Als ingenieur is het mijn taak om constructies te ontwerpen en te bouwen die niet alleen nuttig zijn, maar ook veilig en lang meegaan.
Het begrijpen van draagkracht is een belangrijk onderdeel van bouwtechniek.
Wanneer u het effectieve draagoppervlak deelt door de maximale belasting die een kolom, muur, voet of verbinding aankan totdat deze breekt, krijgt u de draagkracht.
Het zorgt ervoor dat mijn gebouwen niet instorten.
Als student techniek of als ingenieur zul je constructies moeten ontwerpen die bestand zijn tegen zowel natuurlijke als menselijke krachten.
Daarom moet ik veel weten over draagkracht om ervoor te zorgen dat mijn gebouwen veilig zijn en lang meegaan.
In dit artikel zal ik dieper ingaan op de wereld van draagkracht, de verschillende factoren onderzoeken die er invloed op hebben en hoe ingenieurs structurele stabiliteit kunnen berekenen en garanderen.
Dus zet je helm op en je denkmuts op en laten we samen de fascinerende wereld van draagkracht verkennen!
Draagkracht begrijpen
Formele definitie:
De maximale belasting die een kolom, muur, voet of verbinding kan verdragen totdat deze bezwijkt, gedeeld door het effectieve draagoppervlak.
Draagkracht is een zeer belangrijk idee in engineering, vooral op gebieden als het bouwen en ontwerpen van vliegtuigen.
Het verwijst naar de maximale hoeveelheid gewicht of druk die een constructie kan dragen voordat deze instort.
We zullen het in dit artikel hebben over draagkracht, rekgrens en ultieme draagkracht.
Draagkracht
De maximale draagkracht die op een constructie kan worden geplaatst voordat deze bezwijkt, gedeeld door het gebied dat de last ondersteunt, staat bekend als draagkracht.
Zoals eerder gezegd, is de draagkracht van een constructie niet de maximale hoeveelheid gewicht of druk die hij kan dragen voordat hij uit elkaar valt.
In plaats daarvan is het het effectieve draagoppervlak gedeeld door de maximale belasting die een kolom, muur, voet of verbinding aankan totdat deze breekt.
De draagkracht kan worden gemeten aan de hand van trek-, druk-, buig- en buigsterkte, evenals de hardheid van de lagers.
Het is echter cruciaal om te begrijpen dat trek-, druk- en buigsterkte niet direct gerelateerd zijn aan draagkracht.
Bij het bouwen is het belangrijk om de draagkracht van structuren zoals muren en kolommen te kennen om er zeker van te zijn dat ze de lasten kunnen dragen die ze moeten dragen.
Op dezelfde manier moet bij het ontwerpen van een vliegtuig de draagkracht van het casco bestand zijn tegen verschillende drukken en krachten die erop worden uitgeoefend tijdens het opstijgen, vliegen, klimmen, landen en andere operationele manoeuvres.
Opbrengst sterkte
Een andere belangrijke manier om te meten hoe sterk iets is, is door de rekgrens.
Het wordt gedefinieerd als de maximale spanning die een vast materiaal kan weerstaan wanneer het wordt vervormd binnen zijn elastische limiet.
Vloeigrens is de maximale spanning of belasting die een vast materiaal aankan wanneer het wordt vervormd tot aan zijn elastische limiet, wat betekent dat het terug kan keren naar zijn oorspronkelijke vorm wanneer de belasting wordt verwijderd.
De spanning of belasting die nodig is om de vorm van een materiaal permanent te veranderen, wordt de vloeispanning genoemd.
Na dit punt wordt het materiaal niet meer zoals het was.
In ductiele materialen is de vloeigrens veel lager dan de uiteindelijke sterkte, terwijl er in brosse materialen geen vloeigrens is en dus geen vloeigrens.
Ultieme draagkracht
Ultieme draagkracht is de grootste druk die een vast materiaal kan verdragen voordat het breekt.
Het wordt vaak op dezelfde manier gebruikt als 'ultieme treksterkte'. Ultieme draagkracht en ultieme treksterkte zijn beide manieren om te praten over hoeveel spanning een vast materiaal kan verdragen voordat het breekt.
