Aksiaalikuorman Ymmärtäminen Tekniikassa

Insinööriopiskelijana tai insinöörinä tiedät kuinka tärkeää on, että rakenteet kestävät erilaisia ​​kuormia.

Mutta oletko koskaan ajatellut aksiaalikuorman aiheuttamia ainutlaatuisia ongelmia? Toisin kuin leikkausvoima, vääntökuorma ja taivutuskuorma, aksiaalinen kuorma kohdistaa voimaa suoraan rakenteen akselia pitkin.

Tämä tarkoittaa, että rakenteita suunniteltaessa, rakentaessa ja huollettaessa on otettava huomioon aivan uudet asiat.

Tässä artikkelissa käsittelen yksityiskohtaisesti aksiaalista kuormitusta ja katan kaiken, mitä sinun tarvitsee tietää rakentaaksesi rakenteita, jotka voivat käsitellä tätä tärkeää voimaa.

Ota siis kiinni ja aloita!.

Johdatus aksiaaliseen kuormaan

Muodollinen määritelmä:

Voima, jonka resultantti kulkee tietyn osan painopisteen läpi ja on kohtisuorassa leikkauksen tasoon nähden.

Aksiaalinen kuorma on kuormitus, joka kohdistaa painetta rakenneosaan sen akselia pitkin.

Toisin kuin leikkausvoima, vääntökuorma ja taivutuskuorma, aksiaalinen kuormitus luo enemmän puristusjännitystä kuin veto- tai leikkausvoima.

Leikkausvoima, vääntökuorma ja taivutuskuorma: erot

Leikkausvoima saa jännityksen leviämään kohteen tasoa pitkin, kun taas vääntökuorma aiheuttaa jännityksen leviämisen kohteen pituusakselin ympäri.

Kun kuormaa taivutetaan, se synnyttää normaalin jännityksen ja poikittaisleikkausjännityksen.

Normaali jännitys sisältää sekä aksiaalisen että poikittaisen jännityksen, kun taas poikittaisleikkausjännitys sisältää sekä vääntö- että poikittaisleikkausjännityksen.

Aksiaalikuorman merkitys

Aksiaaliset kuormat ovat tärkeitä, koska ne voivat muuttaa sekä implantin rakennetta että sitä ympäröivää luuta.

Suunnittelussa aksiaalinen kuormitus on erittäin tärkeä osa pilarien, palkkien ja ristikoiden valmistusta.

Biomekaniikassa aksiaaliset kuormitukset voivat muuttaa luiden liikkumista, mikä voi aiheuttaa muun muassa murtumia tai nivelten tekoniveliä.

Tästä johtuen sekä tekniikassa että lääketieteessä on tärkeää ymmärtää, miten aksiaalinen kuormitus toimii.

Ero aksiaalisen ja poikittaiskuormituksen välillä

Vinkki: Ota tekstityspainike käyttöön, jos tarvitset sitä. Valitse asetuspainikkeesta "automaattinen käännös", jos et tunne englannin kieltä. Sinun on ehkä napsautettava ensin videon kieltä, ennen kuin suosikkikielesi on saatavilla käännettäväksi.

Rakenneosat ja aksiaalikuormat

Ristikot ja pilarit ovat kaksi yleistä rakenneosien tyyppiä, jotka on enimmäkseen tehty kestämään aksiaalista kuormitusta.

Ristikot: Ominaisuudet ja sovellukset

Ristikot ovat rakenneosia, jotka on tehty kantamaan aksiaalisia voimia osissaan.

Nämä voimat voivat olla jännitystä, puristusta tai käännettävää jännitystä/puristusta, riippuen pahimmasta mahdollisesta kuormituksesta ja kuormitusyhdistelmistä.

Ristikot käyttävät vähemmän materiaalia kantamaan saman määrän painoa.

Tämä tekee niistä upeita siltoihin tai kattoihin, joiden on oltava vahvoja, mutta ei liian raskaita.

Mutta ristikkoosat voivat liikkua vapaasti ja kuljettaa kuormia vain yhteen suuntaan.

