Comprensione Del Carico Assiale In Ingegneria

Come studente di ingegneria o ingegnere, sai quanto sia importante che le strutture siano in grado di gestire diversi tipi di carichi.

Ma hai mai pensato ai problemi unici che presenta il carico assiale? A differenza della forza di taglio, del carico torsionale e del carico di flessione, il carico assiale applica la forza direttamente lungo l'asse di una struttura.

Ciò significa che durante la progettazione, la costruzione e la manutenzione delle strutture, è necessario tenere conto di tutta una serie di cose nuove.

In questo articolo, entrerò nei dettagli sul carico assiale e coprirò tutto ciò che devi sapere per costruire strutture in grado di gestire questa importante forza.

Quindi allacciati le cinture e cominciamo!.

Introduzione al carico assiale

Definizione formale:

Una forza la cui risultante passa per il baricentro di una particolare sezione ed è perpendicolare al piano della sezione.

Il carico assiale è un tipo di carico che esercita una pressione su un elemento strutturale lungo il suo asse.

A differenza della forza di taglio, del carico torsionale e del carico di flessione, il carico assiale crea più stress di compressione rispetto alla tensione o alla forza di taglio.

Forza di taglio, carico di torsione e carico di flessione: differenze

La forza di taglio fa sì che la sollecitazione si diffonda lungo il piano di un oggetto, mentre il carico torsionale fa sì che la sollecitazione si diffonda attorno all'asse longitudinale dell'oggetto.

Quando un carico è piegato, crea una sollecitazione normale e una sollecitazione di taglio trasversale.

La sollecitazione normale include sia la sollecitazione assiale che quella trasversale, mentre la sollecitazione di taglio trasversale include sia la sollecitazione di taglio torsionale che quella trasversale.

Importanza del carico assiale

I carichi assiali sono importanti perché possono modificare sia la struttura dell'impianto che l'osso circostante.

In ingegneria, il carico assiale è una parte molto importante di come vengono realizzati pilastri, travi e capriate.

In biomeccanica, i carichi assiali possono modificare il modo in cui le ossa si muovono, il che può causare fratture o sostituzioni articolari, tra le altre lesioni.

Per questo motivo, è importante sia in ingegneria che in medicina capire come funziona il carico assiale.

Differenza tra carico assiale e carico trasversale

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Elementi strutturali e carichi assiali

Capriate e colonne sono due tipi comuni di elementi strutturali che sono principalmente realizzati per sopportare carichi assiali.

Capriate: caratteristiche e applicazioni

Le capriate sono elementi strutturali realizzati per trasportare forze assiali nei loro membri.

Queste forze possono essere di trazione, compressione o trazione/compressione reversibile, a seconda dei carichi e delle combinazioni di carico del caso peggiore.

I membri del traliccio utilizzano meno materiale per supportare la stessa quantità di peso.

Questo li rende ottimi per ponti o tetti che devono essere robusti ma non troppo pesanti.

Ma i membri del traliccio sono liberi di muoversi e possono trasportare carichi solo in una direzione.

Ciò significa che non sono abbastanza forti da resistere a carichi che si muovono da un lato all'altro o si piegano.

Colonne: caratteristiche e applicazioni

Le colonne sono le parti verticali dei telai degli edifici in acciaio che sostengono le travi del pavimento o i solai soggetti a pesanti carichi di compressione assiale.

Sono per lo più realizzati per resistere a carichi assiali di compressione, ma a seconda di come sono impostati e di come sono realizzati, possono resistere anche a forze di flessione e taglio.

Le colonne possono essere rotonde, quadrate o rettangolari e possono essere realizzate in cemento, acciaio o legno, tra le altre cose.

Membri del telaio: caratteristiche e applicazioni

A seconda di come vengono montati e realizzati, travi e colonne possono sopportare carichi sia trasversali che assiali lungo la loro lunghezza.

Sono spesso utilizzati per sostenere pavimenti, tetti e pareti in progetti di costruzione e costruzione.

