Som ingenjör är det mitt jobb att designa och bygga strukturer som inte bara är användbara utan också säkra och håller länge.
Att förstå lagerhållfasthet är en viktig del av konstruktionsteknik.
När du delar upp den effektiva lagerytan med den maximala belastningen som en pelare, vägg, fot eller skarv klarar tills den går sönder, får du bärstyrkan.
Det är det som hindrar mina byggnader från att falla ner.
Som ingenjörsstudent eller som ingenjör måste du designa strukturer som kan stå emot både naturliga och mänskliga krafter.
Det är därför jag behöver veta mycket om bärighet för att se till att mina byggnader är säkra och håller länge.
I den här artikeln kommer jag att dyka djupare in i lagerhållfasthetens värld, utforska de olika faktorerna som påverkar den och hur ingenjörer kan beräkna och säkerställa strukturell stabilitet.
Så, ta på dig din hjälm och din tankemössa och låt oss utforska den fascinerande världen av bärkraft tillsammans!
Förstå lagerstyrka
Formell definition:
Den maximala belastningen som en pelare, vägg, fot eller skarv kommer att tåla fram till brott, dividerat med den effektiva lagerytan.
Bärstyrka är en mycket viktig idé inom teknik, särskilt inom områden som att bygga och designa flygplan.
Det hänvisar till den maximala mängden vikt eller tryck som en struktur kan hålla innan den kollapsar.
Vi kommer att prata om lagerhållfasthet, sträckgräns och slutlig lagerhållfasthet i den här artikeln.
Bärstyrka
Den maximala bärkraften som kan placeras på en konstruktion innan den går sönder, dividerad med den yta som bär upp lasten, kallas bärhållfasthet.
Som redan nämnts är en strukturs bärighet inte den maximala vikt eller tryck den kan hålla innan den faller isär.
Istället är det den effektiva lagerytan dividerad med den maximala belastningen som en pelare, vägg, fot eller led kan hantera tills den går sönder.
Lagerhållfasthet kan mätas genom drag-, kompressions-, böj- och böjhållfasthet, samt lagerhårdhet.
Det är dock viktigt att förstå att drag-, kompressions- och böjhållfasthet inte är direkt relaterade till lagerhållfasthet.
Vid byggnad är det viktigt att känna till bärigheten hos strukturer som väggar och pelare för att se till att de kan hålla de belastningar som de är avsedda att stödja.
På samma sätt, när man konstruerar ett flygplan, måste bärigheten hos flygplanet kunna motstå olika tryck och krafter som utsätts på den under start, flygning, klättring, landning och andra operativa manövrar.
Sträckgräns
Ett annat viktigt sätt att mäta hur starkt något är är genom dess sträckgräns.
Det definieras som den maximala påkänning som ett fast material kan motstå när det deformeras inom sin elastiska gräns.
Sträckgräns är den maximala belastning eller belastning som ett fast material kan hantera när det deformeras upp till sin elasticitetsgräns, vilket innebär att det kan gå tillbaka till sin ursprungliga form när belastningen tas bort.
Spänningen eller belastningen som behövs för att permanent ändra formen på ett material kallas dess sträckgräns.
Efter denna tidpunkt kommer materialet inte att gå tillbaka till som det var.
I duktila material är sträckgränsen mycket lägre än den slutliga hållfastheten, medan det i spröda material inte finns någon sträckgräns och därför ingen sträckgräns.
Ultimat lagerhållfasthet
Den ultimata lagerhållfastheten är det största tryck som ett fast material kan ta innan det går sönder.
Det används ofta på samma sätt som "ultimativ draghållfasthet." Slutlig bärighet och slutlig draghållfasthet är båda sätten att tala om hur mycket påfrestning ett fast material kan ta innan det går sönder.
Från lagertester kan du ta reda på lagrets sträckgräns och dess slutspänning.
Bearing Yield Strength (BYS) hittas genom att dra en linje parallell med den initiala lutningen av lagerspänningsdeformationskurvan vid en offset töjning på 0,002.
I slutändan är bärighet, sträckgräns och slutlig bärighet alla viktiga idéer inom teknik.
Bärhållfasthet är den största vikt som en struktur kan hålla innan den går sönder, och sträckgränsen är den största belastning som ett material kan ta innan det börjar ändra form permanent.