Tämä tarkoittaa, että ne eivät ole tarpeeksi vahvoja kestämään kuormia, jotka liikkuvat sivulta toiselle tai taipuvat.

Sarakkeet: Ominaisuudet ja sovellukset

Pilarit ovat teräsrakennusrunkojen pystysuorat osat, jotka pitävät pystyssä lattiapalkit tai lattiat, joihin kohdistuu suuria aksiaalisia puristuskuormia.

Ne on enimmäkseen tehty kestämään aksiaalisia puristuskuormia, mutta riippuen siitä, miten ne on asetettu ja miten ne on valmistettu, ne kestävät myös taivutus- ja leikkausvoimia.

Pilarit voivat olla pyöreitä, neliömäisiä tai suorakaiteen muotoisia, ja ne voivat olla muun muassa betonia, terästä tai puuta.

Kehyksen jäsenet: Ominaisuudet ja sovellukset

Riippuen tavasta, jolla ne on asennettu ja valmistettu, palkit ja pilarit voivat kantaa sekä poikittaista että aksiaalista kuormitusta pituudellaan.

Niitä käytetään usein lattioiden, kattojen ja seinien pitämiseen rakennus- ja rakennusprojekteissa.

Mutta toisin kuin ristikkoosat, runko-osien ei tarvitse tukea vain aksiaalisia kuormia; ne voivat tukea myös poikittaiskuormia.

Suurimman aksiaalikuorman määrittäminen

Rakennetta rakennettaessa on tärkeää tietää, kuinka paljon aksiaalista kuormaa tietty osa tai rakenne kestää.

Pylväiden suurimman aksiaalikuorman laskeminen

Saadaksesi selville, kuinka paljon aksiaalista kuormaa sarake kestää, voit selvittää sen KL/r:n ja etsiä sitten cFcr:n arvon taulukosta.

Pilarin poikkileikkauksen jännitys saadaan selville kaavalla AP=f, jossa f oletetaan olevan sama koko poikkileikkauksella.

Nurjahduksen tiedetään olevan pilarien murtumisrajatila, ja yhtälö antaa pilareiden kriittisen nurjahduskuorman Pcr (3.1).

Mutta tietyn pilarin kriittisen nurjahduskuorman täydellisen selvittämiseksi tarvitset lisää yhtälöitä ja menetelmiä, ja suunnittelussa on otettava huomioon pilarin päättäminen ja materiaalin ominaisuudet.

Arvioitu enimmäiskuormankantokyky

Terässuunnittelun tekeminen ja vuorovaikutussuhteen tarkastelu on hyvä tapa saada karkea käsitys suurimmasta painosta, jonka jäsen voi kantaa.

Vuorovaikutussuhde on suhde jäsenen suurimman painon ja sen todellisuudessa kantaman painon välillä.

Tämän suhteen käänteisluku kertoo, kuinka paljon enemmän painoa kukin jäsen voi kantaa ennen kuin se rikkoutuu.

On tärkeää muistaa, että tämä menetelmä antaa vain arvion.

Todellinen enimmäiskuorma, jonka jäsen voi kantaa, voi olla pienempi tai suurempi kuin laskettu arvo.

Suunnittelu suurimmalle aksiaaliselle kuormitukselle

Rakenteita suunniteltaessa elementit mitoitetaan karkeasti arkkitehtonisten piirustusten ja muiden asiaankuuluvien asiakirjojen perusteella ja niiden painot selvitetään useimpien koodien ja muun rakennusalan kirjallisuuden tietojen perusteella.

Mutta rakenteet on rakennettava kestämään kriittistä kuormitusta, joka on suurin niihin kohdistuva kuormitus.

Tämä tehdään laskemalla yhteen kaikki kuormat, jotka rakenne voi kantaa elinkaarensa aikana.

Tämä sisältää sekä elävät että kuollut kuormat sekä tuulen, maanjäristysten ja muiden mahdollisten kuormien aiheuttamat kuormat.

