Înțelegerea Sarcinii Axiale În Inginerie

Ca student la inginerie sau inginer, știi cât de important este ca structurile să poată face față diferitelor tipuri de sarcini.

Dar te-ai gândit vreodată la problemele unice pe care le prezintă sarcina axială? Spre deosebire de forța de forfecare, sarcina de torsiune și sarcina de încovoiere, sarcina axială aplică forța direct de-a lungul axei unei structuri.

Aceasta înseamnă că la proiectarea, construirea și întreținerea structurilor, trebuie luate în considerare un set complet nou de lucruri.

În acest articol, voi intra în detaliu despre sarcina axială și voi acoperi tot ce trebuie să știți pentru a construi structuri care pot face față acestei forțe importante.

Așa că pune-ți centura și hai să începem!.

Introducere în sarcina axială

Definiție formală:

O forță cu rezultanta ei care trece prin centroidul unei anumite secțiuni și este perpendiculară pe planul secțiunii.

Sarcina axială este un tip de sarcină care exercită presiune asupra unui element structural de-a lungul axei sale.

Spre deosebire de forța de forfecare, sarcina de torsiune și sarcina de încovoiere, sarcina axială creează mai multă tensiune de compresiune decât forța de tensiune sau forfecare.

Forța de forfecare, sarcina de torsiune și sarcina de încovoiere: diferențe

Forța de forfecare face ca stresul să fie împrăștiat de-a lungul planului unui obiect, în timp ce sarcina de torsiune face ca stresul să fie împrăștiat în jurul axei longitudinale a obiectului.

Când o sarcină este îndoită, se creează tensiuni normale și forfecare transversală.

Efortul normal include atât efortul axial, cât și cel transversal, în timp ce efortul de forfecare transversală include atât efortul de forfecare de torsiune, cât și cel transversal.

Importanța sarcinii axiale

Sarcinile axiale sunt importante deoarece pot modifica atât structura implantului, cât și osul din jurul acestuia.

În inginerie, sarcina axială este o parte foarte importantă a modului în care sunt realizate stâlpii, grinzile și fermele.

În biomecanică, sarcinile axiale pot modifica modul în care se mișcă oasele, ceea ce poate provoca fracturi sau înlocuiri articulare, printre alte leziuni.

Din acest motiv, este important atât în ​​inginerie, cât și în medicină să înțelegem cum funcționează sarcina axială.

Diferența dintre încărcarea axială și încărcarea transversală

Sfat: activați butonul de subtitrare dacă aveți nevoie de el. Alegeți „traducere automată” în butonul de setări, dacă nu sunteți familiarizat cu limba engleză. Poate fi necesar să faceți mai întâi clic pe limba videoclipului înainte ca limba preferată să devină disponibilă pentru traducere.

Elemente structurale și sarcini axiale

Fermele și stâlpii sunt două tipuri obișnuite de elemente structurale care sunt realizate în principal pentru a suporta sarcini axiale.

Ferpile: Caracteristici și Aplicații

Fermele sunt elemente structurale care sunt făcute pentru a transporta forțe axiale în elementele lor.

Aceste forțe pot fi tensiune, compresie sau tensiune/compresie reversibilă, în funcție de sarcinile și combinațiile de încărcare din cel mai rău caz.

Elementele truss folosesc mai puțin material pentru a susține aceeași greutate.

Acest lucru le face grozave pentru poduri sau acoperișuri care trebuie să fie puternice, dar nu prea grele.

Dar membrii sârfii sunt liberi să se miște și pot transporta încărcături doar într-o singură direcție.

Aceasta înseamnă că nu sunt suficient de puternice pentru a rezista la sarcini care se mișcă dintr-o parte în alta sau se îndoaie.

Coloane: Caracteristici și Aplicații

Stâlpii sunt părțile verticale ale cadrelor din oțel ale clădirii care susțin grinzile de podea sau planșeele care sunt supuse la sarcini mari de compresiune axială.

Ele sunt fabricate în principal pentru a rezista la sarcini axiale compresive, dar în funcție de modul în care sunt instalate și de modul în care sunt fabricate, pot rezista și forțelor de încovoiere și forfecare.

Coloanele pot fi rotunde, pătrate sau dreptunghiulare și pot fi făcute, printre altele, din beton, oțel sau lemn.

Membrii cadru: Caracteristici și aplicații

În funcție de modul în care sunt instalate și realizate, grinzile și stâlpii pot suporta sarcini atât transversale, cât și axiale pe lungimea lor.

