En tant qu'étudiant ingénieur ou ingénieur, vous savez à quel point il est important que les structures puissent supporter différents types de charges.
Mais avez-vous déjà pensé aux problèmes uniques que présente la charge axiale ? Contrairement à la force de cisaillement, à la charge de torsion et à la charge de flexion, la charge axiale applique une force directement le long de l'axe d'une structure.
Cela signifie que lors de la conception, de la construction et de l'entretien des structures, un tout nouvel ensemble de choses doit être pris en compte.
Dans cet article, j'aborderai en détail la charge axiale et couvrirai tout ce que vous devez savoir pour construire des structures capables de supporter cette force importante.
Alors attachez votre ceinture et commençons !.
Introduction à la charge axiale
Définition formelle:
Force dont la résultante passe par le centre de gravité d'une section particulière et est perpendiculaire au plan de la section.
La charge axiale est un type de charge qui exerce une pression sur un élément structurel le long de son axe.
Contrairement à la force de cisaillement, à la charge de torsion et à la charge de flexion, la charge axiale crée plus de contrainte de compression que la tension ou la force de cisaillement.
Force de cisaillement, charge de torsion et charge de flexion : différences
La force de cisaillement provoque la répartition des contraintes le long du plan d'un objet, tandis que la charge de torsion provoque la répartition des contraintes autour de l'axe longitudinal de l'objet.
Lorsqu'une charge est pliée, elle crée une contrainte normale et une contrainte de cisaillement transversale.
La contrainte normale comprend à la fois la contrainte axiale et transversale, tandis que la contrainte de cisaillement transversale comprend à la fois la contrainte de cisaillement de torsion et transversale.
Importance de la charge axiale
Les charges axiales sont importantes car elles peuvent modifier à la fois la structure de l'implant et l'os qui l'entoure.
En ingénierie, la charge axiale est une partie très importante de la fabrication des colonnes, des poutres et des fermes.
En biomécanique, les charges axiales peuvent modifier la façon dont les os bougent, ce qui peut provoquer des fractures ou des arthroplasties, entre autres blessures.
Pour cette raison, il est important en ingénierie et en médecine de comprendre le fonctionnement de la charge axiale.
Différence entre le chargement axial et le chargement transversal
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Eléments de structure et charges axiales
Les fermes et les colonnes sont deux types courants d'éléments structuraux qui sont principalement conçus pour supporter des charges axiales.
Fermes : caractéristiques et applications
Les fermes sont des éléments structuraux conçus pour supporter des forces axiales dans leurs membres.
Ces forces peuvent être de traction, de compression ou de traction/compression réversible, en fonction des charges et des combinaisons de charges les plus défavorables.
Les membres de la ferme utilisent moins de matériau pour supporter le même poids.
Cela les rend parfaits pour les ponts ou les toits qui doivent être solides mais pas trop lourds.
Mais les membres de la ferme sont libres de se déplacer et ne peuvent supporter des charges que dans une seule direction.
Cela signifie qu'ils ne sont pas assez solides pour résister à des charges qui se déplacent d'un côté à l'autre ou qui se plient.
Colonnes : caractéristiques et applications
Les colonnes sont les parties verticales des charpentes en acier qui supportent les poutres de plancher ou les planchers soumis à de lourdes charges de compression axiale.
Ils sont principalement conçus pour résister aux charges axiales de compression, mais selon leur configuration et leur fabrication, ils peuvent également résister aux forces de flexion et de cisaillement.
Les colonnes peuvent être rondes, carrées ou rectangulaires, et elles peuvent être faites de béton, d'acier ou de bois, entre autres.
Membres de l'ossature : caractéristiques et applications
Selon leur configuration et leur fabrication, les poutres et les poteaux peuvent supporter des charges transversales et axiales sur leur longueur.
Ils sont souvent utilisés pour soutenir les planchers, les toits et les murs dans les projets de construction et de construction.
Mais, contrairement aux éléments de ferme, les éléments de cadre ne doivent pas supporter uniquement des charges axiales ; ils peuvent également supporter des charges transversales.
