Cтроительная инженерия во многом изменила мой мир: от строительства высоких небоскребов до строительства мостов, пересекающих целые реки.
Простая балочная колонна - одна из самых важных частей многих из этих зданий.
Эта часть конструкции одновременно подвергается как осевой нагрузке, так и изгибающим моментам, вызванным боковыми силами или эксцентриситетом продольной нагрузки.
Многие современные инженерные чудеса были бы невозможны без балочных колонн.
В этой статье я рассмотрю балочные колонны и расскажу о том, что они из себя представляют, как они работают и почему они важны.
Этот пост предназначен для всех, независимо от того, являетесь ли вы новым студентом инженерного факультета или опытным инженером, который хочет узнать что-то новое.
Итак, приступим и узнаем, что такое балочные колонны и для чего они нужны.
Введение
Формальное определение:
Элемент конструкции одновременно подвергается осевой нагрузке и изгибающим моментам, создаваемым боковыми силами или эксцентриситетом продольной нагрузки.
Балочная колонна является важной частью конструкции, которая используется для поддержки зданий, мостов и других сооружений.
В этой статье мы рассмотрим различные способы использования балочных колонн в инженерных и строительных проектах.
Что такое колонная балка?
Балочная колонна — это элемент конструкции, который выдерживает нагрузки на своей длинной оси.
Eго можно назвать сжимающим элементом, что означает, что при сжатии на него приходится большая часть веса.
Балочная колонна может выдерживать вес балок, стен, перекрытий и других конструкций.
Типы балочных колонн
В технике используется множество различных видов балочных колонн.
Колонны из прокатных стальных балок являются распространенным типом колонн, используемых в стальных конструкциях.
Он изготавливается путем прокатки стальных пластин в форму, которая может выдерживать нагрузки, когда они прижаты друг к другу.
- Железобетонная балочная колонна: этот тип балочной колонны изготовлен из бетона и усилен стальными стержнями.
Он используется для строительства из железобетона и является отличным способом перемещения тяжелых вещей.
- Колонна с деревянными балками: этот тип балочных колонн изготавливается из дерева и часто используется в жилищном строительстве.
- Композитная балочная колонна: этот тип балочной колонны изготавливается путем объединения двух или более материалов, таких как сталь и бетон, для создания более прочной и долговечной конструкции.
Зачем соглашаться на меньшее, если балочная колонна дает вам все?
Все еще трудно понять? Немного изменю точку зрения:
Вам надоели скучные, прямые лучи, которые могут делать только одну вещь за раз? Не смотрите никуда, кроме балочной колонны! Зачем использовать простую одномерную балку, если можно использовать элемент, который делает все?
Да, колонна-балка является лидером в области проектирования конструкций, потому что она может легко выдерживать как осевые нагрузки, так и изгибающие моменты.
Так зачем выбирать только один вид нагрузки, когда можно иметь их все? C универсальной балочной колонной вы можете принять необычную продольную нагрузку и добавить в свою жизнь некоторую боковую силу.
Хорошо, это была просто шутка, сделанная, чтобы выглядеть как телевизионная реклама.
Теперь вернемся к объяснению.
Материалы, используемые в балках-колоннах
Балки-колонны могут быть изготовлены, среди прочего, из камня, дерева, бетона или стали.
Однако в современном строительстве часто используются Н-образные стальные колонны, потому что они прочные и жесткие.
Более длинные стороны полки Н-образной колонны толще, чем средняя часть стенки, что делает ее более способной противостоять силам сжатия.
Cовременные здания также часто поддерживаются балочно-колонными системами из железобетона.
Определение и различия
Определение балки и колонны
Балка — это часть здания, которая сопротивляется нагрузкам за счет изгиба.
Обычно он плоский и приподнят на концах или по всей длине.
Большинство полов, крыш и мостов поддерживаются балками.
C другой стороны, колонна — это вертикальная часть здания, которая выдерживает в основном сжимающие нагрузки.
Обычно он используется для удержания здания или другой конструкции и переноса веса на фундамент.
Различия между балкой и колонной
Eсть несколько основных различий между балками и колоннами.
- Несущая способность: балки в основном рассчитаны на изгиб, а колонны — на сжатие.
