Förstå Axiallast Inom Teknik

Som ingenjörsstudent eller ingenjör vet du hur viktigt det är för konstruktioner att kunna hantera olika slags belastningar.

Men har du någonsin tänkt på de unika problem som axiell belastning ger? I motsats till skjuvkraft, torsionsbelastning och böjlast, applicerar axiell belastning kraft direkt längs en strukturs axel.

Detta innebär att när man designar, bygger och underhåller strukturer måste man ta hänsyn till en helt ny uppsättning saker.

I den här artikeln kommer jag att gå in i detalj om axiell belastning och täcka allt du behöver veta för att bygga strukturer som kan hantera denna viktiga kraft.

Så spänn fast och låt oss komma igång!.

Introduktion till axiell belastning

Formell definition:

En kraft vars resulterande passerar genom tyngdpunkten för en viss sektion och är vinkelrät mot sektionens plan.

Axiell belastning är en typ av belastning som sätter tryck på en konstruktionsdel längs dess axel.

Till skillnad från skjuvkraft, torsionsbelastning och böjlast, skapar axiell belastning mer tryckspänning än spänning eller skjuvkraft.

Skjuvkraft, vridningsbelastning och böjbelastning: skillnader

Skjuvkraft gör att spänningen sprids ut längs ett objekts plan, medan vridkraften gör att spänningen sprids ut runt objektets längdaxel.

När en last böjs skapar den normal spänning och tvärgående skjuvspänning.

Normalspänning inkluderar både axiell och tvärgående spänning, medan tvärgående skjuvspänning inkluderar både vrid- och tvärgående skjuvspänning.

Vikten av axiell belastning

Axiella belastningar är viktiga eftersom de kan förändra både implantatets struktur och benet runt det.

Inom teknik är axiell belastning en mycket viktig del av hur pelare, balkar och takstolar tillverkas.

Inom biomekanik kan axiella belastningar förändra hur ben rör sig, vilket kan orsaka frakturer eller ledbyten, bland andra skador.

På grund av detta är det viktigt inom både teknik och medicin att förstå hur axiell belastning fungerar.

Skillnad mellan axiell belastning och tvärbelastning

Tips: Slå på bildtextknappen om du behöver den. Välj "automatisk översättning" i inställningsknappen om du inte är bekant med det engelska språket. Du kan behöva klicka på språket för videon först innan ditt favoritspråk blir tillgängligt för översättning.

Strukturella delar och axiella laster

Fackverk och pelare är två vanliga typer av konstruktionselement som oftast är gjorda för att bära axiella belastningar.

Takstolar: Egenskaper och tillämpningar

Fackverk är strukturella delar som är gjorda för att bära axiella krafter i sina delar.

Dessa krafter kan vara spänning, kompression eller reversibel spänning/kompression, beroende på de värsta belastningarna och lastkombinationerna.

Fackverkselement använder mindre material för att bära samma vikt.

Detta gör dem bra för broar eller tak som behöver vara starka men inte för tunga.

Men fackverkselement är fria att röra sig och kan bara bära laster i en riktning.

Det gör att de inte är tillräckligt starka för att hålla emot laster som rör sig sida vid sida eller böjer sig.

Kolumner: Egenskaper och tillämpningar

Pelare är de vertikala delarna av stålbyggnadsramar som håller upp golvbalkar eller golv som utsätts för kraftiga axiella tryckbelastningar.

De är mestadels gjorda för att motstå axiella tryckbelastningar, men beroende på hur de är uppsatta och hur de är gjorda kan de även motstå böj- och skjuvkrafter.

Kolumner kan vara runda, kvadratiska eller rektangulära, och de kan vara gjorda av bland annat betong, stål eller trä.

Rammedlemmar: Egenskaper och tillämpningar

Beroende på hur de är uppsatta och tillverkade kan balkar och pelare bära både tvärgående och axiella laster längs sin längd.

De används ofta för att hålla upp golv, tak och väggar i bygg- och anläggningsprojekt.

Men, till skillnad från fackverkselement, behöver inte ramelement endast stödja axiella belastningar; de kan också stödja tvärgående belastningar.

Fastställande av maximal axiell belastning

När man bygger en struktur är det viktigt att veta hur mycket axiell belastning en viss del eller struktur klarar av.

Beräknar maximal axiell belastning för kolumner

För att ta reda på hur mycket axiell belastning en kolumn klarar av kan du räkna ut dess KL/r och sedan slå upp värdet på cFcr i en tabell.

Spänningen i kolonnens tvärsnitt kan hittas genom att använda ekvationen AP=f, där f antas vara lika över hela tvärsnittet.

Knäckning är känt för att vara ett felgränstillstånd för kolumner, och ekvation ger den kritiska knäcklasten Pcr för kolumner (3.1).

Men för att fullt ut räkna ut den kritiska bucklingsbelastningen för en given kolumn behöver du fler ekvationer och metoder, och designen måste ta hänsyn till hur kolonnen slutar och materialets egenskaper.

