Forstå Aksiallast I Ingeniørfag

Som ingeniørstudent eller ingeniør vet du hvor viktig det er for konstruksjoner å kunne håndtere ulike typer belastninger.

Men har du noen gang tenkt på de unike problemene som aksial belastning gir? I motsetning til skjærkraft, torsjonsbelastning og bøyelast, påfører aksiallast kraft direkte langs aksen til en struktur.

Dette betyr at når du designer, bygger og vedlikeholder strukturer, må et helt nytt sett med ting tas i betraktning.

I denne artikkelen vil jeg gå i detalj om aksial belastning og dekke alt du trenger å vite for å bygge strukturer som kan håndtere denne viktige kraften.

Så fest deg, og la oss komme i gang!.

Introduksjon til aksial belastning

Formell definisjon:

En kraft med dens resulterende som går gjennom tyngdepunktet til en bestemt seksjon og er vinkelrett på seksjonens plan.

Aksiallast er en type last som legger press på et konstruksjonselement langs sin akse.

I motsetning til skjærkraft, torsjonsbelastning og bøyelast, skaper aksial belastning mer trykkspenning enn strekk eller skjærkraft.

Skjærkraft, torsjonsbelastning og bøyelast: forskjeller

Skjærkraft gjør at spenningen spres utover objektets plan, mens torsjonsbelastning gjør at spenningen spres rundt objektets lengdeakse.

Når en last bøyes, skaper den normal spenning og tverrskjærspenning.

Normalspenning inkluderer både aksial- og tverrspenning, mens tverrskjærspenning inkluderer både torsjons- og tverrskjærspenning.

Viktigheten av aksial belastning

Aksiale belastninger er viktige fordi de kan endre både strukturen til implantatet og beinet rundt det.

I ingeniørfag er aksiallast en svært viktig del av hvordan søyler, bjelker og takstoler lages.

I biomekanikk kan aksiale belastninger endre hvordan bein beveger seg, noe som kan forårsake brudd eller leddutskiftninger, blant andre skader.

På grunn av dette er det viktig i både ingeniørfag og medisin å forstå hvordan aksial belastning fungerer.

Forskjellen mellom aksial belastning og tverrgående belastning

Tips: Slå på bildetekstknappen hvis du trenger det. Velg "automatisk oversettelse" i innstillingsknappen hvis du ikke er kjent med det engelske språket. Du må kanskje klikke på språket til videoen først før favorittspråket ditt blir tilgjengelig for oversettelse.

Strukturelle elementer og aksiale belastninger

Takstoler og søyler er to vanlige typer konstruksjonselementer som for det meste er laget for å bære aksiale belastninger.

Takstoler: Egenskaper og bruksområder

Takstoler er konstruksjonselementer som er laget for å bære aksiale krefter i elementene.

Disse kreftene kan være strekk, kompresjon eller reversibel strekk/kompresjon, avhengig av de verste belastningene og lastkombinasjonene.

Fagverksmedlemmer bruker mindre materiale for å bære den samme vekten.

Dette gjør dem ypperlige for broer eller tak som må være sterke, men ikke for tunge.

Men fagverksmedlemmer kan bevege seg fritt og kan bare bære last i én retning.

Dette betyr at de ikke er sterke nok til å holde mot laster som beveger seg side til side eller bøyer seg.

Kolonner: Egenskaper og bruksområder

Søyler er de vertikale delene av bygningsrammer av stål som holder opp gulvdragere eller gulv som er utsatt for store aksiale trykkbelastninger.

De er for det meste laget for å motstå aksiale trykkbelastninger, men avhengig av hvordan de er satt opp og hvordan de er laget, kan de også motstå bøye- og skjærkrefter.

Søyler kan være runde, firkantede eller rektangulære, og de kan være laget av blant annet betong, stål eller tre.

Rammemedlemmer: Egenskaper og bruksområder

Avhengig av hvordan de er satt opp og laget, kan bjelker og søyler bære både tverrgående og aksiale laster langs lengden.

