Mérnökként az a feladatom, hogy olyan szerkezeteket tervezzek és építsek, amelyek nem csak hasznosak, de biztonságosak is és hosszú élettartamúak is.
A csapágyszilárdság megértése a szerkezettervezés fontos része.
Ha elosztja az effektív csapágyfelületet azzal a maximális terheléssel, amelyet egy oszlop, fal, lábazat vagy kötés elbír, amíg el nem törik, megkapja a teherbírást.
Ez az, ami megakadályozza, hogy az épületeim ledőljenek.
Mérnökhallgatóként vagy mérnökként olyan szerkezeteket kell terveznie, amelyek képesek ellenállni a természeti és az emberi erőknek.
Ezért kell sokat tudnom a teherbírásról, hogy megbizonyosodjak épületeim biztonságáról és hosszú élettartamáról.
Ebben a cikkben mélyebben belemerülök a csapágyszilárdság világába, feltárva a különböző tényezőket, amelyek befolyásolják, és azt, hogy a mérnökök hogyan számíthatják ki és biztosíthatják a szerkezeti stabilitást.
Tehát vegye fel a védősisakot és a gondolkodósapkát, és fedezzük fel együtt a teherbírás lenyűgöző világát!
A csapágyerő megértése
Formális meghatározás:
Az a maximális terhelés, amelyet egy oszlop, fal, lábazat vagy kötés a meghibásodásig elvisel, osztva a tényleges csapágyfelülettel.
A csapágyszilárdság nagyon fontos ötlet a mérnöki munkában, különösen olyan területeken, mint a repülőgépek építése és tervezése.
Arra a maximális súlyra vagy nyomásra utal, amelyet egy szerkezet képes megtartani az összeomlás előtt.
Ebben a cikkben a csapágyszilárdságról, a folyáshatárról és a végső csapágyszilárdságról fogunk beszélni.
Teherbíró képesség
Az a maximális teherbírás, amely egy szerkezetre a meghibásodás előtt helyezhető, osztva a terhelést tartó területtel, teherbírásnak nevezzük.
Mint már említettük, egy szerkezet teherbírása nem az a maximális súly vagy nyomás, amelyet elbír, mielőtt szétesik.
Ehelyett ez az effektív csapágyfelület osztva azzal a maximális terheléssel, amelyet egy oszlop, fal, lábazat vagy kötés elbír, amíg el nem törik.
A csapágyszilárdság húzó-, nyomó-, hajlító- és hajlítószilárdsággal, valamint a csapágy keménységével mérhető.
Mindazonáltal alapvető fontosságú annak megértése, hogy a húzó-, nyomó- és hajlítószilárdság nincs közvetlenül összefüggésben a csapágyszilárdsággal.
Az építés során fontos ismerni az olyan szerkezetek teherbírását, mint a falak és oszlopok, hogy megbizonyosodjunk arról, hogy elbírják az általuk elviselt terhelést.
Ugyanígy a repülőgép tervezésénél a repülőgépváz teherbírásának el kell viselnie a különböző nyomásokat és erőket, amelyek felszállás, repülés, mászás, leszállás és egyéb műveleti manőverek során érik.
Folyáshatár
Egy másik fontos módszer annak mérésére, hogy mennyire erős valami, a folyáshatár.
Ez az a maximális feszültség, amelyet egy szilárd anyag elviselhet, ha a rugalmassági határán belül deformálódik.
A folyási szilárdság az a maximális feszültség vagy terhelés, amelyet egy szilárd anyag elbír, ha a rugalmassági határáig deformálódik, ami azt jelenti, hogy a terhelés eltávolításával vissza tud térni eredeti alakjába.
Azt a feszültséget vagy terhelést, amely egy anyag alakjának tartós megváltoztatásához szükséges, folyási feszültségnek nevezzük.
Ezt követően az anyag nem tér vissza a régi állapotba.
A képlékeny anyagoknál a folyáshatár sokkal kisebb, mint a végszilárdság, míg a rideg anyagoknál nincs folyáshatár, és így folyáshatár sem.
Végső csapágyerő
A maximális teherbírás az a legnagyobb nyomás, amelyet egy szilárd anyag elviselhet, mielőtt eltörik.
