構造工学は、高層ビルの建設から川全体を横断する橋の建設まで、多くの点で私の世界を変えました。
シンプルな梁柱は、これらの建物の多くで最も重要な部分の 1 つです。
構造のこの部分は、横方向の力または縦方向の荷重の偏心によって引き起こされる軸方向の荷重と曲げモーメントの両方に同時にさらされます。
今日のエンジニアリングの驚異の多くは、ビーム カラムなしでは実現できません。
この記事では、梁柱について調べ、梁柱とは何か、どのように機能するか、そして梁柱が重要である理由について説明します。
この投稿は、工学部の新入生でも、何か新しいことを学びたいベテラン エンジニアでも、誰にでも向けたものです。
それでは、梁柱とは何か、またその機能について見ていきましょう。
序章
正式な定義:
構造部材は、横方向の力または縦方向の荷重の偏心によって生じる軸方向の荷重と曲げモーメントを同時に受けます。
梁柱は、建物、橋、およびその他の構造物を支えるために使用されるエンジニアリングの重要な部分です。
この記事では、梁柱がエンジニアリングおよび建築プロジェクトで使用されるさまざまな方法を見ていきます。
柱梁とは？
梁柱は、その長軸上の荷重に耐えられるように作られている構造部材です。
それは圧縮部材と呼ばれることができます。つまり、圧縮されたときにほとんどの重量がかかります。
梁柱は、梁、壁、スラブ、およびその他の構造の重量を保持できます。
梁柱の種類
エンジニアリングで使用される梁柱にはさまざまな種類があります。
圧延鋼製梁柱は、鉄骨構造で使用される一般的なタイプの柱です。
鉄板を押し合わせたときに荷重に耐えられる形に丸めたものです。
- 鉄筋コンクリート梁柱：このタイプの梁柱は、コンクリートでできており、鉄筋で補強されています。
鉄筋コンクリートで構築するために使用され、重いものを移動するのに最適な方法です.
- 木材梁柱: このタイプの梁柱は木材でできており、住宅建設でよく使用されます。
- 複合梁柱: このタイプの梁柱は、鋼とコンクリートなどの 2 つ以上の材料を組み合わせて、より強力で耐久性のある構造を作ることによって作られています。
ビームコラムがすべてを提供するのに、なぜそれ以下で妥協するのですか?
まだわかりにくい？少し視点を変えてみましょう：
一度に 1 つのことしかできない退屈でまっすぐなビームにうんざりしていませんか? 梁柱以外は見ないで！すべてを行うメンバーを使用できるのに、単純な 1 次元ビームを使用する理由は何ですか?
はい、梁柱は、軸方向の荷重と曲げモーメントの両方を簡単に処理できるため、構造工学の成果を上げています。
では、すべての負荷を利用できるのに、なぜ 1 種類の負荷だけを選択するのでしょうか。汎用性の高いビーム コラムを使用すると、縦方向の負荷の奇妙さを受け入れ、生活に横方向の力を加えることができます。
わかりました、それはテレビコマーシャルのように見せかけた冗談です。
では、説明に戻りましょう。
ビームコラムに使用される材料
梁柱は、とりわけ、石、木、コンクリート、または鋼から作ることができます。
しかし、現代の建築では、強度と剛性が高いため、H 型の鉄骨柱がよく使用されます。
H 型柱の長いフランジ側は、中央のウェブ部分よりも厚く、圧縮力に抵抗しやすくなっています。
現代の建物は、多くの場合、鉄筋コンクリート製の梁と柱のシステムによって支えられています。
定義と違い
梁と柱の定義
梁は、曲げによって荷重に耐えるように作られた建物の一部です。
通常、それは平らで、端またはその長さに沿って持ち上げられます。
ほとんどの床、屋根、橋は梁で支えられています。
一方、柱は建物の垂直部分であり、主に圧縮荷重に耐えるように作られています。
通常、建物やその他の構造物を支え、重量を土台に移動するために使用されます。
梁と柱の違い
梁と柱の間にはいくつかの主な違いがあります。