De brukes ofte til å holde opp gulv, tak og vegger i bygge- og anleggsprosjekter.

Men, i motsetning til fagverkselementer, trenger ikke rammeelementer kun å støtte aksiale belastninger; de kan også støtte tverrgående belastninger.

Bestemme maksimal aksiallast

Når du bygger en konstruksjon, er det viktig å vite hvor mye aksial belastning et bestemt element eller konstruksjon tåler.

Beregning av maksimal aksiallast for kolonner

For å finne ut hvor mye aksial belastning en søyle kan håndtere, kan du finne ut dens KL/r og deretter slå opp verdien av cFcr i en tabell.

Spenningen i søylens tverrsnitt kan finnes ved å bruke ligningen AP=f, hvor f antas å være lik over hele tverrsnittet.

Knekking er kjent for å være en bruddgrensetilstand for søyler, og ligning gir den kritiske knekklasten Pcr for søyler (3.1).

Men for å fullt ut finne ut den kritiske knekklasten for en gitt søyle, trenger du flere ligninger og metoder, og designet må ta hensyn til hvordan søylen ender og egenskapene til materialet.

Tilnærmet maksimal lastekapasitet

Å lage et ståldesign og se på interaksjonsforholdet er en god måte å få en grov ide om den mest vekten et medlem kan bære.

Interaksjonsforholdet er forholdet mellom den mest vekten et medlem kan bære og hvor mye vekt den faktisk bærer.

Den gjensidige av dette forholdet forteller deg hvor mye mer vekt hvert medlem kan bære før det går i stykker.

Det er viktig å huske at denne metoden kun gir et estimat.

Den faktiske maksimale lasten som et medlem kan bære kan være lavere eller høyere enn den beregnede verdien.

Design for maksimal aksial belastning

Ved utforming av strukturer dimensjoneres medlemmene omtrent basert på arkitektoniske tegninger og andre relevante dokumenter, og vekten deres beregnes ved hjelp av informasjon fra de fleste koder og annen sivilingeniørlitteratur.

Men konstruksjoner må bygges for å håndtere den kritiske belastningen, som er den største belastningen som kan virke på dem.

Dette gjøres ved å legge sammen alle belastningene som en konstruksjon kan bære i løpet av sin levetid.

Dette inkluderer både levende last og dødlast, samt laster forårsaket av vind, jordskjelv og andre mulige laster.

Kritisk belastning i lange slanke kolonner

Den kritiske lasten er den mest aksiale vekten en søyle kan holde før den begynner å bøye seg.

Eulers formel: Beregning av kritisk belastning

Eulers formel kan brukes for å finne den kritiske lasten: Pcr = (2EI)/(KL)2, hvor Pcr er Eulers kritiske last, E er Youngs elastisitetsmodul, I er minimum andre arealmoment av tverrsnittet av kolonnen (treghetsmoment), K er den effektive lengdefaktoren for kolonnen, og L er den ustøttede lengden til kolonnen.

Betydningen av kritisk belastning

Den kritiske belastningen er viktig for å finne ut hvor lange, tynne søyler som reagerer på aksial trykkkraft fordi den ikke er avhengig av hvor sterkt materialet er.

Dette betyr at når man bygger tynne strukturer som kan bøye seg, må ingeniører være ekstra oppmerksomme på slankhetsforholdet, som er lengden på søylen delt på dens minste svingningsradius.

Et høyt slankhetsforhold betyr at små kompresjonsbelastninger er mer sannsynlig å føre til at strukturen går i stykker.

Knekking skjer når en rett søyle som blir komprimert langs lengden, plutselig bøyer seg. Dette er en feilgrensetilstand for kolonner.

Aksiale lastceller og deres applikasjoner

Lasteceller som måler kraft langs en enkelt akse kalles aksiale lastceller.

