فهم الحمل المحوري في الهندسة

بصفتك طالب هندسة أو مهندسًا ، فأنت تعلم مدى أهمية أن تكون الهياكل قادرة على التعامل مع أنواع مختلفة من الأحمال.

لكن هل فكرت يومًا في المشكلات الفريدة التي يمثلها الحمل المحوري؟ على عكس قوة القص والحمل الالتوائي وحمل الانحناء ، يطبق الحمل المحوري القوة مباشرة على طول محور الهيكل.

هذا يعني أنه عند تصميم الهياكل وبنائها وصيانتها ، يجب أخذ مجموعة جديدة كاملة من الأشياء في الاعتبار.

في هذه المقالة ، سأخوض في التفاصيل حول الحمل المحوري وأغطي كل ما تحتاج إلى معرفته لبناء الهياكل التي يمكنها التعامل مع هذه القوة المهمة.

لذا اربط حزام الأمان ودعنا نبدأ !.

مقدمة في الحمل المحوري

تعريف رسمي:

قوة ناتجة عنها تمر عبر النقطه الوسطى لقسم معين وتكون عمودية على مستوى القسم.

الحمل المحوري هو نوع من الحمل الذي يضغط على عضو هيكلي على طول محوره.

على عكس قوة القص والحمل الالتوائي وحمل الانحناء ، فإن الحمل المحوري يخلق ضغطًا أكثر ضغطًا من قوة الشد أو القص.

قوة القص والحمل الالتوائي وحمل الانحناء: الاختلافات

تتسبب قوة القص في انتشار الضغط على طول مستوى الجسم ، بينما يتسبب الحمل الالتوائي في انتشار الضغط حول المحور الطولي للكائن.

عندما ينثني الحمل ، فإنه يخلق إجهادًا طبيعيًا وإجهاد القص المستعرض.

يشمل الضغط الطبيعي كلاً من الإجهاد المحوري والعرضي ، بينما يشمل إجهاد القص العرضي كلاً من إجهاد القص الالتوائي والعرضي.

أهمية الحمل المحوري

تعتبر الأحمال المحورية مهمة لأنها يمكن أن تغير بنية الغرسة والعظام من حولها.

في الهندسة ، يعتبر الحمل المحوري جزءًا مهمًا جدًا من كيفية صنع الأعمدة والعوارض والدعامات.

في الميكانيكا الحيوية ، يمكن للأحمال المحورية تغيير كيفية تحرك العظام ، مما قد يتسبب في حدوث كسور أو استبدال المفاصل ، من بين إصابات أخرى.

لهذا السبب ، من المهم في كل من الهندسة والطب فهم كيفية عمل الحمل المحوري.

الفرق بين التحميل المحوري والتحميل المستعرض

نصيحة: قم بتشغيل زر التسمية التوضيحية إذا كنت بحاجة إليه. اختر "ترجمة آلية" في زر الإعدادات ، إذا لم تكن معتادًا على اللغة الإنجليزية. قد تحتاج إلى النقر فوق لغة الفيديو أولاً قبل أن تصبح لغتك المفضلة متاحة للترجمة.

الأعضاء الهيكلية والأحمال المحورية

الدعامات والأعمدة نوعان شائعان من العناصر الهيكلية التي يتم تصنيعها في الغالب لتحمل الأحمال المحورية.

الجمالونات: الخصائص والتطبيقات

الجملونات هي أعضاء هيكلية مصنوعة لتحمل القوى المحورية في أعضائها.

يمكن أن تكون هذه القوى توترًا أو ضغطًا أو توترًا / ضغطًا قابلًا للعكس ، اعتمادًا على أحمال الحالة الأسوأ ومجموعات الأحمال.

يستخدم أعضاء تروس مواد أقل لدعم نفس القدر من الوزن.

هذا يجعلها رائعة للجسور أو الأسطح التي يجب أن تكون قوية ولكن ليست ثقيلة جدًا.

لكن أعضاء الجمالون أحرار في الحركة ولا يمكنهم حمل الأحمال إلا في اتجاه واحد.