- 耐荷重: 梁は主に曲げられた荷重を運ぶように作られていますが、柱は主に圧縮された荷重を運ぶために作られています。
このため、梁は曲げると強くなり、圧縮すると弱くなり、柱は圧縮すると強くなり、曲げると弱くなる傾向があります。
- 方向: 通常、梁は側面にあり、柱は通常上にあります。
- 支持条件: 梁は通常、端部または長さに沿って支持されますが、柱は通常、底部と上部で支持されます。
- 断面形状: 梁は通常、正方形、円形、または I 字型ですが、柱は通常、正方形、円形、または長方形です。
主な概念と相違点
梁柱は、軸方向荷重と曲げ荷重の両方を処理するように作られた建物の一部です。
重い荷物を構造物から基礎に移動する必要がある場合に使用されます。
梁柱は、下部構造から上部構造まで続きます。
建物の上部から基礎まで重量を移動する重要な部分です。
梁柱、梁、柱の違い
梁柱、梁、および柱の最も重要な違いは次のとおりです。
- 耐荷重: ビーム カラムは軸方向荷重と曲げ荷重の両方を支えるように作られていますが、ビームはほとんどが曲げ荷重を支えるように作られ、柱は主に軸方向荷重を支えるように作られています。
柱は垂直方向の圧縮部材であり、梁は水平方向の圧縮部材です。
梁柱は、基礎を水平または垂直の最上層に接続します。
断面形状に関しては、ビームは通常、正方形、円形、または I 字型ですが、柱は通常、正方形、円形、または長方形です。
梁柱の断面は任意の形状にすることができますが、通常は正方形と円形の形状が混在しています。
- 用途: 梁は主に床、屋根、橋を支えるために使用され、柱は主に建物やその他の構造物の重量を支えるために使用されます。
梁柱は、軸方向荷重と曲げ荷重の両方を基礎に伝達する必要がある建物で使用されます。
梁と柱の接続
梁と柱の接合部は、構造内で梁と柱を一緒に保持します。
この記事では、さまざまなタイプの梁と柱の接続と、それらが建物の安全性と安定性を維持するのにどのように役立つかを見ていきます.
ビームとコラムの接続の種類
接続の剛性に基づいて、梁と柱の接続には、フレキシブル接続とリジッド接続の 2 つの主なタイプがあります。
- 柔軟な接続: 単純な接続またはピン接続とも呼ばれる柔軟な接続では、接続されているパーツ間にモーメントの伝達はありません。
軸力またはせん断力は移動しますが、モーメントは移動しません。
柔軟な接続は、梁と柱の間の接続が小さなねじれや曲がりに対処する必要がある構造でよく使用されます。
- 剛性接続: 剛性接続は、モーメント抵抗または固定接続とも呼ばれ、接続されているパーツ間でせん断とモーメントの両方を伝達します。
梁と柱の間の接続が大きなねじれやねじれ力を処理する必要がある場合、剛体接続が使用されます。
特別な接続
曲がったジョイント、柱への偏心梁、および柱ウェブへの接続には、単純な接続を使用できます。
これらの接続は特別なものと見なされます。
ビーム セクションを小さくすることで、単純な接続を結合することに対する耐性を高めることができます。
これは、ビームのウェブに穴を開けるか、ビームのフランジの一部を切り取ることによって行うことができます (縮小されたウェブ セクション)。
ビームとコラムの接続設計に影響を与える要因
使用される梁と柱の接続のタイプは、構造が保持できる重量、構造設計の要件、材料の特性など、さまざまな要因によって異なります。
梁と柱の接続方法に影響を与えるものには、次のようなものがあります。
- 耐荷重: 梁と柱の接続には、それに作用する可能性のある力とモーメントに耐えられる十分な耐荷重が必要です。
- 構造設計の要件: 梁と柱の接合部の設計は、建築基準法および構造設計のプロジェクト仕様を満たす必要があります。
- 材料特性: 設計では、梁と柱の接続に使用される材料の強度と剛性を考慮する必要があります。
最高のモーメントとデザイン
