Inzicht In Axiale Belasting In Engineering

Als ingenieur of ingenieur weet je hoe belangrijk het is dat constructies verschillende soorten belastingen aankunnen.

Maar heb je ooit nagedacht over de unieke problemen die axiale belasting met zich meebrengt? In tegenstelling tot afschuifkracht, torsiebelasting en buigbelasting, oefent axiale belasting kracht uit direct langs de as van een constructie.

Dit betekent dat bij het ontwerpen, bouwen en onderhouden van constructies rekening moet worden gehouden met een geheel nieuwe reeks zaken.

In dit artikel zal ik in detail ingaan op axiale belasting en alles bespreken wat u moet weten om constructies te bouwen die deze belangrijke kracht aankunnen.

Dus gordel om en laten we aan de slag gaan!

Inleiding tot axiale belasting

Formele definitie:

Een kracht waarvan de resultante door het zwaartepunt van een bepaalde sectie gaat en loodrecht staat op het vlak van de sectie.

Axiale belasting is een soort belasting die druk uitoefent op een constructiedeel langs zijn as.

In tegenstelling tot afschuifkracht, torsiebelasting en buigbelasting, veroorzaakt axiale belasting meer drukspanning dan trek- of afschuifkracht.

Afschuifkracht, torsiebelasting en buigbelasting: verschillen

Afschuifkracht zorgt ervoor dat spanning wordt verspreid langs het vlak van een object, terwijl torsiebelasting ervoor zorgt dat spanning wordt verspreid rond de lengteas van het object.

Wanneer een belasting wordt gebogen, ontstaat er normaalspanning en dwarsschuifspanning.

Normale spanning omvat zowel axiale als transversale spanning, terwijl transversale schuifspanning zowel torsie- als transversale schuifspanning omvat.

Belang van axiale belasting

Axiale belastingen zijn belangrijk omdat ze zowel de structuur van het implantaat als het bot eromheen kunnen veranderen.

In engineering is axiale belasting een zeer belangrijk onderdeel van de manier waarop kolommen, balken en spanten worden gemaakt.

In de biomechanica kunnen axiale belastingen de manier veranderen waarop botten bewegen, wat onder andere breuken of gewrichtsvervangingen kan veroorzaken.

Daarom is het zowel in de techniek als in de geneeskunde belangrijk om te begrijpen hoe axiale belasting werkt.

Verschil tussen axiale belasting en dwarsbelasting

Tip: Schakel de ondertitelingsknop in als je die nodig hebt. Kies "automatische vertaling" in de instellingenknop, als u niet bekend bent met de Engelse taal. Mogelijk moet u eerst op de taal van de video klikken voordat uw favoriete taal beschikbaar komt voor vertaling.

Structurele leden en axiale belastingen

Spanten en kolommen zijn twee veelvoorkomende typen structurele elementen die meestal zijn gemaakt om axiale belastingen te dragen.

Spanten: kenmerken en toepassingen

Spanten zijn structurele leden die zijn gemaakt om axiale krachten in hun leden te dragen.

Deze krachten kunnen trek, druk of omkeerbare trek/druk zijn, afhankelijk van de slechtst denkbare belastingen en belastingscombinaties.

Truss-leden gebruiken minder materiaal om dezelfde hoeveelheid gewicht te dragen.

Dit maakt ze ideaal voor bruggen of daken die sterk maar niet te zwaar moeten zijn.

Maar truss-leden zijn vrij om te bewegen en kunnen ladingen slechts in één richting dragen.

Dit betekent dat ze niet sterk genoeg zijn om lasten te weerstaan ​​die heen en weer bewegen of buigen.

Kolommen: kenmerken en toepassingen

Kolommen zijn de verticale delen van stalen bouwframes die vloerliggers of vloeren dragen die onderhevig zijn aan zware axiale drukbelastingen.

Ze zijn meestal gemaakt om axiale drukbelastingen te weerstaan, maar afhankelijk van hoe ze zijn opgesteld en hoe ze zijn gemaakt, zijn ze ook bestand tegen buig- en schuifkrachten.

Kolommen kunnen rond, vierkant of rechthoekig zijn en kunnen onder andere van beton, staal of hout zijn.

Frameleden: kenmerken en toepassingen

Afhankelijk van hoe ze zijn opgesteld en gemaakt, kunnen balken en kolommen over hun lengte zowel transversale als axiale belastingen dragen.

