엔지니어링의 축방향 하중 이해

공학도나 엔지니어라면 구조물이 다양한 종류의 하중을 처리할 수 있는 것이 얼마나 중요한지 알고 있을 것입니다.

그러나 축 방향 하중이 나타내는 고유한 문제에 대해 생각해 본 적이 있습니까? 전단력, 비틀림 하중 및 굽힘 하중과 달리 축방향 하중은 구조물의 축을 따라 직접 힘을 가합니다.

즉, 구조를 설계, 구축 및 유지 관리할 때 완전히 새로운 항목을 고려해야 합니다.

이 기사에서는 축방향 하중에 대해 자세히 살펴보고 이 중요한 힘을 처리할 수 있는 구조물을 구축하기 위해 알아야 할 모든 것을 다룰 것입니다.

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축 방향 하중 소개

공식적인 정의:

합력이 특정 단면의 중심을 통과하고 단면 평면에 수직인 힘.

축 방향 하중은 축을 따라 구조 부재에 압력을 가하는 하중 유형입니다.

전단력, 비틀림 하중 및 굽힘 하중과 달리 축 하중은 인장력 또는 전단력보다 더 많은 압축 응력을 생성합니다.

전단력, 비틀림 하중 및 굽힘 하중: 차이점

전단력은 물체의 평면을 따라 응력을 분산시키는 반면, 비틀림 하중은 물체의 세로축 주위로 응력을 분산시킵니다.

하중이 구부러지면 수직 응력과 횡방향 전단 응력이 생성됩니다.

수직 응력에는 축방향 응력과 횡방향 응력이 모두 포함되며, 횡방향 전단 응력에는 비틀림 및 횡방향 전단 응력이 모두 포함됩니다.

축 방향 하중의 중요성

축 방향 하중은 임플란트의 구조와 주변 뼈를 모두 변경할 수 있기 때문에 중요합니다.

엔지니어링에서 축 하중은 기둥, 빔 및 트러스가 만들어지는 방식에서 매우 중요한 부분입니다.

생체 역학에서 축 하중은 뼈가 움직이는 방식을 변경하여 다른 부상 중에서도 골절이나 관절 교체를 유발할 수 있습니다.

이 때문에 공학과 의학에서 축 방향 하중이 어떻게 작용하는지 이해하는 것이 중요합니다.

축방향 하중과 횡방향 하중의 차이점

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구조 부재 및 축 방향 하중

트러스와 기둥은 주로 축 방향 하중을 전달하도록 만들어진 두 가지 일반적인 유형의 구조 부재입니다.

트러스: 특성 및 응용

트러스는 부재에 축력을 전달하도록 만들어진 구조 부재입니다.

이러한 힘은 최악의 경우 하중 및 하중 조합에 따라 인장, 압축 또는 가역 인장/압축일 수 있습니다.

트러스 부재는 동일한 중량을 지탱하기 위해 더 적은 재료를 사용합니다.

이것은 튼튼해야 하지만 너무 무겁지 않아야 하는 다리나 지붕에 적합합니다.

그러나 트러스 부재는 자유롭게 움직일 수 있으며 한 방향으로만 하중을 운반할 수 있습니다.

이는 좌우로 움직이거나 구부러지는 하중을 견딜 만큼 충분히 강하지 않다는 것을 의미합니다.

컬럼: 특성 및 응용

기둥은 무거운 축 방향 압축 하중을 받는 바닥 대들보 또는 바닥을 지지하는 강철 건물 프레임의 수직 부분입니다.

대부분 압축 축 하중에 저항하도록 만들어지지만 설치 방법과 제작 방법에 따라 굽힘 및 전단력에도 저항할 수 있습니다.

기둥은 원형, 정사각형 또는 직사각형이 될 수 있으며 무엇보다도 콘크리트, 강철 또는 목재로 만들 수 있습니다.

프레임 멤버: 특성 및 용도

설치 및 제작 방법에 따라 보와 기둥은 길이 방향으로 횡방향 하중과 축방향 하중을 모두 전달할 수 있습니다.

건물 및 건설 프로젝트에서 바닥, 지붕 및 벽을 고정하는 데 자주 사용됩니다.

그러나 트러스 부재와 달리 프레임 부재는 축방향 하중만 지지할 필요가 없습니다. 그들은 또한 횡방향 하중을 지지할 수 있습니다.

