Hochbau hat meine Welt in vielerlei Hinsicht verändert, vom Bau hoher Wolkenkratzer bis zum Bau von Brücken, die ganze Flüsse überqueren.
Die einfache Balkenstütze ist einer der wichtigsten Teile vieler dieser Gebäude.
Dieser Teil der Struktur wird gleichzeitig sowohl einer Axiallast als auch Biegemomenten ausgesetzt, die durch Seitenkräfte oder die Exzentrizität der Längslast verursacht werden.
Viele der heutigen technischen Wunderwerke wären ohne Trägersäulen nicht möglich.
In diesem Artikel werde ich mich mit Balkensäulen befassen und darüber sprechen, was sie sind, wie sie funktionieren und warum sie wichtig sind.
Dieser Beitrag richtet sich an alle, egal ob Sie ein neuer Ingenieurstudent oder ein erfahrener Ingenieur sind, der etwas Neues lernen möchte.
Fangen wir also an und finden heraus, was Trägersäulen sind und was sie bewirken.
Einführung
Formale Definition:
Ein Bauteil wird gleichzeitig einer Axiallast und Biegemomenten ausgesetzt, die durch Querkräfte oder die Exzentrizität der Längslast erzeugt werden.
Die Trägersäule ist ein wichtiger Teil des Ingenieurwesens, der zum Stützen von Gebäuden, Brücken und anderen Bauwerken verwendet wird.
In diesem Artikel sehen wir uns die verschiedenen Möglichkeiten an, wie Trägerstützen im Ingenieurwesen und in Bauprojekten verwendet werden.
Was ist ein Stützbalken?
Eine Trägersäule ist ein Strukturelement, das Lasten auf seiner Längsachse standhält.
Es kann als Kompressionselement bezeichnet werden, was bedeutet, dass das meiste Gewicht darauf lastet, wenn es komprimiert wird.
Eine Balkenstütze kann das Gewicht von Balken, Wänden, Platten und anderen Strukturen tragen.
Arten von Balkenstützen
Es gibt viele verschiedene Arten von Trägersäulen, die im Ingenieurwesen verwendet werden.
Gewalzte Stahlträgerstützen sind eine übliche Art von Stützen, die im Stahlbau verwendet werden.
Es wird hergestellt, indem Stahlplatten in eine Form gewalzt werden, die Lasten halten kann, wenn sie zusammengepresst werden.
- Stahlbeton-Trägersäule: Diese Art von Trägersäule besteht aus Beton und ist mit Stahlstäben verstärkt.
Es wird zum Bauen mit Stahlbeton verwendet und ist eine großartige Möglichkeit, schwere Dinge zu bewegen.
- Holzbalkenstütze: Diese Art von Balkenstütze besteht aus Holz und wird häufig im Wohnungsbau verwendet.
- Verbundträgersäule: Diese Art von Trägersäule wird hergestellt, indem zwei oder mehr Materialien wie Stahl und Beton kombiniert werden, um eine stärkere und haltbarere Struktur zu schaffen.
Warum sich mit weniger zufrieden geben, wenn die Trägersäule alles bietet?
Immer noch schwer zu verstehen? Lassen Sie mich die Sichtweise etwas ändern:
Haben Sie langweilige, gerade Balken satt, die immer nur eine Sache auf einmal können? Schauen Sie nirgendwo anders hin als auf die Balkensäule! Warum einen einfachen, eindimensionalen Träger verwenden, wenn Sie ein Element verwenden können, das alles kann?
Ja, die Trägerstütze ist der Überflieger des Hochbaus, weil sie sowohl axiale Belastungen als auch Biegemomente problemlos aufnehmen kann.
Warum also nur eine Art von Ladung wählen, wenn Sie sie alle haben können? Mit der vielseitigen Trägersäule können Sie die Kuriosität der Längslast annehmen und Ihrem Leben etwas Seitenkraft hinzufügen.
Okay, das war nur ein Witz, der wie eine Fernsehwerbung aussehen sollte.
Kommen wir nun zurück zur Erklärung.
In Trägersäulen verwendete Materialien
Balkenstützen können unter anderem aus Stein, Holz, Beton oder Stahl bestehen.
Im modernen Bauwesen werden jedoch häufig H-förmige Stahlstützen verwendet, da sie stark und steif sind.
Die längeren Flanschseiten der H-förmigen Säule sind dicker als das mittlere Stegstück, wodurch sie Druckkräften besser widerstehen kann.
