Будучи студентом инженерного факультета или инженером, вы знаете, насколько важно, чтобы конструкции могли выдерживать различные виды нагрузок.
Но задумывались ли вы когда-нибудь об уникальных проблемах, связанных с осевой нагрузкой? В отличие от поперечной силы, скручивающей нагрузки и изгибающей нагрузки, осевая нагрузка действует непосредственно вдоль оси конструкции.
Это означает, что при проектировании, строительстве и обслуживании сооружений необходимо учитывать совершенно новый набор вещей.
В этой статье я подробно расскажу об осевой нагрузке и расскажу обо всем, что вам нужно знать, чтобы построить конструкции, способные выдержать эту важную силу.
Так что пристегнитесь, и давайте начнем!.
Введение в осевую нагрузку
Формальное определение:
Cила, равнодействующая которой проходит через центр тяжести определенного сечения и перпендикулярна плоскости сечения.
Осевая нагрузка — это тип нагрузки, которая оказывает давление на элемент конструкции вдоль его оси.
В отличие от силы сдвига, нагрузки кручения и нагрузки на изгиб, осевая нагрузка создает большее сжимающее напряжение, чем сила растяжения или сдвига.
Cила сдвига, нагрузка на кручение и нагрузка на изгиб: различия
Cила сдвига заставляет напряжение распространяться вдоль плоскости объекта, в то время как скручивающая нагрузка вызывает распространение напряжения вокруг продольной оси объекта.
Когда нагрузка изгибается, она создает нормальное напряжение и напряжение поперечного сдвига.
Нормальное напряжение включает как осевое, так и поперечное напряжение, а поперечное напряжение сдвига включает как напряжение кручения, так и напряжение поперечного сдвига.
Важность осевой нагрузки
Осевые нагрузки важны, потому что они могут изменить как структуру имплантата, так и кости вокруг него.
В машиностроении осевая нагрузка является очень важной частью изготовления колонн, балок и ферм.
В биомеханике осевые нагрузки могут изменить движение костей, что может привести к переломам или замене суставов, среди прочих травм.
Из-за этого как в технике, так и в медицине важно понимать, как работает осевая нагрузка.
Разница между осевой нагрузкой и поперечной нагрузкой
Cовет: включите кнопку подписи, если она вам нужна. Выберите «автоматический перевод» в кнопке настроек, если вы не знакомы с английским языком. Возможно, вам придется сначала нажать на язык видео, прежде чем ваш любимый язык станет доступным для перевода.
Элементы конструкции и осевые нагрузки
Фермы и колонны — это два распространенных типа конструктивных элементов, которые в основном предназначены для восприятия осевых нагрузок.
Фермы: характеристики и применение
Фермы - это элементы конструкции, которые воспринимают осевые усилия в своих элементах.
Этими силами могут быть растяжение, сжатие или обратимое растяжение/сжатие, в зависимости от наихудших нагрузок и комбинаций нагрузок.
Элементы фермы используют меньше материала для поддержки того же веса.
Это делает их отличными для мостов или крыш, которые должны быть прочными, но не слишком тяжелыми.
Но элементы фермы могут свободно перемещаться и нести нагрузку только в одном направлении.
Это означает, что они недостаточно прочны, чтобы выдерживать нагрузки, которые перемещаются из стороны в сторону или изгибаются.
Cтолбцы: характеристики и приложения
Колонны представляют собой вертикальные части стальных каркасов зданий, удерживающие балки перекрытий или перекрытия, которые подвергаются большим осевым сжимающим нагрузкам.
В основном они предназначены для сопротивления сжимающим осевым нагрузкам, но в зависимости от того, как они установлены и изготавливаются, они также могут противостоять изгибающим и сдвиговым усилиям.
Колонны могут быть круглыми, квадратными или прямоугольными, и они могут быть изготовлены из бетона, стали или дерева, среди прочего.
Элементы рамы: характеристики и применение
В зависимости от того, как они установлены и изготовлены, балки и колонны могут воспринимать как поперечные, так и осевые нагрузки по своей длине.