Gyakran ugyanúgy használják, mint a "végső szakítószilárdság". A maximális teherbírás és a szakítószilárdság egyaránt egy módja annak, hogy beszéljünk arról, hogy egy szilárd anyag mekkora igénybevételre képes, mielőtt eltörik.
A csapágyvizsgálatokból megtudhatja a csapágy folyási feszültségét és végső feszültségét.
A csapágy folyási szilárdságát (BYS) úgy határozzuk meg, hogy a csapágyfeszültség deformációs görbéjének kezdeti meredekségével párhuzamos vonalat húzunk 0,002 eltolás mellett.
Végső soron a csapágyszilárdság, a folyáshatár és a végső csapágyszilárdság mind fontos gondolatok a tervezésben.
A teherhordó szilárdság a legnagyobb súly, amelyet egy szerkezet elbír, mielőtt eltörne, a folyáshatár pedig az a legnagyobb igénybevétel, amelyet egy anyag elviselhet, mielőtt véglegesen megváltoztatná az alakját.
A maximális teherbírás és a szakítószilárdság egyaránt arra utal, hogy egy anyag mekkora igénybevételt tud elviselni, mielőtt eltörik.
Ezen ötletek megértésével a mérnökök biztonságos és megbízható szerkezeteket és anyagokat készíthetnek.
A határok feszegetése: a teherhordó szilárdság jelentősége az épülettervezésben
Még mindig nehéz megérteni? Hadd változtassak egy kicsit a nézőponton:
Ha olyan épületet szeretne tervezni, amely nem esik szét, mint egy kártyavár, akkor a legfontosabb, hogy meg tudja tartani az ésszerűtlen elvárásait, ésszerűtlen igényeit és elkerülhetetlen hibáit.
Mert valljuk be, ha nem feszegeted épületed teherbíró erejének határait, akkor tényleg teljes életet élsz?
Oké, ez csak egy vicc volt, hogy úgy nézzen ki, mint egy tévéreklám.
Most térjünk vissza a magyarázathoz.
A csapágyszilárdságot befolyásoló tényezők
Talajtényezők
Az egyik legfontosabb dolog, ami befolyásolja a szerkezet szilárdságát, hogy mekkora súlyt bír el.
A következő talajtényezők befolyásolják a talaj teherbíró képességét:
- Nyírószilárdság: A talaj nyírószilárdsága annak mérésére szolgál, hogy a talaj mennyire képes ellenállni azoknak az erőknek, amelyek megpróbálják széthúzni.
- Az alapozás szélessége és mélysége: Az alapozás szélessége és mélysége nagy hatással lehet arra, hogy mekkora súlyt bír el.
Általánosságban elmondható, hogy egy alapozó nagyobb súlyt bír el, ha szélesebb és mélyebb.
- A talaj súlya és a tetején lévő esetleges többletsúly: A talaj súlya és a tetején lévő esetleges többletsúly befolyásolhatja a talaj terhelhetőségét.
Beton nyomószilárdsága
Egy másik dolog, ami befolyásolja a teherbírást, az, hogy mennyire erős a beton, amikor összenyomják.
A beton 28 nap utáni nyomószilárdságát a falalapzatok tervezésénél használjuk, és fontos a szerkezet céljának megfelelő szilárdságú betonkeverék alkalmazása.
A szerkezet alakja és méretei
Egy szerkezet szilárdságát az alakja és mérete is befolyásolhatja, például a szélessége, hossza és vastagsága.
A nagyobb felületű szerkezet általában nagyobb teherbírású.
A terhelés megoszlása és a terhelés típusa
A szerkezet szilárdságát befolyásolhatja a rá nehezedő terhelés típusa.
A szerkezet szilárdságát befolyásolhatják élő terhelések, holtterhelések és szélterhelések.
A szerkezet elhelyezkedése és tájolása
A szerkezet szilárdságát az is befolyásolhatja, hogy hol van és hogyan van felállítva.
A talaj súlytartó képességét olyan dolgok befolyásolhatják, mint a talaj típusa és a talajvíz szintje.
A szerkezet teherbírását az időjárás is befolyásolhatja, például szél, eső, hőmérsékletváltozás.
