Byggnadsteknik har förändrat min värld på många sätt, från att bygga höga skyskrapor till att bygga broar som korsar hela floder.
Den enkla balkpelaren är en av de viktigaste delarna i många av dessa byggnader.
Denna del av strukturen utsätts för både axiell belastning och böjmoment orsakade av sidokrafter eller excentriciteten hos den längsgående belastningen samtidigt.
Många av dagens tekniska underverk skulle inte vara möjliga utan balkpelare.
I den här artikeln ska jag titta på strålkolumner och prata om vad de är, hur de fungerar och varför de är viktiga.
Det här inlägget är för alla, oavsett om du är en ny ingenjörsstudent eller en erfaren ingenjör som vill lära dig något nytt.
Så låt oss komma igång och ta reda på vad balkpelare är och vad de gör.
Introduktion
Formell definition:
Ett konstruktionselement utsätts samtidigt för axiell belastning och böjmoment som alstras av sidokrafter eller excentriciteten hos den längsgående belastningen.
Balkpelaren är en viktig del av tekniken som används för att stödja byggnader, broar och andra strukturer.
I den här artikeln kommer vi att titta på de olika sätt som balkpelare används i teknik och i byggprojekt.
Vad är en kolumnbalk?
En balkpelare är en konstruktionsdel som är gjord för att stå emot belastningar på sin långa axel.
Det kan kallas ett kompressionselement, vilket innebär att det mesta av vikten läggs på det när det komprimeras.
En balkpelare kan hålla vikten av balkar, väggar, plattor och andra strukturer.
Typer av strålkolumner
Det finns många olika typer av balkpelare som används inom teknik.
Valsade stålbalkpelare är en vanlig typ av pelare som används i stålkonstruktion.
Den tillverkas genom att stålplåtar rullas till en form som kan hålla laster när de pressas ihop.
- Armerad betongbalkpelare: Denna typ av balkpelare är gjord av betong och är förstärkt med stålstänger.
Det används för att bygga med armerad betong och är ett bra sätt att flytta tunga saker.
- Träbalkpelare: Denna typ av balkpelare är gjord av trä och används ofta i bostadsbyggande.
- Kompositbalkpelare: Denna typ av balkpelare tillverkas genom att kombinera två eller flera material, som stål och betong, för att göra en starkare och mer hållbar struktur.
Varför nöja sig med mindre när strålpelaren ger dig allt?
Fortfarande svårt att förstå? Låt mig ändra synvinkeln lite:
Är du trött på tråkiga, raka balkar som bara kan göra en sak i taget? Titta inte någon annanstans än balkpelaren! Varför använda en enkel, endimensionell balk när du kan använda en stav som gör allt?
Ja, balkpelaren är konstruktionsteknikens överpresterande eftersom den enkelt kan hantera både axiella belastningar och böjmoment.
Så varför välja bara en typ av last när du kan ha alla? Med den mångsidiga balkpelaren kan du omfamna märkligheten i den längsgående belastningen och lägga till lite sidokraft till ditt liv.
Okej, det var bara ett skämt för att se ut som en tv-reklam.
Låt oss nu gå tillbaka till förklaringen.
Material som används i balkkolonner
Balkpelare kan tillverkas av bland annat sten, trä, betong eller stål.
I modern konstruktion används dock ofta H-formade stålpelare eftersom de är starka och styva.
Den H-formade pelarens längre flänssidor är tjockare än det mellersta livstycket, vilket gör att den bättre kan motstå kompressionskrafter.
Moderna byggnader hålls också ofta uppe av balk-och-pelare-system av armerad betong.
Definition och skillnader
Definition av balk och kolumn
En balk är en del av en byggnad som är gjord för att motstå belastningar genom att böjas.
Vanligtvis är den platt och hålls upp i ändarna eller längs dess längd.
De flesta golv, tak och broar hålls uppe av balkar.
Å andra sidan är en pelare en vertikal del av en byggnad som är gjord för att motstå mestadels tryckbelastning.
Det används vanligtvis för att hålla upp en byggnad eller annan struktur och flytta vikten till grunden.
Skillnader mellan Beam och Column
Det finns några få huvudsakliga skillnader mellan balkar och pelare.
