Zrozumienie Obciążenia Osiowego W Inżynierii

Jako student inżynierii lub inżynier wiesz, jak ważne jest, aby konstrukcje były w stanie wytrzymać różne rodzaje obciążeń.

Ale czy kiedykolwiek zastanawiałeś się nad wyjątkowymi problemami związanymi z obciążeniem osiowym? W przeciwieństwie do siły ścinającej, skręcającej i zginającej, obciążenie osiowe przykłada siłę bezpośrednio wzdłuż osi konstrukcji.

Oznacza to, że podczas projektowania, budowania i konserwacji konstrukcji należy wziąć pod uwagę zupełnie nowy zestaw rzeczy.

W tym artykule szczegółowo omówię obciążenie osiowe i omówię wszystko, co musisz wiedzieć, aby zbudować konstrukcje, które wytrzymają tę ważną siłę.

Więc zapnij pasy i zaczynajmy!

Wprowadzenie do obciążenia osiowego

Formalna definicja:

Siła, której wypadkowa przechodzi przez środek ciężkości danego przekroju i jest prostopadła do płaszczyzny przekroju.

Obciążenie osiowe to rodzaj obciążenia, które wywiera nacisk na element konstrukcyjny wzdłuż jego osi.

W przeciwieństwie do siły ścinającej, obciążenia skręcającego i obciążenia zginającego, obciążenie osiowe powoduje większe naprężenie ściskające niż siła rozciągająca lub ścinająca.

Siła ścinająca, obciążenie skręcające i obciążenie zginające: różnice

Siła ścinająca powoduje rozłożenie naprężeń wzdłuż płaszczyzny obiektu, podczas gdy obciążenie skręcające powoduje rozłożenie naprężeń wokół podłużnej osi obiektu.

Gdy ładunek jest zginany, powstaje naprężenie normalne i poprzeczne naprężenie ścinające.

Naprężenie normalne obejmuje zarówno naprężenie osiowe, jak i poprzeczne, podczas gdy naprężenie ścinające poprzeczne obejmuje zarówno naprężenie ścinające skrętne, jak i poprzeczne.

Znaczenie obciążenia osiowego

Obciążenia osiowe są ważne, ponieważ mogą zmienić zarówno strukturę implantu, jak i otaczającej go kości.

W inżynierii obciążenie osiowe jest bardzo ważną częścią konstrukcji słupów, belek i kratownic.

W biomechanice obciążenia osiowe mogą zmieniać sposób poruszania się kości, co może powodować między innymi złamania lub wymiany stawów.

Z tego powodu zarówno w inżynierii, jak i medycynie ważne jest zrozumienie, jak działa obciążenie osiowe.

Różnica między obciążeniem osiowym a obciążeniem poprzecznym

Wskazówka: włącz przycisk napisów, jeśli go potrzebujesz. Wybierz „automatyczne tłumaczenie” w przycisku ustawień, jeśli nie znasz języka angielskiego. Może być konieczne kliknięcie najpierw języka filmu, zanim Twój ulubiony język będzie dostępny do tłumaczenia.

Elementy konstrukcyjne i obciążenia osiowe

Kratownice i kolumny to dwa popularne typy elementów konstrukcyjnych, które są najczęściej przeznaczone do przenoszenia obciążeń osiowych.

Kratownice: charakterystyka i zastosowania

Kratownice to elementy konstrukcyjne, które są przeznaczone do przenoszenia sił osiowych w swoich elementach.

Siłami tymi mogą być rozciąganie, ściskanie lub odwracalne rozciąganie/ściskanie, w zależności od najgorszych obciążeń i kombinacji obciążeń.

Członkowie kratownicy zużywają mniej materiału, aby utrzymać tę samą wagę.

Dzięki temu doskonale nadają się do mostów lub dachów, które muszą być mocne, ale niezbyt ciężkie.

Ale elementy kratownicy mogą się swobodnie poruszać i mogą przenosić obciążenia tylko w jednym kierunku.

Oznacza to, że nie są wystarczająco mocne, aby wytrzymać obciążenia poruszające się na boki lub wyginające się.

Kolumny: charakterystyka i zastosowania

Słupy to pionowe części stalowych ram budowlanych, które podtrzymują dźwigary stropowe lub stropy poddane dużym osiowym obciążeniom ściskającym.

Są one w większości wykonane tak, aby były odporne na ściskające obciążenia osiowe, ale w zależności od tego, jak są ustawione i jak są wykonane, mogą również wytrzymać siły zginające i ścinające.

Kolumny mogą być okrągłe, kwadratowe lub prostokątne i mogą być wykonane między innymi z betonu, stali lub drewna.

Członkowie ramy: charakterystyka i zastosowania

W zależności od tego, jak są ustawione i wykonane, belki i słupy mogą przenosić zarówno obciążenia poprzeczne, jak i osiowe na swojej długości.