Nemzetközi Építési Szabályzat
A Nemzetközi Építési Szabályzat javaslatokat tartalmaz arra vonatkozóan, hogy milyen alapot és hogyan kell megépíteni.
A javaslatok között, de nem mindegyikben, a következők találhatók:
- A természetes vagy tömörített talaj súlytartási képessége.
- Rendelkezések a sokat mozgó talajok hatásainak csökkentésére.
- Fagyvonal mélysége.
- Minimális vasalás beton lábazatokhoz.
- Minimális mélység a betonlábakban rögzíthető faoszlopokhoz.
Csapágybiztonsági tényező
A csapágybiztonsági tényezőt a szerkezeti stabilitás biztosítására használják.
A biztonsági tényező a csapágyra terhelhető maximális terhelés és a rá terhelhető maximális terhelés aránya.
Úgy gondolják, hogy meghibásodás akkor következik be, ha a biztonsági tényező kisebb, mint 1.
A megengedett teherbírást a talajparamétereket és az alap alakját figyelembe vevő egyenlettel számolhatja ki.
Értékelési szabványok
A terepi felderítés, a talajmintavétel és a nyírási vizsgálatok minősége befolyásolhatja a stabilitási számítások pontosságát.
Annak érdekében, hogy a biztonsági tényező helyes és megbízható legyen, kidolgozták a biztonsági tényező értékelési szabványait az alapozás stabilitásának elemzésében.
Végül is sok minden befolyásolja, hogy egy oszlop, fal, lábazat vagy kötés mennyire erős.
A mérnököknek át kell gondolniuk a talajt, a beton nyomószilárdságát, a szerkezet alakját és méretét, a terhelés eloszlását és milyen terhelést jelent, hol és hogyan helyezik el a szerkezetet, és mi a Nemzetközi Építési Szabályzat. Mondja.
Ezenkívül a csapágybiztonsági tényezőt a szerkezeti stabilitás biztosítására használják, és értékelési szabványok vannak érvényben a pontos és megbízható számítások biztosítására.
Anyagok teherbírásának meghatározása
A csapágyszilárdságot befolyásoló tényezők
Az oszlop, fal, lábazat vagy hézag szilárdsága számos dologtól függ, például a talajtól, az alap kialakításától, a szerkezet alakjától és méretétől, a terhelés elosztásától és a környezettől.
Talajtényezők: A talaj teherbíró képességét három talajtényező határozza meg: a nyírószilárdság, az alapozás szélessége és mélysége, valamint a talaj súlya és felára.
Ha egy talapzatot olyan talajra helyeznek, amely nem tapad össze, a súlytartási képessége attól függ, hogy milyen széles.
A stabilitási számítások hibásak lehetnek, ha a terepi felderítést, a talajmintavételt és a nyírási vizsgálatokat nem végzik el megfelelően.
Alapozás tervezés: A Nemzetközi Építési Szabályzat ajánlásokat ad az alapozás típusára és tervezési kritériumaira, beleértve, de nem kizárólagosan a természetes vagy tömör talaj teherbíró képességét, a kiterjedt talajok hatásainak mérséklésére vonatkozó rendelkezéseket, a fagyvonal mélységét, a betonlábak minimális vasalását és a minimumot. Beágyazási mélységek faoszlopokhoz betonlábakban.
Az épület méretei és formája: A falakat és oszlopokat a lábazat középpontjához a lehető legközelebb kell alátámasztani, hogy elkerüljük az egyirányú (gerenda) nyírási tönkremenetelét, amely akkor következik be, amikor a gerenda a falhoz képest körülbelül 45 fokos szöget bezár. .
A terheléselosztás az a mód, ahogyan a szerkezet terhelései, például élő terhelések, holtterhelések és szélterhelések eloszlanak.
A környezeti tényezők közé tartozik az épület elhelyezkedése és tájolása, valamint a talajviszonyok, valamint a szélnek, esőnek és a hőmérséklet változásainak kitettsége.
Anyagok teherbírásának meghatározása
A fa, az acél és a réz például különböző teherbírásúak, amelyek szakítószilárdságuktól, nyomószilárdságuktól, keménységüktől, hajlékonyságuktól, rugalmasságuktól és egyéb, az egyes anyagokra jellemző tulajdonságoktól függenek.