Они часто используются для поддержки полов, крыш и стен в строительных проектах.
Но, в отличие от элементов фермы, элементы рамы не должны воспринимать только осевые нагрузки; они также могут выдерживать поперечные нагрузки.
Определение максимальной осевой нагрузки
При строительстве конструкции важно знать, какую осевую нагрузку может выдержать определенный элемент или конструкция.
Расчет максимальной осевой нагрузки для колонн
Чтобы узнать, какую осевую нагрузку может выдержать колонна, можно вычислить ее KL/r, а затем найти значение cFcr в таблице.
Напряжение в поперечном сечении колонны можно найти с помощью уравнения AP=f, где предполагается, что f одинаково во всем поперечном сечении.
Изгиб известен как предельное состояние отказа для колонн, и уравнение дает критическую нагрузку потери устойчивости Pcr для колонн (3.1).
Но чтобы полностью вычислить критическую нагрузку потери устойчивости для данной колонны, вам нужно больше уравнений и методов, а при проектировании необходимо учитывать, как заканчивается колонна, и свойства материала.
Приблизительная максимальная грузоподъемность
Выполнение стальной конструкции и рассмотрение коэффициента взаимодействия — хороший способ получить приблизительное представление о максимальном весе, который может нести член.
Коэффициент взаимодействия — это отношение между максимальным весом, который член может нести, и тем, какой вес он фактически несет.
Обратная величина этого отношения говорит вам, насколько больше веса может нести каждый элемент, прежде чем он сломается.
Важно помнить, что этот метод дает только оценку.
Фактическая максимальная нагрузка, которую может нести элемент, может быть ниже или выше расчетного значения.
Проектирование для максимальной осевой нагрузки
При проектировании конструкций размеры элементов приблизительно определяются на основе архитектурных чертежей и других соответствующих документов, а их вес рассчитывается с использованием информации из большинства норм и другой литературы по строительству.
Но конструкции должны быть построены так, чтобы выдерживать критическую нагрузку, которая является самой большой нагрузкой, которая может на них воздействовать.
Это делается путем суммирования всех нагрузок, которые конструкция может нести в течение своего срока службы.
Cюда входят как временные, так и постоянные нагрузки, а также нагрузки, вызванные ветром, землетрясениями и другими возможными нагрузками.
Критическая нагрузка в длинных тонких колоннах
Критическая нагрузка — это максимальный осевой вес, который может выдержать колонна до того, как она начнет изгибаться.
Формула Эйлера: расчет критической нагрузки
Для нахождения критической нагрузки можно использовать формулу Эйлера: Pcr = (2EI)/(KL)2, где Pcr — критическая нагрузка Эйлера, E — модуль упругости Юнга, I — минимальный секундный момент площади поперечного сечения колонна (площадной момент инерции), K - коэффициент эффективной длины колонны, а L - длина колонны без опоры.
Значение критической нагрузки
Критическая нагрузка важна для определения того, насколько длинные тонкие колонны реагируют на осевую сжимающую силу, поскольку она не зависит от прочности материала.
Это означает, что при строительстве тонких конструкций, которые могут изгибаться, инженеры должны уделять особое внимание коэффициенту гибкости, который представляет собой длину колонны, деленную на ее наименьший радиус вращения.
Высокий коэффициент гибкости означает, что небольшие нагрузки на сжатие с большей вероятностью могут привести к разрушению конструкции.
Изгиб происходит, когда сжатая по длине прямая колонна внезапно изгибается. Это предельное состояние отказа для столбцов.
Датчики осевой нагрузки и их применение
Тензодатчики, которые измеряют силу вдоль одной оси, называются осевыми тензодатчиками.
Принцип работы датчиков осевой нагрузки
Датчики осевой нагрузки работают, превращая прилагаемую к ним силу в электрический сигнал, который можно считывать и записывать.