Aan de hand van lagertesten kunt u de vloeispanning en de uiteindelijke spanning van het lager achterhalen.
Bearing Yield Strength (BYS) wordt gevonden door een lijn te trekken evenwijdig aan de initiële helling van de lagerspanningsvervormingscurve bij een rek van 0,002.
Uiteindelijk zijn draagkracht, vloeigrens en ultieme draagkracht allemaal belangrijke ideeën in engineering.
Draagkracht is het grootste gewicht dat een constructie kan dragen voordat deze breekt, en vloeigrens is de meeste belasting die een materiaal kan verdragen voordat het permanent van vorm begint te veranderen.
Ultieme draagkracht en ultieme treksterkte zijn beide manieren om te praten over hoeveel spanning een materiaal kan verdragen voordat het breekt.
Door deze ideeën te begrijpen, kunnen ingenieurs constructies en materialen maken die veilig en betrouwbaar zijn.
Grenzen verleggen: het belang van draagkracht bij het ontwerpen van gebouwen
Nog steeds moeilijk te begrijpen? Laat me het standpunt een beetje veranderen:
Als je een gebouw wilt ontwerpen dat niet als een kaartenhuis uit elkaar valt, moet je ervoor zorgen dat het bestand is tegen al je onredelijke verwachtingen, onredelijke eisen en onvermijdelijke fouten.
Want laten we eerlijk zijn, als je de grenzen van de draagkracht van je gebouw niet verlegt, leef je dan echt met volle teugen?
Oké, dat was maar een grap gemaakt om eruit te zien als een tv-reclame.
Laten we nu teruggaan naar de uitleg.
Factoren die de draagkracht beïnvloeden
Bodemfactoren
Een van de belangrijkste dingen die de sterkte van een constructie beïnvloeden, is hoeveel gewicht deze kan dragen.
De volgende bodemfactoren zijn van invloed op het draagvermogen van de bodem:
- Afschuifsterkte: Bodemschuifsterkte is een manier om te meten hoe goed een bodem weerstand kan bieden aan krachten die hem uit elkaar proberen te trekken.
- Breedte en diepte van de fundering: De breedte en diepte van een fundering kunnen een grote invloed hebben op het gewicht dat deze kan dragen.
Over het algemeen kan een fundering meer gewicht dragen als deze breder en dieper is.
- Gewicht van de grond en eventueel extra gewicht erop: Het gewicht van de grond en eventueel extra gewicht erop kan van invloed zijn op het gewicht dat de grond kan dragen.
Druksterkte van beton
Een ander ding dat de draagkracht beïnvloedt, is hoe sterk beton is wanneer het wordt samengedrukt.
De druksterkte van beton na 28 dagen wordt gebruikt om muurfunderingen te ontwerpen en het is belangrijk om een betonmix te gebruiken met de juiste sterkte voor het doel van de constructie.
Vorm en afmetingen van de structuur
De sterkte van een structuur kan ook worden beïnvloed door de vorm en grootte, zoals de breedte, lengte en dikte.
Een constructie met een groter oppervlak zal over het algemeen een hoger draagvermogen hebben.
Laadverdeling en type belasting
De sterkte van een constructie kan worden beïnvloed door het type belasting dat erop wordt uitgeoefend.
De sterkte van een constructie kan worden beïnvloed door actieve belastingen, dode belastingen en windbelastingen.
Locatie en oriëntatie van de structuur
De sterkte van de structuur kan ook worden beïnvloed door waar deze is en hoe deze is opgesteld.
Het vermogen van de bodem om gewicht te houden kan worden beïnvloed door zaken als de grondsoort en het grondwaterpeil.
De draagkracht van een constructie kan ook worden beïnvloed door het weer, zoals wind, regen en temperatuurschommelingen.
Internationale bouwcode
De International Building Code heeft suggesties voor wat voor soort fundering te gebruiken en hoe deze moet worden gebouwd.