Ele sunt adesea folosite pentru a susține podele, acoperișuri și pereți în proiecte de construcții și construcții.

Dar, spre deosebire de elementele ferme, elementele de cadru nu trebuie să suporte doar sarcini axiale; pot suporta si sarcini transversale.

Determinarea sarcinii axiale maxime

Când construiți o structură, este important să știți câtă sarcină axială poate suporta un anumit element sau structură.

Calculul sarcinii axiale maxime pentru stâlpi

Pentru a afla cât de multă sarcină axială poate suporta o coloană, vă puteți da seama de KL/r și apoi căutați valoarea cFcr într-un tabel.

Tensiunea în secțiunea transversală a stâlpului poate fi găsită utilizând ecuația AP=f, unde f se presupune că este același pe toată secțiunea transversală.

Flambajul este cunoscut a fi o stare limită de eroare pentru stâlpi, iar ecuația oferă sarcina critică de flambaj Pcr pentru stâlpi (3.1).

Dar pentru a afla pe deplin sarcina critică de flambaj pentru o anumită coloană, aveți nevoie de mai multe ecuații și metode, iar proiectarea trebuie să țină cont de modul în care se termină coloana și de proprietățile materialului.

Capacitatea maximă de încărcare aproximată

Efectuarea unui design din oțel și analiza raportului de interacțiune este o modalitate bună de a vă face o idee aproximativă despre greutatea maximă pe care o poate suporta un membru.

Raportul de interacțiune este raportul dintre cea mai mare greutate pe care o poate suporta un membru și greutatea pe care o suportă de fapt.

Reciproca acelui raport vă spune cât de mult mai multă greutate poate suporta fiecare membru înainte de a se rupe.

Este important de reținut că această metodă oferă doar o estimare.

Sarcina maximă reală pe care o poate suporta un membru poate fi mai mică sau mai mare decât valoarea calculată.

Proiectare pentru sarcina axială maximă

La proiectarea structurilor, membrii sunt dimensionați aproximativ pe baza desenelor de arhitectură și a altor documente relevante, iar greutățile lor sunt calculate folosind informații din majoritatea codurilor și din alte literaturi de inginerie civilă.

Dar structurile trebuie construite pentru a face față sarcinii critice, care este cea mai mare sarcină care ar putea acționa asupra lor.

Acest lucru se realizează prin însumarea tuturor sarcinilor pe care o structură le-ar putea suporta pe durata de viață.

Aceasta include atât sarcinile active, cât și sarcinile moarte, precum și sarcinile cauzate de vânt, cutremure și alte sarcini posibile.

Sarcină critică în coloane lungi și subțiri

Sarcina critică este greutatea cea mai axială pe care o poate suporta o coloană înainte de a începe să se îndoaie.

Formula lui Euler: Calcularea sarcinii critice

Formula lui Euler poate fi folosită pentru a găsi sarcina critică: Pcr = (2EI)/(KL)2, unde Pcr este sarcina critică a lui Euler, E este modulul de elasticitate al lui Young, I este al doilea moment minim al ariei secțiunii transversale a lui stâlpul (momentul de inerție al suprafeței), K este factorul de lungime efectivă a coloanei și L este lungimea nesusținută a stâlpului.

Semnificația sarcinii critice

Sarcina critică este importantă pentru a afla cât de lungi reacționează coloanele subțiri la forța de compresie axială, deoarece nu depinde de cât de puternic este materialul.

Aceasta înseamnă că atunci când construiesc structuri subțiri care s-ar putea îndoi, inginerii trebuie să acorde o atenție sporită raportului de zveltețe, care este lungimea coloanei împărțită la cea mai mică rază de rotație a acesteia.

Un raport de zveltență ridicat înseamnă că sarcinile mici de compresie sunt mai probabil să provoace ruperea structurii.

Flambarea are loc atunci când o coloană dreaptă care este comprimată pe lungimea sa se îndoaie brusc. Aceasta este o stare limită de eșec pentru coloane.

Celule de sarcină axială și aplicațiile lor

Celulele de sarcină care măsoară forța de-a lungul unei singure axe se numesc celule de sarcină axiale.

Principiul de funcționare al celulelor de sarcină axială

Celulele de sarcină axiale funcționează transformând forța care le este aplicată într-un semnal electric care poate fi citit și notat.