Arbeidsprinsipp for aksiale lastceller

Aksiale lastceller fungerer ved å gjøre kraften som påføres dem til et elektrisk signal som kan leses og skrives ned.

De bruker strekkmålere for å måle hvor mye aksial belastning endrer formen til noe.

Når en kraft påføres lastcellen langs dens akse, bøyer strekkmålerne seg, noe som endrer motstanden deres.

Endringen i motstand blir deretter omgjort til et elektrisk signal som kan måles.

Anvendelser av aksiale lastceller

Aksialt monterte lastceller brukes i mange felt, som romfart, bilindustri og produksjon.

Noen vanlige måter å bruke aksiale lastceller på er:

• Måling av kraften på strukturelle deler av bygninger og broer, som bjelker og søyler, mens de bygges eller brukes.
• Testing bruker, som å finne ut hvor mye kraft som trengs for å klemme eller strekke noe, eller hvor mye kraft som trengs for å bryte eller deformere noe.
• Holde et øye med ting som hydrauliske presser, kraner og heiser for å sikre at de fungerer trygt.
• Jeg vil liste mer nederst i denne artikkelen.

Andre aspekter ved aksial belastning

Aksial vindbelastning

Aksial vindlast er kraften vindstrømmen har på en bygning.

Tidligere har vindstyrker, spesielt i kystnære områder, fått mange bygninger til å falle ned.

Sivilingeniører bruker ASCE 7-16 modifisert ligning 2.2, som tar hensyn til konstruksjonens høyde over bakkenivå og hvor viktig det er for menneskers liv og eiendom, for å finne ut vindhastighet og trykk i ulike høyder over bakkenivå.

Sivilingeniører bruker en formel som tar hensyn til ting som det projiserte området, vindtrykk, luftmotstandskoeffisient, eksponeringskoeffisient, vindkastresponsfaktor og viktighetsfaktor for å finne ut aksial vindbelastning.

En formel er F = A x P x Cd, hvor F er kraften eller vindlasten, A er det projiserte området til objektet, P er vindtrykket og Cd er motstandskoeffisienten.

Utmattelsesstyrke

Beregning av en konstruksjons utmattingsstyrke under aksial- og bøyelaster kan gjøres ved hjelp av analytiske metoder basert på forholdet mellom utmattingsstyrkene for aksial- og bøyebelastning.

I disse metodene endres utmattingsstyrken under roterende bøyelast til utmattingsstyrken under aksial belastning.

For å finne ut hvordan en analytisk modell fungerer, kan høysyklus tretthetstester også gjøres under begge belastningsforholdene.

Planspenningsmodeller kan også brukes til å finne ut hvor lenge et materiale vil vare når det brukes på overflaten, der en av hovedspenningene vanligvis er null.

Til slutt kan SN-kurver brukes til å finne den maksimalt tillatte spenningen ved N sykluser og en reduksjonsfaktor for utmattingsstyrke kf.

Kulelager og maksimal aksialbelastning

Radialkulelager med holder (eller bur) er for det meste laget for å håndtere radielle belastninger, men de kan også håndtere aksiale belastninger.

Mengden aksial belastning som kan påføres et lager avhenger av dets størrelse og er vanligvis gitt som en prosentandel av lagerets radielle belastning.

Når forskjellen mellom diameteren på boringen og diameteren på den ytre ringen er stor, kan lageret ta aksiale belastninger som er opptil 50 % av den radielle statiske belastningen.

Løpebanene i tynnseksjonslagere er grunnere, noe som gjør dem mindre i stand til å håndtere aksialbelastninger.

Et vinkelkontaktlager bør brukes hvis lageret må håndtere en stor aksial belastning.

Disse er laget annerledes på innsiden enn dype sporkulelagre, slik at de tåler høyere aksialbelastninger.

Den maksimale aksiale belastningen for kulelager med en viss innvendig diameter avhenger av flere ting, som størrelsen på lageret, dybden på lagerbanen, og hvorvidt den utsettes for store radielle eller momentbelastninger.