Ze worden vaak gebruikt om vloeren, daken en muren op te houden in bouw- en constructieprojecten.

Maar in tegenstelling tot truss-elementen hoeven frame-elementen niet alleen axiale belastingen te dragen; ze kunnen ook dwarsbelastingen dragen.

Bepalen van maximale axiale belasting

Bij het bouwen van een constructie is het belangrijk om te weten hoeveel axiale belasting een bepaald element of een bepaalde constructie aankan.

Maximale axiale belasting voor kolommen berekenen

Om erachter te komen hoeveel axiale belasting een kolom aankan, kunt u de KL/r berekenen en vervolgens de waarde van cFcr opzoeken in een tabel.

De spanning in de dwarsdoorsnede van de kolom kan worden gevonden door de vergelijking AP=f te gebruiken, waarbij wordt aangenomen dat f over de hele doorsnede hetzelfde is.

Knik staat bekend als een bezwijkgrenstoestand voor kolommen, en Vergelijking geeft de kritische knikbelasting Pcr voor kolommen (3.1).

Maar om de kritische knikbelasting voor een bepaalde kolom volledig te achterhalen, hebt u meer vergelijkingen en methoden nodig en moet het ontwerp rekening houden met hoe de kolom eindigt en met de eigenschappen van het materiaal.

Benadering van het maximale laadvermogen

Een staalontwerp maken en kijken naar de interactieverhouding is een goede manier om een ​​globaal idee te krijgen van het grootste gewicht dat een lid kan dragen.

De interactieverhouding is de verhouding tussen het meeste gewicht dat een lid kan dragen en hoeveel gewicht het daadwerkelijk draagt.

De reciproque van die verhouding vertelt je hoeveel meer gewicht elk lid kan dragen voordat het breekt.

Het is belangrijk om te onthouden dat deze methode slechts een schatting geeft.

De werkelijke maximale belasting die een lid kan dragen, kan lager of hoger zijn dan de berekende waarde.

Ontwerpen voor maximale axiale belasting

Bij het ontwerpen van constructies worden de afmetingen van leden ruwweg gebaseerd op bouwkundige tekeningen en andere relevante documenten, en hun gewichten worden berekend met behulp van informatie uit de meeste codes en andere civieltechnische literatuur.

Maar constructies moeten worden gebouwd om de kritieke belasting aan te kunnen, wat de grootste belasting is die erop zou kunnen werken.

Dit wordt gedaan door alle belastingen op te tellen die een constructie gedurende zijn levensduur kan dragen.

Dit omvat zowel actieve belastingen als dode belastingen, evenals belastingen veroorzaakt door wind, aardbevingen en andere mogelijke belastingen.

Kritieke belasting in lange slanke kolommen

De kritische belasting is het meest axiale gewicht dat een kolom kan dragen voordat deze begint te buigen.

Formule van Euler: kritische belasting berekenen

De formule van Euler kan worden gebruikt om de kritische belasting te vinden: Pcr = (2EI)/(KL)2, waarbij Pcr de kritische belasting van Euler is, E de elasticiteitsmodulus van Young is, I het minimale tweede oppervlaktemoment van de doorsnede van de kolom (oppervlaktetraagheidsmoment), K is de effectieve lengtefactor van de kolom en L is de niet-ondersteunde lengte van de kolom.

Betekenis van kritieke belasting

De kritische belasting is belangrijk om uit te zoeken hoe lange, dunne kolommen reageren op axiale drukkracht, omdat deze niet afhangt van hoe sterk het materiaal is.

Dit betekent dat ingenieurs bij het bouwen van dunne constructies die kunnen buigen, extra aandacht moeten besteden aan de slankheidsverhouding, de lengte van de kolom gedeeld door de kleinste gyratiestraal.

Een hoge slankheidsverhouding betekent dat kleine compressiebelastingen de structuur eerder doen breken.

Knik treedt op wanneer een rechte kolom die langs zijn lengte wordt samengedrukt, plotseling buigt. Dit is een foutlimietstatus voor kolommen.

Axiale loadcellen en hun toepassingen

Loadcellen die kracht langs een enkele as meten, worden axiale loadcellen genoemd.

Werkingsprincipe van axiale loadcellen

Axiale loadcellen werken door de kracht die erop wordt uitgeoefend om te zetten in een elektrisch signaal dat kan worden gelezen en opgeschreven.

Ze gebruiken rekstrookjes om te meten hoeveel axiale belasting de vorm van iets verandert.