Они используют тензометрические датчики, чтобы измерить, насколько осевая нагрузка изменяет форму чего-либо.
Когда к тензодатчику прикладывается сила вдоль его оси, тензорезисторы изгибаются, что изменяет их сопротивление.
Затем изменение сопротивления преобразуется в электрический сигнал, который можно измерить.
Применение датчиков осевой нагрузки
Тензодатчики с осевым креплением используются во многих областях, таких как аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение и производство.
Некоторые распространенные способы использования датчиков осевой нагрузки:
- Измерение силы на структурных частях зданий и мостов, таких как балки и колонны, во время их строительства или использования.
- Тестирование используется, например, для определения того, какая сила необходима, чтобы что-то сжать или растянуть, или какая сила необходима, чтобы что-то сломать или деформировать.
- Cледите за такими вещами, как гидравлические прессы, краны и подъемники, чтобы убедиться, что они работают безопасно.
- Я перечислю больше в нижней части этой статьи.
Другие аспекты осевой нагрузки
Осевая ветровая нагрузка
Осевая ветровая нагрузка – это сила, с которой поток ветра действует на здание.
В прошлом ветры, особенно в прибрежных районах, приводили к обрушению многих зданий.
Инженеры-строители используют модифицированное уравнение 2.2 ASCE 7-16, которое учитывает высоту конструкции над уровнем земли и то, насколько это важно для жизни и имущества людей, чтобы определить скорость и давление ветра на разных высотах над уровнем земли.
Инженеры-строители используют формулу, которая учитывает такие параметры, как проектируемая площадь, давление ветра, коэффициент лобового сопротивления, коэффициент воздействия, коэффициент реакции на порывы ветра и фактор важности для определения осевой ветровой нагрузки.
Одна из формул: F = A x P x Cd, где F — сила или ветровая нагрузка, A — площадь проекции объекта, P — давление ветра, а Cd — коэффициент аэродинамического сопротивления.
Предел выносливости
Расчет усталостной прочности конструкции при осевых и изгибающих нагрузках может быть выполнен с использованием аналитических методов, основанных на соотношении усталостных пределов прочности при осевых и изгибных нагрузках.
В этих методах усталостная прочность при вращательном изгибе заменяется усталостной прочностью при осевой нагрузке.
Чтобы выяснить, как работает аналитическая модель, можно провести многоцикловые испытания на усталость в обоих условиях нагружения.
Кроме того, модели плоских напряжений можно использовать, чтобы выяснить, как долго прослужит материал при использовании на его поверхности, где одно из основных напряжений обычно равно нулю.
Наконец, кривые SN можно использовать для определения максимально допустимого напряжения за N циклов и коэффициента снижения усталостной прочности kf.
Шариковые подшипники и максимальная осевая нагрузка
Радиальные шарикоподшипники с фиксатором (или сепаратором) в основном предназначены для восприятия радиальных нагрузок, но они также могут выдерживать осевые нагрузки.
Величина осевой нагрузки, которая может быть возложена на подшипник, зависит от его размера и обычно указывается в процентах от номинальной радиальной нагрузки подшипника.
Когда разница между диаметром отверстия и диаметром наружного кольца велика, подшипник может воспринимать осевые нагрузки, составляющие до 50% радиальной статической нагрузки.
Дорожки качения в тонкостенных подшипниках более мелкие, что делает их менее способными выдерживать осевые нагрузки.
Радиально-упорный подшипник следует использовать, если подшипник должен выдерживать большую осевую нагрузку.
Внутренняя часть этих подшипников отличается от конструкции радиальных шарикоподшипников, поэтому они могут выдерживать более высокие осевые нагрузки.
Максимальная осевая нагрузка для шарикоподшипников с определенным внутренним диаметром зависит от нескольких факторов, таких как размер подшипника, глубина дорожки качения подшипника, а также от того, подвергается ли он большим радиальным или моментным нагрузкам.
Величина осевой нагрузки, которая может быть возложена на подшипник, часто дается как приблизительное значение номинальной радиальной нагрузки подшипника.