Są często używane do podtrzymywania podłóg, dachów i ścian w projektach budowlanych i konstrukcyjnych.

Jednak w przeciwieństwie do elementów kratownicy, elementy ramy nie muszą przenosić wyłącznie obciążeń osiowych; mogą również przenosić obciążenia poprzeczne.

Określanie maksymalnego obciążenia osiowego

Podczas budowania konstrukcji ważne jest, aby wiedzieć, jakie obciążenie osiowe może wytrzymać dany element lub konstrukcja.

Obliczanie maksymalnego obciążenia osiowego dla słupów

Aby dowiedzieć się, jakie obciążenie osiowe może wytrzymać kolumna, możesz obliczyć jej KL/r, a następnie sprawdzić wartość cFcr w tabeli.

Naprężenie w przekroju słupa można znaleźć za pomocą równania AP=f, gdzie zakłada się, że f jest takie samo w całym przekroju.

Wiadomo, że wyboczenie jest stanem granicznym zniszczenia słupów, a równanie podaje krytyczne obciążenie wyboczeniowe Pcr dla słupów (3.1).

Jednak aby w pełni obliczyć krytyczne obciążenie wyboczeniowe dla danego słupa, potrzeba więcej równań i metod, a projekt musi uwzględniać zakończenie słupa i właściwości materiału.

Przybliżona maksymalna nośność

Wykonanie konstrukcji stalowej i przyjrzenie się współczynnikowi interakcji to dobry sposób na uzyskanie przybliżonego obrazu największego ciężaru, jaki może udźwignąć członek.

Współczynnik interakcji to stosunek największego ciężaru, jaki członek może udźwignąć, do ciężaru, jaki faktycznie niesie.

Odwrotność tego stosunku mówi, o ile więcej ciężaru może udźwignąć każdy członek, zanim się złamie.

Należy pamiętać, że ta metoda daje jedynie oszacowanie.

Rzeczywiste maksymalne obciążenie, jakie może przenosić pręt, może być mniejsze lub większe od wartości obliczonej.

Projektowanie dla maksymalnego obciążenia osiowego

Podczas projektowania konstrukcji wymiary elementów konstrukcyjnych są z grubsza oparte na rysunkach architektonicznych i innych odpowiednich dokumentach, a ich waga jest ustalana na podstawie informacji z większości norm i innej literatury inżynierii lądowej.

Ale konstrukcje muszą być budowane tak, aby wytrzymać obciążenie krytyczne, które jest największym obciążeniem, jakie może na nie oddziaływać.

Odbywa się to poprzez zsumowanie wszystkich obciążeń, jakie konstrukcja może przenosić przez cały okres użytkowania.

Obejmuje to zarówno obciążenia użytkowe, jak i stałe, a także obciążenia powodowane przez wiatr, trzęsienia ziemi i inne możliwe obciążenia.

Obciążenie krytyczne w długich smukłych kolumnach

Obciążenie krytyczne to największy ciężar osiowy, jaki kolumna może utrzymać, zanim zacznie się zginać.

Wzór Eulera: obliczanie obciążenia krytycznego

Do wyznaczenia obciążenia krytycznego można użyć wzoru Eulera: Pcr = (2EI)/(KL)2, gdzie Pcr to obciążenie krytyczne Eulera, E to moduł sprężystości Younga, I to minimalny drugi moment pola przekroju słupa (powierzchniowy moment bezwładności), K jest efektywnym współczynnikiem długości słupa, a L jest niepodpartą długością słupa.

Znaczenie obciążenia krytycznego

Obciążenie krytyczne jest ważne dla ustalenia, jak długie, cienkie kolumny reagują na osiową siłę ściskającą, ponieważ nie zależy ono od wytrzymałości materiału.

Oznacza to, że podczas budowania cienkich konstrukcji, które mogą się wyginać, inżynierowie muszą zwracać szczególną uwagę na współczynnik smukłości, czyli długość kolumny podzieloną przez jej najmniejszy promień bezwładności.

Wysoki współczynnik smukłości oznacza, że ​​małe obciążenia ściskające z większym prawdopodobieństwem spowodują pęknięcie konstrukcji.

Wyboczenie ma miejsce, gdy prosta kolumna, która jest ściskana wzdłuż swojej długości, nagle się wygina. Jest to stan graniczny awarii dla kolumn.

Czujniki obciążenia osiowego i ich zastosowania

Ogniwa obciążnikowe, które mierzą siłę wzdłuż jednej osi, nazywane są ogniwami obciążnikowymi osiowymi.

Zasada działania czujników obciążenia osiowego

Ogniwa obciążnikowe działają na zasadzie zamiany siły, która jest do nich przyłożona, na sygnał elektryczny, który można odczytać i zapisać.