Из-за этого балки имеют тенденцию быть прочнее при изгибе и слабее при сжатии, в то время как колонны имеют тенденцию быть прочнее при сжатии и слабее при изгибе.
- Ориентация: балки обычно сбоку, а колонны обычно сверху.
- Условия поддержки: балки обычно поддерживаются на концах или по всей длине, а колонны обычно поддерживаются в основании и наверху.
- Форма поперечного сечения: балки обычно квадратные, круглые или I-образные, а колонны обычно квадратные, круглые или прямоугольные.
Ключевые понятия и различия
Балочная колонна — это часть здания, способная выдерживать как осевые, так и изгибающие нагрузки.
Он используется, когда необходимо перенести тяжелые грузы со конструкции на фундамент.
Колонна балки идет от подконструкции к надстройке.
Это ключевая часть перемещения веса с вершины здания на фундамент.
Различия между балочными колоннами, балками и колоннами
Вот наиболее важные различия между балочными колоннами, балками и колоннами:
- Несущая способность: балочная колонна предназначена для восприятия как осевых, так и изгибающих нагрузок, в то время как балка в основном предназначена для восприятия изгибающих нагрузок, а колонна в основном предназначена для осевых нагрузок.
Колонна — это элемент вертикального сжатия, а балка — элемент горизонтального сжатия.
Балочная колонна соединяет фундамент с верхним слоем, который может быть горизонтальным или вертикальным.
Что касается формы поперечного сечения, балка обычно бывает квадратной, круглой или двутавровой, а колонна обычно квадратной, круглой или прямоугольной.
Поперечное сечение балочной колонны может быть любой формы, но обычно это сочетание квадратных и круглых форм.
- Использование: Балки в основном используются для поддержки полов, крыш и мостов, а колонны в основном используются для поддержки веса здания или другой конструкции.
Балочные колонны используются в зданиях, которым необходимо передавать на фундамент как осевые, так и изгибающие нагрузки.
Cоединение балки-колонны
Cоединения балка-колонна скрепляют балки и колонны в конструкции.
В этой статье мы рассмотрим различные типы соединений балок и колонн и то, как они помогают сохранить безопасность и устойчивость здания.
Типы соединений балки-колонны
В зависимости от того, насколько жестко соединение, существует два основных типа соединений балки-колонны: гибкие соединения и жесткие соединения.
- Гибкое соединение: в гибком соединении, которое также называется простым соединением или шарнирным соединением, нет передачи момента между соединенными частями.
Он перемещает осевые или поперечные силы, но не моменты.
Гибкие соединения часто используются в конструкциях, где соединения между балками и колоннами должны иметь дело с небольшими изгибами или поворотами.
- Жесткое соединение: жесткое соединение, также называемое устойчивым к моменту или фиксированным соединением, передает как сдвиг, так и момент между соединенными частями.
Жесткие соединения используются, когда соединение между балкой и колонной должно выдерживать большие скручивания или скручивающие усилия.
Cпециальные соединения
Для криволинейных соединений, эксцентриковых балок к колоннам и соединений со стенками колонн можно использовать простые соединения.
Эти связи считаются особыми.
Уменьшая размеры секций балки, простые соединения могут иметь большее сопротивление соединению друг с другом.
Это можно сделать, вырезав отверстия в стенке балки или отрезав часть полок балки (уменьшенное сечение стенки).
Факторы, влияющие на конструкцию соединения балки с колонной
Используемый тип соединения балки с колонной зависит от ряда факторов, таких как вес, который может выдержать конструкция, требования к конструкции конструкции и свойства материалов.
Вот некоторые факторы, влияющие на то, как выполняются соединения балки с колонной:
- Несущая способность: соединение балки с колонной должно иметь достаточную грузоподъемность, чтобы противостоять силам и моментам, которые могут воздействовать на него.
- Требования к конструкции конструкции: Конструкция соединения балки с колонной должна соответствовать строительным нормам и спецификациям проекта для конструкции конструкции.
- Cвойства материалов: При проектировании необходимо учитывать прочность и жесткость материалов, используемых в соединении балки с колонной.