Kriittinen kuorma pitkissä hoikkaissa sarakkeissa

Kriittinen kuorma on suurin aksiaalinen paino, jonka pilari voi kestää ennen kuin se alkaa taipua.

Eulerin kaava: Kriittisen kuorman laskeminen

Kriittinen kuorma voidaan löytää Eulerin kaavalla: Pcr = (2EI)/(KL)2, jossa Pcr on Eulerin kriittinen kuorma, E on Youngin kimmomoduuli, I on poikkileikkauksen pinta-alan pienin toinen momentti. Pylväs (pinta-alan hitausmomentti), K on sarakkeen tehollinen pituustekijä ja L on kolonnin tukematon pituus.

Kriittisen kuorman merkitys

Kriittinen kuorma on tärkeä sen selvittämiseksi, kuinka pitkät ohuet pilarit reagoivat aksiaaliseen puristusvoimaan, koska se ei riipu materiaalin lujuudesta.

Tämä tarkoittaa, että kun rakennat ohuita rakenteita, jotka voivat taipua, insinöörien on kiinnitettävä erityistä huomiota hoikkasuhteeseen, joka on pilarin pituus jaettuna sen pienimmällä pyörimissäteellä.

Korkea hoikkasuhde tarkoittaa, että pienet puristuskuormat aiheuttavat todennäköisemmin rakenteen rikkoutumisen.

Nurjahdus tapahtuu, kun suora pylväs, jota puristetaan koko pituudeltaan, yhtäkkiä taipuu. Tämä on sarakkeiden virherajatila.

Aksiaaliset kuormituskennot ja niiden sovellukset

Kuormituskennoja, jotka mittaavat voimaa yhdellä akselilla, kutsutaan aksiaalikuormituskennoiksi.

Aksiaalisten kuormituskennojen toimintaperiaate

Aksiaaliset kuormituskennot toimivat kääntämällä niihin kohdistuvan voiman sähköiseksi signaaliksi, joka voidaan lukea ja kirjoittaa muistiin.

He käyttävät venymämittareita mittaamaan, kuinka paljon aksiaalinen kuormitus muuttaa jonkin muotoa.

Kun punnitusanturiin kohdistetaan voima sen akselia pitkin, venymämittarit taipuvat, mikä muuttaa niiden vastusta.

Resistanssin muutos muutetaan sitten sähköiseksi signaaliksi, joka voidaan mitata.

Aksiaalikuormituskennojen sovellukset

Aksiaalisesti asennettuja punnituskennoja käytetään monilla aloilla, kuten ilmailu-, auto- ja valmistusteollisuudessa.

Joitakin yleisiä tapoja käyttää aksiaalikuormituskennoja ovat:

• Rakennusten ja siltojen rakenteellisiin osiin, kuten palkkeihin ja pylväisiin, kohdistuvan voiman mittaaminen niiden rakentamisen tai käytön aikana.
• Testaus käyttää, kuten sen selvittämistä, kuinka paljon voimaa tarvitaan puristamaan tai venyttämään jotain tai kuinka paljon voimaa tarvitaan jonkin rikkomiseen tai vääntämiseen.
• Pidä silmällä asioita, kuten hydraulipuristimet, nosturit ja hissit varmistaaksesi, että ne toimivat turvallisesti.
• Luettelon lisää tämän artikkelin lopussa.

Muut aksiaalikuorman näkökohdat

Aksiaalinen tuulikuorma

Aksiaalinen tuulikuorma on voima, jonka tuulen virtaus vaikuttaa rakennukseen.

Aiemmin tuulivoimat, erityisesti rannikkoalueilla, ovat saaneet monet rakennukset kaatumaan.

Rakennusinsinöörit käyttävät ASCE 7-16 modifioitua yhtälöä 2.2, joka ottaa huomioon rakenteen korkeuden maanpinnasta sekä sen merkityksen ihmisten elämälle ja omaisuudelle, selvittääkseen tuulen nopeuden ja paineen eri korkeuksilla maanpinnasta.