هذا يعني أنها ليست قوية بما يكفي لتحمل الأحمال التي تتحرك جنبًا إلى جنب أو تنحني.

الأعمدة: الخصائص والتطبيقات

الأعمدة هي الأجزاء الرأسية من إطارات المباني الفولاذية التي تحمل عوارض أرضية أو أرضيات تتعرض لأحمال ضغط محورية ثقيلة.

يتم تصنيعها في الغالب لمقاومة الأحمال المحورية الانضغاطية ، ولكن اعتمادًا على كيفية إعدادها وكيفية تصنيعها ، يمكنها أيضًا مقاومة قوى الانحناء والقص.

يمكن أن تكون الأعمدة مستديرة أو مربعة أو مستطيلة ، ويمكن أن تكون مصنوعة من الخرسانة أو الفولاذ أو الخشب ، من بين أشياء أخرى.

أعضاء الإطار: الخصائص والتطبيقات

اعتمادًا على كيفية إعدادها وصنعها ، يمكن أن تحمل الحزم والأعمدة كلاً من الأحمال المستعرضة والمحورية على طولها.

غالبًا ما تستخدم لتثبيت الأرضيات والأسقف والجدران في مشاريع البناء والتشييد.

ولكن ، على عكس أعضاء الجمالون ، لا يتعين على أعضاء الإطار دعم الأحمال المحورية فقط ؛ يمكنهم أيضًا دعم الأحمال المستعرضة.

تحديد الحمولة المحورية القصوى

عند بناء هيكل ، من المهم معرفة مقدار الحمل المحوري الذي يمكن لعضو أو هيكل معين التعامل معه.

حساب الحمل المحوري الأقصى للأعمدة

لمعرفة مقدار الحمل المحوري الذي يمكن للعمود التعامل معه ، يمكنك معرفة KL / r ثم البحث عن قيمة cFcr في جدول.

يمكن العثور على الضغط في المقطع العرضي للعمود باستخدام المعادلة AP = f ، حيث يفترض أن تكون f هي نفسها في جميع أنحاء المقطع العرضي.

يُعرف التواء بأنه حالة حد فشل للأعمدة ، وتعطي المعادلة حمل الالتواء الحرج Pcr للأعمدة (3.1).

ولكن لمعرفة حمل الالتواء الحرج بشكل كامل لعمود معين ، فأنت بحاجة إلى المزيد من المعادلات والطرق ، ويجب أن يأخذ التصميم في الاعتبار كيفية انتهاء العمود وخصائص المادة.

تقريب أقصى قدرة حمل

يعد القيام بتصميم فولاذي والنظر إلى نسبة التفاعل طريقة جيدة للحصول على فكرة تقريبية عن أكبر وزن يمكن أن يتحمله العضو.

نسبة التفاعل هي النسبة بين أكبر وزن يمكن أن يحمله العضو ومقدار الوزن الذي يحمله بالفعل.

يخبرك مقلوب هذه النسبة بمدى الوزن الذي يمكن أن يحمله كل عضو قبل أن ينكسر.

من المهم أن تتذكر أن هذه الطريقة تعطي فقط تقديرًا.

قد يكون الحمل الأقصى الفعلي الذي يمكن أن يحمله العضو أقل أو أعلى من القيمة المحسوبة.

تصميم لأقصى حمل محوري

عند تصميم الهياكل ، يتم تحديد حجم الأعضاء تقريبًا بناءً على الرسومات المعمارية والوثائق الأخرى ذات الصلة ، ويتم تحديد أوزانهم باستخدام معلومات من معظم الأكواد وأدبيات الهندسة المدنية الأخرى.

لكن يجب بناء الهياكل للتعامل مع الحمل الحرج ، وهو أكبر حمولة يمكن أن تؤثر عليها.

يتم ذلك عن طريق إضافة جميع الأحمال التي يمكن أن يتحملها الهيكل طوال عمره.

وهذا يشمل كلاً من الأحمال الحية والأحمال الميتة ، فضلاً عن الأحمال التي تسببها الرياح والزلازل والأحمال المحتملة الأخرى.