Détermination de la charge axiale maximale
Lors de la construction d'une structure, il est important de savoir quelle charge axiale un certain élément ou structure peut supporter.
Calcul de la charge axiale maximale pour les poteaux
Pour savoir quelle charge axiale une colonne peut supporter, vous pouvez déterminer son KL/r, puis rechercher la valeur de cFcr dans un tableau.
La contrainte dans la section transversale du poteau peut être trouvée en utilisant l'équation AP=f, où f est supposé être le même sur toute la section transversale.
Le flambement est connu pour être un état limite de rupture pour les poteaux, et l'équation donne la charge critique de flambement Pcr pour les poteaux (3.1).
Mais pour comprendre pleinement la charge de flambement critique pour un poteau donné, vous avez besoin de plus d'équations et de méthodes, et la conception doit prendre en compte la façon dont le poteau se termine et les propriétés du matériau.
Capacité de charge maximale approximative
Faire une conception en acier et regarder le rapport d'interaction est un bon moyen d'avoir une idée approximative du poids maximum qu'un membre peut porter.
Le rapport d'interaction est le rapport entre le poids maximal qu'un membre peut porter et le poids qu'il porte réellement.
L'inverse de ce rapport vous indique combien de poids supplémentaire chaque membre peut supporter avant de se casser.
Il est important de se rappeler que cette méthode ne donne qu'une estimation.
La charge maximale réelle qu'un élément peut supporter peut être inférieure ou supérieure à la valeur calculée.
Conception pour une charge axiale maximale
Lors de la conception des structures, les éléments sont dimensionnés approximativement en fonction des dessins architecturaux et d'autres documents pertinents, et leurs poids sont déterminés à l'aide des informations de la plupart des codes et d'autres documents de génie civil.
Mais les structures doivent être construites pour supporter la charge critique, qui est la charge la plus importante pouvant agir sur elles.
Cela se fait en additionnant toutes les charges qu'une structure pourrait supporter au cours de sa durée de vie.
Cela comprend à la fois les surcharges et les charges permanentes, ainsi que les charges causées par le vent, les tremblements de terre et d'autres charges possibles.
Charge critique dans les colonnes longues et minces
La charge critique est le poids le plus axial qu'une colonne peut supporter avant qu'elle ne commence à se plier.
Formule d'Euler : calcul de la charge critique
La formule d'Euler peut être utilisée pour trouver la charge critique : Pcr = (2EI)/(KL)2, où Pcr est la charge critique d'Euler, E est le module d'élasticité d'Young, I est le second moment d'aire minimum de la section transversale de le poteau (moment d'inertie de la zone), K est le facteur de longueur efficace du poteau et L est la longueur non supportée du poteau.
Importance de la charge critique
La charge critique est importante pour déterminer la durée pendant laquelle les colonnes minces réagissent à la force de compression axiale, car elle ne dépend pas de la résistance du matériau.
Cela signifie que lors de la construction de structures minces susceptibles de se plier, les ingénieurs doivent accorder une attention particulière au rapport d'élancement, qui correspond à la longueur de la colonne divisée par son plus petit rayon de giration.
Un rapport d'élancement élevé signifie que de petites charges de compression sont plus susceptibles de provoquer la rupture de la structure.
Le flambement se produit lorsqu'une colonne droite qui est comprimée sur sa longueur se plie soudainement. Il s'agit d'un état limite de défaillance pour les colonnes.
Cellules de charge axiale et leurs applications
Les cellules de charge qui mesurent la force le long d'un seul axe sont appelées cellules de charge axiales.
Principe de fonctionnement des cellules de charge axiales
Les cellules de charge axiales fonctionnent en transformant la force qui leur est appliquée en un signal électrique qui peut être lu et écrit.
Ils utilisent des jauges de contrainte pour mesurer à quel point la charge axiale modifie la forme de quelque chose.
Lorsqu'une force est exercée sur la cellule de charge le long de son axe, les jauges de contrainte se plient, ce qui modifie leur résistance.
Le changement de résistance est ensuite transformé en un signal électrique qui peut être mesuré.