Wanneer er langs zijn as een kracht op de loadcel wordt uitgeoefend, buigen de rekstrookjes, waardoor hun weerstand verandert.

De verandering in weerstand wordt vervolgens omgezet in een elektrisch signaal dat kan worden gemeten.

Toepassingen van axiale loadcellen

Axiaal gemonteerde loadcellen worden op veel gebieden gebruikt, zoals ruimtevaart, auto-industrie en productie.

Enkele veel voorkomende manieren waarop axiale loadcellen worden gebruikt, zijn:

• Het meten van de kracht op constructiedelen van gebouwen en bruggen, zoals balken en kolommen, terwijl deze worden gebouwd of gebruikt.
• Gebruik testen, zoals uitzoeken hoeveel kracht nodig is om iets samen te knijpen of uit te rekken, of hoeveel kracht er nodig is om iets te breken of te vervormen.
• Zaken als hydraulische persen, kranen en liften in de gaten houden om er zeker van te zijn dat ze veilig werken.
• Ik zal meer opsommen onderaan dit artikel.

Andere aspecten van axiale belasting

Axiale windbelasting

Axiale windbelasting is de kracht die windstroming heeft op een gebouw.

In het verleden hebben windkrachten, vooral in kustgebieden, veel gebouwen laten instorten.

Civiel-ingenieurs gebruiken ASCE 7-16 gemodificeerde vergelijking 2.2, die rekening houdt met de hoogte van de constructie boven het maaiveld en hoe belangrijk het is voor het leven en eigendom van mensen, om de windsnelheid en -druk op verschillende hoogten boven het maaiveld te berekenen.

Civiel-ingenieurs gebruiken een formule die rekening houdt met zaken als het geprojecteerde gebied, winddruk, weerstandscoëfficiënt, blootstellingscoëfficiënt, windvlaagresponsfactor en belangfactor om de axiale windbelasting te berekenen.

Een formule is F = A x P x Cd, waarbij F de kracht of windbelasting is, A het geprojecteerde gebied van het object, P de winddruk en Cd de weerstandscoëfficiënt.

Vermoeidheid Kracht

Het berekenen van de vermoeiingssterkte van een constructie onder axiale en buigbelastingen kan worden gedaan met behulp van analytische methoden op basis van de verhouding van de vermoeiingssterkten voor axiale en buigbelasting.

Bij deze methoden wordt de vermoeiingssterkte onder roterende buigbelasting veranderd in de vermoeiingssterkte onder axiale belasting.

Om erachter te komen hoe een analytisch model werkt, kunnen ook high-cycle vermoeidheidstesten onder beide beladingscondities worden uitgevoerd.

Ook kunnen vliegtuigspanningsmodellen worden gebruikt om erachter te komen hoe lang een materiaal meegaat wanneer het op het oppervlak wordt gebruikt, waar een van de belangrijkste spanningen meestal nul is.

Ten slotte kunnen SN-curven worden gebruikt om de maximaal toelaatbare spanning bij N cycli en een vermoeiingssterktereductiefactor kf te vinden.

Kogellagers en maximale axiale belasting

Radiale kogellagers met een houder (of kooi) zijn meestal gemaakt om radiale belastingen aan te kunnen, maar ze kunnen ook axiale belastingen aan.

De hoeveelheid axiale belasting die op een lager kan worden uitgeoefend, is afhankelijk van de grootte en wordt meestal gegeven als een percentage van de radiale belasting van het lager.

Wanneer het verschil tussen de diameter van de boring en de diameter van de buitenring groot is, kan het lager axiale belastingen opnemen die oplopen tot 50% van de radiale statische belasting.

De loopbanen in dunwandige lagers zijn ondieper, waardoor ze minder goed in staat zijn om axiale belastingen aan te kunnen.

Een hoekcontactlager moet worden gebruikt als het lager een zware axiale belasting moet aankunnen.

Deze zijn van binnen anders gemaakt dan groefkogellagers, zodat ze hogere axiale belastingen aankunnen.

De maximale axiale belasting voor kogellagers met een bepaalde binnendiameter is afhankelijk van verschillende zaken, zoals de grootte van het lager, de diepte van de lagerloopbaan en het al dan niet onderhevig zijn aan zware radiale of momentbelastingen.

De hoeveelheid axiale belasting die op een lager kan worden uitgeoefend, wordt vaak gegeven als een benadering van de radiale belasting van het lager.