Onder deze suggesties, maar niet allemaal, zijn de volgende:
- Capaciteit van natuurlijke of verdichte grond om gewicht te houden.
- Voorzieningen om de effecten van bodems die veel bewegen te verminderen.
- Frost lijn diepte.
- Minimale wapening voor funderingen van beton.
- Minimale diepten voor houten palen in betonnen funderingen.
Veiligheidsfactor dragen
De lagerveiligheidsfactor wordt gebruikt om structurele stabiliteit te garanderen.
De veiligheidsfactor is de verhouding tussen de maximale belasting die op een lager kan worden uitgeoefend en de maximale belasting die erop kan worden uitgeoefend.
Aangenomen wordt dat falen optreedt wanneer de veiligheidsfactor kleiner is dan 1.
U kunt het toegestane draagvermogen berekenen met een vergelijking die rekening houdt met bodemparameters en de vorm van de fundering.
Evaluatie normen
De kwaliteit van veldverkenning, bodembemonstering en afschuifproeven kan de nauwkeurigheid van stabiliteitsberekeningen beïnvloeden.
Om er zeker van te zijn dat de veiligheidsfactor correct en betrouwbaar is, zijn er beoordelingsnormen opgesteld voor de veiligheidsfactor in funderingsstabiliteitsanalyses.
Uiteindelijk zijn er veel dingen die van invloed zijn op hoe sterk een kolom, muur, voet of verbinding is.
Ingenieurs moeten nadenken over de grond, de druksterkte van het beton, de vorm en grootte van de constructie, hoe de belasting wordt verdeeld en wat voor soort belasting het is, waar en hoe de constructie wordt geplaatst en wat de internationale bouwcode zegt.
Bovendien wordt de lagerveiligheidsfactor gebruikt om structurele stabiliteit te garanderen en zijn er evaluatienormen om nauwkeurige en betrouwbare berekeningen te garanderen.
Bepalen van de draagkracht van materialen
Factoren die de draagkracht beïnvloeden
De sterkte van een kolom, muur, voet of verbinding hangt af van een aantal dingen, zoals de grond, het ontwerp van de fundering, de vorm en grootte van de constructie, hoe de belasting wordt verdeeld en de omgeving.
Bodemfactoren: Het draagvermogen van grond wordt bepaald door drie bodemfactoren: afschuifsterkte, funderingsbreedte en -diepte, en grondgewicht en toeslag.
Wanneer een voet op grond wordt geplaatst die niet aan elkaar plakt, hangt het vermogen om gewicht te houden af van hoe breed het is.
Stabiliteitsberekeningen kunnen verkeerd zijn als de veldverkenning, grondbemonstering en afschuifproeven niet goed worden uitgevoerd.
Funderingsontwerp: De International Building Code geeft aanbevelingen voor funderingstype en ontwerpcriteria, inclusief maar niet beperkt tot het draagvermogen van natuurlijke of verdichte grond, voorzieningen om de effecten van uitgestrekte bodems te verminderen, de diepte van de vorstgrens, minimale wapening voor betonnen funderingen en minimale inbeddingsdieptes voor houten palen in betonnen funderingen.
Afmetingen en vorm van het gebouw: Muren en kolommen moeten zo dicht mogelijk bij het midden van de fundering worden ondersteund om eenrichtingsbreuk (balk) te voorkomen, wat gebeurt wanneer de balk breekt in een hoek van ongeveer 45 graden ten opzichte van de muur .
Belastingverdeling is de manier waarop de belastingen van de constructie, zoals actieve belastingen, dode belastingen en windbelastingen, worden verspreid.
Omgevingsfactoren zijn onder meer de locatie en oriëntatie van het gebouw, evenals de bodemgesteldheid en hoe blootgesteld het is aan zaken als wind, regen en temperatuurveranderingen.
Bepalen van de draagkracht van materialen
Hout, staal en koper hebben bijvoorbeeld verschillende draagsterkten die afhangen van hun treksterkte, druksterkte, hardheid, ductiliteit, elasticiteit en andere eigenschappen die uniek zijn voor elk materiaal.