الحمل الحرج في أعمدة رفيعة طويلة

الحمل الحرج هو الوزن الأكثر محوريًا الذي يمكن أن يحمله العمود قبل أن يبدأ في الانحناء.

صيغة أويلر: حساب الحمل الحرج

يمكن استخدام معادلة أويلر لإيجاد الحمل الحرج: Pcr = (2EI) / (KL) 2 ، حيث Pcr هو الحمل الحرج لأويلر ، و E هو معامل يونغ للمرونة ، وأنا هي اللحظة الثانية الدنيا لمنطقة المقطع العرضي لـ العمود (منطقة القصور الذاتي) ، K هو عامل الطول الفعال للعمود ، و L هو الطول غير المدعوم للعمود.

أهمية الحمل الحرج

يعتبر الحمل الحرج مهمًا لمعرفة المدة التي تتفاعل فيها الأعمدة الرفيعة مع قوة الضغط المحورية لأنها لا تعتمد على مدى قوة المادة.

هذا يعني أنه عند بناء الهياكل الرقيقة التي قد تنحني ، يحتاج المهندسون إلى إيلاء اهتمام إضافي لنسبة النحافة ، وهي طول العمود مقسومًا على نصف قطر الدوران الأصغر.

تعني نسبة النحافة العالية أن أحمال الضغط الصغيرة من المرجح أن تتسبب في كسر الهيكل.

يحدث الالتواء عندما ينحني فجأة عمود مستقيم يتم ضغطه بطول طوله. هذه حالة حد فشل الأعمدة.

خلايا الحمل المحورية وتطبيقاتها

تسمى خلايا الحمل التي تقيس القوة على طول محور واحد خلايا الحمل المحورية.

مبدأ العمل لخلايا الحمل المحورية

تعمل خلايا الحمل المحورية عن طريق تحويل القوة المطبقة عليها إلى إشارة كهربائية يمكن قراءتها وكتابتها.

يستخدمون مقاييس الإجهاد لقياس مقدار التحميل المحوري الذي يغير شكل شيء ما.

عندما يتم وضع قوة على خلية الحمل على طول محورها ، تنحني مقاييس الإجهاد ، مما يغير مقاومتها.

ثم يتم تحويل التغيير في المقاومة إلى إشارة كهربائية يمكن قياسها.

تطبيقات خلايا الحمل المحورية

تُستخدم خلايا الحمل المثبتة محوريًا في العديد من المجالات ، مثل الفضاء والسيارات والتصنيع.

بعض الطرق الشائعة لاستخدام خلايا الحمل المحورية هي:

• قياس القوة المؤثرة على الأجزاء الهيكلية للمباني والجسور مثل الكمرات والأعمدة أثناء بنائها أو استخدامها.
• يستخدم الاختبار ، مثل معرفة مقدار القوة اللازمة للضغط على شيء ما أو تمديده ، أو مقدار القوة اللازمة لكسر أو تشويه شيء ما.
• راقب أشياء مثل المطابع الهيدروليكية والرافعات والمصاعد للتأكد من أنها تعمل بأمان.
• سأدرج المزيد في أسفل هذه المقالة.

الجوانب الأخرى للحمل المحوري

تحميل الرياح المحوري

حمولة الرياح المحورية هي القوة التي يؤثر بها تدفق الرياح على المبنى.

في الماضي ، تسببت قوى الرياح ، خاصة في المناطق الساحلية ، في سقوط العديد من المباني.

يستخدم المهندسون المدنيون المعادلة 2.2 المعدلة ASCE 7-16 ، والتي تأخذ في الاعتبار ارتفاع الهيكل فوق مستوى الأرض ومدى أهمية حياة الناس وممتلكاتهم ، لمعرفة سرعة الرياح والضغط على ارتفاعات مختلفة فوق مستوى الأرض.