Ei folosesc extensometre pentru a măsura cât de multă încărcare axială modifică forma unui ceva.

Când o forță este aplicată asupra celulei de sarcină de-a lungul axei acesteia, extensometrele se îndoaie, ceea ce le modifică rezistența.

Schimbarea rezistenței este apoi transformată într-un semnal electric care poate fi măsurat.

Aplicații ale celulelor de sarcină axială

Celulele de sarcină montate axial sunt utilizate în multe domenii, cum ar fi industria aerospațială, auto și producție.

Câteva modalități comune în care sunt utilizate celulele de sarcină axială sunt:

• Măsurarea forței asupra părților structurale ale clădirilor și podurilor, cum ar fi grinzile și stâlpii, în timp ce acestea sunt construite sau utilizate.
• Testarea folosește, cum ar fi a afla cât de multă forță este necesară pentru a strânge sau întinde ceva sau câtă forță este necesară pentru a rupe sau deforma ceva.
• Urmăriți lucruri precum prese hidraulice, macarale și ascensoare pentru a vă asigura că funcționează în siguranță.
• Voi enumera mai multe în partea de jos a acestui articol.

Alte aspecte ale sarcinii axiale

Sarcina axială de vânt

Sarcina axială a vântului este forța pe care fluxul vântului o are asupra unei clădiri.

În trecut, forțele vântului, în special în zonele de coastă, au făcut ca multe clădiri să cadă.

Inginerii civili folosesc ecuația 2.2 modificată ASCE 7-16, care ia în considerare înălțimea structurii deasupra nivelului solului și cât de importantă este pentru viața și proprietatea oamenilor, pentru a afla viteza și presiunea vântului la diferite înălțimi deasupra nivelului solului.

Inginerii civili folosesc o formulă care ia în considerare lucruri precum suprafața proiectată, presiunea vântului, coeficientul de rezistență, coeficientul de expunere, factorul de răspuns la rafală și factorul de importanță pentru a determina sarcina axială a vântului.

O formulă este F = A x P x Cd, unde F este forța sau sarcina vântului, A este aria proiectată a obiectului, P este presiunea vântului și Cd este coeficientul de rezistență.

Forța la oboseală

Calcularea rezistenței la oboseală a unei structuri sub sarcini axiale și la încovoiere se poate face folosind metode analitice bazate pe raportul rezistențelor la oboseală pentru încărcarea axială și la încovoiere.

În aceste metode, rezistența la oboseală sub sarcină rotativă la încovoiere este schimbată în rezistența la oboseală sub sarcină axială.

Pentru a afla cum funcționează un model analitic, se pot face și teste de oboseală cu ciclu înalt în ambele condiții de încărcare.

De asemenea, modelele de tensiuni plane pot fi folosite pentru a afla cât va dura un material atunci când este utilizat pe suprafața sa, unde una dintre tensiunile principale este de obicei zero.

În cele din urmă, curbele SN pot fi utilizate pentru a găsi solicitarea maximă admisă la N cicluri și un factor de reducere a rezistenței la oboseală kf.

Rulmenți cu bile și sarcină axială maximă

Rulmenții radiali cu bile cu dispozitiv de reținere (sau cușcă) sunt fabricați în principal pentru a face față sarcinilor radiale, dar pot face față și sarcinilor axiale.

Cantitatea de sarcină axială care poate fi aplicată unui rulment depinde de dimensiunea acestuia și este de obicei dată ca procent din valoarea nominală a sarcinii radiale a rulmentului.

Când diferența dintre diametrul alezajului și diametrul inelului exterior este mare, rulmentul poate suporta sarcini axiale care reprezintă până la 50% din sarcina statică radială.

Căile de rulare din rulmenții cu secțiune subțire sunt mai puțin adânci, ceea ce îi face mai puțin capabili să suporte sarcinile axiale.

Un rulment cu contact unghiular trebuie utilizat dacă rulmentul trebuie să suporte o sarcină axială mare.

Aceștia sunt fabricați în interior diferit față de rulmenții adânci cu bile, astfel încât să poată face față sarcinilor axiale mai mari.

Sarcina axială maximă pentru rulmenții cu bile cu un anumit diametru interior depinde de mai multe lucruri, cum ar fi dimensiunea rulmentului, adâncimea căii de rulare a rulmentului și dacă este sau nu supus la sarcini radiale sau de moment mari.