Applications des cellules de charge axiales
Les cellules de charge montées axialement sont utilisées dans de nombreux domaines, tels que l'aérospatiale, l'automobile et la fabrication.
Voici quelques façons courantes d'utiliser les cellules de charge axiale :
- Mesure de la force sur les parties structurelles des bâtiments et des ponts, comme les poutres et les colonnes, pendant leur construction ou leur utilisation.
- Les tests utilisent, comme déterminer la force nécessaire pour presser ou étirer quelque chose, ou la force nécessaire pour casser ou déformer quelque chose.
- Gardez un œil sur des éléments tels que les presses hydrauliques, les grues et les ascenseurs pour vous assurer qu'ils fonctionnent en toute sécurité.
- Je vais énumérer plus dans le bas de cet article.
Autres aspects de la charge axiale
Charge de vent axiale
La charge de vent axiale est la force que le vent exerce sur un bâtiment.
Dans le passé, les forces du vent, en particulier dans les zones côtières, ont provoqué l'effondrement de nombreux bâtiments.
Les ingénieurs civils utilisent l'équation 2.2 modifiée de l'ASCE 7-16, qui prend en compte la hauteur de la structure au-dessus du niveau du sol et son importance pour la vie et les biens des personnes, pour déterminer la vitesse et la pression du vent à différentes hauteurs au-dessus du niveau du sol.
Les ingénieurs civils utilisent une formule qui prend en compte des éléments tels que la surface projetée, la pression du vent, le coefficient de traînée, le coefficient d'exposition, le facteur de réponse aux rafales et le facteur d'importance pour déterminer la charge de vent axiale.
Une formule est F = A x P x Cd, où F est la force ou la charge du vent, A est la surface projetée de l'objet, P est la pression du vent et Cd est le coefficient de traînée.
Résistance à la fatigue
Le calcul de la résistance à la fatigue d'une structure sous des charges axiales et de flexion peut être effectué à l'aide de méthodes analytiques basées sur le rapport des résistances à la fatigue pour les charges axiales et de flexion.
Dans ces méthodes, la résistance à la fatigue sous charge de flexion rotative est transformée en résistance à la fatigue sous charge axiale.
Pour savoir comment fonctionne un modèle analytique, des essais de fatigue hautement cyclique peuvent également être effectués dans les deux conditions de chargement.
En outre, les modèles de contraintes planes peuvent être utilisés pour déterminer la durée de vie d'un matériau lorsqu'il est utilisé sur sa surface, où l'une des principales contraintes est généralement nulle.
Enfin, les courbes SN peuvent être utilisées pour trouver la contrainte maximale admissible à N cycles et un facteur de réduction de la résistance à la fatigue kf.
Roulements à billes et charge axiale maximale
Les roulements à billes radiaux avec un dispositif de retenue (ou cage) sont principalement conçus pour supporter des charges radiales, mais ils peuvent également supporter des charges axiales.
La quantité de charge axiale pouvant être appliquée à un roulement dépend de sa taille et est généralement exprimée en pourcentage de la capacité de charge radiale du roulement.
Lorsque la différence entre le diamètre de l'alésage et le diamètre de la bague extérieure est importante, le roulement peut supporter des charges axiales pouvant atteindre 50 % de la charge statique radiale.
Les chemins de roulement des roulements à section mince sont moins profonds, ce qui les rend moins capables de supporter des charges axiales.
Un roulement à contact oblique doit être utilisé si le roulement doit supporter une charge axiale importante.
Ceux-ci sont fabriqués différemment à l'intérieur des roulements rigides à billes, de sorte qu'ils peuvent supporter des charges axiales plus élevées.
La charge axiale maximale pour les roulements à billes d'un certain diamètre intérieur dépend de plusieurs facteurs, tels que la taille du roulement, la profondeur du chemin de roulement et s'il est soumis ou non à de fortes charges radiales ou de moment.
La quantité de charge axiale pouvant être appliquée à un roulement est souvent donnée comme une approximation de la capacité de charge radiale du roulement.