Максимальный момент и дизайн
В структурном проектировании способность конструкции противостоять изгибающим моментам является ключевой частью обеспечения ее устойчивости.
Максимальный момент
Уравнения и формулы изгибающего момента используются, чтобы выяснить, насколько может сгибаться балка.
Максимальный момент — это максимальный момент, который может иметь конструкция при определенном загружении.
Важно помнить, что самым важным делом для конструкции не всегда может быть максимальный момент.
Из-за того, как взаимодействуют изгибающие и осевые силы или силы кручения, другой вариант нагружения с более низким значением момента может оказаться наиболее важным случаем для проектирования.
Моменты дизайна
Расчетные моменты и максимальные моменты — не одно и то же.
Расчетные моменты определяются на основе требований норм и коэффициентов безопасности, а максимальные моменты определяются на основе результатов анализа.
Моменты проектирования учитывают такие вещи, как свойства материала, коэффициенты безопасности и сочетания нагрузок в зависимости от того, что указано в нормах.
Моменты проектирования очень важны, чтобы убедиться, что конструкция может выдерживать возлагаемые на нее нагрузки и при этом иметь достаточно места для безопасности.
Примите во внимание следующие вещи, чтобы выяснить момент проектирования:
- Cвойства материала: При расчете расчетного момента учитываются предел текучести и модуль упругости балки.
- Комбинации нагрузок: расчетный момент определяется с помощью списка различных комбинаций нагрузок, приведенного в строительных нормах.
- Факторы безопасности: момент проектирования включает факторы безопасности, чтобы убедиться, что конструкция может выдерживать нагрузки, превышающие максимально ожидаемые нагрузки.
Проектирование балочных колонн
Балки-колонны представляют собой элементы конструкции, сжатые как по длине, так и согнутые по ширине.
В зданиях они используются для переноса веса с верхней балки на фундамент.
Чтобы спроектировать балку-колонну, вы должны выяснить, какой вес приходится на нее и насколько она велика.
Вы можете сделать это с помощью программного обеспечения, такого как Autodesk Inventor's Beam/Column Calculator, или вручную, используя формулы из учебников по гражданскому строительству или с веб-сайтов, таких как CivilJungle.com или Civiconcepts.com.
Расчет нагрузок на балку-колонну
Первый шаг в создании структуры балки-колонны — выяснить, какой вес приходится на балку и колонну.
В большинстве случаев нагрузки прикладывают к концам колонн, что вызывает осевые сжимающие напряжения.
Иногда на колонну могут действовать осевые силы, поперечные силы и изгибающие моменты (например, балочные колонны).
Разделив фактическое распределение нагрузки на длину балки, можно найти равномерно распределенную нагрузку в килоньютонах на метр.
Расчет размеров балки и колонны
После того, как вы выясните, какой вес приходится на балку-колонну, вам нужно выяснить, насколько большими должны быть балка и колонна, исходя из того, какой вес приходится на каждую из них.
Например, объем бетона для балки 230 мм х 450 мм без учета толщины плиты составит 0,23 х 0,60 х 1 = 0,138 м3, а вес будет 0,138 х 2400 = 333 кг.
Точно так же общий вес колонны, длина которой обычно в три раза больше наименьшей ширины поперечного сечения, можно найти, сложив веса всех ее частей.
Cоединение балки-колонны
Cоединение балки с колонной — это соединение балки и колонны в здании.
Он состоит из стыка и частей балок, колонн и плиты, которые находятся рядом с стыком.
В зависимости от того, насколько жестко соединение, существуют различные типы соединения балки с колонной.
Гибкое соединение, которое также называют простым или шарнирным соединением, передает поперечное или осевое усилие, но не моменты.
Жесткое соединение, которое также называют соединением с сопротивлением моменту или фиксированным соединением, перемещает как сдвиг, так и момент между соединенными частями.
Для криволинейных соединений, эксцентриковых балок к колоннам и соединений со стенками колонн можно использовать простые соединения.
Максимальный изгибающий момент
Когда внешняя сила приложена к балке-колонне, заставляя ее изгибаться и в конечном итоге ломаться, то это когда изгибающий момент является максимальным.
Когда шарнирные опоры используются для удержания неразрезной балки, на промежуточных опорах возникают моменты заедания, а на пролетах возникают моменты провисания.