Ma, a differenza degli elementi del traliccio, gli elementi del telaio non devono supportare solo carichi assiali; possono anche sostenere carichi trasversali.

Determinazione del carico assiale massimo

Quando si costruisce una struttura, è importante sapere quanto carico assiale può sopportare un determinato elemento o struttura.

Calcolo del carico assiale massimo per le colonne

Per scoprire quanto carico assiale può sopportare una colonna, puoi calcolare il suo KL/r e quindi cercare il valore di cFcr in una tabella.

La sollecitazione nella sezione trasversale del pilastro può essere trovata utilizzando l'equazione AP=f, dove si presume che f sia uguale in tutta la sezione trasversale.

È noto che l'instabilità è uno stato limite di rottura per le colonne e l'equazione fornisce il carico di instabilità critico Pcr per le colonne (3.1).

Ma per comprendere appieno il carico di punta critico per una data colonna, sono necessari più equazioni e metodi e il progetto deve tenere conto di come termina la colonna e delle proprietà del materiale.

Capacità di carico massima approssimata

Fare un progetto in acciaio e osservare il rapporto di interazione è un buon modo per avere un'idea approssimativa del peso massimo che un membro può portare.

Il rapporto di interazione è il rapporto tra il peso massimo che un membro può portare e quanto peso sta effettivamente portando.

Il reciproco di quel rapporto ti dice quanto più peso può portare ogni membro prima che si rompa.

È importante ricordare che questo metodo fornisce solo una stima.

Il carico massimo effettivo che un membro può trasportare può essere inferiore o superiore al valore calcolato.

Progettazione per carico assiale massimo

Durante la progettazione delle strutture, i membri vengono dimensionati approssimativamente sulla base di disegni architettonici e altri documenti pertinenti, e i loro pesi vengono calcolati utilizzando le informazioni dalla maggior parte dei codici e da altra letteratura di ingegneria civile.

Ma le strutture devono essere costruite per sopportare il carico critico, che è il carico maggiore che potrebbe agire su di esse.

Questo viene fatto sommando tutti i carichi che una struttura potrebbe portare nel corso della sua vita.

Ciò include sia carichi accidentali che carichi permanenti, nonché carichi causati da vento, terremoti e altri possibili carichi.

Carico critico in colonne lunghe e sottili

Il carico critico è il peso più assiale che una colonna può sostenere prima che inizi a piegarsi.

Formula di Eulero: calcolo del carico critico

La formula di Eulero può essere utilizzata per trovare il carico critico: Pcr = (2EI)/(KL)2, dove Pcr è il carico critico di Eulero, E è il modulo di elasticità di Young, I è il secondo momento minimo dell'area della sezione trasversale di la colonna (momento di inerzia dell'area), K è il fattore di lunghezza effettiva della colonna e L è la lunghezza non supportata della colonna.

Significato del carico critico

Il carico critico è importante per capire per quanto tempo le colonne sottili reagiscono alla forza di compressione assiale perché non dipende dalla resistenza del materiale.

Ciò significa che quando si costruiscono strutture sottili che potrebbero piegarsi, gli ingegneri devono prestare particolare attenzione al rapporto di snellezza, che è la lunghezza della colonna divisa per il suo raggio di rotazione più piccolo.

Un elevato rapporto di snellezza significa che piccoli carichi di compressione hanno maggiori probabilità di causare la rottura della struttura.

L'instabilità si verifica quando una colonna diritta che viene compressa lungo la sua lunghezza si piega improvvisamente. Questo è uno stato limite di errore per le colonne.

Celle di carico assiali e loro applicazioni

Le celle di carico che misurano la forza lungo un singolo asse sono chiamate celle di carico assiali.

Principio di funzionamento delle celle di carico assiali

Le celle di carico assiali funzionano trasformando la forza che viene loro applicata in un segnale elettrico che può essere letto e annotato.

Usano estensimetri per misurare quanto il carico assiale cambia la forma di qualcosa.

Quando una forza viene applicata alla cella di carico lungo il suo asse, gli estensimetri si piegano, modificando la loro resistenza.