Slutlig bärhållfasthet och slutlig draghållfasthet är båda sätten att tala om hur mycket stress ett material kan ta innan det går sönder.
Genom att förstå dessa idéer kan ingenjörer tillverka strukturer och material som är säkra och pålitliga.
Att tänja på gränserna: vikten av bärighet i byggnadsdesign
Fortfarande svårt att förstå? Låt mig ändra synvinkeln lite:
Om du vill designa en byggnad som inte faller sönder som ett korthus är nyckeln att se till att den kan hålla vikten av alla dina orimliga förväntningar, orimliga krav och oundvikliga misstag.
För låt oss inse det, om du inte tänjer på gränserna för din byggnads bärkraft, lever du verkligen livet fullt ut?
Okej, det var bara ett skämt för att se ut som en tv-reklam.
Låt oss nu gå tillbaka till förklaringen.
Faktorer som påverkar lagerhållfastheten
Jordfaktorer
En av de viktigaste sakerna som påverkar styrkan hos en struktur är hur mycket vikt den kan hålla.
Följande markfaktorer påverkar markens bärförmåga:
- Skjuvstyrka: Jordskjuvhållfasthet är ett sätt att mäta hur väl en jord kan motstå krafter som försöker dra isär den.
- Grundens bredd och djup: Bredden och djupet på en grund kan ha stor inverkan på hur mycket vikt den kan hålla.
Generellt sett kan en foundation hålla mer vikt om den är bredare och djupare.
- Jordens vikt och eventuell extra vikt ovanpå den: Jordens vikt och eventuell extra vikt ovanpå den kan påverka hur mycket vikt jorden kan hålla.
Tryckhållfasthet av betong
En annan sak som påverkar bärhållfastheten är hur stark betong är när den komprimeras.
Betongs tryckhållfasthet efter 28 dagar används för att designa väggfot och det är viktigt att använda en betongblandning med rätt hållfasthet för konstruktionens syfte.
Strukturens form och dimensioner
Styrkan hos en struktur kan också påverkas av dess form och storlek, såsom dess bredd, längd och tjocklek.
En struktur med större yta kommer i allmänhet att ha en högre bärighet.
Lastfördelning och typ av last
Styrkan hos en struktur kan påverkas av vilken typ av belastning som kommer att läggas på den.
Styrkan hos en struktur kan påverkas av levande laster, döda laster och vindlaster.
Placering och orientering av strukturen
Strukturens styrka kan också påverkas av var den är och hur den är uppsatt.
Markens förmåga att hålla vikt kan påverkas av saker som jordtyp och grundvattennivån.
Bärstyrkan hos en struktur kan också påverkas av vädret, såsom vind, regn och temperaturförändringar.
Internationell byggnorm
International Building Code har förslag på vilken typ av grund som ska användas och hur den ska byggas.
Bland dessa förslag, men inte alla, finns följande:
- Naturlig eller packad jords förmåga att hålla vikten.
- Åtgärder för att minska effekterna av jordar som rör sig mycket.
- Frostlinjedjup.
- Minsta armering för fotfästen av betong.
- Minsta djup för trästolpar som sätts i betongfot.
Lagersäkerhetsfaktor
Lagersäkerhetsfaktorn används för att säkerställa strukturell stabilitet.
Säkerhetsfaktorn är förhållandet mellan den maximala belastningen som kan läggas på ett lager och den maximala belastningen som kan läggas på det.
Man tror att fel kommer att inträffa när säkerhetsfaktorn är mindre än 1.
Du kan räkna ut den tillåtna bärigheten med en ekvation som tar hänsyn till markparametrar och grundens form.
Utvärderingsstandarder
Kvaliteten på fältspaning, jordprovtagning och skjuvtester kan påverka stabilitetsberäkningarnas noggrannhet.
För att säkerställa att säkerhetsfaktorn är korrekt och tillförlitlig har utvärderingsstandarder för säkerhetsfaktorn i grundstabilitetsanalys gjorts.
I slutändan är det många saker som påverkar hur stark en pelare, vägg, fot eller fog är.
