Som ingeniør er det min jobb å designe og bygge strukturer som ikke bare er nyttige, men også trygge og varer lenge.
Å forstå bærestyrke er en viktig del av konstruksjonsteknikk.
Når du deler det effektive bærearealet med den maksimale belastningen som en søyle, vegg, fot eller ledd tåler til den ryker, får du bærestyrken.
Det er det som hindrer bygningene mine fra å falle ned.
Som ingeniørstudent eller som ingeniør vil du måtte designe strukturer som tåler både naturlige og menneskelige krefter.
Derfor trenger jeg å vite mye om bærekraft for å sikre at bygningene mine er trygge og varer lenge.
I denne artikkelen vil jeg dykke dypere inn i bærestyrkens verden, utforske de forskjellige faktorene som påvirker den og hvordan ingeniører kan beregne og sikre strukturell stabilitet.
Så ta på deg hjelmen og tenkehetten, og la oss utforske den fascinerende verdenen av bærekraft sammen!
Forstå bærestyrke
Formell definisjon:
Den maksimale belastningen som en søyle, vegg, fot eller ledd vil tåle inntil svikt, delt på det effektive bærearealet.
Bærestyrke er en veldig viktig idé innen ingeniørfag, spesielt innen felt som å bygge og designe fly.
Det refererer til den maksimale mengden vekt eller trykk som en struktur kan holde før den kollapser.
Vi snakker om bærestyrke, flytestyrke og endelig bærestyrke i denne artikkelen.
Bærestyrke
Den maksimale bærelasten som kan plasseres på en konstruksjon før den svikter, delt på området som bærer lasten, er kjent som bærestyrke.
Som allerede sagt, er ikke en strukturs bærestyrke den maksimale vekt eller trykk den kan holde før den faller fra hverandre.
I stedet er det det effektive bærearealet delt på den maksimale belastningen som en søyle, vegg, fot eller ledd kan håndtere til den ryker.
Bærestyrke kan måles ved strekk-, kompresjons-, bøye- og bøyestyrke, samt lagerhardhet.
Det er imidlertid avgjørende å forstå at strekk-, kompresjons- og bøyestyrke ikke er direkte relatert til bærestyrke.
I bygging er det viktig å kjenne til bærestyrken til strukturer som vegger og søyler for å sikre at de kan holde belastningene de er ment å støtte.
På samme måte, når man designer et fly, må bærestyrken til flyrammen være i stand til å motstå ulike trykk og krefter som påføres den under start, flyging, klatring, landing og andre operative manøvrer.
Strekkgrense
En annen viktig måte å måle hvor sterkt noe er, er etter flytestyrken.
Det er definert som den maksimale påkjenningen som et fast materiale kan tåle når det deformeres innenfor sin elastiske grense.
Flytegrense er den maksimale spenningen eller belastningen som et fast materiale kan håndtere når det deformeres opp til sin elastiske grense, noe som betyr at det kan gå tilbake til sin opprinnelige form når belastningen fjernes.
Spenningen eller belastningen som er nødvendig for å endre formen på et materiale permanent, kalles dets flytespenning.
Etter dette punktet vil ikke materialet gå tilbake til slik det var.
I duktile materialer er flytegrensen mye lavere enn sluttstyrken, mens i sprø materialer er det ingen flytegrense, og dermed ingen flytegrense.
Ultimativ lagerstyrke
Den ultimate bærestyrken er det største trykket et fast materiale kan tåle før det går i stykker.
Det brukes ofte på samme måte som "ultimate strekkfasthet." Ultimate bærestyrke og ultimate strekkstyrke er begge måter å snakke om hvor mye belastning et fast materiale kan tåle før det går i stykker.
Fra lagertester kan du finne ut lagerets flytespenning og dets ultimate spenning.
Bearing Yield Strength (BYS) er funnet ved å tegne en linje parallelt med den innledende helningen til lagerspenningsdeformasjonskurven ved en offset tøyning på 0,002.
Til syvende og sist er bærestyrke, flytestyrke og endelig bærestyrke alle viktige ideer innen konstruksjon.
Bærestyrke er den største vekten en struktur kan holde før den går i stykker, og flytegrense er den største belastningen et materiale kan tåle før det begynner å endre form permanent.