La variazione di resistenza viene quindi trasformata in un segnale elettrico che può essere misurato.

Applicazioni delle celle di carico assiali

Le celle di carico a montaggio assiale sono utilizzate in molti settori, come quello aerospaziale, automobilistico e manifatturiero.

Alcuni modi comuni in cui vengono utilizzate le celle di carico assiali sono:

• Misurare la forza sulle parti strutturali di edifici e ponti, come travi e colonne, mentre vengono costruite o utilizzate.
• Usi di test, come capire quanta forza è necessaria per spremere o allungare qualcosa, o quanta forza è necessaria per rompere o deformare qualcosa.
• Tenere d'occhio cose come presse idrauliche, gru e ascensori per assicurarsi che funzionino in sicurezza.
• Elencherò di più in fondo a questo articolo.

Altri aspetti del carico assiale

Carico assiale del vento

Il carico assiale del vento è la forza che il flusso del vento esercita su un edificio.

In passato le forze del vento, soprattutto nelle zone costiere, hanno fatto crollare molti edifici.

Gli ingegneri civili utilizzano l'equazione 2.2 modificata ASCE 7-16, che tiene conto dell'altezza della struttura sopra il livello del suolo e di quanto sia importante per la vita e le proprietà delle persone, per calcolare la velocità e la pressione del vento a diverse altezze sopra il livello del suolo.

Gli ingegneri civili usano una formula che tiene conto di cose come l'area proiettata, la pressione del vento, il coefficiente di resistenza aerodinamica, il coefficiente di esposizione, il fattore di risposta alle raffiche e il fattore di importanza per calcolare il carico assiale del vento.

Una formula è F = A x P x Cd, dove F è la forza o il carico del vento, A è l'area proiettata dell'oggetto, P è la pressione del vento e Cd è il coefficiente di resistenza.

Resistenza alla fatica

Il calcolo della resistenza a fatica di una struttura sotto carichi assiali e di flessione può essere effettuato utilizzando metodi analitici basati sul rapporto delle resistenze a fatica per carico assiale e di flessione.

In questi metodi, la resistenza a fatica sotto carico di flessione rotante viene modificata nella resistenza a fatica sotto carico assiale.

Per scoprire come funziona un modello analitico, è anche possibile eseguire prove di fatica ad alto numero di cicli in entrambe le condizioni di carico.

Inoltre, i modelli di sollecitazione piana possono essere utilizzati per capire quanto durerà un materiale se utilizzato sulla sua superficie, dove una delle sollecitazioni principali è solitamente zero.

Infine, le curve SN possono essere utilizzate per trovare la sollecitazione massima ammissibile a N cicli e un fattore di riduzione della resistenza a fatica kf.

Cuscinetti a sfera e carico assiale massimo

I cuscinetti radiali a sfere con fermo (o gabbia) sono per lo più realizzati per sopportare carichi radiali, ma possono anche sopportare carichi assiali.

La quantità di carico assiale che può essere applicata a un cuscinetto dipende dalle sue dimensioni e viene generalmente indicata come percentuale del coefficiente di carico radiale del cuscinetto.

Quando la differenza tra il diametro del foro e il diametro dell'anello esterno è grande, il cuscinetto può sopportare carichi assiali fino al 50% del carico statico radiale.

Le piste nei cuscinetti a sezione sottile sono meno profonde, il che le rende meno in grado di gestire i carichi assiali.

Un cuscinetto a contatto obliquo deve essere utilizzato se il cuscinetto deve sopportare un carico assiale pesante.

Questi sono realizzati in modo diverso all'interno rispetto ai cuscinetti radiali a sfere, quindi possono sopportare carichi assiali più elevati.

Il carico assiale massimo per i cuscinetti a sfera con un certo diametro interno dipende da diversi fattori, come la dimensione del cuscinetto, la profondità della pista di rotolamento del cuscinetto e se è soggetto o meno a pesanti carichi radiali o di momento.

La quantità di carico assiale che può essere applicata a un cuscinetto è spesso indicata come un'approssimazione del coefficiente di carico radiale del cuscinetto.

