L'ingegneria strutturale ha cambiato il mio mondo in molti modi, dalla costruzione di alti grattacieli alla costruzione di ponti che attraversano interi fiumi.
La semplice colonna a travi è una delle parti più importanti di molti di questi edifici.
Questa parte della struttura è soggetta contemporaneamente sia al carico assiale che ai momenti flettenti causati dalle forze laterali o dall'eccentricità del carico longitudinale.
Molte delle meraviglie ingegneristiche di oggi non sarebbero possibili senza colonne di travi.
In questo articolo, esaminerò le colonne di travi e parlerò di cosa sono, come funzionano e perché sono importanti.
Questo post è per chiunque, che tu sia un nuovo studente di ingegneria o un ingegnere esperto che vuole imparare qualcosa di nuovo.
Quindi iniziamo e scopriamo cosa sono le colonne di travi e cosa fanno.
introduzione
Definizione formale:
Un elemento strutturale è soggetto contemporaneamente a carico assiale e momenti flettenti prodotti dalle forze laterali o dall'eccentricità del carico longitudinale.
La colonna della trave è una parte importante dell'ingegneria che viene utilizzata per supportare edifici, ponti e altre strutture.
In questo articolo, esamineremo i diversi modi in cui le colonne di travi vengono utilizzate nei progetti di ingegneria e costruzione.
Cos'è una trave a colonna?
Una colonna di travi è un elemento strutturale realizzato per sostenere i carichi sul suo asse lungo.
Può essere chiamato un membro di compressione, il che significa che la maggior parte del peso viene caricata su di esso quando viene compresso.
Una colonna di travi può sostenere il peso di travi, pareti, lastre e altre strutture.
Tipi di pilastri a trave
Esistono molti tipi diversi di colonne di travi utilizzate in ingegneria.
I pilastri con travi in acciaio laminato sono un tipo comune di colonna utilizzato nelle costruzioni in acciaio.
È realizzato rotolando lastre di acciaio in una forma che può sostenere i carichi quando vengono premuti insieme.
- Colonna a trave in cemento armato: questo tipo di colonna a trave è realizzata in calcestruzzo ed è rinforzata con barre d'acciaio.
Viene utilizzato per costruire con cemento armato ed è un ottimo modo per spostare cose pesanti.
- Colonna a travi in legno: questo tipo di colonna a travi è realizzata in legno ed è spesso utilizzata nell'edilizia residenziale.
- Colonna a trave composita: questo tipo di colonna a trave è realizzata combinando due o più materiali, come acciaio e cemento, per creare una struttura più resistente e duratura.
Perché accontentarsi di meno quando la colonna di travi ti dà tutto?
Ancora difficile da capire? Permettimi di cambiare un po' il punto di vista:
Sei stufo di travi noiose e dritte che possono fare solo una cosa alla volta? Non guardare da nessun'altra parte se non la colonna di travi! Perché usare un semplice raggio unidimensionale quando puoi usare un membro che fa tutto?
Sì, la colonna della trave è il massimo dell'ingegneria strutturale perché può gestire facilmente sia i carichi assiali che i momenti flettenti.
Allora perché scegliere un solo tipo di carico quando puoi averli tutti? Con la versatile colonna a trave, puoi abbracciare la stranezza del carico longitudinale e aggiungere un po' di forza laterale alla tua vita.
Ok, quello era solo uno scherzo fatto per sembrare uno spot televisivo.
Ora torniamo alla spiegazione.
Materiali utilizzati nelle travi-colonne
Le travi-colonne possono essere realizzate in pietra, legno, cemento o acciaio, tra le altre cose.
Nella costruzione moderna, tuttavia, vengono spesso utilizzate colonne in acciaio a forma di H perché sono resistenti e rigide.
I lati più lunghi della flangia della colonna a forma di H sono più spessi del pezzo centrale dell'anima, il che la rende maggiormente in grado di resistere alle forze di compressione.
Gli edifici moderni sono spesso sostenuti anche da sistemi di travi e colonne in cemento armato.
Definizione e differenze
Definizione di Trave e Pilastro
Una trave è un pezzo di un edificio che è fatto per resistere ai carichi flettendosi.
Di solito è piatto ed è sostenuto alle estremità o per tutta la sua lunghezza.
La maggior parte dei pavimenti, dei tetti e dei ponti sono sostenuti da travi.
D'altra parte, una colonna è una parte verticale di un edificio realizzata per resistere principalmente a carichi di compressione.
Di solito viene utilizzato per sostenere un edificio o un'altra struttura e spostare il peso sulle fondamenta.
Differenze tra Trave e Pilastro
Ci sono alcune differenze principali tra travi e pilastri.