Ultimate bærestyrke og ultimate strekkstyrke er begge måter å snakke om hvor mye stress et materiale kan tåle før det går i stykker.
Ved å forstå disse ideene kan ingeniører lage strukturer og materialer som er trygge og pålitelige.
Presse grensene: Viktigheten av bærekraft i bygningsdesign
Fortsatt vanskelig å forstå? La meg endre synspunktet litt:
Hvis du vil designe en bygning som ikke faller fra hverandre som et korthus, er nøkkelen å sørge for at den kan holde vekten av alle dine urimelige forventninger, urimelige krav og uunngåelige feil.
For la oss innse det, hvis du ikke presser grensene for bygningens bærekraft, lever du virkelig livet til det fulle?
Ok, det var bare en spøk laget for å se ut som en TV-reklame.
La oss nå gå tilbake til forklaringen.
Faktorer som påvirker bærestyrken
Jordfaktorer
En av de viktigste tingene som påvirker styrken til en struktur er hvor mye vekt den kan holde.
Følgende jordfaktorer påvirker jordbæreevnen:
- Skjærstyrke: Jordskjærstyrke er en måte å måle hvor godt en jord kan motstå krefter som prøver å trekke den fra hverandre.
- Bredde og dybde på fundamentet: Bredden og dybden på et fundament kan ha stor betydning for hvor mye vekt det kan holde.
Generelt kan en foundation holde mer vekt hvis den er bredere og dypere.
- Jordens vekt og eventuell ekstra vekt på toppen av den: Vekten av jorda og eventuell ekstra vekt på toppen av den kan påvirke hvor mye vekt jorda kan holde.
Trykkfasthet av betong
En annen ting som påvirker bærestyrken er hvor sterk betongen er når den komprimeres.
Trykkfastheten til betong etter 28 dager brukes til å designe veggfot, og det er viktig å bruke en betongblanding med riktig styrke for konstruksjonens formål.
Strukturens form og dimensjoner
Styrken til en struktur kan også påvirkes av dens form og størrelse, slik som bredde, lengde og tykkelse.
En konstruksjon med større overflate vil generelt ha høyere bæreevne.
Lastfordeling og type last
Styrken til en struktur kan påvirkes av typen belastning som vil bli påført den.
Styrken til en struktur kan påvirkes av levende laster, dødlaster og vindlaster.
Plassering og orientering av strukturen
Strukturens styrke kan også påvirkes av hvor den er og hvordan den er satt opp.
Jordens evne til å holde vekt kan påvirkes av ting som jordtype og grunnvannsnivå.
Bærestyrken til en struktur kan også påvirkes av været, for eksempel vind, regn og endringer i temperatur.
Internasjonal byggekode
Den internasjonale byggekoden har forslag til hva slags fundament som skal brukes og hvordan det skal bygges.
Blant disse forslagene, men ikke alle, er følgende:
- Naturlig eller komprimert jords kapasitet til å holde vekten.
- Bestemmelser for å redusere effekten av jord som beveger seg mye.
- Frostlinjedybde.
- Minimumsarmering for fundamenter laget av betong.
- Minimumsdybder for trestolper som settes i betongfot.
Lagersikkerhetsfaktor
Lagersikkerhetsfaktoren brukes for å sikre strukturell stabilitet.
Sikkerhetsfaktoren er forholdet mellom den maksimale belastningen som kan påføres et lager og den maksimale belastningen som kan påføres det.
Det antas at feil vil skje når sikkerhetsfaktoren er mindre enn 1.
Du kan finne ut tillatt bæreevne med en ligning som tar hensyn til jordparametre og formen på fundamentet.
Evalueringsstandarder
Kvaliteten på feltrekognosering, jordprøvetaking og skjærprøver kan påvirke nøyaktigheten av stabilitetsberegninger.
For å sikre at sikkerhetsfaktoren er korrekt og pålitelig, er det laget evalueringsstandarder for sikkerhetsfaktoren i fundamentstabilitetsanalyse.
Til syvende og sist er det mange ting som påvirker hvor sterk en søyle, vegg, fot eller ledd er.
Ingeniører må tenke på jorda, betongens trykkfasthet, konstruksjonens form og størrelse, hvordan belastningen fordeles og hva slags belastning det er, hvor og hvordan konstruksjonen er plassert, og hva den internasjonale byggekoden er. Sier.