Ungefärlig maximal lastbärande kapacitet

Att göra en stålkonstruktion och titta på interaktionsförhållandet är ett bra sätt att få en ungefärlig uppfattning om den mest vikt en medlem kan bära.

Interaktionsförhållandet är förhållandet mellan den mest vikt en medlem kan bära och hur mycket vikt den faktiskt bär.

Det ömsesidiga förhållandet talar om för dig hur mycket mer vikt varje medlem kan bära innan den går sönder.

Det är viktigt att komma ihåg att denna metod endast ger en uppskattning.

Den faktiska maximala lasten som en del kan bära kan vara lägre eller högre än det beräknade värdet.

Konstruktion för maximal axiell belastning

Vid utformning av strukturer dimensioneras medlemmarna ungefär baserat på arkitektoniska ritningar och andra relevanta dokument, och deras vikter beräknas med hjälp av information från de flesta koder och annan civilingenjörslitteratur.

Men konstruktioner måste byggas för att klara den kritiska belastningen, som är den största belastningen som kan påverka dem.

Detta görs genom att lägga ihop alla belastningar som en konstruktion skulle kunna bära under sin livstid.

Detta inkluderar både levande laster och döda laster, såväl som laster orsakade av vind, jordbävningar och andra möjliga laster.

Kritisk belastning i långa smala kolumner

Den kritiska lasten är den mest axiella vikt som en pelare kan hålla innan den börjar böjas.

Eulers formel: Beräkna kritisk belastning

Eulers formel kan användas för att hitta den kritiska lasten: Pcr = (2EI)/(KL)2, där Pcr är Eulers kritiska last, E är Youngs elasticitetsmodul, I är det minsta andra areamomentet av tvärsnittet av kolumnen (area tröghetsmoment), K är kolumns effektiva längdfaktor och L är kolonnens ostödda längd.

Betydelsen av kritisk belastning

Den kritiska belastningen är viktig för att ta reda på hur långa, tunna pelare som reagerar på axiell tryckkraft eftersom det inte beror på hur starkt materialet är.

Detta innebär att när man bygger tunna strukturer som kan böjas, måste ingenjörer vara extra uppmärksamma på slankhetsförhållandet, vilket är längden på pelaren dividerat med dess minsta rotationsradie.

Ett högt slankhetsförhållande innebär att små kompressionsbelastningar är mer benägna att få strukturen att gå sönder.

Böjning uppstår när en rak pelare som komprimeras längs sin längd plötsligt böjs. Detta är ett felgränstillstånd för kolumner.

Axiella lastceller och deras tillämpningar

Lastceller som mäter kraft längs en enda axel kallas axiella lastceller.

Arbetsprincip för axiella lastceller

Axiella lastceller fungerar genom att omvandla kraften som appliceras på dem till en elektrisk signal som kan läsas och skrivas ner.

De använder töjningsmätare för att mäta hur mycket axiell belastning ändrar formen på något.

När en kraft sätts på lastcellen längs dess axel, böjs töjningsgivarna, vilket ändrar deras motstånd.

Resistansförändringen omvandlas sedan till en elektrisk signal som kan mätas.

Tillämpningar av axiella lastceller

Axialt monterade lastceller används inom många områden, som flyg, fordon och tillverkning.

Några vanliga sätt att använda axiella lastceller är:

• Mätning av kraften på strukturella delar av byggnader och broar, som balkar och pelare, medan de byggs eller används.
• Testanvändningar, som att ta reda på hur mycket kraft som behövs för att klämma eller sträcka något, eller hur mycket kraft som behövs för att bryta eller deformera något.
• Hålla ett öga på saker som hydrauliska pressar, kranar och hissar för att se till att de fungerar säkert.
• Jag kommer att lista mer i botten av den här artikeln.

Andra aspekter av axiell belastning

Axial vindbelastning

Axial vindlast är den kraft som vindflödet har på en byggnad.

Tidigare har vindstyrkor, särskilt i kustområden, fått många byggnader att falla ner.

Civilingenjörer använder ASCE 7-16 modifierad ekvation 2.2, som tar hänsyn till strukturens höjd över marknivå och hur viktigt det är för människors liv och egendom, för att räkna ut vindhastigheten och trycket på olika höjder över marknivån.

Civilingenjörer använder en formel som tar hänsyn till saker som det projicerade området, vindtrycket, luftmotståndskoefficienten, exponeringskoefficienten, vindbygsresponsfaktorn och viktighetsfaktorn för att räkna ut axiell vindbelastning.

En formel är F = A x P x Cd, där F är kraften eller vindlasten, A är objektets projicerade yta, P är vindtrycket och Cd är motståndskoefficienten.

Utmattningshållfasthet

Beräkning av en konstruktions utmattningshållfasthet vid axiella belastningar och böjbelastningar kan göras med hjälp av analytiska metoder baserade på förhållandet mellan utmattningshållfastheterna för axiell och böjbelastning.

I dessa metoder ändras utmattningshållfastheten under roterande böjbelastning till utmattningshållfastheten under axiell belastning.

För att ta reda på hur en analytisk modell fungerar kan även högcykelutmattningstester göras under båda belastningsförhållandena.