يستخدم المهندسون المدنيون صيغة تأخذ في الاعتبار أشياء مثل المنطقة المتوقعة ، وضغط الرياح ، ومعامل السحب ، ومعامل التعرض ، وعامل الاستجابة للعواصف ، وعامل الأهمية لمعرفة حمل الرياح المحوري.

إحدى الصيغ هي F = A x P x Cd ، حيث F هي القوة أو حمل الرياح ، و A هي المنطقة المسقطة للجسم ، و P هي ضغط الرياح ، و Cd هو معامل السحب.

قوة التعب

يمكن حساب قوة إجهاد الهيكل تحت الأحمال المحورية والانحناء باستخدام طرق تحليلية بناءً على نسبة قوة الإجهاد للتحميل المحوري والانحناء.

في هذه الطرق ، يتم تغيير قوة التعب تحت حمل الانحناء الدوار إلى قوة التعب تحت الحمل المحوري.

لمعرفة كيفية عمل النموذج التحليلي ، يمكن أيضًا إجراء اختبارات إجهاد الدورة العالية في ظروف التحميل.

أيضًا ، يمكن استخدام نماذج الإجهاد المستوي لمعرفة المدة التي ستستمر فيها المادة عند استخدامها على سطحها ، حيث يكون أحد الضغوط الرئيسية عادةً صفرًا.

أخيرًا ، يمكن استخدام منحنيات SN لإيجاد أقصى إجهاد مسموح به في دورات N وعامل تقليل قوة التعب kf.

محامل كروية وأقصى حمل محوري

تصنع المحامل الكروية الشعاعية ذات التجنيب (أو القفص) في الغالب للتعامل مع الأحمال الشعاعية ، ولكن يمكنها أيضًا التعامل مع الأحمال المحورية.

يعتمد مقدار الحمل المحوري الذي يمكن وضعه على المحمل على حجمه وعادة ما يتم إعطاؤه كنسبة مئوية من معدل الحمل الشعاعي للمحمل.

عندما يكون الفرق بين قطر التجويف وقطر الحلقة الخارجية كبيرًا ، يمكن أن يأخذ المحمل أحمالًا محورية تصل إلى 50٪ من الحمل الساكن الشعاعي.

المجاري المائية في المحامل ذات المقاطع الرقيقة ضحلة ، مما يجعلها أقل قدرة على التعامل مع الأحمال المحورية.

يجب استخدام محمل التلامس الزاوي إذا احتاج المحمل إلى التعامل مع حمولة محورية ثقيلة.

هذه مصنوعة من الداخل بشكل مختلف عن المحامل الكروية ذات الأخدود العميق ، بحيث يمكنها التعامل مع الأحمال المحورية الأعلى.

يعتمد الحد الأقصى للحمل المحوري للمحامل الكروية ذات القطر الداخلي المحدد على عدة أشياء ، مثل حجم المحمل ، وعمق مجرى السباق ، وما إذا كانت تتعرض لأحمال شعاعية أو أحمال لحظية ثقيلة أم لا.

غالبًا ما يتم إعطاء مقدار الحمل المحوري الذي يمكن وضعه على المحمل كتقريب لتصنيف الحمل الشعاعي للمحمل.

يوفر SKF الحد الأدنى من الأحمال المحورية والشعاعية للمحامل الفردية وأزواج المحامل التي تم إعدادها جنبًا إلى جنب أو تكوينات متتالية / وجهاً لوجه.

يعتمد معظم الضغط الذي يمكن وضعه على الكرات على كيفية صنعها من الداخل.

التحميل المحوري في الهياكل

عندما يتم وضع قوة على هيكل مباشرة على طول محور الهيكل ، فإن هذا يسمى التحميل المحوري.

عندما يكون هناك حمل نقطي ، يكون الضغط بالقرب من نقطة التحميل أعلى بكثير من متوسط ​​الإجهاد.

هذا يسبب تشوهات معقدة للغاية لأن حالات الإجهاد معقدة للغاية.

الإجهاد الطبيعي وضغط القص كلاهما طريقتان لقياس متوسط ​​الإجهاد عبر المقطع العرضي.