- Capacità di carico: le travi sono per lo più realizzate per trasportare carichi piegati, mentre le colonne sono per lo più realizzate per trasportare carichi compressi.
Per questo motivo, le travi tendono ad essere più forti quando piegate e più deboli quando compresse, mentre le colonne tendono ad essere più forti quando compresse e più deboli quando piegate.
- Orientamento: le travi sono generalmente laterali e le colonne sono generalmente in alto.
- Condizioni di supporto: le travi sono generalmente supportate alle estremità o lungo la loro lunghezza, mentre le colonne sono generalmente supportate alla base e alla sommità.
- Forma della sezione trasversale: le travi sono generalmente quadrate, circolari oa forma di I, mentre le colonne sono solitamente quadrate, circolari o rettangolari.
Concetti chiave e differenze
Una colonna di travi è un pezzo di un edificio realizzato per sopportare sia carichi assiali che di flessione.
Viene utilizzato quando è necessario spostare carichi pesanti dalla struttura alla fondazione.
La colonna della trave va dalla sottostruttura alla sovrastruttura.
È una parte fondamentale dello spostamento del peso dalla sommità dell'edificio alle fondamenta.
Differenze tra colonne di travi, travi e colonne
Ecco le differenze più importanti tra colonne di travi, travi e pilastri:
- Capacità di carico: una colonna di travi è realizzata per sopportare carichi sia assiali che di flessione, mentre una trave è per lo più realizzata per sopportare carichi di flessione e una colonna è per lo più realizzata per sopportare carichi assiali.
Una colonna è un elemento di compressione verticale, mentre una trave è un elemento di compressione orizzontale.
Una colonna di travi collega la fondazione allo strato superiore, che può essere orizzontale o verticale.
In termini di forma della sezione trasversale, una trave è solitamente quadrata, circolare oa forma di I, mentre una colonna è solitamente quadrata, circolare o rettangolare.
La sezione trasversale di una colonna di travi può avere qualsiasi forma, ma di solito è una combinazione di forme quadrate e rotonde.
- Utilizzo: le travi sono utilizzate principalmente per sostenere pavimenti, tetti e ponti, mentre le colonne sono utilizzate principalmente per sostenere il peso di un edificio o di un'altra struttura.
Le colonne a trave sono utilizzate negli edifici che devono trasferire alla fondazione sia i carichi assiali che quelli di flessione.
Connessione trave-colonna
Le connessioni trave-colonna tengono insieme travi e pilastri in una struttura.
In questo articolo, esamineremo i diversi tipi di connessioni trave-colonna e come aiutano a mantenere un edificio sicuro e stabile.
Tipi di connessioni trave-colonna
In base alla rigidità della connessione, esistono due tipi principali di connessioni trave-colonna: connessioni flessibili e connessioni rigide.
- Connessione flessibile: in una connessione flessibile, chiamata anche connessione semplice o connessione fissa, non c'è trasferimento di momento tra le parti che sono collegate.
Sposta le forze assiali o di taglio, ma non i momenti.
Le connessioni flessibili sono spesso utilizzate in strutture in cui le connessioni tra travi e pilastri devono affrontare piccole torsioni o svolte.
- Connessione rigida: una connessione rigida, chiamata anche connessione resistente al momento o fissa, trasferisce sia il taglio che il momento tra le parti che sono collegate.
Le connessioni rigide vengono utilizzate quando la connessione tra una trave e una colonna deve gestire grandi torsioni o forze di torsione.
Collegamenti speciali
Per i giunti storti, le travi eccentriche alle colonne e le connessioni alle anime delle colonne, è possibile utilizzare connessioni semplici.
Queste connessioni sono considerate speciali.
Riducendo le sezioni delle travi, i collegamenti semplici possono avere una maggiore resistenza all'unione.
Questo può essere fatto praticando dei fori nell'anima della trave o tagliando parte delle ali della trave (sezione dell'anima ridotta).
Fattori che influenzano la progettazione della connessione trave-colonna
Il tipo di collegamento trave-colonna utilizzato dipende da una serie di fattori, come la quantità di peso che la struttura può sostenere, i requisiti di progettazione strutturale e le proprietà dei materiali.
Alcune delle cose che influenzano il modo in cui vengono realizzate le connessioni trave-colonna sono:
- Capacità di carico: la connessione trave-pilastro deve avere una capacità di carico sufficiente per resistere alle forze e ai momenti che potrebbero agire su di essa.
- Requisiti per la progettazione strutturale: la progettazione della connessione trave-colonna deve soddisfare il regolamento edilizio e le specifiche di progetto per la progettazione strutturale.
- Proprietà del materiale: il progetto deve tenere conto della resistenza e della rigidità dei materiali utilizzati nella connessione trave-colonna.