Planspänningsmodeller kan också användas för att räkna ut hur länge ett material kommer att hålla när det används på dess yta, där en av huvudspänningarna vanligtvis är noll.

Slutligen kan SN-kurvor användas för att hitta den maximalt tillåtna spänningen vid N-cykler och en utmattningsstyrkeminskningsfaktor kf.

Kullager och maximal axiell belastning

Radiella kullager med hållare (eller hållare) är mestadels gjorda för att hantera radiella belastningar, men de kan också hantera axiella belastningar.

Mängden axiell belastning som kan utsättas för ett lager beror på dess storlek och anges vanligtvis som en procentandel av lagrets radiella belastning.

När skillnaden mellan diametern på hålet och diametern på den yttre ringen är stor, kan lagret ta upp axiella belastningar som är upp till 50 % av den radiella statiska belastningen.

Rännorna i tunna lager är grundare, vilket gör dem mindre kapabla att hantera axiella belastningar.

Ett vinkelkontaktlager bör användas om lagret behöver klara en stor axiell belastning.

Dessa är gjorda annorlunda på insidan än spårkullager, så de klarar högre axiella belastningar.

Den maximala axialbelastningen för kullager med en viss innerdiameter beror på flera saker, såsom lagrets storlek, djupet på lagerbanan och om det utsätts för kraftiga radiella eller momentbelastningar.

Mängden axiell belastning som kan utsättas för ett lager anges ofta som en approximation av lagrets radiella belastning.

SKF tillhandahåller minimala axiella och radiella belastningar för enkla lager och lagerpar i tandem eller back-to-back/face-to-face-konfigurationer.

Den mest stress som kan utsättas för kullager beror på hur de är tillverkade på insidan.

Axial belastning i strukturer

När en kraft sätts på en struktur direkt längs en axel av strukturen kallas detta axiell belastning.

När det finns en punktbelastning är spänningen nära belastningspunkten mycket högre än den genomsnittliga belastningen.

Detta orsakar mycket komplicerade deformationer eftersom spänningstillstånden är mycket komplicerade.

Normalspänning och skjuvspänning är båda sätten att mäta medelspänningen över ett tvärsnitt.

Oavsett var längs tvärsnittet du tittar är mängden stress densamma.

En punktlast är en kraft utifrån som är koncentrerad till ett litet område.

Användningsfall

Här är några sätt som axiell belastning kan användas:

Använd i:	Beskrivning:
Design av en kolumn	Kolumner är ett bra exempel på en strukturell del som är gjord för att stödja axiella belastningar. Till exempel i byggnader stödjer pelare vikten av golven och taket ovanför, vilket skapar en axiell tryckbelastning som pelaren måste motstå. Axiell belastning är en viktig sak att tänka på när man designar pelare för att säkerställa att de inte böjas eller går sönder under kraften.
Broar	Vid design av broar är axiell last också en mycket viktig sak att tänka på. Axiella tryckbelastningar orsakas av vikten på bron och de fordon som den bär. Bron måste klara dessa belastningar. Broar kan också påverkas av saker som vind, jordbävningar och trafik, som alla kan orsaka böjmoment och skjuvkrafter. För att göra säkra och användbara broar är det viktigt att veta hur dessa laster interagerar med varandra.
Tower Design	Höga axiella tryckbelastningar sätts på torn som transmissionstorn, celltorn och vindturbiner. När du gör dessa strukturer måste du bland annat tänka på hur de kommer att belastas, materialen och höjden och bredden på tornen. För att säkerställa att dessa strukturer är säkra och håller länge måste du veta hur axiella belastningar påverkar dem.
Tillverkning och testning	Axiallast är också ett viktigt begrepp inom tillverkning och provning, där material och produkter ska klara vissa belastningar utan att gå sönder eller deformeras. Med testverktyg som axiallastceller kan du ta reda på hur mycket axiell belastning ett material eller produkt kan ta innan det går sönder.
Flyg- och rymdtillämpningar	Axiella laster kan vara mycket viktiga när man designar raketer, missiler och andra fordon för användning i rymden. Axiella belastningar kan orsakas av fordonets vikt, hastighet eller vibrationer. För att göra säkra och effektiva system är det viktigt att veta hur axiella laster påverkar fordonets konstruktionsdelar.

Slutsats

Som vi har sett i den här artikeln är axiell last en viktig del av att designa och bygga strukturer som kan stå emot de krafter som utsätts för dem.

När du arbetar med denna viktiga kraft finns det många saker att tänka på, från att förstå de unika utmaningarna med långa, tunna pelare till att lägga till axiella lastceller till din tekniska verktygslåda.

Men axiell belastning är också en påminnelse om att teknik är ett komplicerat område som alltid förändras.

När vi fortsätter att tänja på gränserna för vad som är möjligt kommer vi oundvikligen att möta nya problem som kommer att kräva att vi tänker kreativt och arbetar tillsammans för att lösa.

Så, nästa gång du arbetar med axiell belastning, ha ett öppet sinne och var redo att lära dig.

Vem vet vilka nya saker som finns runt nästa hörn?