최대 축 방향 하중 결정

구조물을 지을 때 특정 부재나 구조물이 감당할 수 있는 축 방향 하중을 아는 것이 중요합니다.

기둥의 최대 축 방향 하중 계산

기둥이 처리할 수 있는 축방향 하중을 알아보려면 KL/r을 파악한 다음 표에서 cFcr 값을 찾아보십시오.

기둥 단면의 응력은 방정식 AP=f를 사용하여 찾을 수 있습니다. 여기서 f는 단면 전체에서 동일하다고 가정합니다.

좌굴은 기둥에 대한 파손 한계 상태로 알려져 있으며 방정식은 기둥에 대한 임계 좌굴 하중 Pcr을 제공합니다(3.1).

그러나 주어진 기둥에 대한 임계 좌굴 하중을 완전히 파악하려면 더 많은 방정식과 방법이 필요하며 설계 시 기둥이 끝나는 방식과 재료의 특성을 고려해야 합니다.

대략적인 최대 적재 능력

철골 설계를 하고 상호 작용 비율을 살펴보는 것은 부재가 견딜 수 있는 최대 무게를 대략적으로 파악하는 좋은 방법입니다.

상호 작용 비율은 구성원이 짊어질 수 있는 최대 무게와 실제로 짊어지고 있는 무게의 비율입니다.

이 비율의 역수는 각 구성원이 부서지기 전에 얼마나 더 많은 무게를 지탱할 수 있는지 알려줍니다.

이 방법은 단지 추정치를 제공한다는 점을 기억하는 것이 중요합니다.

부재가 실을 수 있는 실제 최대 하중은 계산된 값보다 낮거나 높을 수 있습니다.

최대 축 방향 하중 설계

구조물을 설계할 때 건축 도면 및 기타 관련 문서를 기반으로 부재의 크기를 대략적으로 결정하고 대부분의 코드 및 기타 토목 공학 문헌의 정보를 사용하여 무게를 파악합니다.

그러나 구조는 구조에 작용할 수 있는 가장 큰 부하인 임계 부하를 처리할 수 있도록 구축되어야 합니다.

이는 구조물이 수명 기간 동안 짊어질 수 있는 모든 부하를 합산하여 수행됩니다.

여기에는 활하중과 정하중뿐만 아니라 바람, 지진 및 기타 가능한 하중으로 인한 하중이 포함됩니다.

길고 가느다란 기둥의 임계 하중

임계 하중은 기둥이 휘기 시작하기 전에 지탱할 수 있는 최대 축 방향 중량입니다.

오일러 공식: 임계 하중 계산

오일러의 공식은 임계 하중을 찾는 데 사용할 수 있습니다. Pcr = (2EI)/(KL)2 여기서 Pcr은 오일러의 임계 하중, E는 탄성 영률, I는 단면적의 최소 2차 모멘트입니다. 기둥(면적 관성 모멘트), K는 기둥 유효 길이 계수, L은 지지되지 않는 기둥 길이입니다.

임계 부하의 중요성

임계 하중은 재료의 강도에 의존하지 않기 때문에 얇은 기둥이 축 방향 압축력에 얼마나 오래 반응하는지 파악하는 데 중요합니다.

즉, 구부러질 수 있는 얇은 구조물을 제작할 때 엔지니어는 기둥의 길이를 최소 회전 반경으로 나눈 세로 비율에 특별한 주의를 기울여야 합니다.

세장비 비율이 높다는 것은 작은 압축 하중으로 인해 구조물이 파손될 가능성이 더 높다는 것을 의미합니다.

좌굴은 길이 방향으로 압축되는 직선 기둥이 갑자기 구부러질 때 발생합니다. 이것은 열에 대한 실패 제한 상태입니다.

액시얼 로드셀과 그 응용

단일 축을 따라 힘을 측정하는 로드 셀을 축 로드 셀이라고 합니다.

축방향 로드셀의 작동 원리

축 방향 로드 셀은 가해지는 힘을 읽고 쓸 수 있는 전기 신호로 변환하여 작동합니다.

그들은 스트레인 게이지를 사용하여 축방향 하중이 어떤 것의 모양을 얼마나 변화시키는지 측정합니다.

축을 따라 로드 셀에 힘이 가해지면 스트레인 게이지가 구부러져 저항이 변경됩니다.