I tillegg brukes lagersikkerhetsfaktoren for å sikre strukturell stabilitet, og evalueringsstandarder er på plass for å sikre nøyaktige og pålitelige beregninger.
Bestemme bærestyrken til materialer
Faktorer som påvirker bærestyrken
Styrken til en søyle, vegg, fot eller ledd avhenger av en rekke ting, for eksempel jordsmonnet, utformingen av fundamentet, formen og størrelsen på strukturen, hvordan belastningen er fordelt og miljøet.
Jordfaktorer: Jordens bæreevne bestemmes av tre jordfaktorer: skjærstyrke, fundamentbredde og -dybde, samt jordvekt og tillegg.
Når en fot settes oppå jord som ikke henger sammen, avhenger evnen til å holde vekten av hvor bred den er.
Stabilitetsberegninger kan være feil hvis feltrekognosering, jordprøvetaking og skjærprøver ikke er gjort godt.
Fundamentdesign: Den internasjonale byggekoden gir anbefalinger for fundamenttype og designkriterier, inkludert, men ikke begrenset til, bæreevne for naturlig eller komprimert jord, bestemmelser for å dempe effekten av ekspansiv jord, frostlinjedybde, minimumsarmering for betongfot, og minimum innstøpingsdybder for trestolper i betongfot.
Byggets dimensjoner og form: Vegger og søyler bør støttes så nær midten av fotfestene som mulig for å forhindre enveis (bjelke) skjærfeil, som skjer når bjelken brytes i en vinkel på ca. 45 grader mot veggen .
Lastfordeling er måten konstruksjonens laster, slik som levende laster, egenlaster og vindlaster, spres utover.
Miljøfaktorer inkluderer plasseringen og orienteringen til bygningen, samt grunnforholdene og hvor utsatt den er for ting som vind, regn og endringer i temperatur.
Bestemme bærestyrken til materialer
Tre, stål og kobber, for eksempel, har forskjellige bærestyrker som avhenger av deres strekkstyrke, trykkfasthet, hardhet, duktilitet, elastisitet og andre egenskaper som er unike for hvert materiale.
For eksempel avhenger bærestyrken til tre av korn, tetthet og fuktighet, mens bærestyrken til stål avhenger av ting som legeringssammensetning, varmebehandling og fysiske dimensjoner, som ytre diameter, veggtykkelse, og lengde.
Strekkstyrke: Et materiales strekkfasthet er mengden kraft det tar å trekke det fra hverandre til det går i stykker.
Trykkstyrke: For å finne ut et materiales trykkstyrke, måler du hvor mye kraft det tar å knuse det til det går i stykker.
Lagerstyrke for stålrør
Den ytre diameteren, veggtykkelsen og lengden til et stålrør, samt materialegenskapene til stålet, som dets flytegrense og endelige strekkfasthet, bestemmer hvor mye vekt det kan bære.
En kalkulator kan brukes av alle som kjenner belastningskravene til deres applikasjon og om røret skal brukes som en bjelke eller søyle for å finne ut hvilken størrelse rør som trengs.
Stålrørs bærestyrke kan beregnes ved hjelp av matematiske ligninger eller dataprogrammer som tar hensyn til alle disse tingene.
For eksempel kan bæreevnen til et stålrør beregnes ved hjelp av Euler-formelen, som tar hensyn til rørets lengde, lengde uten støtte og treghetsmoment.
Andre ligninger, som AISC-formelen fra American Institute of Steel Construction, kan brukes til å finne ut hvor sterkt et stålrør er under forskjellige belastninger.
Jordtesting for bæreevne
Jordtesting er en viktig måte å finne ut hvor sterkt en bygnings fundament er og hvor mye vekt den kan holde.
Det innebærer å sette prøver av jord gjennom tester i laboratoriet for å finne ut hva deres egenskaper er og bruke andre metoder for å finne ut hvor stabil jorda er.
Laboratorietester for egenskapene til jord:
Jordprøver kan settes gjennom en rekke tester i laboratoriet for å finne ut om deres egenskaper.