Például a fa teherbírása függ a szemcséjétől, sűrűségétől és nedvességtartalmától, míg az acél teherbírása olyan dolgoktól függ, mint az ötvözet összetétele, hőkezelése és fizikai méretei, mint például a külső átmérője, falvastagsága, és hossza.
Szakítószilárdság: Az anyag szakítószilárdsága az az erő, amely ahhoz szükséges, hogy széthúzza, amíg el nem törik.
Nyomószilárdság: Az anyag nyomószilárdságának meghatározásához meg kell mérni, mekkora erő szükséges ahhoz, hogy összetörje, amíg el nem törik.
Acélcső csapágyszilárdság
Az acélcső külső átmérője, falvastagsága és hossza, valamint az acél anyagtulajdonságai, például a folyáshatár és a végső szakítószilárdsága határozza meg, hogy mekkora súlyt tud elbírni.
A számológépet bárki használhatja, aki ismeri az alkalmazásának terhelési követelményeit és azt, hogy a csövet gerendaként vagy oszlopként fogják-e használni, hogy kitalálja, mekkora csőre van szükség.
Az acélcsövek teherbírását matematikai egyenletek vagy számítógépes programok segítségével lehet kiszámítani, amelyek mindezeket figyelembe veszik.
Például egy acélcső teherbíró képessége kiszámítható az Euler-képlettel, amely figyelembe veszi a cső hosszát, támaszték nélküli hosszát és a tehetetlenségi nyomatékot.
Más egyenletek, mint például az American Institute of Steel Construction-tól származó AISC képlet, felhasználhatók annak meghatározására, hogy milyen erős az acélcső különböző terhelések hatására.
Talajvizsgálat a teherbírásra
A talajvizsgálat fontos módszer annak megállapítására, hogy mennyire erős az épület alapja, és mekkora súlyt bír el.
Ez magában foglalja a talajminták laboratóriumi vizsgálatát, hogy kiderítsék, milyen tulajdonságaik vannak, és más módszereket is alkalmaznak a talaj stabilitásának megállapítására.
Laboratóriumi vizsgálatok a talaj tulajdonságaira:
A talajmintákat számos vizsgálatnak vethetjük alá a laboratóriumban, hogy megtudjuk a tulajdonságaikat.
Ezek a tesztek magukban foglalják a konszolidált undrain (CU) tesztet, a határtalan tömörítési tesztet, a triaxiális kompressziós tesztet, a nyíródobos tesztet, a lapáttesztet, a konszolidációs tesztet, a duzzadási és szívási tesztet, az áteresztőképességi tesztet és a kémiai elemzéseket.
Ezekre a vizsgálatokra szükség van a talaj leírásához és osztályozásához, valamint a helyszínről származó bolygatott és háborítatlan minták színének, állagának és konzisztenciájának figyelembevételéhez.
A talaj erősségének megállapításának módjai:
Különböző módszerek használhatók a talaj teherbíró képességének meghatározására, például a Terzaghi végső teherbíró képesség elmélete, amely a sekély, folytonos alapok végső teherbíró képességét határozza meg.
Olyan egyenletet használ, amely figyelembe veszi a talajparamétereket, például a kohéziót, az effektív egységsúlyt, a talpmélységet és a talpszélességet.
Egy másik módja annak, hogy kitaláljuk, mekkora súlyt bír el egy telítetlen finomszemcsés talaj, az a nyírószilárdság felhasználása, amely a korlátlan tömörítési tesztekből származik.
A teherbírási egyenlet (víztelenítés) csak olyan sekély lábazatoknál működik, amelyek nem excenteres függőleges terhelést támogatnak.
A korlátlan nyomószilárdság használata a teherbírás becsléséhez:
A korlátlan nyomószilárdság csak olyan talajoknál működik, amelyek összetapadnak.
Nem használható annak megállapítására, hogy egy nem kohéziós talaj mekkora súlyt bír el, mert más paraméterkészletre van szüksége.
A talajvizsgálat fontos módja annak, hogy megtudja, milyen erős az épület alapja, és mekkora súlyt bír el.