SKF fournit des charges axiales et radiales minimales pour les roulements simples et les paires de roulements installés dans des configurations en tandem ou dos à dos/face à face.
La plus grande contrainte pouvant être exercée sur les roulements à billes dépend de la façon dont ils sont fabriqués à l'intérieur.
Chargement axial dans les structures
Lorsqu'une force est exercée sur une structure directement le long d'un axe de la structure, on parle de chargement axial.
Lorsqu'il y a une charge ponctuelle, la contrainte près du point de charge est beaucoup plus élevée que la contrainte moyenne.
Cela provoque des déformations très compliquées car les états de contrainte sont très compliqués.
La contrainte normale et la contrainte de cisaillement sont les deux façons de mesurer la contrainte moyenne sur une section transversale.
Peu importe où vous regardez le long de la section transversale, la quantité de contrainte est la même.
Une charge ponctuelle est une force provenant de l'extérieur qui est concentrée dans une petite zone.
Cas d'utilisation
Voici quelques façons d'utiliser la charge axiale :
| Utilisé dans: | Description: |
|---|---|
| Conception d'une colonne | Les colonnes sont un excellent exemple d'élément structurel conçu pour supporter des charges axiales. Par exemple, dans les bâtiments, les colonnes supportent le poids des planchers et du toit au-dessus, ce qui crée une charge axiale de compression à laquelle la colonne doit résister. La charge axiale est une chose importante à prendre en compte lors de la conception des colonnes pour s'assurer qu'elles ne se plieront pas ou ne se briseront pas sous la force. |
| Des ponts | Lors de la conception de ponts, la charge axiale est également une chose très importante à laquelle il faut penser. Les charges axiales de compression sont causées par le poids du pont et des véhicules qu'il transporte. Le pont doit pouvoir supporter ces charges. Les ponts peuvent également être affectés par des éléments tels que le vent, les tremblements de terre et la circulation, qui peuvent tous provoquer des moments de flexion et des forces de cisaillement. Pour fabriquer des ponts sûrs et utiles, il est important de savoir comment ces charges interagissent les unes avec les autres. |
| Conception de la tour | Des charges axiales de compression élevées sont appliquées aux tours telles que les tours de transmission, les tours cellulaires et les éoliennes. Lors de la réalisation de ces structures, il faut penser entre autres à la façon dont elles seront chargées, aux matériaux, à la hauteur et à la largeur des tours. Pour vous assurer que ces structures sont sûres et durent longtemps, vous devez savoir comment les charges axiales les affectent. |
| Fabrication et test | La charge axiale est également un concept important dans la fabrication et les essais, où les matériaux et les produits doivent pouvoir résister à certaines charges sans se casser ni se déformer. Avec des outils de test comme les cellules de charge axiale, vous pouvez savoir quelle charge axiale un matériau ou un produit peut supporter avant de se casser. |
| Applications aérospatiales | Les charges axiales peuvent être très importantes lors de la conception de fusées, de missiles et d'autres véhicules à utiliser dans l'espace. Les charges axiales peuvent être causées par le poids du véhicule, sa vitesse ou les vibrations. Pour rendre les systèmes sûrs et efficaces, il est important de savoir comment les charges axiales affectent les parties structurelles d'un véhicule. |
Conclusion
Comme nous l'avons vu dans cet article, la charge axiale est un élément clé de la conception et de la construction de structures capables de résister aux forces qui leur sont appliquées.
Lorsque vous travaillez avec cette force importante, il y a beaucoup de choses à penser, de la compréhension des défis uniques des colonnes longues et minces à l'ajout de cellules de charge axiales à votre boîte à outils d'ingénierie.
Mais la charge axiale rappelle également que l'ingénierie est un domaine complexe en constante évolution.
Alors que nous continuons à repousser les limites de ce qui est possible, nous serons inévitablement confrontés à de nouveaux problèmes qui nous obligeront à penser de manière créative et à travailler ensemble pour les résoudre.
Ainsi, la prochaine fois que vous travaillerez avec une charge axiale, gardez l'esprit ouvert et soyez prêt à apprendre.
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