저항의 변화는 측정 가능한 전기 신호로 바뀝니다.

축방향 로드셀의 응용

축 방향으로 장착된 로드 셀은 항공 우주, 자동차 및 제조와 같은 많은 분야에서 사용됩니다.

축 방향 로드셀이 사용되는 몇 가지 일반적인 방법은 다음과 같습니다.

• 건축 또는 사용 중에 빔 및 기둥과 같은 건물 및 교량의 구조적 부분에 가해지는 힘을 측정합니다.
• 무언가를 쥐거나 늘리는 데 얼마나 많은 힘이 필요한지 또는 무언가를 부수거나 변형시키는 데 얼마나 많은 힘이 필요한지 파악하는 것과 같은 테스트 용도입니다.
• 유압 프레스, 크레인 및 리프트와 같은 것들이 안전하게 작동하는지 확인하기 위해 눈을 떼지 마십시오.
• 이 기사의 맨 아래에 더 나열하겠습니다.

축 방향 하중의 다른 측면

축 방향 풍하중

축 방향 풍하중은 바람의 흐름이 건물에 미치는 힘입니다.

과거에는 풍력, 특히 해안 지역에서 많은 건물이 무너졌습니다.

토목 기사는 ASCE 7-16 수정 방정식 2.2를 사용합니다. 이 방정식은 지면 위 구조물의 높이와 사람의 생명과 재산에 얼마나 중요한지를 고려하여 지면 위의 다양한 높이에서 풍속과 기압을 파악합니다.

토목 기사는 투영 면적, 풍압, 항력 계수, 노출 계수, 돌풍 응답 계수 및 중요도 계수와 같은 것을 고려한 공식을 사용하여 축방향 풍하중을 계산합니다.

하나의 공식은 F = A x P x Cd입니다. 여기서 F는 힘 또는 풍하중, A는 물체의 투영 면적, P는 풍압, Cd는 항력 계수입니다.

피로강도

축 하중과 굽힘 하중 하에서의 구조물의 피로 강도 계산은 축 하중과 굽힘 하중에 대한 피로 강도의 비율을 기반으로 하는 분석 방법을 사용하여 수행할 수 있습니다.

이들 방법에서는 회전굽힘하중하에서의 피로강도가 축방향하중하에서의 피로강도로 변경된다.

해석 모델이 어떻게 작동하는지 알아보기 위해 두 가지 하중 조건에서 고주기 피로 테스트를 수행할 수도 있습니다.

또한 평면 응력 모델은 주 응력 중 하나가 일반적으로 0인 표면에서 재료를 사용할 때 재료가 얼마나 오래 지속되는지 파악하는 데 사용할 수 있습니다.

마지막으로 SN 곡선을 사용하여 N 사이클에서 최대 허용 응력과 피로 강도 감소 계수 kf를 찾을 수 있습니다.

볼 베어링 및 최대 축방향 하중

리테이너(또는 케이지)가 있는 방사형 볼 베어링은 대부분 방사형 하중을 처리하도록 만들어졌지만 축 방향 하중도 처리할 수 있습니다.

베어링에 가해질 수 있는 축 방향 하중의 양은 크기에 따라 다르며 일반적으로 베어링의 레이디얼 하중 등급의 백분율로 지정됩니다.

보어 직경과 외륜 직경의 차이가 크면 베어링은 레이디얼 정하중의 최대 50%에 해당하는 축방향 하중을 받을 수 있습니다.

얇은 섹션 베어링의 레이스웨이는 더 얕아서 축 방향 하중을 처리할 수 없습니다.

베어링이 무거운 축 방향 하중을 처리해야 하는 경우 앵귤러 콘택트 베어링을 사용해야 합니다.

이들은 깊은 홈 볼 베어링과 내부가 다르게 제작되어 더 높은 축 방향 하중을 처리할 수 있습니다.

특정 내경을 가진 볼 베어링의 최대 축방향 하중은 베어링의 크기, 베어링 전동면의 깊이, 무거운 레이디얼 하중 또는 모멘트 하중을 받는지 여부와 같은 여러 가지 사항에 따라 달라집니다.

베어링에 가해질 수 있는 축방향 하중의 양은 종종 베어링의 레이디얼 하중 등급의 근사치로 제공됩니다.