A talaj tulajdonságait laboratóriumi tesztekkel állapítják meg, és különböző módokon lehet kitalálni, hogy a talaj mekkora súlyt bír el a tulajdonságai alapján.
A kohéziós és nem kohéziós talajok esetében fontos a megfelelő módszerek alkalmazása és az egyes módszereknél eltérő talajparaméterek figyelembevétele.
A falazat teherbírása
Maximális használható nyúlás betonfalazathoz
A betonfalazat szélsőséges nyomószálánál a leginkább használható nyúlás 0,0025.
Megerősített falazat
Megerősített falazat esetén a vasalásban az előírt folyáshatár alatti nyomó- és húzófeszültségek megegyeznek a vasalás rugalmassági modulusának és az acél alakváltozásának szorzatával.
A falazat nyírási kapacitása
A falazat névleges teherbírását is megtudhatja, ha megnézi, hogy mennyire bírja el a terhelést.
Egy egyszerű fesztávú gerendában a nyíróképesség a támasztól 0-tól a középső végtelenig terjed.
A vonatkozó tervezési kódokban és irányelvekben megtalálhatja a képletet a nyíróképesség meghatározásához az M/Vd függvényében.
Fontos szempontok a falazat tervezésénél
Fontos megjegyezni, hogy ezek a számítások bizonyos feltételezéseken és tervezési kódokon alapulnak.
A falazat tervezésénél alaposan át kell gondolni a terhelések fajtáit, az anyagok tulajdonságait és a szerkezet felépítését.
Mielőtt bármilyen számítást vagy tervezési döntést hozna a falazott szerkezetekkel kapcsolatban, a legjobb, ha átnézi a vonatkozó tervezési kódokat és irányelveket.
A magas hőmérséklet hatása az acélra
Az acélt gyakran használják az építőiparban és a mérnöki munkákban, de ha túl meleg lesz, elveszíti súlytartó képességét.
Körülbelül 425°C a legmagasabb hőmérséklet, amely felett az acél elkezdi elveszíteni súlytartó képességét.
600°C és 650°C között az acél elveszíti szilárdságának felét, és attól függően, hogy mekkora súlyt visel, eltörhet.
500°C körül a melegen hengerelt szerkezeti acél szilárdsága szobahőmérsékleten sokat veszít teherbírásából.
1100 °F (593,33 °C) hőmérsékleten az acél még mindig szilárdságának körülbelül 50%-a.
Amikor az acél körülbelül 2700 °F (1482,22 °C) hőmérsékleten megolvad, minden erejét feladja.
A tervezés során legtöbbször azt feltételezik, hogy körülbelül 2200 °F (1204,44 °C) hőmérsékleten az összes kapacitás elveszik.
A tűz hatása a szerkezeti acélra
A BS EN 10025 szabvány szerinti S275 minőségű acélban az S275 fokozatú melegen hengerelt szerkezeti acél, amely tűzben volt és 600 °C-nál melegebb lett, lehűlés után elveszítheti tulajdonságait.
Bármilyen forró is a tűz, a szobahőmérsékletű folyási feszültségre vagy cserére nincs szükség, ha az elem megfelel minden egyéb műszaki követelménynek, például egyenes.
Ha az S355 minőségű szerkezeti acélt tűzben 600°C fölé hevítik, akkor a maradék folyáshatára és szakítószilárdsága is csökken.
Csavar nyírószilárdsága – csapágy, letépés és nyíró teherbírás számítások
Tipp: Kapcsolja be a felirat gombot, ha szüksége van rá. Ha nem ismeri a beszélt nyelvet, válassza az „automatikus fordítás” lehetőséget a beállítások gombban. Előfordulhat, hogy először a videó nyelvére kell kattintania, mielőtt kedvenc nyelve elérhetővé válik a fordításhoz.
Csapágyszilárdság felhasználások
Épületek építése:
Mindenféle épületnek és szerkezetnek elég erősnek kell lennie ahhoz, hogy elbírja súlyát.
Megmondja, mekkora súlyt bír el egy oszlop, fal, lábazat vagy kötés, mielőtt eltörik.
A mérnökök „tartószilárdságnak” nevezett számításokat alkalmaznak annak biztosítására, hogy az épület elbírja-e saját súlyát, valamint az emberektől, berendezésektől és a környezettől származó többletsúlyt.