De draagkracht van hout hangt bijvoorbeeld af van de korrel, dichtheid en hoeveelheid vocht, terwijl de draagkracht van staal afhangt van zaken als de legeringssamenstelling, warmtebehandeling en fysieke afmetingen, zoals de buitendiameter, wanddikte, en lengte.
Treksterkte: De treksterkte van een materiaal is de hoeveelheid kracht die nodig is om het uit elkaar te trekken totdat het breekt.
Druksterkte: om de druksterkte van een materiaal te bepalen, meet je hoeveel kracht er nodig is om het te verpletteren totdat het breekt.
Draagkracht van stalen buizen
De buitendiameter, wanddikte en lengte van een stalen buis, evenals de materiaaleigenschappen van het staal, zoals de rekgrens en treksterkte, bepalen hoeveel gewicht het kan dragen.
Een rekenmachine kan worden gebruikt door iedereen die de belastingsvereisten van zijn toepassing kent en weet of de buis als balk of kolom zal worden gebruikt om erachter te komen welke maat buis nodig is.
De draagkracht van stalen buizen kan worden berekend met behulp van wiskundige vergelijkingen of computerprogramma's die met al deze zaken rekening houden.
Zo kan het draagvermogen van een stalen buis worden berekend met de formule van Euler, die rekening houdt met de lengte van de buis, de lengte zonder ondersteuning en het traagheidsmoment.
Andere vergelijkingen, zoals de AISC-formule van het American Institute of Steel Construction, kunnen worden gebruikt om erachter te komen hoe sterk een stalen buis is onder verschillende belastingen.
Bodemonderzoek voor draagvermogen
Grondonderzoek is een belangrijke manier om erachter te komen hoe sterk de fundering van een gebouw is en hoeveel gewicht het kan dragen.
Het omvat het testen van grondmonsters in het laboratorium om erachter te komen wat hun eigenschappen zijn en het gebruiken van andere methoden om erachter te komen hoe stabiel de grond is.
Laboratoriumtesten voor de eigenschappen van grond:
Bodemmonsters kunnen in het laboratorium aan een aantal tests worden onderworpen om meer te weten te komen over hun eigenschappen.
Deze tests omvatten de Consolidated Undrained (CU) Test, de Unconfined Compression Test, de Triaxial Compression Test, de Shear Box Test, de Vane Test, de Consolidation Test, de Swelling and Suction Test, de Permeability Test en de Chemical Analyses.
Deze tests zijn nodig om de grond te beschrijven en te classificeren en om kennis te nemen van de kleur, textuur en consistentie van zowel verstoorde als niet-verstoorde monsters van de locatie.
Manieren om erachter te komen hoe sterk de grond is:
Er kunnen verschillende manieren worden gebruikt om het draagvermogen van de bodem te achterhalen, zoals de Terzaghi Ultimate Bearing Capacity Theory, die het ultieme draagvermogen voor ondiepe doorlopende funderingen berekent.
Het gebruikt een vergelijking die rekening houdt met bodemparameters zoals cohesie, effectief eenheidsgewicht, voetdiepte en voetbreedte.
Een andere manier om erachter te komen hoeveel gewicht een onverzadigde fijnkorrelige grond kan dragen, is door de afschuifsterkte van onbeperkte compressietests te gebruiken.
De draagkrachtvergelijking (gedraineerd) werkt alleen voor ondiepe funderingen die verticale belastingen ondersteunen die niet excentrisch zijn.
De onbeperkte druksterkte gebruiken om het draagvermogen te schatten:
Onbeperkte druksterkte werkt alleen voor bodems die aan elkaar kleven.
Het kan niet worden gebruikt om erachter te komen hoeveel gewicht een niet-samenhangende grond kan dragen, omdat het een andere set parameters nodig heeft.
Grondonderzoek is een belangrijke manier om erachter te komen hoe sterk de fundering van een gebouw is en hoeveel gewicht het kan dragen.
Bodemeigenschappen worden gevonden door middel van laboratoriumtesten en er zijn verschillende manieren om erachter te komen hoeveel gewicht een grond kan dragen op basis van zijn eigenschappen.