- Bärförmåga: Balkar är oftast gjorda för att bära laster som är böjda, medan pelare mestadels är gjorda för att bära laster som är komprimerade.
På grund av detta tenderar balkar att vara starkare när de böjs och svagare när de komprimeras, medan pelare tenderar att vara starkare när de komprimeras och svagare när de böjs.
- Orientering: Balkar är vanligtvis på sidan, och kolumner är vanligtvis på toppen.
- Stödförhållanden: Balkar stöds vanligtvis vid sina ändar eller längs sin längd, medan pelare vanligtvis stöds vid basen och toppen.
- Tvärsnittsform: Balkar är vanligtvis kvadratiska, cirkulära eller I-formade, medan kolumner vanligtvis är kvadratiska, cirkulära eller rektangulära.
Nyckelbegrepp och skillnader
En balkpelare är en del av en byggnad som är gjord för att klara både axiella och böjande belastningar.
Den används när tunga laster måste flyttas från strukturen till fundamentet.
Balkpelaren går från underbyggnaden till överbyggnaden.
Det är en viktig del av att flytta vikt från toppen av byggnaden till grunden.
Skillnader mellan strålkolumner, balkar och kolumner
Här är de viktigaste skillnaderna mellan balkkolonner, balkar och kolumner:
- Bärförmåga: En balkpelare är gjord för att bära både axiella laster och böjlaster, medan en balk mestadels är gjord för att bära böjlaster och en pelare är mest gjord för att bära axiella laster.
En pelare är ett vertikalt kompressionselement, medan en balk är ett horisontellt kompressionselement.
En balkpelare förbinder fundamentet med det översta lagret, som kan vara horisontellt eller vertikalt.
När det gäller tvärsnittsform är en balk vanligtvis kvadratisk, cirkulär eller I-formad, medan en kolumn vanligtvis är kvadratisk, cirkulär eller rektangulär.
En balkpelares tvärsnitt kan vara vilken form som helst, men det är vanligtvis en blandning av fyrkantiga och runda former.
- Användning: Balkar används mest för att stödja golv, tak och broar, medan pelare oftast används för att bära upp vikten av en byggnad eller annan struktur.
Balkpelare används i byggnader som behöver överföra både axiella och böjande laster till fundamentet.
Balk-pelare anslutning
Balk-pelarkopplingar håller balkar och pelare samman i en struktur.
I den här artikeln kommer vi att titta på de olika typerna av balk-pelarkopplingar och hur de hjälper till att hålla en byggnad säker och stabil.
Typer av balk-kolonnanslutningar
Baserat på hur styv anslutningen är finns det två huvudtyper av balk-pelarkopplingar: flexibla anslutningar och stela anslutningar.
- Flexibel anslutning: I en flexibel anslutning, som även kallas en enkel koppling eller en stiftkoppling, sker ingen överföring av moment mellan delarna som är anslutna.
Den förflyttar axiella krafter eller skjuvkrafter, men inte moment.
Flexibla kopplingar används ofta i konstruktioner där kopplingarna mellan balkar och pelare måste hantera små vridningar.
- Styv koppling: En styv koppling, även kallad momentbeständig eller fast koppling, överför både skjuvning och moment mellan delarna som är anslutna.
Styva kopplingar används när kopplingen mellan en balk och en pelare ska klara stora vridningar eller vridkrafter.
Särskilda anslutningar
För krokiga fogar, excentriska balkar till pelare och anslutningar till pelarliv kan enkla anslutningar användas.
Dessa kopplingar anses vara speciella.
Genom att göra balksektionerna mindre kan enkla anslutningar få mer motstånd mot att knytas ihop.
Detta kan göras genom att skära hål i balkens liv eller genom att skära bort en del av balkens flänsar (reducerat livparti).
Faktorer som påverkar Beam-Column Connection Design
Vilken typ av balk-pelare anslutning som används beror på ett antal saker, såsom hur mycket vikt strukturen kan hålla, de strukturella designkraven och materialens egenskaper.
Några av de saker som påverkar hur balk-kolonnanslutningar görs är:
- Lastkapacitet: Balk-pelarkopplingen måste ha tillräcklig lastkapacitet för att hålla emot de krafter och moment som sannolikt kommer att påverka den.