Ingenjörer måste tänka på marken, betongens tryckhållfasthet, konstruktionens form och storlek, hur belastningen är fördelad och vilken typ av belastning det är, var och hur konstruktionen är placerad och vad den internationella byggkoden är. Säger.
Dessutom används lagersäkerhetsfaktorn för att säkerställa strukturell stabilitet, och utvärderingsstandarder finns på plats för att säkerställa korrekta och tillförlitliga beräkningar.
Fastställande av lagerhållfasthet hos material
Faktorer som påverkar lagerhållfastheten
Styrkan hos en pelare, vägg, fot eller skarv beror på ett antal saker, såsom marken, fundamentets utformning, konstruktionens form och storlek, hur belastningen är fördelad och miljön.
Jordfaktorer: Jordens bärförmåga bestäms av tre jordfaktorer: skjuvhållfasthet, fundamentets bredd och djup samt markens vikt och tillägg.
När en fot läggs ovanpå jord som inte håller ihop beror dess förmåga att hålla vikten på hur bred den är.
Stabilitetsberäkningar kan vara felaktiga om fältspaning, jordprovtagning och skjuvprover inte görs väl.
Grundkonstruktion: International Building Code ger rekommendationer för grundläggningstyp och konstruktionskriterier, inklusive men inte begränsat till bärförmåga för naturlig eller kompakt jord, bestämmelser för att mildra effekterna av expansiva jordar, frostlinjedjup, minimal armering för betongfot och minimum ingjutningsdjup för trästolpar i betongfot.
Byggnadens mått och form: Väggar och pelare bör stödjas så nära mitten av fotfästena som möjligt för att förhindra envägs (balk) skjuvbrott, vilket inträffar när balken går sönder i en vinkel på cirka 45 grader mot väggen .
Lastfördelning är hur konstruktionens laster, såsom levande laster, dödlaster och vindlaster, sprids ut.
Miljöfaktorer inkluderar byggnadens placering och orientering, samt markförhållandena och hur utsatt den är för saker som vind, regn och temperaturförändringar.
Fastställande av lagerhållfasthet hos material
Trä, stål och koppar har till exempel olika bärhållfastheter som beror på deras draghållfasthet, tryckhållfasthet, hårdhet, duktilitet, elasticitet och andra egenskaper som är unika för varje material.
Träets bärhållfasthet beror till exempel på dess ådring, densitet och mängd fukt, medan stålets bärighet beror på saker som dess legeringssammansättning, värmebehandling och fysiska dimensioner, såsom dess ytterdiameter, väggtjocklek, och längd.
Draghållfasthet: Ett materials draghållfasthet är mängden kraft som krävs för att dra isär det tills det går sönder.
Tryckhållfasthet: För att ta reda på ett materials tryckhållfasthet mäter du hur mycket kraft som krävs för att krossa det tills det går sönder.
Stålrörets lagerhållfasthet
Ytterdiametern, väggtjockleken och längden på ett stålrör, såväl som stålets materialegenskaper, såsom sträckgräns och slutlig draghållfasthet, avgör hur mycket vikt det kan bära.
En kalkylator kan användas av alla som känner till belastningskraven för sin applikation och om röret kommer att användas som en balk eller pelare för att ta reda på vilken storlek rör som behövs.
Stålrörs bärhållfasthet kan beräknas med hjälp av matematiska ekvationer eller datorprogram som tar hänsyn till alla dessa saker.
Exempelvis kan bärförmågan för ett stålrör beräknas med hjälp av Euler-formeln, som tar hänsyn till rörets längd, längd utan stöd och tröghetsmoment.
Andra ekvationer, som AISC-formeln från American Institute of Steel Construction, kan användas för att räkna ut hur starkt ett stålrör är under olika belastningar.
Jordprovning för bärighet
Jordprovning är ett viktigt sätt att ta reda på hur stark en byggnads grund är och hur mycket vikt den kan hålla.
Det går ut på att testa jordprover i labbet för att ta reda på deras egenskaper och använda andra metoder för att ta reda på hur stabil jorden är.
Laboratorietester för markens egenskaper:
Jordprover kan genomgå ett antal tester i labbet för att ta reda på deras egenskaper.
Dessa tester inkluderar Consolidated Undrained (CU) Test, Unconfined Compression Test, Triaxial Compression Test, Shear Box Test, Vane Test, Consolidation Test, Svull and Suction Test, Permeability Test, and Chemical Analyses.