Massimo momento e design
Nella progettazione strutturale, la capacità di una struttura di resistere ai momenti flettenti è una parte fondamentale per assicurarsi che rimanga stabile.
Momento massimo
Le equazioni e le formule del momento flettente vengono utilizzate per capire quanto può piegarsi una trave.
Il momento massimo è il momento più alto che una struttura può avere in un determinato caso di carico.
È importante ricordare che il caso più importante per il design potrebbe non essere sempre il momento massimo.
A causa del modo in cui interagiscono le forze di flessione e assiali o di torsione, un diverso caso di carico con un valore di momento inferiore può finire per essere riportato come il caso più importante per la progettazione.
Momenti di progettazione
Momenti di progettazione e momenti massimi non sono la stessa cosa.
I momenti di progettazione vengono individuati osservando i requisiti del codice e i fattori di sicurezza, mentre i momenti massimi vengono individuati osservando i risultati di un'analisi.
I momenti di progettazione tengono conto di cose come le proprietà del materiale, i fattori di sicurezza e le combinazioni di carichi in base a quanto dice il codice.
I momenti di progettazione sono molto importanti per assicurarsi che la struttura sia in grado di sopportare i carichi che vengono posti su di essa e abbia ancora spazio sufficiente per la sicurezza.
Considera le seguenti cose per capire il momento di progettazione:
- Proprietà del materiale: quando si calcola il momento di progetto, vengono presi in considerazione la resistenza allo snervamento e il modulo di elasticità della trave.
- Combinazioni di carico: il momento di progetto viene calcolato utilizzando l'elenco del regolamento edilizio delle diverse combinazioni di carico.
- Fattori di sicurezza: il momento di progettazione include fattori di sicurezza per garantire che la struttura possa sopportare carichi superiori e superiori ai carichi massimi previsti.
Progettazione di pilastri a trave
I pilastri-trave sono elementi strutturali compressi lungo la loro lunghezza e piegati lungo la loro larghezza.
Negli edifici, vengono utilizzati per spostare il peso dalla trave sovrastante alla fondazione.
Per progettare una trave-colonna, devi capire quanto peso c'è su di essa e quanto è grande.
Puoi farlo con software come il calcolatore di travi/colonne di Autodesk Inventor o manualmente utilizzando formule tratte da libri di testo di ingegneria civile o siti Web come CivilJungle.com o Civiconcepts.com.
Calcolo dei carichi su una trave-colonna
Il primo passo per realizzare una struttura trave-colonna è capire quanto peso viene messo sulla trave e sulla colonna.
Il più delle volte, i carichi vengono applicati alle estremità delle colonne, il che provoca sollecitazioni di compressione assiali.
A volte, forze assiali, forze trasversali e momenti flettenti possono agire tutti su un pilastro (ad es. Travi-colonne).
Dividendo l'effettiva distribuzione del carico per la lunghezza della trave, è possibile trovare il carico uniformemente distribuito in kilonewton per metro.
Calcolo delle dimensioni della trave e della colonna
Dopo aver calcolato quanto peso c'è sulla trave-colonna, devi capire quanto devono essere grandi la trave e la colonna in base a quanto peso c'è su ciascuna.
Ad esempio, il volume del calcestruzzo per una trave di 230 mm x 450 mm, escluso lo spessore della soletta, sarebbe 0,23 x 0,60 x 1 = 0,138 m3 e peserebbe 0,138 x 2400 = 333 kg.
Allo stesso modo, il peso totale di una colonna la cui lunghezza è solitamente tre volte la sua sezione trasversale più piccola può essere trovato sommando i pesi di tutte le sue parti.
Collegamento trave-colonna
Una connessione trave-colonna è il punto in cui una trave e una colonna si uniscono in un edificio.
È costituito dal giunto e dalle parti di travi, colonne e solaio che si trovano accanto al giunto.
A seconda della rigidità del collegamento, esistono diversi tipi di collegamenti trave-colonna.
Una connessione flessibile, chiamata anche connessione semplice o fissa, trasferisce la forza di taglio o assiale ma non i momenti.
Una connessione rigida, chiamata anche connessione resistente a momento o connessione fissa, sposta sia il taglio che il momento tra le parti che sono collegate.
Per i giunti storti, le travi eccentriche alle colonne e le connessioni alle anime delle colonne, è possibile utilizzare connessioni semplici.
Momento flettente massimo
Quando una forza esterna viene applicata a una trave-colonna, provocandone la flessione e infine la rottura, questo è il momento in cui il momento flettente è massimo.
Quando si utilizzano supporti a perni per sostenere una trave continua, i momenti di inclinazione si verificano sugli appoggi intermedi e i momenti di cedimento si verificano sulle campate.
Molto vicini agli appoggi intermedi vi sono i punti di controflessione.
