工学部の学生またはエンジニアは、構造物がさまざまな種類の荷重を処理できることがいかに重要かを知っています。
しかし、アキシアル荷重がもたらす固有の問題について考えたことはありますか? せん断力、ねじり荷重、および曲げ荷重とは対照的に、軸荷重は構造の軸に沿って直接力を加えます。
これは、構造を設計、構築、および維持する際に、まったく新しい一連のことを考慮する必要があることを意味します。
この記事では、アキシアル荷重について詳しく説明し、この重要な力を処理できる構造を構築するために知っておく必要があるすべてのことをカバーします.
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アキシアル荷重の概要
正式な定義:
合力が特定の断面の重心を通過し、断面の平面に垂直な力。
軸荷重は、軸に沿って構造部材に圧力をかけるタイプの荷重です。
せん断力、ねじり荷重、および曲げ荷重とは異なり、軸荷重は、引張りまたはせん断力よりも大きな圧縮応力を生み出します。
せん断力、ねじり荷重、曲げ荷重の違い
せん断力は物体の平面に沿って応力を分散させますが、ねじり荷重は物体の縦軸の周りに応力を分散させます。
荷重が曲げられると、垂直応力と横せん断応力が発生します。
垂直応力には軸方向応力と横方向応力の両方が含まれ、横方向せん断応力にはねじり応力と横方向せん断応力の両方が含まれます。
アキシアル荷重の重要性
軸方向荷重は、インプラントの構造とその周囲の骨の両方を変化させる可能性があるため、重要です。
エンジニアリングでは、軸荷重は柱、梁、およびトラスの製造方法の非常に重要な部分です。
生体力学では、軸方向の荷重によって骨の動きが変化し、骨折や関節置換術などの怪我を引き起こす可能性があります。
このため、工学と医学の両方において、アキシアル荷重がどのように機能するかを理解することが重要です。
軸方向荷重と横方向荷重の違い
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構造部材と軸荷重
トラスと柱は、主に軸方向の荷重を支えるために作られた構造部材の 2 つの一般的なタイプです。
トラス：特徴と用途
トラスは、メンバー内で軸力を運ぶように作られている構造部材です。
これらの力は、最悪の場合の負荷と負荷の組み合わせに応じて、張力、圧縮、または可逆的な張力/圧縮になります。
トラス部材は、同じ量の重量を支えるために使用する材料が少なくなります。
これにより、強度が必要だが重すぎない橋や屋根に最適です。
しかし、トラス メンバーは自由に移動でき、一方向にしか荷重を運ぶことができません。
これは、左右に移動したり曲がったりする負荷に耐えられるほど強くないことを意味します。
コラム：特徴と用途
柱は、重い軸方向の圧縮荷重を受ける床桁または床を支える鉄骨建築フレームの垂直部分です。
それらは主に軸方向の圧縮荷重に耐えるように作られていますが、設定方法や製造方法によっては、曲げやせん断力にも耐えることができます。
柱は、円形、正方形、または長方形にすることができ、とりわけ、コンクリート、鋼、または木材で作ることができます。
フレーム部材の特徴と用途
梁と柱は、それらがどのように設定され、作られているかによって、その長さに沿って横荷重と軸荷重の両方を支えることができます。
それらは、建築および建設プロジェクトで床、屋根、および壁を支えるためによく使用されます。
ただし、トラス メンバーとは異なり、フレーム メンバーは軸方向の荷重のみをサポートする必要はありません。また、横方向の荷重もサポートできます。
最大アキシアル荷重の決定
構造物を構築する場合、特定の部材または構造物がどれだけの軸荷重を処理できるかを知ることが重要です。
柱の最大軸方向荷重の計算
カラムがどれだけの軸荷重を処理できるかを調べるには、その KL/r を計算し、表で cFcr の値を調べます。
柱の断面における応力は、式 AP=f を使用して求めることができます。ここで、f は断面全体で同じであると仮定されます。
座屈は柱の破損限界状態であることが知られており、方程式は柱の臨界座屈荷重 Pcr を与えます (3.1)。
しかし、特定の柱の臨界座屈荷重を完全に把握するには、より多くの方程式と方法が必要であり、設計では柱の終端と材料の特性を考慮に入れる必要があります。
最大耐荷重の概算
鋼の設計を行い、相互作用率を調べることは、メンバーが運ぶことができる最大重量の大まかなアイデアを得る良い方法です.
相互作用率は、メンバーが運ぶことができる最大重量と実際に運ぶ重量の比率です。
その比率の逆数は、各メンバーが壊れる前にどれだけ多くの重量を運ぶことができるかを示します.