Mengden aksial belastning som kan påføres et lager er ofte gitt som en tilnærming av lagerets radielle belastningsgrad.

SKF gir minimale aksiale og radielle belastninger for enkeltlagre og lagerpar satt opp i tandem eller rygg-mot-rygg/flate-til-ansikt-konfigurasjoner.

Den største belastningen som kan påføres kulelager avhenger av hvordan de er laget på innsiden.

Aksial belastning i strukturer

Når en kraft påføres en struktur direkte langs en akse av strukturen, kalles dette aksial belastning.

Når det er en punktbelastning, er spenningen nær belastningspunktet mye høyere enn den gjennomsnittlige spenningen.

Dette gir svært kompliserte deformasjoner fordi spenningstilstandene er svært kompliserte.

Normalspenning og skjærspenning er begge måter å måle gjennomsnittsspenningen over et tverrsnitt.

Uansett hvor langs tverrsnittet du ser, er mengden stress den samme.

En punktlast er en kraft utenfra som er konsentrert i et lite område.

Brukssaker

Her er noen måter aksial belastning kan brukes på:

Brukt i:	Beskrivelse:
Design av en kolonne	Søyler er et godt eksempel på et konstruksjonselement som er laget for å støtte aksiale belastninger. For eksempel i bygninger bærer søyler vekten av gulvene og taket over, noe som skaper en aksial trykkbelastning som søylen må motstå. Aksiallast er en viktig ting å tenke på når du designer søyler for å sikre at de ikke vil bøye eller knekke under kraften.
Broer	Ved utforming av broer er aksiallast også en svært viktig ting å tenke på. Aksiale trykkbelastninger er forårsaket av vekten av broen og kjøretøyene den bærer. Brua skal kunne tåle disse belastningene. Broer kan også bli påvirket av ting som vind, jordskjelv og trafikk, som alle kan forårsake bøyemomenter og skjærkrefter. For å lage trygge og nyttige broer er det viktig å vite hvordan disse lastene samhandler med hverandre.
Tårndesign	Høye aksiale belastninger settes på tårn som overføringstårn, celletårn og vindturbiner. Når du lager disse strukturene, må du blant annet tenke på hvordan de skal belastes, materialene og høyden og bredden på tårnene. For å sikre at disse strukturene er trygge og varer lenge, må du vite hvordan aksiale belastninger påvirker dem.
Produksjon og testing	Aksiallast er også et viktig begrep i produksjon og testing, hvor materialer og produkter skal kunne tåle visse belastninger uten å knekke eller deformeres. Med testverktøy som aksiale belastningsceller kan du finne ut hvor mye aksial belastning et materiale eller produkt kan tåle før det går i stykker.
Luftfartsapplikasjoner	Aksiale laster kan være svært viktige når man designer raketter, missiler og andre kjøretøy for bruk i verdensrommet. Aksialbelastninger kan være forårsaket av kjøretøyets vekt, hastighet eller vibrasjoner. For å lage sikre og effektive systemer er det viktig å vite hvordan aksiallaster påvirker konstruksjonsdelene til et kjøretøy.

Konklusjon

Som vi har sett i denne artikkelen, er aksiallast en sentral del av å designe og bygge strukturer som tåler kreftene som blir påført dem.

Når du jobber med denne viktige kraften, er det mange ting å tenke på, fra å forstå de unike utfordringene med lange, tynne søyler til å legge til aksiale belastningsceller til ingeniørverktøysettet ditt.

Men aksial belastning er også en påminnelse om at engineering er et komplisert felt som alltid er i endring.

Når vi fortsetter å presse grensene for hva som er mulig, vil vi uunngåelig møte nye problemer som vil kreve at vi tenker kreativt og jobber sammen for å løse.

Så, neste gang du jobber med aksial belastning, hold et åpent sinn og vær klar til å lære.

Hvem vet hvilke nye ting som er rundt neste hjørne?