SKF는 탠덤 또는 후면 대 후면/면 대 전면 구성으로 설정된 단일 베어링 및 베어링 쌍에 대해 최소 축 방향 및 반경 방향 하중을 제공합니다.

볼 베어링에 가해질 수 있는 가장 큰 스트레스는 내부에서 어떻게 만들어지는가에 달려 있습니다.

구조물의 축 방향 하중

구조의 축을 따라 직접 구조에 힘이 가해지면 이를 축 방향 하중이라고 합니다.

점하중이 있는 경우 하중점 근처의 응력은 평균 응력보다 훨씬 높습니다.

응력 상태가 매우 복잡하기 때문에 매우 복잡한 변형이 발생합니다.

법선 응력과 전단 응력은 모두 단면에 대한 평균 응력을 측정하는 방법입니다.

단면의 어느 부분을 보더라도 응력의 양은 동일합니다.

점하중은 작은 영역에 집중되는 외부의 힘입니다.

사용 사례

다음은 축 방향 하중을 사용할 수 있는 몇 가지 방법입니다.

사용:	설명:
기둥의 디자인	기둥은 축 방향 하중을 지지하도록 만들어진 구조 부재의 좋은 예입니다. 예를 들어, 건물에서 기둥은 바닥과 지붕 위의 무게를 지탱하여 기둥이 견뎌야 하는 압축 축방향 하중을 생성합니다. 축방향 하중은 기둥이 힘을 받아 구부러지거나 부러지지 않도록 기둥을 설계할 때 고려해야 할 중요한 사항입니다.
교량	교량을 설계할 때 축 방향 하중도 고려해야 할 매우 중요한 사항입니다. 압축 축방향 하중은 교량과 교량이 운반하는 차량의 무게로 인해 발생합니다. 다리는 이러한 하중을 견딜 수 있어야 합니다. 교량은 또한 바람, 지진 및 교통과 같은 요소의 영향을 받을 수 있으며, 이 모든 요소는 굽힘 모멘트 및 전단력을 유발할 수 있습니다. 안전하고 유용한 교량을 만들기 위해서는 이러한 하중이 서로 어떻게 상호 작용하는지 아는 것이 중요합니다.
타워 디자인	송전탑, 셀 타워, 풍력 터빈과 같은 타워에는 높은 압축 축방향 하중이 가해집니다. 이러한 구조물을 만들 때 무엇보다도 적재 방법, 재료, 탑의 높이와 너비에 대해 생각해야 합니다. 이러한 구조물이 안전하고 오래 지속되도록 하려면 축방향 하중이 구조물에 어떤 영향을 미치는지 알아야 합니다.
제조 및 테스트	축 방향 하중은 재료와 제품이 파손이나 변형 없이 특정 하중을 견딜 수 있어야 하는 제조 및 테스트에서도 중요한 개념입니다. 축방향 로드 셀과 같은 테스트 도구를 사용하면 재료 또는 제품이 파손되기 전에 얼마나 많은 축방향 하중을 받을 수 있는지 확인할 수 있습니다.
항공 우주 응용	로켓, 미사일 및 기타 우주용 차량을 설계할 때 축방향 하중은 매우 중요할 수 있습니다. 축 방향 하중은 차량의 무게, 속도 또는 진동으로 인해 발생할 수 있습니다. 안전하고 효과적인 시스템을 만들기 위해서는 축 방향 하중이 차량의 구조 부품에 어떤 영향을 미치는지 아는 것이 중요합니다.

결론

이 기사에서 살펴본 것처럼 축방향 하중은 가해지는 힘을 견딜 수 있는 구조물을 설계하고 건축하는 데 있어 핵심적인 부분입니다.

이 중요한 힘으로 작업할 때 길고 얇은 기둥의 고유한 문제를 이해하는 것부터 엔지니어링 툴킷에 축 방향 로드 셀을 추가하는 것까지 고려해야 할 사항이 많습니다.

그러나 축방향 하중은 엔지니어링이 항상 변화하는 복잡한 분야임을 상기시켜줍니다.

우리가 가능한 것의 한계를 계속해서 밀어붙이는 동안 우리는 필연적으로 창의적으로 생각하고 함께 해결해야 하는 새로운 문제에 직면하게 될 것입니다.

따라서 다음에 축 방향 하중으로 작업할 때는 마음을 열고 배울 준비를 하십시오.

다음 모퉁이에 어떤 새로운 것이 있는지 누가 압니까?