Voor cohesieve en niet-cohesieve bodems is het belangrijk om de juiste methoden te gebruiken en rekening te houden met verschillende bodemparameters voor elke methode.
Draagkracht van metselwerk
Maximaal bruikbare rek voor betonmetselwerk
Bij de extreme compressievezel van betonmetselwerk is de maximale spanning die kan worden gebruikt 0,0025.
Gewapend metselwerk
Voor gewapend metselwerk zijn druk- en trekspanningen in de wapening onder de gespecificeerde rekgrens gelijk aan de elasticiteitsmodulus van de wapening maal de staalrek.
Afschuifcapaciteit van metselwerk
U kunt ook de nominale draagkracht van metselwerk achterhalen door te kijken hoeveel het onder spanning kan houden.
In een eenvoudige overspanningsbalk gaat de afschuifcapaciteit van 0 aan de steun tot oneindig in het midden.
In relevante ontwerpcodes en richtlijnen vindt u de formule voor het berekenen van de afschuifcapaciteit als functie van M/Vd.
Belangrijke overwegingen bij het ontwerpen van metselwerk
Het is belangrijk om te onthouden dat deze berekeningen zijn gebaseerd op bepaalde aannames en ontwerpcodes.
Bij het ontwerpen van metselwerk moet je goed nadenken over onder meer de soorten belastingen, de eigenschappen van de materialen en hoe de constructie is opgebouwd.
Voordat u berekeningen uitvoert of ontwerpbeslissingen neemt over metselwerkconstructies, kunt u het beste de relevante ontwerpcodes en richtlijnen controleren.
Effecten van hoge temperaturen op staal
Staal wordt vaak gebruikt in de bouw en techniek, maar als het te heet wordt, verliest het zijn vermogen om gewicht te houden.
Ongeveer 425°C is de hoogste temperatuur waarboven staal zijn vermogen om gewicht te houden begint te verliezen.
Tussen 600°C en 650°C verliest het staal de helft van zijn sterkte en kan het, afhankelijk van het gewicht dat het draagt, breken.
Rond 500°C verliest de sterkte van warmgewalst constructiestaal veel van zijn draagvermogen bij kamertemperatuur.
Bij 1100°F (593,33°C) heeft het staal nog ongeveer 50% van zijn sterkte.
Wanneer het staal smelt bij ongeveer 2700 ° F (1482,22 ° C), geeft het al zijn sterkte op.
Bij het ontwerpen wordt er meestal van uitgegaan dat alle capaciteit verloren gaat bij ongeveer 2200 °F (1204,44 °C).
Effect van brand op constructiestaal
In BS EN 10025 klasse S275 staal, kan een warmgewalste constructiestaalsectie van klasse S275 die in brand heeft gestaan en heter is geworden dan 600°C sommige van zijn eigenschappen verliezen nadat het is afgekoeld.
Hoe heet het vuur ook is, de vloeispanning bij kamertemperatuur of vervanging is niet nodig als het lid aan alle andere technische vereisten voldoet, zoals hetero zijn.
Wanneer constructiestaal van klasse S355 wordt verhit tot meer dan 600°C in een brand, gaan ook de resterende rekgrens en treksterkte omlaag.
Boutafschuifsterkte - Berekeningen van draag-, uitscheur- en afschuifbelasting
Tip: Schakel de ondertitelingsknop in als je die nodig hebt. Kies "automatische vertaling" in de instellingenknop, als u de gesproken taal niet kent. Mogelijk moet u eerst op de taal van de video klikken voordat uw favoriete taal beschikbaar komt voor vertaling.
Draagkracht gebruikt
Constructie van gebouwen:
Alle soorten gebouwen en constructies moeten sterk genoeg zijn om hun gewicht te dragen.
Het vertelt hoeveel gewicht een kolom, muur, voet of verbinding kan dragen voordat deze breekt.