Cantitatea de sarcină axială care poate fi aplicată unui rulment este adesea dată ca o aproximare a capacității de sarcină radială a rulmentului.

SKF oferă sarcini axiale și radiale minime pentru rulmenți unici și perechi de rulmenți configurați în tandem sau în configurații spate în spate/față în față.

Cel mai mare stres care poate fi pus pe rulmenții cu bile depinde de modul în care sunt fabricați în interior.

Încărcare axială în structuri

Când o forță este aplicată asupra unei structuri direct de-a lungul unei axe a structurii, aceasta se numește încărcare axială.

Când există o sarcină punctuală, tensiunea în apropierea punctului de încărcare este mult mai mare decât tensiunea medie.

Acest lucru determină deformații foarte complicate deoarece stările de solicitare sunt foarte complicate.

Tensiunea normală și efortul de forfecare sunt ambele modalități de măsurare a tensiunii medii pe o secțiune transversală.

Indiferent unde te uiți de-a lungul secțiunii transversale, cantitatea de stres este aceeași.

O sarcină punctuală este o forță din exterior care este concentrată într-o zonă mică.

Cazuri de utilizare

Iată câteva moduri în care ar putea fi utilizată sarcina axială:

Folosit in:	Descriere:
Proiectarea unei coloane	Coloanele sunt un exemplu excelent de element structural care este realizat pentru a suporta sarcini axiale. De exemplu, în clădiri, coloanele susțin greutatea podelelor și a acoperișului de deasupra, ceea ce creează o sarcină axială de compresiune la care coloana trebuie să reziste. Sarcina axială este un lucru important la care trebuie să vă gândiți atunci când proiectați coloane pentru a vă asigura că nu se vor îndoi sau nu se vor rupe sub forță.
Poduri	Atunci când proiectați poduri, încărcarea axială este, de asemenea, un lucru foarte important la care să vă gândiți. Sarcinile axiale compresive sunt cauzate de greutatea podului și a vehiculelor pe care le transportă. Podul trebuie să poată rezista la aceste sarcini. Podurile pot fi, de asemenea, afectate de lucruri precum vântul, cutremurele și traficul, toate acestea putând cauza momente de încovoiere și forțe de forfecare. Pentru a realiza poduri sigure și utile, este important să știți cum interacționează aceste sarcini între ele.
Design turn	Sarcinile axiale de compresiune mari sunt aplicate turnurilor cum ar fi turnurile de transmisie, turnurile de celule și turbinele eoliene. Când realizați aceste structuri, trebuie să vă gândiți la modul în care vor fi încărcate, materialele și înălțimea și lățimea turnurilor, printre altele. Pentru a vă asigura că aceste structuri sunt sigure și durează mult timp, trebuie să știți cum le afectează sarcinile axiale.
Fabricare și testare	Sarcina axială este, de asemenea, un concept important în producție și testare, unde materialele și produsele trebuie să poată rezista la anumite sarcini fără a se rupe sau deforma. Cu instrumente de testare precum celulele de sarcină axială, puteți afla cât de multă sarcină axială poate suporta un material sau un produs înainte de a se rupe.
Aplicații aerospațiale	Sarcinile axiale pot fi foarte importante atunci când se proiectează rachete, rachete și alte vehicule pentru utilizare în spațiu. Sarcinile axiale pot fi cauzate de greutatea vehiculului, viteza acestuia sau vibrații. Pentru a realiza sisteme sigure și eficiente, este important să știți cum afectează sarcinile axiale părțile structurale ale unui vehicul.

Concluzie

După cum am văzut în acest articol, sarcina axială este o parte cheie a proiectării și construirii structurilor care pot face față forțelor care le sunt aplicate.

Când lucrați cu această forță importantă, există o mulțime de lucruri la care să vă gândiți, de la înțelegerea provocărilor unice ale coloanelor lungi și subțiri până la adăugarea celulelor de sarcină axiale la setul dvs. De instrumente de inginerie.

Dar sarcina axială este, de asemenea, un memento că ingineria este un domeniu complicat care se schimbă mereu.

Pe măsură ce continuăm să depășim limitele a ceea ce este posibil, ne vom confrunta inevitabil cu noi probleme care ne vor cere să gândim creativ și să lucrăm împreună pentru a le rezolva.

Deci, data viitoare când lucrați cu sarcină axială, păstrați o minte deschisă și fiți gata să învățați.

Cine știe ce lucruri noi sunt după colțul următor?