Tubo leve de aço galvanizado: o verdadeiro equilíbrio entre resistência e peso

Toda estrutura externa acaba enfrentando o mesmo argumento. O engenheiro quer margem de segurança, o instalador quer algo que uma pessoa possa levantar até o telhado e quem assina a fatura do frete quer menos quilos por contêiner. “Basta torná-lo mais leve” é fácil de dizer e caro errar.

A boa notícia é que um tubo leve de aço galvanizado não é simplesmente um tubo-de paredes finas. Existem três alavancas independentes que removem o peso, e afinar a parede é a mais fraca delas. Acerte os outros dois e você poderá tirar 30-40% de um quadro sem abrir mão da rigidez - às vezes sem abrir mão de nenhuma rigidez.

Este guia quantifica cada alavanca, mostra onde a parede fina deixa de se pagar e responde à pergunta que todos fazem a seguir: o alumínio é a melhor resposta para peso leve? (Versão resumida: geralmente não, e o motivo não é o que você esperaria.)

As figuras abaixo são estimativas de engenharia para comparação numa base semelhante-por{1}}igual, e não um substituto para um cálculo estrutural carimbado. Sempre verifique as estruturas de suporte-de carga em relação ao código de construção local.

O que "leve" realmente significa em termos de tubo

Leve não é uma nota. É uma posição em três escalas que se movem juntas:

Espessura da parede.tubo de até cerca de 1,5 mm é geralmente vendido como parede leve, 1,6–2,3 mm como serviço padrão ou médio-, 2,5 mm e acima como serviço-pesado. Passar de 3,2 mm para 1,6 mm reduz o aço pela metade.

Razão entre diâmetro-e-espessura (D/t).Este é o número que decide se uma parede fina é uma engenharia elegante ou um problema de flambagem. Em D/t abaixo de aproximadamente 50-60, um tubo redondo de aço dobrado desenvolve sua capacidade plástica total. Ultrapasse isso e a parede começará a ondular localmente antes que o aço atinja o rendimento - você está pagando por um material que não pode usar.

Metros por tonelada.A visão de compra e aquela com a qual seu despachante se preocupa:

Uma única tonelada compratrês vezes mais metrosem 1,0 mm e em 3,2 mm. Em um contêiner cheio de estrutura de pérgula, essa diferença compensa muita galvanização.

Três alavancas, recompensas muito diferentes

Aqui está a parte que a maioria das folhas de especificações nunca conta. Pegue um tubo de linha de base de 48,3 mm com uma parede de 1,6 mm - 1.84 kg/m - e gaste o mesmo orçamento de aço de três maneiras diferentes.

Alavanca 1: Afinar a parede (menor recompensa)

Com um diâmetro externo fixo,Spor quilograma melhora à medida que a parede fica mais fina, porque uma maior quantidade de material fica mais longe do eixo neutro, onde realiza mais trabalho:

Desbaste de 3,2 mm para 1,0 mm compra cerca de9% mais resistência à flexão por quilograma. Real, mas quase não vale a pena discutir. Na maioria das vezes, você obtém menos capacidade absoluta.

Alavanca 2: Aumente o diâmetro (a grande)

Mesmo aço, mesmo peso por metro - apenas a geometria muda:

Peso idêntico, 60% mais rigidez- esse é o título. Um tubo de 60,3 mm com parede de 1,27 mm carrega o mesmo aço que um tubo de 48,3 mm com 1,6 mm e desvia 37% menos sob a mesma carga. Aumente ainda mais para 75,7 mm e você obterá 2,56x a ​​rigidez exatamente no mesmo quilograma por metro, mas D/t sobe para 76 e a flambagem local começa a governar, então o almoço grátis termina em torno de D/t 60.

É por isso que a resposta útil para "como faço para deixar isso mais leve" quase nunca é "parede mais fina" - édiâmetro maior, parede mais fina. A rigidez aumenta com a quarta potência do diâmetro e aproximadamente linearmente com a espessura. Gastar seu orçamento de peso em diâmetro é gastá-lo onde a física compensa mais.