Auch moderne Gebäude werden oft von Träger-Stützen-Systemen aus Stahlbeton getragen.
Definition und Unterschiede
Definition von Träger und Stütze
Ein Balken ist ein Teil eines Gebäudes, das Belastungen durch Biegung widerstehen kann.
Normalerweise ist es flach und wird an den Enden oder entlang seiner Länge hochgehalten.
Die meisten Böden, Dächer und Brücken werden von Balken gehalten.
Andererseits ist eine Stütze ein vertikaler Teil eines Gebäudes, der hauptsächlich Druckbelastungen standhält.
Es wird normalerweise verwendet, um ein Gebäude oder eine andere Struktur zu halten und das Gewicht auf das Fundament zu verlagern.
Unterschiede zwischen Träger und Stütze
Es gibt einige Hauptunterschiede zwischen Trägern und Stützen.
- Tragfähigkeit: Balken sind meistens dafür ausgelegt, gebogene Lasten zu tragen, während Säulen meistens dafür gemacht sind, zusammengedrückte Lasten zu tragen.
Aus diesem Grund sind Balken beim Biegen stärker und beim Komprimieren schwächer, während Stützen beim Komprimieren stärker und beim Biegen schwächer sind.
- Ausrichtung: Balken befinden sich normalerweise an der Seite und Stützen normalerweise oben.
- Stützbedingungen: Balken werden normalerweise an ihren Enden oder entlang ihrer Länge unterstützt, während Säulen normalerweise an ihrer Basis und ihrer Oberseite unterstützt werden.
- Querschnittsform: Balken sind normalerweise quadratisch, kreisförmig oder I-förmig, während Säulen normalerweise quadratisch, kreisförmig oder rechteckig sind.
Schlüsselkonzepte und Unterschiede
Eine Trägersäule ist ein Teil eines Gebäudes, das sowohl Axial- als auch Biegelasten aufnehmen kann.
Es wird verwendet, wenn schwere Lasten von der Struktur zum Fundament bewegt werden müssen.
Die Trägersäule geht vom Unterbau zum Oberbau.
Es ist ein wichtiger Teil der Gewichtsverlagerung von der Spitze des Gebäudes zum Fundament.
Unterschiede zwischen Balkenstützen, Balken und Stützen
Hier sind die wichtigsten Unterschiede zwischen Trägerstützen, Trägern und Stützen:
- Tragfähigkeit: Eine Balkensäule ist so konstruiert, dass sie sowohl Axial- als auch Biegelasten trägt, während ein Balken hauptsächlich zum Tragen von Biegelasten und eine Säule hauptsächlich zum Tragen von Axiallasten hergestellt wird.
Eine Stütze ist ein vertikales Druckelement, während ein Balken ein horizontales Druckelement ist.
Eine Balkensäule verbindet das Fundament mit der oberen Schicht, die horizontal oder vertikal sein kann.
In Bezug auf die Querschnittsform ist ein Balken normalerweise quadratisch, kreisförmig oder I-förmig, während eine Säule normalerweise quadratisch, kreisförmig oder rechteckig ist.
Der Querschnitt einer Trägersäule kann jede beliebige Form haben, ist aber normalerweise eine Mischung aus quadratischen und runden Formen.
- Verwendung: Balken werden hauptsächlich zum Stützen von Fußböden, Dächern und Brücken verwendet, während Säulen hauptsächlich zum Stützen des Gewichts eines Gebäudes oder einer anderen Struktur verwendet werden.
Balkenstützen werden in Gebäuden verwendet, die sowohl Axial- als auch Biegelasten auf das Fundament übertragen müssen.
Träger-Stütze-Verbindung
Träger-Stützen-Verbindungen halten Träger und Stützen in einer Struktur zusammen.
In diesem Artikel sehen wir uns die verschiedenen Arten von Träger-Stützen-Verbindungen an und wie sie dazu beitragen, ein Gebäude sicher und stabil zu halten.
Arten von Träger-Stützen-Verbindungen
Je nachdem, wie starr die Verbindung ist, gibt es zwei Haupttypen von Träger-Stützen-Verbindungen: flexible Verbindungen und starre Verbindungen.
- Flexible Verbindung: Bei einer flexiblen Verbindung, die auch als einfache Verbindung oder Stiftverbindung bezeichnet wird, gibt es keine Momentenübertragung zwischen den verbundenen Teilen.