Używają tensometrów do pomiaru, jak bardzo obciążenie osiowe zmienia kształt czegoś.

Gdy na ogniwo obciążnikowe działa siła wzdłuż jego osi, tensometry wyginają się, co zmienia ich rezystancję.

Zmiana rezystancji jest następnie przekształcana w sygnał elektryczny, który można zmierzyć.

Zastosowania czujników obciążenia osiowego

Czujniki wagowe montowane osiowo są stosowane w wielu dziedzinach, takich jak lotnictwo, motoryzacja i produkcja.

Niektóre typowe sposoby wykorzystania czujników obciążenia osiowego to:

• Pomiar siły działającej na elementy konstrukcyjne budynków i mostów, takie jak belki i kolumny, podczas ich budowy lub użytkowania.
• Testowanie wykorzystuje, na przykład ustalenie, ile siły potrzeba, aby coś ścisnąć lub rozciągnąć, lub ile siły potrzeba, aby coś złamać lub zdeformować.
• Pilnowanie takich rzeczy, jak prasy hydrauliczne, dźwigi i windy, aby upewnić się, że działają one bezpiecznie.
• Więcej podam na dole tego artykułu.

Inne aspekty obciążenia osiowego

Osiowe obciążenie wiatrem

Osiowe obciążenie wiatrem to siła, z jaką przepływ wiatru oddziałuje na budynek.

W przeszłości siły wiatru, zwłaszcza na obszarach przybrzeżnych, spowodowały zawalenie się wielu budynków.

Inżynierowie budowlani stosują zmodyfikowane równanie 2.2 ASCE 7-16, które uwzględnia wysokość konstrukcji nad poziomem gruntu oraz jej znaczenie dla życia ludzi i mienia, aby obliczyć prędkość i ciśnienie wiatru na różnych wysokościach nad poziomem gruntu.

Inżynierowie budowlani używają formuły, która uwzględnia takie rzeczy, jak przewidywany obszar, ciśnienie wiatru, współczynnik oporu powietrza, współczynnik ekspozycji, współczynnik reakcji na podmuch i współczynnik ważności, aby obliczyć osiowe obciążenie wiatrem.

Jeden wzór to F = A x P x Cd, gdzie F to siła lub obciążenie wiatrem, A to rzutowana powierzchnia obiektu, P to ciśnienie wiatru, a Cd to współczynnik oporu powietrza.

Siła zmęczenia

Obliczenia wytrzymałości zmęczeniowej konstrukcji pod obciążeniem osiowym i zginającym można dokonać metodami analitycznymi opartymi na stosunku wytrzymałości zmęczeniowej dla obciążenia osiowego i zginającego.

W tych metodach wytrzymałość zmęczeniowa pod obrotowym obciążeniem zginającym jest zamieniana na wytrzymałość zmęczeniową pod obciążeniem osiowym.

Aby dowiedzieć się, jak działa model analityczny, można również przeprowadzić wysokocyklowe testy zmęczeniowe w obu warunkach obciążenia.

Modele naprężeń płaskich można również wykorzystać do określenia, jak długo wytrzyma materiał, gdy jest używany na jego powierzchni, gdzie jedno z głównych naprężeń zwykle wynosi zero.

Wreszcie, krzywe SN można wykorzystać do znalezienia maksymalnego dopuszczalnego naprężenia w N cyklach i współczynnika redukcji wytrzymałości zmęczeniowej kf.

Łożyska kulkowe i maksymalne obciążenie osiowe

Łożyska kulkowe poprzeczne z elementem ustalającym (lub koszykiem) są w większości przystosowane do przenoszenia obciążeń promieniowych, ale mogą również przenosić obciążenia osiowe.

Wielkość obciążenia osiowego, jakie można przyłożyć do łożyska, zależy od jego rozmiaru i jest zwykle podawana jako procent nośności promieniowej łożyska.

Gdy różnica między średnicą otworu a średnicą pierścienia zewnętrznego jest duża, łożysko może przenosić obciążenia osiowe do 50% promieniowego obciążenia statycznego.

Bieżnie w łożyskach cienkościennych są płytsze, przez co są mniej zdolne do przenoszenia obciążeń osiowych.

Łożysko skośne powinno być stosowane, jeśli łożysko musi przenosić duże obciążenie osiowe.

Są one wykonane wewnątrz inaczej niż łożyska kulkowe zwykłe, dzięki czemu mogą przenosić większe obciążenia osiowe.

Maksymalne obciążenie osiowe łożysk kulkowych o określonej średnicy wewnętrznej zależy od kilku czynników, takich jak rozmiar łożyska, głębokość bieżni łożyska oraz to, czy łożysko jest narażone na duże obciążenia promieniowe lub chwilowe.

Wielkość obciążenia osiowego, które można przyłożyć do łożyska, jest często podawana jako przybliżona nośność promieniowa łożyska.