Alavanca 3: Atualize o tipo de aço

A capacidade de flexão é a resistência ao escoamento × módulo da seção, portanto, aumentar a classe permite encolher a seção com capacidade igual:

48,3 × 2,6 mm em Q235 (235 MPa) transporta cerca de 951 kN·mm e pesa2,93kg/m

48,3 × 1,62 mm em S355 (355 MPa) carrega os mesmos 941 kN·mm e pesa1,86kg/m

Uma economia de peso de 36% para uma capacidade de flexão idêntica, geralmente com um prêmio modesto-por tonelada. Se sua estrutura for controlada pela resistência-em vez da deflexão-, esta é a estratégia leve mais barata disponível - e, ao contrário do afinamento da parede, não custa nada em termos de robustez, resistência a amolgadelas ou tolerância à corrosão.

Uma advertência: maior resistêncianãocompre rigidez. S355 e Q235 têm o mesmo módulo de 200 GPa. Se a deflexão governa o seu projeto, a atualização da classe não muda nada e apenas as Alavancas 1 e 2 ajudam.

Onde Thin Wall para de pagar

Leve tem chão e é fácil cair:

Flambagem local.Mantenha o tubo redondo de açoD/t Menor ou igual a 60na flexão (mais rígido na compressão). Além disso, você precisa de fatores de redução que recuperem tudo o que você economizou.

Conexões.Este é o limite-do mundo real. Um parafuso auto-roscante em uma parede de 1,0 mm apenas engata uma rosca; sob a elevação do vento, ele se solta. Abaixo de cerca de 1,5 mm, planeje porcas de rebite,-parafusos com placas de apoio ou colares soldados. O tubo pode ser forte o suficiente - a junta não será.

Subsídio de corrosão.O zinco protege, mas qualquer perda de seção danifica uma parede fina a mais. 0.1 mm de uma parede de 1,0 mm representa uma perda de 10%; fora de uma parede de 3,2 mm é de 3%. Em instalações costeiras ou à beira de piscinas, avance para imersão a quente (85 µm, ISO 1461) ou adicione uma espessura de parede como margem de sacrifício.

Lidando com danos.Tubos finos amassam durante o transporte e dobram sob pressão da braçadeira, e um amassado na face de compressão reduz drasticamente a resistência à flambagem local.

Soldagem.A zona-afetada pelo calor é ampla em relação a uma parede fina, a queima-é fácil e cada solda destrói o zinco localmente. -tubo de parede pré-galvanizado leve-mais soldagem em campo é um ponto de partida clássico para corrosão.

Aço leve versus alumínio: resolvendo

O passo padrão para o alumínio é “mesma resistência, metade do peso”. Ambas as metades estão erradas e a aritmética é interessante.

A rigidez específica (E/ρ) é efetivamente idêntica.Aço: cerca de 25,5 MN·m/kg. Alumínio: cerca de 25,6 MN·m/kg. Uma diferença de 0,3%. Em uma base de rigidez-por-quilograma, os dois materiais são uma lavagem - um fato que surpreende a maioria das pessoas, porque a vantagem do alumínio está na resistência à tensão por quilograma, não na rigidez, e é compensada por ter que usar mais volume para obter o mesmoEI.

O que isso significa na prática, com o mesmo diâmetro externo de 48,3 mm em relação à nossa linha de base de aço de 1,84 kg/m:

Para realmente vencer o peso do aço, você precisa deixar o alumínio crescer em diâmetro - e isso é bom, porque as extrusões podem ter qualquer formato. Uma seção de alumínio personalizada pode ser genuinamente mais leve.O tubo redondo padrão comprado na prateleira geralmente não é, e normalmente custa duas a três vezes mais por quilograma.

Onde o alumínio ainda vence legitimamente: perfis integrados complexos (uma única extrusão substituindo quatro peças soldadas), desempenho de corrosão intocado em ar salgado e aplicações-de peso crítico onde você tem o volume para justificar uma matriz personalizada. Para uma pérgula, garagem ou estrutura de rack simples com base no custo-e-rigidez,aço galvanizado vence, e geralmente vence mesmo depois de contabilizar seu maior peso morto.

Onde o tubo galvanizado leve vence

• Terças e vigas da pérgulaA - deflexão-governou membros onde o amplo-e-fino supera o pequeno-e-grosso.
• Coberturas retráteis e armações dobráveis- cada quilograma sobrecarrega o motor e o operador.
• Estufa e sombra-casas- membros leves em vãos longos, onde o custo por metro domina.
• Sistemas modulares e{0}}de pacotes planos- a redução de peso ocorre duas vezes: menos frete, menos mão de obra.
• Corrimãos, preenchimento de proteção e triagem- cargas modestas, então o peso é puro custo.
• Frete de exportação em geral- com 1,6 mm cabem 543 m em uma tonelada versus 281 m com 3,2 mm. Seções pesadas formam um cubo em um recipiente antes de pesá-lo, e você paga por esse ar.