Es bewegt Axial- oder Querkräfte, aber keine Momente.
Flexible Verbindungen werden häufig in Strukturen verwendet, bei denen die Verbindungen zwischen Trägern und Stützen mit kleinen Drehungen oder Wendungen fertig werden müssen.
- Starre Verbindung: Eine starre Verbindung, die auch als momenttragende oder feste Verbindung bezeichnet wird, überträgt sowohl Schubkraft als auch Moment zwischen den verbundenen Teilen.
Starre Verbindungen werden verwendet, wenn die Verbindung zwischen einem Träger und einer Stütze großen Torsionen oder Torsionskräften standhalten muss.
Spezielle Verbindungen
Für krumme Verbindungen, exzentrische Träger an Stützen und Anschlüsse an Stützenstege können einfache Anschlüsse verwendet werden.
Diese Verbindungen gelten als besonders.
Indem die Balkenabschnitte kleiner gemacht werden, können einfache Verbindungen einen größeren Widerstand gegen das Zusammenbinden haben.
Dies kann durch Schneiden von Löchern in den Steg des Trägers oder durch Wegschneiden eines Teils der Flansche des Trägers (reduzierter Stegquerschnitt) erfolgen.
Faktoren, die das Design von Träger-Stützen-Verbindungen beeinflussen
Die Art der verwendeten Träger-Stützen-Verbindung hängt von einer Reihe von Faktoren ab, wie z. B. Der Tragfähigkeit der Struktur, den Anforderungen an die Konstruktion und den Eigenschaften der Materialien.
Einige der Dinge, die sich darauf auswirken, wie Träger-Stützen-Verbindungen hergestellt werden, sind:
- Belastbarkeit: Die Träger-Stütze-Verbindung muss ausreichend belastbar sein, um den Kräften und Momenten standzuhalten, die wahrscheinlich auf sie einwirken.
- Anforderungen an die Tragwerksplanung: Die Konstruktion der Träger-Stützen-Verbindung muss den Bauvorschriften und Projektspezifikationen für die Tragwerksplanung entsprechen.
- Materialeigenschaften: Die Bemessung muss die Festigkeit und Steifigkeit der in der Träger-Stützen-Verbindung verwendeten Materialien berücksichtigen.
Maximales Moment und Design
Bei der Konstruktion von Tragwerken ist die Fähigkeit einer Konstruktion, Biegemomenten standzuhalten, ein Schlüsselelement, um sicherzustellen, dass sie stabil bleibt.
Maximales Moment
Biegemomentgleichungen und -formeln werden verwendet, um herauszufinden, wie stark sich ein Träger biegen kann.
Das Maximalmoment ist das höchste Moment, das eine Struktur unter einem bestimmten Lastfall haben kann.
Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass der wichtigste Fall für das Design möglicherweise nicht immer der maximale Moment ist.
Aufgrund des Zusammenwirkens von Biege- und Axial- oder Torsionskräften kann es vorkommen, dass ein anderer Lastfall mit einem niedrigeren Momentenwert als wichtigster Fall für die Bemessung angegeben wird.
Design-Momente
Designmomente und Maximalmomente sind nicht dasselbe.
Entwurfsmomente werden durch Betrachten von Codeanforderungen und Sicherheitsfaktoren ermittelt, während maximale Momente durch Betrachten der Ergebnisse einer Analyse ermittelt werden.
Die Bemessungsmomente berücksichtigen Dinge wie die Eigenschaften des Materials, Sicherheitsfaktoren und Lastkombinationen basierend auf dem, was der Code sagt.
Designmomente sind sehr wichtig, um sicherzustellen, dass die Struktur die darauf aufgebrachten Lasten aufnehmen kann und dennoch genügend Platz für die Sicherheit bietet.
Berücksichtigen Sie die folgenden Dinge, um den Design-Moment herauszufinden:
- Materialeigenschaften: Bei der Ermittlung des Bemessungsmoments werden die Streckgrenze und der Elastizitätsmodul des Trägers berücksichtigt.
- Lastkombinationen: Das Bemessungsmoment wird anhand der bauordnungsrechtlichen Liste der verschiedenen Lastkombinationen ermittelt.
- Sicherheitsfaktoren: Das Designmoment beinhaltet Sicherheitsfaktoren, um sicherzustellen, dass die Struktur Belastungen über die maximal erwarteten Belastungen hinaus bewältigen kann.