SKF zapewnia minimalne obciążenia osiowe i promieniowe dla pojedynczych łożysk i par łożysk zestawionych w układzie tandemowym lub w konfiguracjach typu „osie do siebie”/„twarzą w twarz”.

Największe obciążenie, jakie można nałożyć na łożyska kulkowe, zależy od tego, jak są one wykonane od wewnątrz.

Obciążenia osiowe w konstrukcjach

Gdy siła jest przykładana do konstrukcji bezpośrednio wzdłuż osi konstrukcji, nazywa się to obciążeniem osiowym.

Gdy występuje obciążenie punktowe, naprężenie w pobliżu punktu obciążenia jest znacznie większe niż naprężenie średnie.

Powoduje to bardzo skomplikowane odkształcenia, ponieważ stany naprężeń są bardzo skomplikowane.

Naprężenie normalne i naprężenie ścinające to oba sposoby pomiaru średniego naprężenia w przekroju poprzecznym.

Bez względu na to, gdzie spojrzysz wzdłuż przekroju, wielkość naprężeń jest taka sama.

Obciążenie punktowe to siła z zewnątrz, która jest skoncentrowana na małym obszarze.

Przypadków użycia

Oto kilka sposobów wykorzystania obciążenia osiowego:

Stosuje się w:	Opis:
Projekt kolumny	Słupy są doskonałym przykładem elementu konstrukcyjnego, który jest przeznaczony do przenoszenia obciążeń osiowych. Na przykład w budynkach słupy podtrzymują ciężar stropów i dachu powyżej, co powoduje osiowe obciążenie ściskające, któremu słup musi się oprzeć. Obciążenie osiowe jest ważną rzeczą do rozważenia podczas projektowania kolumn, aby upewnić się, że nie ulegną one zgięciu ani złamaniu pod działaniem siły.
Mosty	Podczas projektowania mostów bardzo ważną rzeczą do rozważenia jest również obciążenie osiowe. Osiowe obciążenia ściskające są spowodowane ciężarem mostu i przewożonych przez niego pojazdów. Most musi być w stanie wytrzymać te obciążenia. Na mosty mogą również wpływać czynniki takie jak wiatr, trzęsienia ziemi i ruch uliczny, z których wszystkie mogą powodować momenty zginające i siły ścinające. Aby tworzyć bezpieczne i użyteczne mosty, ważne jest, aby wiedzieć, w jaki sposób te obciążenia oddziałują na siebie.
Projekt wieży	Wysokie osiowe obciążenia ściskające są przykładane do wież, takich jak wieże transmisyjne, wieże komórkowe i turbiny wiatrowe. Tworząc te konstrukcje, musisz pomyśleć między innymi o sposobie ich obciążenia, materiałach oraz wysokości i szerokości wież. Aby mieć pewność, że konstrukcje te są bezpieczne i trwałe, należy wiedzieć, jak działają na nie obciążenia osiowe.
Produkcja i testowanie	Obciążenie osiowe jest również ważnym pojęciem w produkcji i testowaniu, gdzie materiały i produkty muszą być w stanie wytrzymać określone obciążenia bez pękania lub deformacji. Dzięki narzędziom do testowania, takim jak czujniki obciążenia osiowego, można dowiedzieć się, jakie obciążenie osiowe może przyjąć materiał lub produkt, zanim ulegnie zniszczeniu.
Zastosowania lotnicze	Obciążenia osiowe mogą być bardzo ważne przy projektowaniu rakiet, pocisków i innych pojazdów do użytku w kosmosie. Obciążenia osiowe mogą być spowodowane masą pojazdu, jego prędkością lub wibracjami. Aby tworzyć bezpieczne i efektywne systemy, ważne jest, aby wiedzieć, w jaki sposób obciążenia osiowe wpływają na elementy konstrukcyjne pojazdu.

Wniosek

Jak widzieliśmy w tym artykule, obciążenie osiowe jest kluczowym elementem projektowania i budowania konstrukcji, które mogą wytrzymać działające na nie siły.

Pracując z tą ważną siłą, należy przemyśleć wiele rzeczy, od zrozumienia unikalnych wyzwań związanych z długimi, cienkimi kolumnami po dodanie czujników obciążenia osiowego do zestawu narzędzi inżynierskich.

Ale obciążenie osiowe jest również przypomnieniem, że inżynieria jest skomplikowaną dziedziną, która ciągle się zmienia.

W miarę przesuwania granic tego, co jest możliwe, nieuchronnie staniemy w obliczu nowych problemów, które będą wymagały od nas kreatywnego myślenia i wspólnej pracy nad rozwiązaniem.

Tak więc następnym razem, gdy będziesz pracować z obciążeniem osiowym, zachowaj otwarty umysł i bądź gotowy do nauki.

Kto wie, jakie nowe rzeczy czekają za następnym rogiem?