Cinco verificações antes de você emagrecer

A deflexão ou a força governam?Se a deflexão governar, apenas um diâmetro maior ajuda - alterar a classe não muda nada. Se a força governar, atualizar a classe é a economia de peso mais barata disponível.

O que é D/t?Mantenha-o em 60 ou menos para dobrar aço carbono. Calcule antes de se apaixonar por uma seção.

Como serão feitas as juntas?Abaixo de 1,5 mm da parede, presuma que a retirada do fixador-é sua falha e projete a conexão adequadamente.

De quanta tolerância à corrosão você precisa?Paredes finas e exposição costeira têm vida útil curta, a menos que você faça-mergulho quente.

Os membros podem sobreviver ao trânsito e à instalação?Tubo fino precisa de melhor vedação e pinças mais suaves do que a maioria dos sites oferece.

Especifique-o corretamente

"Tubo galvanizado leve" não é uma especificação que pode ser solicitada. Anote: padrão e grau (ASTM A500 Gr B/C, EN 10219 S355, GB/T 3091 Q235B/Q355B); diâmetro externo × espessura da parede × comprimento com tolerância de parede declarada; revestimento (Z275 / G90 pré-galvanizado ou por imersão-a quente conforme ISO 1461 a 85 µm); um certificado de teste de moinho para rendimento e tração; e se as extremidades cortadas e as soldas são-reparadas com zinco.

Perguntas frequentes

Um tubo leve de aço galvanizado é tão forte quanto um tubo-para serviços pesados?Não em termos absolutos. Com o mesmo diâmetro externo, uma parede de 1,6 mm oferece aproximadamente 55% da capacidade de flexão de uma parede de 3,2 mm. Mas oferece cerca de 9% mais capacidadepor quilograma, e um tubo leve de-diâmetro maior pode exceder um tubo menor-de serviço pesado e pesar menos.

Qual a melhor forma de reduzir o peso do tubo sem perder rigidez?Aumentar o diâmetro externo e reduzir a espessura da parede com o mesmo peso por metro. Passar de 48,3 × 1,6 mm para 60,3 × 1,27 mm proporciona cerca de 60% mais rigidez com peso idêntico.

Qual é o limite da relação D/t para tubo de aço?Para tubos redondos de aço carbono na flexão, mantenha D/t em cerca de 60 ou menos para desenvolver capacidade total sem flambagem local. Use um limite mais rigoroso para membros de compressão e verifique o código de projeto relevante para sua seção e classe.

O aço-de qualidade superior torna o tubo mais leve?Sim, quando a força governa. A troca do Q235 pelo S355 pode remover cerca de 36% do peso com igual capacidade de flexão. Não contribui em nada para a deflexão, uma vez que todos os tipos de aço partilham o mesmo módulo de elasticidade.

O alumínio é mais leve que o tubo de aço galvanizado?Por quilograma de peça, geralmente não quando se compara tubo redondo padrão. Comparado em termos de rigidez, o tubo de alumínio com o mesmo diâmetro pesa cerca de 120% do aço. O alumínio só vence quando uma extrusão personalizada permite usar uma geometria que o tubo redondo não consegue.

A galvanização adiciona peso?Um pouco - normalmente 3–6% dependendo do peso do revestimento - e não adiciona resistência significativa. Sua função é proteger a seção para que o tubo mantenha sua capacidade original por décadas.

Conclusão

Leveza é um problema de design, não um problema de compra. Só o desbaste da parede proporciona cerca de 9% mais resistência por quilograma e uma longa lista de dores de cabeça de conexão e empenamento. Mover o mesmo aço para um diâmetro maior compra60% mais rigidez com peso idêntico, e avançar para S355 remove36% do peso com capacidade de flexão inalterada. Empilhe esses dois e você poderá reduzir um quadro em um terço, tornando-o mais rígido, não mais fraco.

Verifique primeiro D/t, depois projete as conexões e depois especifique o revestimento. Faça esses três e o tubo de aço galvanizado leve será muito difícil de superar no custo por unidade de rigidez - inclusive em relação ao alumínio.