиг. 3 изображен поперечный разрез шестиугольной равнокатетной трубы, обжатой валками с четырех направлений;
фиг. 4 представлены графики изменений статических (геометрических) характеристик расчетных сечений шестиугольных равнокатетных труб в зависимости от увеличения отношений их габаритов.
x
y
2
3
Для вывода приведенного отношения габаритов поперечного сечения восьмиугольной трубы и количественной оценки ее несущей способности целесообразно рассчитать моменты инерции сечения I и I относительно главных центральных осей, а также площадь сечения A. Такое сечение можно считать составным из шести прямоугольных участков: двух вертикальных граней (стенок) и четырех наклонных граней, образующих со стенками тупые углы в 135°, а между собой - прямые углы. 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 шестиугольной трубы целесообразно воспользоваться правилом параллельного переноса осей и правилом поворота осей (в данном расчетном случае на 45°), чтобы после соответствующих преобразований получить расчетные формулы в следующем виде:
где значение габаритного размера высоты сечения V заменено его соотношением с габаритным размером ширины сечения U, то есть V=U/n, (0≤n≤1), а t - толщина шестиугольной равнокатетной трубы.
lim
Здесь отношение габаритных размеров ширины и высоты n=U/V ограничено предельным значением n=1, при котором шестиугольный равнокатетный профиль трубы трансформируется в квадратный с вертикальной и горизонтальной диагоналями.
Площадь поперечного сечения тонкостенного шестиугольного профиля вполне допустимо рассчитать по длине средней линии:
Радиусы инерции сечения:
Моменты сопротивления сечения:
x
y
Для контрольной проверки расчетных выкладок можно, приравняв разницу значений осевых моментов инерции к нулю (I-I=0), получить уравнение третьей степени
с корнями
Из этих корней практический интерес представляет второй, значение которого с абсолютной точностью соответствует расчетному сечению трубы квадратного профиля с вертикальной и горизонтальной диагоналями:
x
x
Чтобы найти экстремальное (максимальное) значение момента сопротивления сечения W его формулу необходимо продифференцировать по переменной n и, приравняв к нулю производную (dW/dn=0), получить уравнение четвертой степени
с корнями
Из этих корней прикладное значение имеет третий, величину которого можно округлить до
и получить тем самым приведенное отношение.
При n=U/V=1/6,79 трубчатый профиль шестиугольного равнокатетного сечения имеет следующие параметры:
Оптимизированное таким образом сечение шестиугольной равнокатетной трубы интересно сопоставить с оптимизированными сечениями овальной трубы, плоскоовальной трубы, прямоугольной трубы и полуплоскоовальной трубы [Марутян А.С. Полуплоскоовальная профильная труба // Патент №2669410, 11.10.2018, бюл. №29]. Из сравнения расчетных параметров, систематизированных в табличной форме, можно прийти к выводу, что конкурентоспособность шестиугольной равнокатетной профильной трубы вполне достаточна для дальнейших более детальных проработок и применения в строительной практике.