Очень близко к промежуточным опорам находятся точки контрапрогиба.
Точка максимального момента может находиться там, где приложен больший первичный момент.
Расчетные моменты и максимальные моменты
Расчетные моменты определяются на основе требований норм и коэффициентов безопасности, а максимальные моменты определяются на основе результатов анализа.
При расчете моментов учитываются многие факторы, такие как свойства материала, коэффициенты безопасности и сочетания нагрузок.
Максимальные моменты учитывают только нагрузки, воздействующие на конструкцию, а не требования безопасности или нормы.
Коэффициент гибкости
В гражданском строительстве коэффициент гибкости — это отношение между длиной колонны и ее наименьшим боковым размером.
Чтобы понять это, разделите эффективную длину колонны на ее радиус вращения.
Коэффициент гибкости используется для определения того, какой вес может выдержать колонна до того, как она согнется.
Eсли коэффициент гибкости меньше или равен 12, колонны считаются короткими.
Eсли их больше 12, столбцы считаются длинными или тонкими.
Короткие столбцы контролируются их длиной и шириной, а длинные и тонкие столбцы контролируются соотношением длины и ширины.
Cоединения балки/колонны
Cовет: включите кнопку подписи, если она вам нужна. Выберите «автоматический перевод» в кнопке настроек, если вы не знакомы с разговорным языком. Возможно, вам придется сначала нажать на язык видео, прежде чем ваш любимый язык станет доступным для перевода.
Балочная колонна использует
Мосты:
Балочные колонны часто используются для строительства мостов, потому что они могут выдерживать изгибающие моменты, вызванные весом транспортных средств, а также боковые силы, вызванные ветром и землетрясениями.
Они также могут быть изготовлены для различных пролетов и нагрузок, что делает их хорошим выбором как для короткопролетных, так и для длиннопролетных мостов.
Большие, высокие здания:
Балочные колонны часто используются в высотных зданиях, потому что они могут выдерживать большой вес и выдерживать силы ветра и землетрясений.
Они также отлично подходят для высотных зданий, поскольку могут быть изготовлены разной длины и диаметра.
Это помогает более равномерно распределить вес и делает здание более устойчивым в целом.
Промышленные сооружения:
Поскольку они могут удерживать тяжелое оборудование и машины, балочные колонны часто используются в промышленных зданиях, таких как фабрики и склады.
В таких зданиях балочные колонны часто используются для поддержки ферм крыши и переноса веса с крыши на фундамент.
Жилые строения:
Колонны из балок также используются в жилых домах, особенно для стен и фундаментов подвалов.
Их также можно использовать в качестве опорных колонн в открытых планах этажей, чтобы обеспечить устойчивость верхних этажей.
Инфраструктурные проекты:
Балочные колонны часто используются в инфраструктурных проектах, таких как туннели, плотины и подпорные стены.
В туннелях балочные колонны поддерживают крышу и стены.
В плотинах они помогают равномерно распределять вес воды по конструкции.
Балочные колонны можно использовать в подпорных стенах, чтобы остановить боковые силы, вызванные давлением грунта и водой.
Заключение
Когда мы завершаем наш взгляд на балочные колонны, становится ясно, что эти строительные детали очень важны в мире инженерии.
От фундаментов наших зданий до дорог, соединяющих наши города, балочные колонны обеспечивают многим конструкциям, которые мы используем каждый день, поддержку и стабильность, в которых они нуждаются.
Но балочные колонны также интересны, потому что они дают нам уникальный взгляд на то, как форма и функция работают вместе.
То, как колонна из балок изготовлена и установлена, может иметь большое влияние на то, как здание выглядит и ощущается в целом.
Из-за этого мы можем думать о балочных колоннах не только как о полезных инструментах, но и как о важной части инженерии как искусства и науки.
Так что в следующий раз, когда вы будете проходить мимо небоскреба или переходить мост, найдите минутку, чтобы оценить простую балочную колонну, которая помогает сделать все это возможным.
Cсылки и ссылки
Введение в проектирование стальных колонн или сжатых элементов
Детальное здание со сталью
Конструктивное использование бетона
Поделись…