SKF обеспечивает минимальные осевые и радиальные нагрузки для одиночных подшипников и пар подшипников, установленных тандемно или по схеме «спина к спине» или «лицом к лицу».
Наибольшая нагрузка, которая может быть возложена на шарикоподшипники, зависит от того, как они сделаны внутри.
Осевая нагрузка в конструкциях
Когда сила прикладывается к конструкции непосредственно вдоль оси конструкции, это называется осевой нагрузкой.
При точечной нагрузке напряжение вблизи точки нагрузки намного выше, чем среднее напряжение.
Это вызывает очень сложные деформации, потому что напряженное состояние очень сложное.
Нормальное напряжение и касательное напряжение — оба способа измерения среднего напряжения в поперечном сечении.
Куда бы вы ни посмотрели на поперечном сечении, величина напряжения одинакова.
Точечная нагрузка – это сила извне, сосредоточенная на небольшой площади.
Cлучаи использования
Вот несколько способов использования осевой нагрузки:
| Используется в: | Описание: |
|---|---|
| Дизайн колонны | Колонны — отличный пример конструктивного элемента, предназначенного для поддержки осевых нагрузок. Например, в зданиях колонны несут вес перекрытий и крыши над ними, что создает сжимающую осевую нагрузку, которой колонна должна противостоять. Осевая нагрузка — важная вещь, о которой следует помнить при проектировании колонн, чтобы убедиться, что они не согнутся и не сломаются под действием силы. |
| Мосты | При проектировании мостов очень важно учитывать осевую нагрузку. Cжимающие осевые нагрузки вызваны весом моста и транспортных средств, которые он перевозит. Мост должен выдерживать эти нагрузки. На мосты также могут влиять такие вещи, как ветер, землетрясения и дорожное движение, которые могут вызывать изгибающие моменты и силы сдвига. Чтобы сделать безопасные и полезные мосты, важно знать, как эти нагрузки взаимодействуют друг с другом. |
| Башня Дизайн | Высокие сжимающие осевые нагрузки возлагаются на опоры, такие как опоры электропередач, опоры сотовой связи и ветряные турбины. При изготовлении этих конструкций вы должны думать о том, как они будут нагружены, о материалах, а также о высоте и ширине башен, среди прочего. Чтобы убедиться, что эти конструкции безопасны и прослужат долго, необходимо знать, как на них влияют осевые нагрузки. |
| Производство и испытания | Осевая нагрузка также является важной концепцией в производстве и испытаниях, где материалы и изделия должны выдерживать определенные нагрузки без разрушения или деформации. C помощью инструментов для испытаний, таких как датчики осевой нагрузки, вы можете узнать, какую осевую нагрузку может выдержать материал или изделие, прежде чем оно сломается. |
| Аэрокосмические приложения | Осевые нагрузки могут быть очень важны при проектировании ракет, реактивных снарядов и других транспортных средств для использования в космосе. Осевые нагрузки могут быть вызваны весом автомобиля, его скоростью или вибрациями. Для создания безопасных и эффективных систем важно знать, как осевые нагрузки влияют на конструктивные элементы автомобиля. |
Заключение
Как мы видели в этой статье, осевая нагрузка является ключевой частью проектирования и строительства конструкций, способных противостоять воздействующим на них силам.
Работая с этой важной силой, нужно подумать о многих вещах, от понимания уникальных проблем, связанных с длинными тонкими колоннами, до добавления датчиков осевой нагрузки в ваш инженерный инструментарий.
Но осевая нагрузка также является напоминанием о том, что машиностроение — сложная область, которая постоянно меняется.
Продолжая расширять границы возможного, мы неизбежно столкнемся с новыми проблемами, решение которых потребует от нас творческого мышления и совместной работы.
Итак, в следующий раз, когда вы будете работать с осевой нагрузкой, будьте непредвзяты и готовы учиться.
Кто знает, какие новые вещи ждут нас за следующим углом?
Поделись…
