Propiedades de una forma hexagonal frente a una forma de tubo redondo

En la construcción de un cuadro de bicicleta, ¿hay alguna diferencia entre el tubo de sección transversal hexagonal en lugar de los tubos redondos típicos?

Suponiendo que ambos están hechos de la misma aleación de aluminio y tienen el mismo grosor de pared, ¿hay diferencias en peso, resistencia o durabilidad? ¿La forma hexagonal tiene alguna ventaja particular sobre el tubo redondo?

Un factor adicional es que cualquier sección que tenga esquinas definidas tenderá a concentrar la tensión en las esquinas en lugar de distribuirse uniformemente en toda la sección.

Con los tubos, esto puede ser un efecto doble que potencialmente tiene que endurecer el trabajo del proceso de fabricación concentrado también en las esquinas. Si la sección tiene un grosor de pared uniforme, entonces significa que parte del material se desperdicia de manera efectiva ya que las esquinas encontrarán rendimiento antes de los pisos y, en el peor de los casos, puede conducir a puntos de propagación de grietas y fatiga.

Es una regla general bastante buena en las estructuras que cualquier tipo de discontinuidad representa, en el mejor de los casos, una ineficiencia y, en el peor, un posible punto de falla. Una estructura ideal tendrá una sección suavemente variable con un tamaño de sección proporcional a las tensiones, de hecho, los huesos son un excelente ejemplo de esto. Aunque esto es, en la mayoría de los casos, poco práctico para estructuras de marco fabricadas.

Por supuesto, hay otras consideraciones pragmáticas que deben tenerse en cuenta, por ejemplo, el tubo cuadrado o rectangular es mucho más fácil de unir que el redondo, ya que el tubo cuadrado se puede mitigar al ángulo requerido con una sierra, mientras que el tubo redondo necesita una muesca con una máquina especializada o minuciosamente ajustado a mano.

Me parece probable que el tubo hexagonal sea un compromiso bastante pobre entre el tubo cuadrado y el tubo de sección redonda / elíptica.

No puedo pensar en mucha ventaja de usar un tubo hexagonal, excepto quizás cosmético, pero esto es subjetivo. Es probable que el tubo hexagonal sea mucho más caro ya que es una forma no estándar.

$EA$$E$$A$

$r$$t$$a=\frac{1}{3} \left(\pi r+\sqrt{3} t\right)$

$EI$$I$

$I$$I_c = \pi r^3 t$

$I$$I_h =\frac{5}{18} t \left(9 a^3-9 \sqrt{3} a^2 t+12 a t^2-2 \sqrt{3} t^3\right) = \frac{5}{54} t \left(\pi ^3 r^3+3 \pi r t^2\right)$$a$

Podemos ver inmediatamente que el hexágono tiene un segundo momento de área inferior en comparación con el círculo. De hecho, el segundo momento del área del hexágono es aproximadamente el 91% del círculo.

$\frac{\pi^2 EI}{L^2}$$L$$I$

Entonces, este análisis básico muestra que un hexágono de igual área y espesor de pared sería más débil bajo la flexión y tendría una carga de pandeo menor.

Algunos factores que no he considerado:

• pandeo localizado de tubos bajo flexión (no es un análisis sencillo, especialmente para el hexágono). Por ejemplo el efecto Brazier .
• Resistencia al impacto. El hexágono puede ser más resistente al impacto localizado, particularmente si ese impacto ocurre en una esquina. Esto probablemente se compensa con el hecho de que un círculo desviaría mejor los proyectiles.

En general, un tubo circular de gran diámetro es la forma más eficiente bajo carga axial.