Dessa tester behövs för att beskriva och klassificera jorden och för att notera färgen, strukturen och konsistensen hos både störda och ostörda prover från platsen.
Sätt att ta reda på hur stark jorden är:
Olika sätt kan användas för att ta reda på jordens bärighet, som Terzaghi Ultimate Bearing Capacity Theory, som räknar ut den ultimata bärigheten för grunda kontinuerliga fundament.
Den använder en ekvation som tar hänsyn till markparametrar som kohesion, effektiv enhetsvikt, fotdjup och fotbredd.
Ett annat sätt att ta reda på hur mycket vikt en omättad finkornig jord kan hålla är att använda skjuvhållfastheten från oavgränsade kompressionstester.
Bärighetsekvationen (dränerad) fungerar endast för grunda underlag som stöder vertikala laster som inte är excentriska.
Att använda den obegränsade tryckhållfastheten för att uppskatta bärigheten:
Oavgränsad tryckhållfasthet fungerar bara för jordar som håller ihop.
Det kan inte användas för att ta reda på hur mycket vikt en icke-kohesiv jord kan hålla eftersom den behöver en annan uppsättning parametrar.
Jordprovning är ett viktigt sätt att ta reda på hur stark en byggnads grund är och hur mycket vikt den kan hålla.
Jordegenskaper hittas genom labbtester, och det finns olika sätt att ta reda på hur mycket vikt en jord kan hålla baserat på dess egenskaper.
För kohesiva och icke-kohesiva jordar är det viktigt att använda rätt metoder och ta hänsyn till olika markparametrar för varje metod.
Bärstyrka av murverk
Maximal användbar töjning för betongmurverk
Vid den extrema kompressionsfibern i betongmurverk är den största belastningen som kan användas 0,0025.
Förstärkt murverk
För armerat murverk är tryck- och dragspänningar i armeringen under angiven sträckgräns lika med armeringens elasticitetsmodul gånger ståltöjningen.
Skjuvkapacitet för murverk
Du kan också ta reda på murverkets nominella bärighet genom att titta på hur mycket det tål under påkänning.
I en enkel spännbalk går skjuvkapaciteten från 0 vid stödet till oändligt i mitten.
I relevanta designkoder och riktlinjer kan du hitta formeln för att räkna ut skjuvkapacitet som en funktion av M/Vd.
Viktiga överväganden för murverksdesign
Det är viktigt att komma ihåg att dessa beräkningar är baserade på vissa antaganden och designkoder.
När man designar murverk måste man tänka noga på saker som typer av belastningar, materialens egenskaper och hur konstruktionen är uppsatt.
Innan du gör några beräkningar eller fattar några designbeslut om murverkskonstruktioner är det bäst att kontrollera de relevanta designkoderna och riktlinjerna.
Effekter av hög temperatur på stål
Stål används ofta inom byggnad och teknik, men när det blir för varmt tappar det sin förmåga att hålla vikten.
Cirka 425°C är den högsta temperaturen över vilken stål börjar tappa sin förmåga att hålla vikt.
Mellan 600°C och 650°C kommer stålet att förlora hälften av sin styrka och, beroende på hur mycket vikt det bär, kan det gå sönder.
Runt 500°C förlorar hållfastheten hos varmvalsat konstruktionsstål mycket av sin lastkapacitet vid rumstemperatur.
Vid 1100°F (593,33°C) har stålet fortfarande cirka 50 % av sin styrka.
När stålet smälter vid cirka 2700°F (1482,22°C), ger det upp all sin styrka.
För det mesta, vid konstruktion, antas det att all kapacitet går förlorad vid cirka 2200°F (1204,44°C).
Effekt av brand på konstruktionsstål
I BS EN 10025 kvalitet S275 stål kan en varmvalsad konstruktionsstålsektion av kvalitet S275 som har varit i brand och blivit varmare än 600°C förlora några av sina egenskaper efter att den har svalnat.
Oavsett hur varm elden är, kommer rumstemperaturens flytspänning eller utbyte inte att behövas om medlemmen uppfyller alla andra tekniska krav, som att vara rak.