Entwerfen von Balkenstützen
Balkenstützen sind Bauteile, die sowohl entlang ihrer Länge gestaucht als auch über ihre Breite gebogen werden.
In Gebäuden werden sie verwendet, um Gewicht vom darüber liegenden Balken auf das Fundament zu verlagern.
Um eine Balkensäule zu entwerfen, müssen Sie herausfinden, wie viel Gewicht darauf lastet und wie groß sie ist.
Sie können dies mit Software wie dem Beam/Column Calculator von Autodesk Inventor oder manuell mit Formeln aus Lehrbüchern für Bauingenieurwesen oder Websites wie CivilJungle.com oder Civiconcepts.com tun.
Berechnung der Lasten auf einer Trägersäule
Der erste Schritt bei der Herstellung einer Balken-Stütze-Struktur besteht darin, herauszufinden, wie viel Gewicht auf den Balken und die Stütze gelegt wird.
Stützen werden meist an ihren Enden belastet, was zu axialen Druckspannungen führt.
Manchmal können alle Normalkräfte, Querkräfte und Biegemomente auf eine Stütze wirken (z. B. Balken-Stützen).
Indem Sie die tatsächliche Lastverteilung durch die Länge des Balkens dividieren, erhalten Sie die gleichmäßig verteilte Last in Kilonewton pro Meter.
Berechnen der Größe des Balkens und der Stütze
Nachdem Sie herausgefunden haben, wie viel Gewicht auf der Balkensäule lastet, müssen Sie herausfinden, wie groß der Balken und die Säule sein müssen, je nachdem, wie viel Gewicht auf ihnen lastet.
Zum Beispiel wäre das Betonvolumen für einen 230 mm x 450 mm großen Träger ohne die Dicke der Platte 0,23 x 0,60 x 1 = 0,138 m3, und er würde 0,138 x 2400 = 333 kg wiegen.
Ebenso kann das Gesamtgewicht einer Säule, deren Länge üblicherweise das Dreifache ihrer kleinsten Querschnittsbreite beträgt, durch Addition der Gewichte aller ihrer Teile ermittelt werden.
Träger-Stütze-Verbindung
Bei einer Träger-Stützen-Verbindung kommen ein Träger und eine Stütze in einem Gebäude zusammen.
Sie besteht aus der Fuge und den neben der Fuge liegenden Teilen der Träger, Stützen und Platten.
Je nachdem, wie starr die Verbindung ist, gibt es verschiedene Arten von Träger-Stützen-Verbindungen.
Eine elastische Verbindung, die auch einfache oder gelenkige Verbindung genannt wird, überträgt Quer- oder Axialkräfte, aber keine Momente.
Eine starre Verbindung, die auch als momententragende Verbindung oder feste Verbindung bezeichnet wird, bewegt sowohl Schubkraft als auch Moment zwischen den verbundenen Teilen.
Für krumme Verbindungen, exzentrische Träger an Stützen und Anschlüsse an Stützenstege können einfache Anschlüsse verwendet werden.
Maximales Biegemoment
Wenn eine äußere Kraft auf eine Trägersäule ausgeübt wird, wodurch sie sich biegt und schließlich bricht, ist das Biegemoment am höchsten.
Wenn gelenkige Stützen zum Halten eines durchgehenden Trägers verwendet werden, treten an den Zwischenstützen Zerspanungsmomente und an den Spannweiten Durchbiegungsmomente auf.
Ganz in der Nähe der Zwischenstützen befinden sich die Gegenbiegungspunkte.
Es ist möglich, dass der Punkt des maximalen Moments dort liegt, wo das größere primäre Moment angreift.
Designmomente und Maximalmomente
Entwurfsmomente werden durch Betrachten von Codeanforderungen und Sicherheitsfaktoren ermittelt, während maximale Momente durch Betrachten der Ergebnisse einer Analyse ermittelt werden.
Bei der Auslegung von Momenten werden viele Dinge berücksichtigt, wie z. B. Materialeigenschaften, Sicherheitsfaktoren und Lastkombinationen.
Maximale Momente berücksichtigen nur die Lasten, die auf eine Struktur wirken, nicht Sicherheits- oder Codeanforderungen.
Schlankheitsverhältnis
Der Schlankheitsgrad ist im Hoch- und Tiefbau das Verhältnis zwischen der Länge einer Stütze und ihrer kleinsten Seitenabmessung.
Um es herauszufinden, teilen Sie die effektive Länge der Säule durch ihren Trägheitsradius.