この方法では推定値しか得られないことを覚えておくことが重要です。
メンバーが運ぶことができる実際の最大負荷は、計算された値よりも低い場合も高い場合もあります。
最大アキシアル荷重に対する設計
構造物を設計する場合、建築図面やその他の関連文書に基づいて部材のサイズを大まかに決定し、ほとんどのコードやその他の土木工学文献からの情報を使用して部材の重量を計算します。
しかし、構造物は、それらに作用する可能性のある最大の負荷であるクリティカル ロードを処理できるように構築する必要があります。
これは、構造がその耐用年数にわたって運ぶことができるすべての負荷を合計することによって行われます。
これには、活荷重と静荷重の両方、および風、地震、およびその他の可能な荷重によって引き起こされる荷重が含まれます。
細長い柱の限界荷重
臨界荷重は、柱が曲がり始める前に保持できる最大の軸方向の重量です。
オイラーの公式: クリティカル ロードの計算
オイラーの式を使用して臨界荷重を求めることができます: Pcr = (2EI)/(KL)2、ここで、Pcr はオイラーの臨界荷重、E はヤング弾性率、I は断面の最小断面二次モーメントです。カラム (領域慣性モーメント)、K はカラムの有効長係数、L はカラムのサポートされていない長さです。
臨界負荷の重要性
臨界荷重は、材料の強度に依存しないため、薄い柱が軸方向の圧縮力に反応する時間を把握するために重要です。
これは、曲がる可能性のある薄い構造を構築する場合、エンジニアは細長比に特に注意を払う必要があることを意味します。これは、柱の長さを最小回転半径で割ったものです。
細長比が高いということは、小さな圧縮荷重で構造が壊れる可能性が高くなることを意味します。
座屈は、その長さに沿って圧縮されているまっすぐな柱が突然曲がるときに発生します。これは列の障害限界状態です。
アキシャルロードセルとその応用
1 つの軸に沿って力を測定するロード セルは、アキシャル ロード セルと呼ばれます。
アキシャルロードセルの動作原理
アキシャル ロード セルは、加えられた力を読み書き可能な電気信号に変換することで機能します。
ひずみゲージを使用して、軸方向の荷重がどの程度の形状を変化させるかを測定します。
ロード セルの軸に沿って力が加えられると、ひずみゲージが曲がり、抵抗が変化します。
抵抗の変化は、測定可能な電気信号に変換されます。
アキシャルロードセルの応用
軸方向に取り付けられたロード セルは、航空宇宙、自動車、製造など、多くの分野で使用されています。
アキシャル ロード セルが使用されるいくつかの一般的な方法は次のとおりです。
- 梁や柱などの建物や橋の構造部分にかかる力を、建設中または使用中に測定します。
- 何かを絞ったり伸ばしたりするのにどれくらいの力が必要か、何かを壊したり変形させたりするのにどれくらいの力が必要かを調べるなど、テストの用途.
- 油圧プレス、クレーン、リフトなどが安全に稼働していることを確認します。
- この記事の下部に詳細をリストします。
アキシアル荷重のその他の側面
軸方向風荷重
軸方向の風荷重は、風の流れが建物に与える力です。
過去には、特に沿岸地域での風力により、多くの建物が倒壊しました。
土木技師は、地表からの構造物の高さと、それが人々の生命と財産にとってどれほど重要であるかを考慮して、地表からのさまざまな高さでの風速と圧力を計算する、ASCE 7-16 修正式 2.2 を使用します。
土木技師は、投影面積、風圧、抗力係数、露出係数、ガスト応答係数、重要度係数などを考慮した式を使用して、軸方向の風荷重を計算します。
1 つの式は F = A x P x Cd です。ここで、F は力または風荷重、A は物体の投影面積、P は風圧、Cd は抗力係数です。
疲労強度
軸方向荷重と曲げ荷重下での構造の疲労強度の計算は、軸方向荷重と曲げ荷重の疲労強度の比率に基づく解析手法を使用して行うことができます。
これらの方法では、回転曲げ荷重下の疲労強度が軸方向荷重下の疲労強度に変換されます。
解析モデルがどのように機能するかを調べるために、両方の荷重条件で高サイクル疲労試験を行うこともできます。
また、平面応力モデルを使用して、主な応力の 1 つが通常ゼロである表面で使用した場合に材料がどれくらい長持ちするかを把握できます。
最後に、SN 曲線を使用して、N サイクルでの最大許容応力と疲労強度低減係数 kf を見つけることができます。
玉軸受と最大アキシアル荷重
リテーナ (またはケージ) 付きのラジアル ボール ベアリングは、主にラジアル荷重を処理するように作られていますが、アキシアル荷重も処理できます。