- Krav för strukturell utformning: Utformningen av balk-pelarkopplingen måste uppfylla byggnormen och projektspecifikationerna för strukturell utformning.
- Materialegenskaper: Konstruktionen måste ta hänsyn till styrkan och styvheten hos de material som används i balk-pelarkopplingen.
Maximalt moment och design
I strukturell design är en strukturs förmåga att motstå böjmoment en nyckeldel för att se till att den förblir stabil.
Maximalt ögonblick
Böjmomentekvationer och formler används för att räkna ut hur mycket en balk kan böjas.
Det maximala momentet är det högsta moment som en konstruktion kan ha under ett visst belastningsfall.
Det är viktigt att komma ihåg att det viktigaste fallet för design kanske inte alltid är det maximala ögonblicket.
På grund av hur böjning och axiella krafter eller torsionskrafter samverkar, kan ett annat belastningsfall med ett lägre momentvärde sluta rapporteras som det viktigaste fallet för design.
Design ögonblick
Designmoment och maximala ögonblick är inte samma sak.
Designmoment räknas ut genom att titta på kodkrav och säkerhetsfaktorer, medan maximala moment räknas ut genom att titta på resultaten av en analys.
Designmomenten tar hänsyn till saker som materialets egenskaper, säkerhetsfaktorer och kombinationer av laster baserat på vad koden säger.
Designmoment är mycket viktiga för att säkerställa att strukturen klarar de belastningar som utsätts för den och ändå har tillräckligt med utrymme för säkerhet.
Tänk på följande saker för att ta reda på designögonblicket:
- Materialegenskaper: När man räknar ut designmomentet tas hänsyn till balkens sträckgräns och elasticitetsmodul.
- Lastkombinationer: Designmomentet beräknas genom att använda byggkodens lista över de olika lastkombinationerna.
- Säkerhetsfaktorer: Designmomentet inkluderar säkerhetsfaktorer för att säkerställa att strukturen kan hantera belastningar över och utöver de maximala förväntade belastningarna.
Designa strålkolumner
Balkpelare är strukturella delar som både är sammanpressade längs sin längd och böjda över sin bredd.
I byggnader används de för att flytta vikt från balken ovanför till grunden.
För att designa en balkpelare måste du räkna ut hur mycket vikt den är och hur stor den är.
Du kan göra detta med programvara som Autodesk Inventor's Beam/Column Calculator eller för hand med hjälp av formler från läroböcker för civilingenjör eller webbplatser som CivilJungle.com eller Civiconcepts.com.
Beräknar laster på en balkpelare
Det första steget i att göra en balk-pelarstruktur är att ta reda på hur mycket vikt som läggs på balken och pelaren.
För det mesta sätts belastningar på pelare vid deras ändar, vilket orsakar axiella tryckspänningar.
Ibland kan axiella krafter, tvärkrafter och böjmoment alla verka på en pelare (t.ex. Balkpelare).
Genom att dividera den faktiska lastfördelningen med balkens längd kan man hitta den jämnt fördelade lasten i kilonewton per meter.
Beräknar storleken på balken och kolumnen
När du har räknat ut hur mycket vikt som är på balkkolonnen, måste du räkna ut hur stor balk och pelare måste vara baserat på hur mycket vikt som är på var och en.
Till exempel skulle volymen betong för en 230 mm x 450 mm balk, exklusive plattans tjocklek, vara 0,23 x 0,60 x 1 = 0,138 m3, och den skulle väga 0,138 x 2400 = 333 kg.
På samma sätt kan den totala vikten av en kolonn vars längd vanligtvis är tre gånger dess minsta tvärsnittsbredd hittas genom att lägga ihop vikterna för alla dess delar.
Beam-Column Connection
En balk-pelare koppling är där en balk och en pelare möts i en byggnad.
Den består av fogen och de delar av balkarna, pelarna och plattan som ligger bredvid fogen.
Beroende på hur styv anslutningen är finns det olika typer av balk-pelarkopplingar.
En flexibel anslutning, som också kallas en enkel eller stiftförbindning, överför skjuvkraft eller axiell kraft men inte moment.
En stel förbindning, som även kallas en momentbeständig förbindning eller en fast förbindning, flyttar både skjuvning och moment mellan delarna som är sammankopplade.
För krokiga fogar, excentriska balkar till pelare och anslutningar till pelarliv kan enkla anslutningar användas.