Rakennusinsinöörit käyttävät kaavaa, joka ottaa huomioon projisoidun alueen, tuulenpaineen, vastuskertoimen, altistumiskertoimen, puuskareaktiokertoimen ja tärkeystekijän selvittääkseen aksiaalisen tuulikuorman.

Yksi kaava on F = A x P x Cd, jossa F on voima tai tuulikuorma, A on kohteen projisoitu pinta-ala, P on tuulen paine ja Cd on vastuskerroin.

Väsymys Vahvuus

Rakenteen väsymislujuuden laskeminen aksiaali- ja taivutuskuormituksessa voidaan tehdä analyyttisilla menetelmillä, jotka perustuvat aksiaali- ja taivutuskuormituksen väsymislujuuden suhteeseen.

Näissä menetelmissä pyörivän taivutuskuorman aiheuttama väsymislujuus muutetaan aksiaalisen kuormituksen alaisena väsymislujuuteen.

Analyyttisen mallin toiminnan selvittämiseksi voidaan tehdä myös korkean syklin väsymistestejä molemmissa kuormitusolosuhteissa.

Tasojännitysmalleilla voidaan myös selvittää, kuinka kauan materiaali kestää käytettynä sen pinnalla, jossa yksi pääjännitys on yleensä nolla.

Lopuksi SN-käyrillä voidaan löytää suurin sallittu jännitys N syklissä ja väsymislujuuden vähennyskerroin kf.

Kuulalaakerit ja suurin aksiaalikuorma

Säteittäiset kuulalaakerit, joissa on pidike (tai häkki), on enimmäkseen tehty kestämään säteittäisiä kuormia, mutta niillä voidaan käsitellä myös aksiaalikuormia.

Laakeriin kohdistuvan aksiaalikuorman määrä riippuu sen koosta ja ilmoitetaan yleensä prosentteina laakerin säteittäiskuormitusarvosta.

Kun reiän halkaisijan ja ulkorenkaan halkaisijan välinen ero on suuri, laakeri voi kestää aksiaalisia kuormia, jotka ovat jopa 50 % säteittäisestä staattisesta kuormasta.

Ohuiden laakereiden kulkuradat ovat matalampia, mikä tekee niistä vähemmän kestäviä aksiaalisia kuormia.

Jos laakerin on kestettävä suurta aksiaalista kuormitusta, tulee käyttää kulmakosketuslaakeria.

Nämä on valmistettu sisäpuolelta eri tavalla kuin syväurakuulalaakerit, joten ne kestävät suurempia aksiaalikuormia.

Tietyn sisähalkaisijan omaavien kuulalaakereiden suurin aksiaalinen kuormitus riippuu useista seikoista, kuten laakerin koosta, laakerin kulkuradan syvyydestä ja siitä, kohdistuuko siihen suuri radiaali- tai momenttikuormitus.

Laakeriin kohdistuvan aksiaalikuorman määrä on usein annettu likimääräisenä laakerin säteittäisen kuormituksen arvosta.

SKF tarjoaa minimaaliset aksiaaliset ja radiaaliset kuormat yksittäisille laakereille ja laakeripareille, jotka on asennettu tandem- tai peräkkäin/kasvotusten kokoonpanoihin.

Suurin kuormitus, joka kuulalaakereihin voidaan asettaa, riippuu siitä, kuinka ne on valmistettu sisältä.

Aksiaalinen kuormitus rakenteissa

Kun rakenteeseen kohdistetaan voima suoraan rakenteen akselia pitkin, sitä kutsutaan aksiaalikuormitukseksi.

Kun on pistekuorma, jännitys lähellä kuormituspistettä on paljon suurempi kuin keskimääräinen jännitys.

Tämä aiheuttaa erittäin monimutkaisia ​​muodonmuutoksia, koska jännitystilat ovat hyvin monimutkaisia.

Normaali jännitys ja leikkausjännitys ovat molemmat tapoja mitata keskimääräistä jännitystä poikkileikkauksella.

Ei ole väliä mistä poikkileikkausta katsot, stressin määrä on sama.