بغض النظر عن المكان الذي تنظر إليه على طول المقطع العرضي ، فإن مقدار التوتر هو نفسه.

الحمل النقطي هو قوة من الخارج تتركز في منطقة صغيرة.

استخدم حالات

فيما يلي بعض الطرق التي يمكن من خلالها استخدام الحمل المحوري:

مستعمل في:	وصف:
تصميم عمود	الأعمدة هي مثال رائع للعضو الهيكلي المصنوع لدعم الأحمال المحورية. على سبيل المثال ، في المباني ، تدعم الأعمدة وزن الأرضيات والسقف أعلاه ، مما يخلق حملاً محوريًا ضاغطًا يجب أن يقاومه العمود. يعتبر الحمل المحوري أمرًا مهمًا يجب التفكير فيه عند تصميم الأعمدة للتأكد من أنها لن تنحني أو تنكسر تحت القوة.
الجسور	عند تصميم الجسور ، يعد الحمل المحوري أيضًا أمرًا مهمًا للغاية يجب التفكير فيه. تنتج الأحمال المحورية الضاغطة بسبب وزن الجسر والمركبات التي يحملها. يجب أن يكون الجسر قادرًا على تحمل هذه الأحمال. يمكن أن تتأثر الجسور أيضًا بأشياء مثل الرياح والزلازل وحركة المرور ، وكلها يمكن أن تسبب لحظات الانحناء وقوى القص. لإنشاء جسور آمنة ومفيدة ، من المهم معرفة كيفية تفاعل هذه الأحمال مع بعضها البعض.
تصميم البرج	يتم وضع أحمال محورية عالية الضغط على الأبراج مثل أبراج النقل والأبراج الخلوية وتوربينات الرياح. عند إنشاء هذه الهياكل ، عليك التفكير في طريقة تحميلها ، والمواد ، وارتفاع وعرض الأبراج ، من بين أمور أخرى. للتأكد من أن هذه الهياكل آمنة وتستمر لفترة طويلة ، عليك أن تعرف كيف تؤثر الأحمال المحورية عليها.
التصنيع والاختبار	يعتبر الحمل المحوري أيضًا مفهومًا مهمًا في التصنيع والاختبار ، حيث يجب أن تكون المواد والمنتجات قادرة على تحمل أحمال معينة دون كسر أو تشوه. باستخدام أدوات الاختبار مثل خلايا الحمل المحورية ، يمكنك معرفة مقدار الحمل المحوري الذي يمكن أن تتحمله مادة أو منتج قبل أن ينكسر.
تطبيقات الفضاء	يمكن أن تكون الأحمال المحورية مهمة جدًا عند تصميم الصواريخ والمركبات الأخرى لاستخدامها في الفضاء. يمكن أن تحدث الأحمال المحورية بسبب وزن السيارة أو سرعتها أو اهتزازاتها. لإنشاء أنظمة آمنة وفعالة ، من المهم معرفة كيفية تأثير الأحمال المحورية على الأجزاء الهيكلية للمركبة.

خاتمة

كما رأينا في هذه المقالة ، يعتبر الحمل المحوري جزءًا أساسيًا من تصميم وبناء الهياكل التي يمكنها مواجهة القوى التي يتم وضعها عليها.

عند العمل بهذه القوة المهمة ، هناك الكثير من الأشياء التي يجب التفكير فيها ، من فهم التحديات الفريدة للأعمدة الطويلة الرفيعة إلى إضافة خلايا الحمل المحورية إلى مجموعة الأدوات الهندسية الخاصة بك.

لكن الحمل المحوري هو أيضًا تذكير بأن الهندسة مجال معقد يتغير دائمًا.

بينما نواصل دفع حدود ما هو ممكن ، سنواجه حتماً مشاكل جديدة تتطلب منا التفكير بشكل خلاق والعمل معًا لحلها.

لذلك ، في المرة القادمة التي تعمل فيها مع الحمل المحوري ، ابق متفتحًا وكن مستعدًا للتعلم.

من يدري ما هي الأشياء الجديدة القريبة؟