När konstruktionsstål av kvalitet S355 värms upp till över 600°C i en brand, minskar även dess kvarvarande sträckgräns och draghållfasthet.
Boltskjuvhållfasthet - Beräkningar av lager-, rivnings- och skjuvbelastningskapacitet
Tips: Slå på bildtextknappen om du behöver den. Välj "automatisk översättning" i inställningsknappen om du inte är bekant med det talade språket. Du kan behöva klicka på språket för videon först innan ditt favoritspråk blir tillgängligt för översättning.
Bärstyrka använder
Byggande av byggnader:
Byggnader och strukturer av alla slag måste vara starka nog att hålla sin vikt.
Den talar om hur mycket vikt en pelare, vägg, fot eller fog kan hålla innan den går sönder.
Ingenjörer använder beräkningar som kallas "bärstyrka" för att säkerställa att byggnaden kan hålla sin egen vikt såväl som den extra vikt som kommer från människor, utrustning och miljön.
Brodesign:
Broar måste byggas så att de kan hantera tunga laster som bilar, vind och jordbävningar.
Bärstyrkan hos fundamentet och stödstrukturerna, som pirer och distanser, är en nyckelfaktor för att ta reda på hur mycket vikt de kan hålla.
Ingenjörer använder också bärighet för att räkna ut hur mycket vikt en balk, balk eller kabel kan hålla.
Matematisk teknik:
Inom maskinteknik är lagerhållfastheten mycket viktig eftersom den används för att ta reda på hur mycket vikt växlar, lager och axlar kan hålla.
Ingenjörer använder beräkningar av bärighet för att säkerställa att delarna kan hantera krafterna och påfrestningarna från applikationen, såsom i tunga maskiner, fordon och flygplan.
Flygverksamhet:
Bärstyrka är också viktig inom flygindustrin, där den används för att ta reda på hur mycket vikt delar som vingar, flygkroppar och landningsställ kan hålla.
Ingenjörer använder beräkningar som kallas "bärstyrka" för att se till att planet kan hantera de krafter och påfrestningar som kommer med flygande, som turbulens, start och landning.
Offshorebyggnader:
När man designar och bygger strukturer som oljeriggar, vindturbiner och plattformar som är ute till havs är bärighet en viktig faktor.
Dessa byggnader måste kunna stå emot hårt väder, som starka vindar, vågor och strömmar.
Bärstyrka används för att räkna ut hur mycket vikt fundamentet och stödkonstruktionerna kan hålla, samt hur mycket vikt utrustningen och maskineriet som mest kan hålla.
Gruvverksamheten:
Inom gruvindustrin är bärigheten mycket viktig eftersom den används för att räkna ut hur mycket vikt som kan läggas på underjordiska stödstrukturer som pelare och balkar.
Ingenjörer använder beräkningar som kallas "bärhållfasthet" för att säkerställa att strukturerna kan hantera vikten av berget ovanför samt de krafter och påfrestningar som orsakas av gruvprocessen, som sprängning och borrning.
Slutsats
När vi slutar prata om bärstyrka är det viktigt att komma ihåg att den här idén är viktig inte bara inom tekniken utan i livet i allmänhet.
Precis som en byggnad behöver en stark bas för att stå högt, behöver vi en stark bas för att möta livets utmaningar.
Vi behöver vara förankrade i våra övertygelser, värderingar och principer för att stå upp mot de saker som försöker slå ner oss.
Byggnader är inte det enda som behöver vara starka. Våra liv måste också vara starka.
Vi måste ta reda på hur mycket vikt vi kan bära, hitta rätt hjälp och se till att vi har en stark bas att stå på.
Så, innan du lämnar den här artikeln, ta en minut att tänka på hur stark du är.
Vad bygger du ditt hus på? Hur mycket kan du bära? Och hur kan du se till att du har den hjälp du behöver för att möta livets utmaningar? Kom ihåg att ett väldesignat liv kan vara lika länge som en väldesignad byggnad.
Så gå ut och bygg ett liv som kan stödja dina drömmar.
Länkar och referenser
ACI 318-14 Byggkodskrav för konstruktionsbetong och kommentarer
Kapitel 3: Designbelastningar för bostadshus
Rekommenderade minimikrav för murad väggkonstruktion
Dela på…