Disse testene inkluderer Consolidated Undrained (CU) Test, Unconfined Compression Test, Triaxial Compression Test, Shear Box Test, Vane Test, Consolidation Test, the Swelling and Suction Test, the Permeability Test, and the Chemical Analyses.
Disse testene er nødvendige for å beskrive og klassifisere jorda og for å legge merke til fargen, teksturen og konsistensen til både forstyrrede og uforstyrrede prøver fra stedet.
Måter å finne ut hvor sterk jorda er:
Ulike måter kan brukes for å finne ut jordens bæreevne, som Terzaghi Ultimate Bearing Capacity Theory, som finner ut den ultimate bæreevnen for grunne kontinuerlige fundamenter.
Den bruker en ligning som tar hensyn til jordparametre som kohesjon, effektiv enhetsvekt, fotdybde og fotbredde.
En annen måte å finne ut hvor mye vekt en umettet finkornet jord kan holde, er å bruke skjærstyrken fra ubegrensede kompresjonstester.
Bæreevneligningen (drenert) fungerer kun for grunt underlag som støtter vertikale laster som ikke er eksentriske.
Ved å bruke den ubegrensede trykkstyrken for å estimere bæreevnen:
Ubegrenset trykkstyrke fungerer bare for jord som henger sammen.
Den kan ikke brukes til å finne ut hvor mye vekt en ikke-sammenhengende jord kan holde fordi den trenger et annet sett med parametere.
Jordtesting er en viktig måte å finne ut hvor sterkt en bygnings fundament er og hvor mye vekt den kan holde.
Jordegenskaper blir funnet gjennom laboratorietester, og det er forskjellige måter å finne ut hvor mye vekt en jord kan holde basert på dens egenskaper.
For sammenhengende og ikke-sammenhengende jord er det viktig å bruke de riktige metodene og ta hensyn til ulike jordparametre for hver metode.
Bærestyrke av murverk
Maksimal brukbar belastning for betongmur
Ved den ekstreme kompresjonsfiberen til betongmur er den største belastningen som kan brukes 0,0025.
Forsterket murverk
For armert mur er trykk- og strekkspenninger i armeringen under angitt flytegrense lik armeringens elastisitetsmodul ganger ståltøyningen.
Skjærkapasitet for murverk
Du kan også finne ut den nominelle bærestyrken til murverk ved å se på hvor mye det tåler under belastning.
I en enkel spennbjelke går skjærkapasiteten fra 0 ved støtten til uendelig i midten.
I relevante designkoder og retningslinjer kan du finne formelen for å finne ut skjærkapasitet som funksjon av M/Vd.
Viktige hensyn ved utforming av murverk
Det er viktig å huske at disse beregningene er basert på visse forutsetninger og designkoder.
Når du prosjekterer mur, må du tenke nøye gjennom ting som type belastninger, materialenes egenskaper og hvordan strukturen er satt opp.
Før du gjør noen beregninger eller tar designbeslutninger om murkonstruksjoner, er det best å sjekke de relevante designkodene og retningslinjene.
Effekter av høy temperatur på stål
Stål brukes ofte i bygg og ingeniørfag, men når det blir for varmt, mister det evnen til å holde vekten.
Omtrent 425°C er den høyeste temperaturen over hvilken stål begynner å miste sin evne til å holde vekten.
Mellom 600°C og 650°C vil stålet miste halvparten av sin styrke, og avhengig av hvor mye vekt det bærer, kan det gå i stykker.
Rundt 500°C mister styrken til varmvalset konstruksjonsstål mye av sin bæreevne ved romtemperatur.
Ved 1100°F (593,33°C) har stålet fortsatt omtrent 50 % av sin styrke.
Når stålet smelter ved omtrent 2700°F (1482,22°C), gir det opp all sin styrke.
Mesteparten av tiden, når du designer, antas det at all kapasitet går tapt ved omtrent 2200 °F (1204,44 °C).
Effekt av brann på konstruksjonsstål
I BS EN 10025 klasse S275 stål kan en varmvalset stålseksjon av klasse S275 som har vært i brann og blitt varmere enn 600°C miste noen av egenskapene etter at den er avkjølt.
Uansett hvor varmt bålet er, vil romtemperaturens flytespenning eller utskifting ikke være nødvendig hvis medlemmet oppfyller alle de andre tekniske kravene, som å være rett.