ベアリングにかけることができるアキシアル荷重の量は、そのサイズによって異なり、通常、ベアリングのラジアル荷重定格のパーセンテージとして与えられます。
ボアの直径と外輪の直径の差が大きい場合、ベアリングはラジアル静荷重の最大 50% のアキシアル荷重を受けることができます。
薄肉ベアリングのレースウェイは浅く、アキシアル荷重を処理する能力が低くなります。
ベアリングが大きなアキシアル荷重を処理する必要がある場合は、アンギュラ コンタクト ベアリングを使用する必要があります。
これらは、深溝玉軸受とは内側が異なるように作られているため、より高いアキシアル荷重を処理できます。
特定の内径を持つボール ベアリングの最大アキシアル荷重は、ベアリングのサイズ、ベアリング レースウェイの深さ、大きなラジアル荷重またはモーメント荷重を受けるかどうかなど、いくつかの要因によって異なります。
ベアリングにかけることができるアキシアル荷重の量は、多くの場合、ベアリングのラジアル定格荷重の概算として与えられます。
SKFは、タンデムまたは背面合わせ/正面合わせ構成でセットアップされた単一のベアリングおよびベアリングのペアに対して、最小のアキシアルおよびラジアル荷重を提供します。
ボール ベアリングにかかる最大のストレスは、内部の構造によって異なります。
構造物の軸方向荷重
構造の軸に沿って構造に直接力がかかると、これは軸方向荷重と呼ばれます。
点荷重がある場合、荷重点付近の応力は平均応力よりもはるかに高くなります。
応力状態が非常に複雑であるため、これは非常に複雑な変形を引き起こします。
垂直応力とせん断応力はどちらも、断面全体の平均応力を測定する方法です。
断面のどこを見ても応力の大きさは同じです。
点荷重は、小さな領域に集中する外部からの力です。
ユースケース
アキシャル荷重を使用するいくつかの方法を次に示します。
| で使われる： | 説明： |
|---|---|
| 柱の設計 | 柱は、軸方向の荷重を支えるために作られた構造部材の好例です。たとえば、建物では、柱がその上の床と屋根の重量を支え、柱が抵抗しなければならない軸方向の圧縮荷重を生み出します。軸荷重は、柱が力を受けて曲がったり壊れたりしないように柱を設計する際に考慮すべき重要な要素です。 |
| ブリッジ | 橋梁を設計する場合、軸方向荷重も非常に重要な考慮事項です。軸方向の圧縮荷重は、橋と橋が運ぶ車両の重量によって引き起こされます。ブリッジは、これらの負荷に耐えることができなければなりません。橋はまた、風、地震、交通などの影響を受ける可能性があり、これらすべてが曲げモーメントやせん断力を引き起こす可能性があります。安全で便利な橋を作るには、これらの荷重がどのように相互作用するかを知ることが重要です。 |
| タワーの設計 | 送電鉄塔、携帯電話鉄塔、風力タービンなどの鉄塔には、高い圧縮軸荷重がかかります。これらの構造物を作るときは、積み込み方法、材料、塔の高さと幅などを考慮する必要があります。これらの構造物が安全で長持ちすることを確認するには、軸方向の荷重が構造物にどのように影響するかを知る必要があります。 |
| 製造と試験 | アキシアル荷重は、材料や製品が壊れたり変形したりせずに特定の荷重に耐えられなければならない製造および試験においても重要な概念です。アキシャル ロード セルなどの試験ツールを使用すると、材料や製品が壊れる前にどれだけの軸荷重を受けることができるかを知ることができます。 |
| 航空宇宙アプリケーション | 宇宙で使用するロケット、ミサイル、およびその他のビークルを設計する場合、アキシアル荷重は非常に重要です。アキシアル荷重は、車両の重量、速度、または振動によって発生する可能性があります。安全で効果的なシステムを作成するには、軸荷重が車両の構造部品にどのように影響するかを知ることが重要です。 |
結論
この記事で説明したように、アキシアル荷重は、かかる力に耐えることができる構造を設計および構築するための重要な部分です。
この重要な力を扱う場合、長くて薄いカラムに固有の課題を理解することから、エンジニアリング ツールキットにアキシャル ロード セルを追加することまで、考慮すべきことがたくさんあります。
しかし、アキシアル荷重は、エンジニアリングが常に変化している複雑な分野であることを思い出させるものでもあります。
可能性の限界を押し広げ続けると、必然的に新しい問題に直面し、創造的に考え、協力して解決する必要があります。
したがって、次に軸方向荷重を扱うときは、心を開いて学習する準備をしてください。
次の角を曲がったところにどんな新しいものがあるか誰が知っていますか?
共有…