Ingenieurs gebruiken berekeningen die "draagkracht" worden genoemd om ervoor te zorgen dat het gebouw zijn eigen gewicht kan dragen, evenals het extra gewicht dat afkomstig is van mensen, apparatuur en de omgeving.
Brug ontwerp:
Bruggen moeten zo worden gebouwd dat ze zware lasten zoals auto's, wind en aardbevingen aankunnen.
De draagkracht van de fundering en ondersteunende constructies, zoals pijlers en landhoofden, is een sleutelfactor bij het bepalen van het gewicht dat ze kunnen dragen.
Ingenieurs gebruiken ook draagkracht om erachter te komen hoeveel gewicht een balk, ligger of kabel kan dragen.
Wiskundige techniek:
In de machinebouw is draagkracht erg belangrijk omdat het wordt gebruikt om erachter te komen hoeveel gewicht tandwielen, lagers en assen kunnen dragen.
Ingenieurs gebruiken berekeningen van draagkracht om ervoor te zorgen dat de onderdelen de krachten en spanningen van de toepassing aankunnen, zoals in zware machines, voertuigen en vliegtuigen.
Luchtvaartzaken:
Draagkracht is ook belangrijk in de lucht- en ruimtevaartindustrie, waar het wordt gebruikt om erachter te komen hoeveel gewicht onderdelen zoals vleugels, rompen en landingsgestellen kunnen dragen.
Ingenieurs gebruiken berekeningen die "draagkracht" worden genoemd om ervoor te zorgen dat het vliegtuig de krachten en spanningen aankan die gepaard gaan met vliegen, zoals turbulentie, opstijgen en landen.
Offshore-gebouwen:
Bij het ontwerpen en bouwen van constructies zoals boorplatforms, windturbines en platforms die op zee staan, is draagkracht een belangrijke factor.
Deze gebouwen moeten bestand zijn tegen ruw weer, zoals harde wind, golven en stromingen.
Draagkracht wordt gebruikt om erachter te komen hoeveel gewicht de fundering en ondersteunende structuren kunnen dragen, en hoeveel gewicht de apparatuur en machines maximaal kunnen dragen.
De mijnbouw:
In de mijnindustrie is draagkracht erg belangrijk omdat het wordt gebruikt om erachter te komen hoeveel gewicht op ondergrondse ondersteuningsconstructies zoals pilaren en balken kan worden geplaatst.
Ingenieurs gebruiken berekeningen die "draagkracht" worden genoemd om ervoor te zorgen dat de constructies het gewicht van de rots erboven aankunnen, evenals de krachten en spanningen die worden veroorzaakt door het mijnbouwproces, zoals explosieven en boren.
Conclusie
Nu we klaar zijn met praten over draagkracht, is het belangrijk om te onthouden dat dit idee niet alleen belangrijk is in de techniek, maar in het leven in het algemeen.
Net zoals een gebouw een sterke basis nodig heeft om rechtop te staan, hebben wij een sterke basis nodig om de uitdagingen van het leven aan te gaan.
We moeten geworteld zijn in onze overtuigingen, waarden en principes om op te staan tegen de dingen die ons proberen neer te halen.
Gebouwen zijn niet het enige dat sterk moet zijn. Ons leven moet ook sterk zijn.
We moeten uitzoeken hoeveel gewicht we kunnen dragen, de juiste hulp vinden en ervoor zorgen dat we een sterke basis hebben om op te staan.
Dus, voordat je dit artikel verlaat, neem even de tijd om na te denken over hoe sterk je bent.
Waar bouw je je huis op? Hoeveel kun je dragen? En hoe kun je ervoor zorgen dat je de hulp krijgt die je nodig hebt om de uitdagingen van het leven aan te gaan? Onthoud dat een goed ontworpen leven net zo lang kan duren als een goed ontworpen gebouw.
Dus ga erop uit en bouw een leven op dat je dromen kan ondersteunen.
Links en referenties
ACI 318-14 Bouwvoorschriften voor constructief beton en commentaar
Hoofdstuk 3: Ontwerpbelastingen voor woongebouwen
Aanbevolen minimumvereisten voor gemetselde wandconstructies
Delen op…