Das Schlankheitsverhältnis wird verwendet, um herauszufinden, wie viel Gewicht eine Säule tragen kann, bevor sie sich biegt.
Wenn das Schlankheitsverhältnis kleiner oder gleich 12 ist, gelten die Stützen als kurz.
Wenn es mehr als 12 sind, werden die Spalten als lang oder dünn betrachtet.
Kurze Spalten werden durch ihre Länge und Breite gesteuert, während lange, dünne Spalten durch ihr Verhältnis von Länge zu Breite gesteuert werden.
Balken-/Stützenverbindungen
Tipp: Aktivieren Sie die Untertitel-Schaltfläche, wenn Sie sie benötigen. Wählen Sie „automatische Übersetzung“ im Einstellungs-Button, wenn Sie mit der gesprochenen Sprache nicht vertraut sind. Möglicherweise müssen Sie zuerst auf die Sprache des Videos klicken, bevor Ihre bevorzugte Sprache für die Übersetzung verfügbar ist.
Balkensäule verwendet
Brücken:
Trägerstützen werden häufig im Brückenbau verwendet, da sie die durch das Fahrzeuggewicht verursachten Biegemomente sowie die durch Wind und Erdbeben verursachten Seitenkräfte aufnehmen können.
Sie können auch an unterschiedliche Spannweiten und Lasten angepasst werden, was sie zu einer guten Wahl sowohl für Brücken mit kurzer als auch mit langer Spannweite macht.
Große, hohe Gebäude:
Balkenstützen werden oft in hohen Gebäuden verwendet, weil sie schwere Gewichte tragen und den Kräften von Wind und Erdbeben standhalten können.
Sie eignen sich auch hervorragend für hohe Gebäude, da sie in verschiedenen Längen und Durchmessern hergestellt werden können.
Dadurch wird das Gewicht gleichmäßiger verteilt und das Gebäude insgesamt stabiler.
Industrielle Strukturen:
Da sie schwere Geräte und Maschinen aufnehmen können, werden Trägersäulen häufig in Industriegebäuden wie Fabriken und Lagern eingesetzt.
Bei dieser Art von Gebäuden werden häufig Trägersäulen verwendet, um Dachbinder zu stützen und Gewicht vom Dach auf das Fundament zu verlagern.
Wohnstrukturen:
Trägerstützen werden auch im Wohnbau verwendet, insbesondere für Wände und Fundamente von Kellern.
Sie können auch als Stützsäulen in offenen Grundrissen verwendet werden, um die oberen Stockwerke stabil zu halten.
Infrastrukturprojekte:
Trägerstützen werden häufig in Infrastrukturprojekten wie Tunneln, Dämmen und Stützmauern eingesetzt.
In Tunneln halten Balkenstützen das Dach und die Wände.
In Dämmen tragen sie dazu bei, das Gewicht des Wassers gleichmäßig über die Struktur zu verteilen.
Balkenstützen können in Stützmauern verwendet werden, um die Seitenkräfte zu stoppen, die durch Bodendruck und Wasser verursacht werden.
Abschluss
Wenn wir unseren Blick auf Trägerstützen abschließen, wird klar, dass diese Gebäudeteile in der Welt des Ingenieurwesens sehr wichtig sind.
Von den Fundamenten unserer Gebäude bis zu den Straßen, die unsere Städte verbinden, geben Balkenstützen vielen der Strukturen, die wir täglich nutzen, die Unterstützung und Stabilität, die sie benötigen.
Aber auch Trägerstützen sind interessant, weil sie uns einen einzigartigen Einblick in das Zusammenspiel von Form und Funktion geben.
Wie eine Trägersäule hergestellt und aufgestellt wird, kann einen großen Einfluss darauf haben, wie ein Gebäude als Ganzes aussieht und sich anfühlt.
Aus diesem Grund können wir uns Trägersäulen nicht nur als nützliche Werkzeuge vorstellen, sondern auch als einen wichtigen Teil des Ingenieurwesens als Kunst und Wissenschaft.
Wenn Sie also das nächste Mal an einem Wolkenkratzer vorbeigehen oder eine Brücke überqueren, nehmen Sie sich einen Moment Zeit, um die einfache Balkensäule zu schätzen, die dazu beiträgt, dies alles zu ermöglichen.
Links und Referenzen
Einführung in die Bemessung von Stahlstützen oder Druckstäben
Detail Gebäude mit Stahl
Konstruktive Verwendung von Beton
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