È possibile che il punto di momento massimo sia dove viene applicato il momento primario più grande.
Momenti di design e momenti massimi
I momenti di progettazione vengono individuati osservando i requisiti del codice e i fattori di sicurezza, mentre i momenti massimi vengono individuati osservando i risultati di un'analisi.
Quando si progettano i momenti, vengono prese in considerazione molte cose, come le proprietà del materiale, i fattori di sicurezza e le combinazioni di carico.
I momenti massimi tengono conto solo dei carichi che vengono applicati a una struttura, non dei requisiti di sicurezza o normativi.
Rapporto di snellezza
Nell'ingegneria civile, il rapporto di snellezza è il rapporto tra la lunghezza di una colonna e la sua dimensione laterale più piccola.
Per capirlo, dividi la lunghezza effettiva della colonna per il suo raggio di rotazione.
Il rapporto di snellezza viene utilizzato per capire quanto peso può sostenere una colonna prima che si pieghi.
Se il rapporto di snellezza è minore o uguale a 12, le colonne sono considerate corte.
Se è superiore a 12, le colonne sono considerate lunghe o magre.
Le colonne corte sono controllate dalla loro lunghezza e larghezza, mentre le colonne lunghe e sottili sono controllate dai loro rapporti tra lunghezza e larghezza.
Giunti trave/colonna
Suggerimento: attiva il pulsante dei sottotitoli se ne hai bisogno. Scegli "traduzione automatica" nel pulsante delle impostazioni, se non hai familiarità con la lingua parlata. Potrebbe essere necessario fare clic sulla lingua del video prima che la tua lingua preferita diventi disponibile per la traduzione.
Usi della colonna del fascio
Ponti:
I pilastri a trave sono spesso utilizzati per costruire ponti perché in grado di sopportare i momenti flettenti causati dal peso dei veicoli e le forze laterali causate dal vento e dai terremoti.
Possono anche essere realizzati per adattarsi a campate e carichi diversi, il che li rende una buona scelta sia per ponti a campata corta che per ponti a campata lunga.
Edifici grandi e alti:
Le colonne a travi sono spesso utilizzate negli edifici alti perché possono sostenere pesi elevati e resistere alle forze del vento e dei terremoti.
Sono ottimi anche per edifici alti perché possono essere realizzati con diverse lunghezze e diametri.
Questo aiuta a distribuire il peso in modo più uniforme e rende l'edificio più stabile nel suo insieme.
Strutture industriali:
Poiché possono contenere attrezzature e macchinari pesanti, le colonne a travi sono spesso utilizzate in edifici industriali come fabbriche e magazzini.
In questi tipi di edifici, le colonne a travi vengono spesso utilizzate per sostenere le capriate del tetto e spostare il peso dal tetto alle fondamenta.
Strutture residenziali:
Le colonne a trave sono utilizzate anche negli edifici residenziali, in particolare per le pareti e le fondazioni degli scantinati.
Possono anche essere utilizzati come colonne di supporto nelle planimetrie aperte per aiutare a mantenere stabili i piani superiori.
Progetti infrastrutturali:
I pilastri a trave sono spesso utilizzati in progetti infrastrutturali come tunnel, dighe e muri di sostegno.
Nei tunnel, le colonne a travi sostengono il tetto e le pareti.
Nelle dighe, aiutano a distribuire uniformemente il peso dell'acqua sulla struttura.
I pilastri a trave possono essere utilizzati nei muri di sostegno per arrestare le forze laterali causate dalla pressione del suolo e dall'acqua.
Conclusione
Mentre concludiamo il nostro sguardo alle colonne di travi, è chiaro che queste parti dell'edificio sono molto importanti nel mondo dell'ingegneria.
Dalle fondamenta dei nostri edifici alle strade che collegano le nostre città, i pilastri a travi danno a molte delle strutture che usiamo ogni giorno il supporto e la stabilità di cui hanno bisogno.
Ma le colonne di travi sono interessanti anche perché ci danno uno sguardo unico su come la forma e la funzione interagiscono.
Il modo in cui una colonna di travi viene realizzata e messa in opera può avere un grande effetto sull'aspetto e sulla sensazione di un edificio nel suo insieme.
Per questo motivo, possiamo pensare alle colonne di travi non solo come strumenti utili, ma anche come una parte importante dell'ingegneria come arte e scienza.
Quindi la prossima volta che cammini vicino a un grattacielo o attraversi un ponte, prenditi un momento per apprezzare la semplice colonna a travi che aiuta a rendere tutto possibile.
Link e riferimenti
Introduzione alla progettazione di pilastri in acciaio o elementi compressi
Dettaglio Costruzione con acciaio
Uso strutturale del calcestruzzo
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