構造設計において、曲げモーメントに抵抗する構造の能力は、構造の安定性を確保するための重要な部分です。
最大モーメント
曲げモーメントの方程式と式を使用して、ビームがどれだけ曲がるかを計算します。
最大モーメントは、特定の荷重ケースの下で構造が持つことができる最大のモーメントです。
設計にとって最も重要なケースが常に最大の瞬間であるとは限らないことを覚えておくことが重要です。
曲げ力と軸力またはねじり力がどのように相互作用するかにより、モーメントの値が低い別の荷重ケースが、設計にとって最も重要なケースとして報告される場合があります。
デザインモーメント
設計モーメントと最大モーメントは同じものではありません。
設計モーメントはコード要件と安全係数を調べることによって把握され、最大モーメントは解析結果を調べることによって把握されます。
設計モーメントでは、材料の特性、安全係数、コードの内容に基づく荷重の組み合わせなどを考慮に入れます。
設計モーメントは、構造がそれにかかる負荷を処理でき、安全のための十分な余地があることを確認するために非常に重要です.
設計の瞬間を把握するには、次のことを考慮してください。
- 材料特性: 設計モーメントを計算するときは、ビームの降伏強度と弾性係数が考慮されます。
- 荷重の組み合わせ: 設計モーメントは、さまざまな荷重の組み合わせの建築基準法のリストを使用して計算されます。
- 安全係数: 設計モーメントには、予想される最大荷重を超える荷重を構造が確実に処理できるようにするための安全係数が含まれます。
梁柱の設計
梁柱は、長さに沿って圧縮され、幅に沿って曲げられる構造部材です。
建物では、上の梁から基礎に重量を移動するために使用されます。
梁と柱を設計するには、梁と柱の重量と大きさを把握する必要があります。
これは、Autodesk Inventor の Beam/Column Calculator などのソフトウェアを使用するか、土木工学の教科書や CivilJungle.com や Civiconcepts.com などの Web サイトの公式を使用して手動で行うことができます。
梁と柱の荷重の計算
梁と柱の構造を作成する最初のステップは、梁と柱にかかる重量を把握することです。
ほとんどの場合、柱の端に荷重がかかり、軸方向の圧縮応力が発生します。
場合によっては、軸方向の力、横方向の力、および曲げモーメントのすべてが柱 (梁柱など) に作用することがあります。
実際の荷重分布を梁の長さで割ると、均一に分布した荷重をキロニュートン/メートルで求めることができます。
梁と柱のサイズの計算
梁と柱の重量を計算したら、それぞれの重量に基づいて、梁と柱をどれだけ大きくする必要があるかを計算する必要があります。
たとえば、スラブの厚さを除いた 230mm x 450mm の梁のコンクリートの体積は、0.23 x 0.60 x 1 = 0.138 m3 になり、重量は 0.138 x 2400 = 333 kg になります。
同様に、通常、長さが最小断面幅の 3 倍である柱の総重量は、すべての部分の重量を合計することによって求めることができます。
ビームコラム接続
梁と柱の接続は、建物内で梁と柱が一緒になる場所です。
ジョイントと、ジョイントに隣接する梁、柱、およびスラブのパーツで構成されます。
接続の剛性に応じて、さまざまな種類の梁と柱の接続があります。
単純接続またはピン接続とも呼ばれる柔軟な接続は、せん断力または軸力を伝達しますが、モーメントは伝達しません。
剛性結合は、モーメント抵抗結合または固定結合とも呼ばれ、結合されたパーツ間でせん断とモーメントの両方を移動させます。
曲がったジョイント、柱への偏心梁、および柱ウェブへの接続には、単純な接続を使用できます。
最大曲げモーメント
梁柱に外力が加えられて曲がり、最終的に破損するとき、それは曲げモーメントが最大になるときです。