Híd tervezés:
A hidakat úgy kell építeni, hogy elbírják az olyan nehéz terheket, mint az autók, a szél és a földrengések.
Az alapozás és a tartószerkezetek, például a pillérek és pillérek teherbírása kulcsfontosságú tényező annak meghatározásában, hogy mekkora súlyt tudnak elbírni.
A mérnökök a teherbírást is felhasználják annak megállapítására, hogy mekkora súlyt bír el egy gerenda, tartó vagy kábel.
Matematikai mérnök:
A gépészetben a csapágyszilárdság nagyon fontos, mert arra szolgál, hogy kitaláljuk, mekkora súlyt bírnak el a fogaskerekek, csapágyak és tengelyek.
A mérnökök teherbírási számításokat alkalmaznak annak biztosítására, hogy az alkatrészek elviseljék az alkalmazás erőit és igénybevételeit, például nehézgépekben, járművekben és repülőgépekben.
Repülési üzletág:
A csapágyszilárdság a repülőgépiparban is fontos, ahol annak megállapítására használják, hogy mekkora súlyt bírnak el az olyan alkatrészek, mint a szárnyak, törzsek és futóművek.
A mérnökök „tartószilárdságnak” nevezett számításokat használnak annak biztosítására, hogy a repülőgép képes kezelni a repüléssel járó erőket és feszültségeket, például turbulenciát, felszállást és leszállást.
Offshore épületek:
Az olyan szerkezetek tervezése és építése során, mint az olajfúrótornyok, szélturbinák és a tengeren lévő platformok, a teherbíró szilárdság fontos tényező.
Ezeknek az épületeknek ellenállniuk kell a zord időjárásnak, például erős szélnek, hullámoknak és áramlatoknak.
A teherhordó szilárdságot arra használják, hogy kiszámolják, mekkora súlyt bírnak el az alapozás és a tartószerkezetek, valamint hogy mekkora súlyt bírnak el legfeljebb a berendezések és a gépek.
A bányászat:
A bányászatban a teherhordó szilárdság nagyon fontos, mert azt arra használják, hogy megtudják, mekkora súlyt lehet helyezni a föld alatti tartószerkezetekre, például oszlopokra és gerendákra.
A mérnökök „tartószilárdságnak” nevezett számításokat használnak annak biztosítására, hogy a szerkezetek elbírják a felette lévő kőzet súlyát, valamint a bányászati folyamatok, például a robbantás és a fúrás által okozott erőket és feszültségeket.
Következtetés
Ahogy befejeztük a teherbírásról való beszélgetést, fontos megjegyezni, hogy ez az ötlet nemcsak a mérnöki tudományban fontos, hanem általában az életben.
Ahogy egy épületnek erős alapra van szüksége ahhoz, hogy magasan álljon, nekünk is erős alapra van szükségünk ahhoz, hogy szembenézzünk az élet kihívásaival.
Meg kell gyökereznünk hiteinkben, értékeinkben és elveinkben, hogy helyt tudjunk állni azokkal a dolgokkal szemben, amelyek megpróbálnak leütni minket.
Nem csak az épületeknek kell erősnek lenniük. A mi életünknek is erősnek kell lennie.
Ki kell találnunk, hogy mekkora súlyt tudunk elbírni, meg kell találnunk a megfelelő segítséget, és meg kell győződnünk arról, hogy van egy erős alapot, amelyen megállhatunk.
Tehát mielőtt elhagyná ezt a cikket, szánjon egy percet arra, hogy gondolja át, milyen erős vagy.
Mire építed a házadat? Mennyit vihetsz? És hogyan győződhet meg arról, hogy megkapja a szükséges segítséget, hogy szembenézzen az élet kihívásaival? Ne feledje, hogy egy jól megtervezett élet ugyanolyan sokáig tarthat, mint egy jól megtervezett épület.
Tehát menj ki, és építs egy életet, amely képes támogatni az álmaidat.
Linkek és hivatkozások
ACI 318-14 Építési Szabályzat Követelmények Szerkezeti betonra és kommentárra
3. Fejezet: Lakóépületek tervezési terhelései
Falazott falépítés javasolt minimális követelményei
Oszd meg…