Maximalt böjmoment
När en yttre kraft appliceras på en balkpelare, vilket får den att böjas och så småningom gå sönder, det är då böjmomentet är som högst.
När stiftade stöd används för att hålla upp en kontinuerlig stråle, inträffar svängningsmoment vid de mellanliggande stöden och hängmoment inträffar vid spännvidden.
Mycket nära de mellanliggande stöden finns punkter för kontraflexur.
Det är möjligt för punkten för maximalt moment att vara där det större primära momentet appliceras.
Design Moments och Maximum Moments
Designmoment räknas ut genom att titta på kodkrav och säkerhetsfaktorer, medan maximala moment räknas ut genom att titta på resultaten av en analys.
Vid utformning av moment beaktas många saker, såsom materialets egenskaper, säkerhetsfaktorer och lastkombinationer.
Maximala moment tar endast hänsyn till de belastningar som utsätts för en konstruktion, inte säkerhets- eller kodkrav.
Smalhetsförhållande
Inom anläggningsteknik är slankhetsförhållandet förhållandet mellan längden på en pelare och dess minsta sidodimension.
För att ta reda på det, dividera kolonnens effektiva längd med dess rotationsradie.
Slankhetsförhållandet används för att räkna ut hur mycket vikt en pelare kan hålla innan den böjs.
Om slankhetsförhållandet är mindre än eller lika med 12 anses kolumnerna vara korta.
Om det är fler än 12 anses kolumnerna vara långa eller smala.
Korta kolumner styrs av deras längd och bredd, medan långa, tunna kolumner styrs av deras förhållande mellan längd och bredd.
Balk-/kolumnkopplingar
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.
Beam kolumn använder
Broar:
Balkpelare används ofta för att bygga broar eftersom de kan hantera böjmoment som orsakas av fordonens vikt samt sidokrafter orsakade av vind och jordbävningar.
De kan även tillverkas för att passa olika spännvidder och laster, vilket gör dem till ett bra val för både kortspännande och långspännande broar.
Stora, höga byggnader:
Balkpelare används ofta i höga byggnader eftersom de kan hålla tunga vikter och motstå krafterna från vind och jordbävningar.
De är också bra för höga byggnader eftersom de kan göras med olika längder och diametrar.
Detta hjälper till att fördela vikten jämnare och gör byggnaden mer stabil som helhet.
Industriella strukturer:
Eftersom de kan hålla tung utrustning och maskiner, används balkpelare ofta i industribyggnader som fabriker och lager.
I dessa typer av byggnader används balkpelare ofta för att stödja takstolar och flytta vikt från taket till grunden.
Bostadsstrukturer:
Balkpelare används också i bostadshus, särskilt för väggar och grunder i källare.
De kan också användas som stödpelare i öppna planlösningar för att hålla de övre våningarna stabila.
Infrastrukturprojekt:
Balkpelare används ofta i infrastrukturprojekt som tunnlar, dammar och stödmurar.
I tunnlar håller balkpelare upp tak och väggar.
I dammar hjälper de till att sprida vikten av vattnet jämnt över strukturen.
Balkpelare kan användas i stödmurar för att stoppa sidokrafterna som orsakas av marktryck och vatten.
Slutsats
När vi avslutar vår titt på balkpelare är det tydligt att dessa byggnadsdelar är mycket viktiga i ingenjörsvärlden.
Från grunden till våra byggnader till vägarna som förbinder våra städer, balkpelare ger många av de strukturer vi använder varje dag det stöd och stabilitet de behöver.
Men balkpelare är också intressanta eftersom de ger oss en unik titt på hur form och funktion samverkar.
Hur en balkpelare görs och sätts på plats kan ha stor inverkan på hur en byggnad ser ut och känns som helhet.
På grund av detta kan vi tänka på balkpelare inte bara som användbara verktyg, utan också som en viktig del av teknik som konst och vetenskap.
Så nästa gång du går förbi en skyskrapa eller korsar en bro, ta en stund att uppskatta den enkla balkpelaren som hjälper till att göra allt möjligt.
Länkar och referenser
Introduktion till design av stålpelare eller kompressionselement
Detaljbyggnad med stål
Strukturell användning av betong
Dela på…