La SKF fornisce carichi assiali e radiali minimi per cuscinetti singoli e coppie di cuscinetti allestiti in configurazioni tandem o dorso a dorso/faccia a faccia.

La massima sollecitazione che può essere esercitata sui cuscinetti a sfera dipende da come sono realizzati all'interno.

Carico assiale nelle strutture

Quando una forza viene applicata a una struttura direttamente lungo un asse della struttura, si parla di carico assiale.

Quando c'è un carico puntuale, la sollecitazione vicino al punto di carico è molto più alta della sollecitazione media.

Ciò provoca deformazioni molto complicate perché gli stati di sollecitazione sono molto complicati.

La sollecitazione normale e la sollecitazione di taglio sono entrambi modi per misurare la sollecitazione media su una sezione trasversale.

Non importa dove guardi lungo la sezione trasversale, la quantità di stress è la stessa.

Un carico puntuale è una forza dall'esterno concentrata in una piccola area.

Casi d'uso

Ecco alcuni modi in cui il carico assiale potrebbe essere utilizzato:

Usato in:	Descrizione:
Progettazione di una colonna	Le colonne sono un ottimo esempio di elemento strutturale realizzato per supportare carichi assiali. Ad esempio, negli edifici, le colonne sostengono il peso dei solai e del tetto soprastanti, il che crea un carico assiale di compressione a cui la colonna deve resistere. Il carico assiale è una cosa importante a cui pensare quando si progettano colonne per assicurarsi che non si pieghino o si rompano sotto la forza.
Ponti	Quando si progettano ponti, anche il carico assiale è una cosa molto importante a cui pensare. I carichi assiali di compressione sono causati dal peso del ponte e dei veicoli che trasporta. Il ponte deve essere in grado di sopportare questi carichi. I ponti possono anche essere influenzati da cose come vento, terremoti e traffico, che possono causare momenti flettenti e forze di taglio. Per realizzare ponti sicuri e utili, è importante sapere come questi carichi interagiscono tra loro.
Disegno della torre	Elevati carichi assiali di compressione vengono applicati su torri come torri di trasmissione, torri cellulari e turbine eoliche. Quando realizzi queste strutture, devi pensare al modo in cui verranno caricate, ai materiali, all'altezza e alla larghezza delle torri, tra le altre cose. Per assicurarsi che queste strutture siano sicure e durino a lungo, è necessario sapere in che modo i carichi assiali le influenzano.
Produzione e test	Il carico assiale è anche un concetto importante nella produzione e nei test, dove materiali e prodotti devono essere in grado di sopportare determinati carichi senza rompersi o deformarsi. Con strumenti di prova come le celle di carico assiali, puoi scoprire quanto carico assiale può sopportare un materiale o un prodotto prima che si rompa.
Applicazioni aerospaziali	I carichi assiali possono essere molto importanti quando si progettano razzi, missili e altri veicoli da utilizzare nello spazio. I carichi assiali possono essere causati dal peso del veicolo, dalla sua velocità o dalle vibrazioni. Per realizzare impianti sicuri ed efficaci è importante sapere come i carichi assiali influiscono sulle parti strutturali di un veicolo.

Conclusione

Come abbiamo visto in questo articolo, il carico assiale è una parte fondamentale della progettazione e della costruzione di strutture in grado di resistere alle forze a cui sono sottoposte.

Quando si lavora con questa forza importante, ci sono molte cose a cui pensare, dalla comprensione delle sfide uniche delle colonne lunghe e sottili all'aggiunta di celle di carico assiali al proprio kit di strumenti ingegneristici.

Ma il carico assiale ci ricorda anche che l'ingegneria è un campo complicato in continua evoluzione.

Mentre continuiamo a spingere i limiti di ciò che è possibile, inevitabilmente affronteremo nuovi problemi che ci richiederanno di pensare in modo creativo e lavorare insieme per risolverli.

Quindi, la prossima volta che lavori con il carico assiale, mantieni una mente aperta e sii pronto ad imparare.

Chissà quali novità ci sono dietro l'angolo?