SKF biedt minimale axiale en radiale belastingen voor enkele lagers en lagerparen die in tandem of back-to-back/face-to-face configuraties zijn opgesteld.

De meeste belasting die op kogellagers kan worden uitgeoefend, hangt af van hoe ze aan de binnenkant zijn gemaakt.

Axiale belasting in constructies

Wanneer een kracht direct langs een as van de constructie op een constructie wordt uitgeoefend, wordt dit axiale belasting genoemd.

Bij een puntbelasting is de spanning nabij het punt van belasting veel hoger dan de gemiddelde spanning.

Dit veroorzaakt zeer gecompliceerde vervormingen omdat de spanningstoestanden zeer gecompliceerd zijn.

Normale spanning en schuifspanning zijn beide manieren om de gemiddelde spanning over een doorsnede te meten.

Het maakt niet uit waar langs de dwarsdoorsnede je kijkt, de hoeveelheid stress is hetzelfde.

Een puntbelasting is een kracht van buitenaf die geconcentreerd is in een klein gebied.

Gebruik gevallen

Hier zijn enkele manieren waarop axiale belasting kan worden gebruikt:

Gebruikt in:	Beschrijving:
Ontwerp van een kolom	Kolommen zijn een goed voorbeeld van een structureel onderdeel dat is gemaakt om axiale belastingen te ondersteunen. In gebouwen dragen kolommen bijvoorbeeld het gewicht van de vloeren en het dak erboven, waardoor een axiale drukbelasting ontstaat die de kolom moet weerstaan. Axiale belasting is een belangrijk ding om over na te denken bij het ontwerpen van kolommen om ervoor te zorgen dat ze niet buigen of breken onder de kracht.
Bruggen	Bij het ontwerpen van bruggen is ook axiale belasting een heel belangrijk punt om over na te denken. Axiale drukbelastingen worden veroorzaakt door het gewicht van de brug en de voertuigen die deze draagt. De brug moet deze belastingen kunnen weerstaan. Bruggen kunnen ook worden beïnvloed door zaken als wind, aardbevingen en verkeer, die allemaal buigmomenten en schuifkrachten kunnen veroorzaken. Om veilige en bruikbare bruggen te maken, is het belangrijk om te weten hoe deze belastingen met elkaar omgaan.
Toren ontwerp	Op torens zoals zendmasten, zendmasten en windturbines worden hoge axiale drukbelastingen uitgeoefend. Bij het maken van deze constructies moet je onder meer nadenken over de manier waarop ze worden belast, de materialen en de hoogte en breedte van de torens. Om ervoor te zorgen dat deze structuren veilig zijn en lang meegaan, moet u weten hoe axiale belastingen ze beïnvloeden.
Fabricage en testen	Axiale belasting is ook een belangrijk concept bij fabricage en testen, waarbij materialen en producten bepaalde belastingen moeten kunnen weerstaan ​​zonder te breken of te vervormen. Met testtools zoals axiale loadcellen kunt u ontdekken hoeveel axiale belasting een materiaal of product kan verdragen voordat het breekt.
Lucht- en ruimtevaarttoepassingen	Axiale belastingen kunnen erg belangrijk zijn bij het ontwerpen van raketten, raketten en andere voertuigen voor gebruik in de ruimte. Axiale belastingen kunnen worden veroorzaakt door het gewicht van het voertuig, de snelheid of trillingen. Om veilige en effectieve systemen te maken, is het belangrijk om te weten hoe axiale belastingen de structurele delen van een voertuig beïnvloeden.

Conclusie

Zoals we in dit artikel hebben gezien, is axiale belasting een belangrijk onderdeel van het ontwerpen en bouwen van constructies die bestand zijn tegen de krachten die erop worden uitgeoefend.

Bij het werken met deze belangrijke kracht zijn er veel dingen om over na te denken, van het begrijpen van de unieke uitdagingen van lange, dunne kolommen tot het toevoegen van axiale loadcellen aan uw engineeringtoolkit.

Maar axiale belasting herinnert er ook aan dat engineering een gecompliceerd veld is dat altijd verandert.

Terwijl we de grenzen van het mogelijke blijven verleggen, zullen we onvermijdelijk nieuwe problemen tegenkomen waarvoor we creatief moeten denken en moeten samenwerken om ze op te lossen.

Dus de volgende keer dat u met axiale belasting werkt, moet u openstaan ​​en bereid zijn om te leren.

Wie weet welke nieuwe dingen er om de hoek komen kijken?