Pistekuorma on ulkopuolelta tuleva voima, joka keskittyy pienelle alueelle.

Käytä koteloita

Tässä on joitain tapoja käyttää aksiaalista kuormaa:

Käytetty:	Kuvaus:
Pylvään suunnittelu	Pilarit ovat hyvä esimerkki rakenneosista, jotka on tehty tukemaan aksiaalisia kuormia. Esimerkiksi rakennuksissa pylväät tukevat lattioiden ja yläpuolella olevien katon painoa, mikä synnyttää aksiaalisen puristuskuorman, jota pilarin on kestettävä. Aksiaalikuorma on tärkeä huomioida pilareita suunniteltaessa, jotta voidaan varmistaa, etteivät ne taipu tai murtu voiman vaikutuksesta.
Sillat	Siltoja suunniteltaessa aksiaalikuorma on myös erittäin tärkeä huomioitava asia. Aksiaaliset puristuskuormat johtuvat sillan ja sen kuljettamien ajoneuvojen painosta. Sillan on kestettävä nämä kuormat. Siltoihin voivat vaikuttaa myös asiat, kuten tuuli, maanjäristykset ja liikenne, jotka kaikki voivat aiheuttaa taivutusmomentteja ja leikkausvoimia. Turvallisten ja hyödyllisten siltojen tekemiseksi on tärkeää tietää, miten nämä kuormat ovat vuorovaikutuksessa keskenään.
Tornin suunnittelu	Torneille, kuten voimansiirtotorneille, solutorneille ja tuuliturbiineille, kohdistuu suuria aksiaalisia puristuskuormia. Näitä rakenteita tehdessä tulee miettiä muun muassa niiden kuormitustapaa, materiaaleja sekä tornien korkeutta ja leveyttä. Jotta nämä rakenteet ovat turvallisia ja kestävät pitkään, sinun on tiedettävä, miten aksiaaliset kuormat vaikuttavat niihin.
Valmistus ja testaus	Aksiaalikuorma on myös tärkeä käsite valmistuksessa ja testauksessa, jossa materiaalien ja tuotteiden on kestettävä tiettyjä kuormituksia rikkomatta tai muodonmuutosta. Testaustyökaluilla, kuten aksiaalikuormituskennoilla, voit selvittää, kuinka paljon aksiaalista kuormitusta materiaali tai tuote voi kestää ennen kuin se rikkoutuu.
Ilmailusovellukset	Aksiaaliset kuormat voivat olla erittäin tärkeitä suunniteltaessa raketteja, ohjuksia ja muita ajoneuvoja avaruudessa käytettäviksi. Aksiaaliset kuormat voivat johtua ajoneuvon painosta, nopeudesta tai tärinästä. Turvallisten ja tehokkaiden järjestelmien tekemiseksi on tärkeää tietää, miten aksiaaliset kuormat vaikuttavat ajoneuvon rakenneosiin.

Johtopäätös

Kuten olemme nähneet tässä artikkelissa, aksiaalinen kuorma on keskeinen osa sellaisten rakenteiden suunnittelua ja rakentamista, jotka kestävät niihin kohdistuvia voimia.

Kun työskentelet tämän tärkeän voiman kanssa, sinun on mietittävä monia asioita, aina pitkien, ohuiden pilarien ainutlaatuisten haasteiden ymmärtämisestä aksiaalisten punnituskennojen lisäämiseen suunnittelutyökalupakettiin.

Mutta aksiaalinen kuorma on myös muistutus siitä, että suunnittelu on monimutkainen ala, joka muuttuu jatkuvasti.

Kun jatkamme mahdollisuuksien rajojen työntämistä, kohtaamme väistämättä uusia ongelmia, jotka edellyttävät luovaa ajattelua ja yhteistyötä ratkaistaksemme.

Joten, kun seuraavan kerran työskentelet aksiaalikuormalla, pidä mieli avoimena ja ole valmis oppimaan.

Kuka tietää, mitä uutta on seuraavan kulman takana?