ピン付きサポートを使用して連続ビームを保持すると、ホギング モーメントが中間サポートで発生し、サギング モーメントがスパンで発生します。
中間サポートのすぐ近くには、反屈のポイントがあります。
最大モーメントのポイントが、より大きな一次モーメントが適用される場所になる可能性があります。
設計モーメントと最大モーメント
設計モーメントはコード要件と安全係数を調べることによって把握され、最大モーメントは解析結果を調べることによって把握されます。
モーメントを設計する際には、材料の特性、安全係数、荷重の組み合わせなど、多くのことが考慮されます。
最大モーメントは、構造物にかかる負荷のみを考慮し、安全性やコードの要件は考慮しません。
細長比
土木工学では、細長比は柱の長さとその最小辺の寸法の比です。
それを理解するには、カラムの有効長をその回転半径で割ります。
細長比は、柱が曲がる前に保持できる重量を計算するために使用されます。
細長比が 12 以下の場合、列は短いと見なされます。
12 を超える場合、列は長いか細いと見なされます。
短い列は長さと幅によって制御されますが、長くて細い列は長さと幅の比率によって制御されます。
梁/柱の結合
ヒント: 必要に応じてキャプション ボタンをオンにします。話し言葉に慣れていない場合は、設定ボタンで「自動翻訳」を選択してください。お気に入りの言語が翻訳可能になる前に、まずビデオの言語をクリックする必要がある場合があります。
梁柱の用途
ブリッジ:
梁柱は、車両の重量によって生じる曲げモーメントや、風や地震によって生じる横力を処理できるため、橋の建設によく使用されます。
また、さまざまなスパンと負荷に合わせて作成することもできるため、短スパンと長スパンの両方の橋に適しています。
大型の高層ビル:
梁柱は、重い重量を保持し、風や地震の力に耐えることができるため、高層ビルでよく使用されます。
また、さまざまな長さと直径で作成できるため、高層ビルにも最適です。
これにより、重量がより均等に分散され、建物全体がより安定します。
産業構造：
重機や機械を保持できるため、梁柱は工場や倉庫などの工業用建物でよく使用されます。
このような種類の建物では、屋根のトラスを支え、屋根から基礎に重量を移動するために梁柱がよく使用されます。
住宅構造:
梁の柱は、住宅の建物、特に地下室の壁や基礎にも使用されます。
また、上層階を安定させるために、オープン フロア プランの支柱として使用することもできます。
インフラ プロジェクト:
梁柱は、トンネル、ダム、擁壁などのインフラストラクチャ プロジェクトで頻繁に使用されます。
トンネルでは、梁柱が屋根と壁を支えます。
ダムでは、水の重量を構造全体に均等に分散させるのに役立ちます。
梁柱を擁壁に使用して、土圧と水によって引き起こされる横力を止めることができます。
結論
梁柱について見ていくと、これらの建築部品がエンジニアリングの世界で非常に重要であることは明らかです。
建物の基礎から都市をつなぐ道路まで、梁柱は、私たちが毎日使用する多くの構造物に必要なサポートと安定性を提供します。
しかし、梁の柱もまた興味深いものです。なぜなら、形と機能がどのように連携するかという独特の見方を私たちに与えてくれるからです。
梁の柱がどのように作られ、配置されるかは、建物全体の外観と感触に大きな影響を与える可能性があります.
このため、梁柱は有用なツールであるだけでなく、芸術および科学としての工学の重要な部分と考えることができます。
次回超高層ビルのそばを歩いたり、橋を渡ったりするときは、すべてを可能にするシンプルな梁の柱に感謝してください。
リンクと参照
詳細 鋼鉄の建物
コンクリートの構造利用
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