Når konstruksjonsstål av klasse S355 varmes opp til over 600°C i en brann, reduseres også gjenværende flytegrense og strekkfasthet.
Boltskjærstyrke - Beregninger for lager-, rive- og skjærbelastningskapasitet
Tips: Slå på bildetekstknappen hvis du trenger det. Velg "automatisk oversettelse" i innstillingsknappen hvis du ikke er kjent med talespråket. Du må kanskje klikke på språket til videoen først før favorittspråket ditt blir tilgjengelig for oversettelse.
Bruk av bærekraft
Bygging av bygninger:
Bygninger og strukturer av alle slag må være sterke nok til å holde vekten.
Den forteller hvor mye vekt en søyle, vegg, fot eller ledd kan holde før den går i stykker.
Ingeniører bruker beregninger kalt "bærestyrke" for å sikre at bygningen kan holde sin egen vekt så vel som den ekstra vekten som kommer fra mennesker, utstyr og miljø.
Brodesign:
Broer må bygges slik at de kan håndtere tunge belastninger som biler, vind og jordskjelv.
Bærestyrken til fundamentet og støttestrukturene, som brygger og distanser, er en nøkkelfaktor for å finne ut hvor mye vekt de kan holde.
Ingeniører bruker også bærestyrke for å finne ut hvor mye vekt en bjelke, drager eller kabel kan holde.
Matematisk ingeniørfag:
I maskinteknikk er lagerstyrke veldig viktig fordi den brukes til å finne ut hvor mye vekt gir, lagre og aksler kan holde.
Ingeniører bruker beregninger av bærestyrke for å sikre at delene kan håndtere kreftene og påkjenningene fra applikasjonen, for eksempel i tungt maskineri, kjøretøy og fly.
Flyvirksomhet:
Bærestyrke er også viktig i romfartsindustrien, der den brukes til å finne ut hvor mye vekt deler som vinger, flykropper og landingsutstyr kan holde.
Ingeniører bruker beregninger kalt "bærestyrke" for å sikre at flyet kan håndtere kreftene og påkjenningene som følger med å fly, som turbulens, start og landing.
Offshore bygninger:
Når du designer og bygger strukturer som oljerigger, vindturbiner og plattformer som er ute på havet, er bærestyrken en viktig faktor.
Disse bygningene må være i stand til å tåle røft vær, som sterk vind, bølger og strøm.
Bærestyrke brukes til å finne ut hvor mye vekt fundamentet og støttekonstruksjonene kan holde, samt hvor mye vekt utstyret og maskineriet maksimalt kan holde.
Gruvevirksomheten:
I gruveindustrien er bærestyrken veldig viktig fordi den brukes til å finne ut hvor mye vekt som kan legges på underjordiske støttekonstruksjoner som søyler og bjelker.
Ingeniører bruker beregninger kalt "bærestyrke" for å sikre at konstruksjonene kan håndtere vekten av fjellet over, samt kreftene og spenningene forårsaket av gruveprosessen, som sprengning og boring.
Konklusjon
Når vi er ferdige med å snakke om bærestyrke, er det viktig å huske at denne ideen er viktig ikke bare i ingeniørfag, men i livet generelt.
Akkurat som en bygning trenger en sterk base for å stå høyt, trenger vi en sterk base for å møte livets utfordringer.
Vi trenger å være forankret i vår tro, verdier og prinsipper for å stå opp mot de tingene som prøver å slå oss ned.
Bygninger er ikke det eneste som trenger å være sterke. Livet vårt må også være sterkt.
Vi må finne ut hvor mye vekt vi kan bære, finne riktig hjelp og sørge for at vi har en sterk base å stå på.
Så før du forlater denne artikkelen, bruk et minutt til å tenke på hvor sterk du er.
Hva bygger du huset ditt på? Hvor mye kan du bære? Og hvordan kan du sørge for at du har den hjelpen du trenger for å møte livets utfordringer? Husk at et godt designet liv kan vare like lenge som et godt designet bygg.
Så gå ut og bygg et liv som kan støtte drømmene dine.
Lenker og referanser
ACI 318-14 bygningskodekrav for strukturbetong og kommentarer
Kapittel 3: Designbelastninger for boligbygg
Anbefalte minimumskrav for murkonstruksjon
Dele på…
