Bir mühendislik öğrencisi veya mühendis olarak, yapıların farklı türdeki yükleri kaldırabilmesinin ne kadar önemli olduğunu bilirsiniz.
Ancak eksenel yükün ortaya çıkardığı benzersiz sorunları hiç düşündünüz mü? Kesme kuvveti, burulma yükü ve eğilme yükünün aksine, eksenel yük doğrudan bir yapının ekseni boyunca kuvvet uygular.
Bu, yapıları tasarlarken, inşa ederken ve bakımını yaparken tamamen yeni bir dizi şeyin dikkate alınması gerektiği anlamına gelir.
Bu yazıda, eksenel yük hakkında ayrıntılara gireceğim ve bu önemli kuvveti kaldırabilecek yapılar inşa etmek için bilmeniz gereken her şeyi ele alacağım.
Kemerlerinizi bağlayın ve başlayalım!
Eksenel Yüke Giriş
Resmi tanımlama:
Belirli bir kesitin ağırlık merkezinden geçen ve kesit düzlemine dik olan bileşkesi olan bir kuvvet.
Eksenel yük, bir yapısal elemana ekseni boyunca baskı uygulayan bir yük türüdür.
Kesme kuvveti, burulma yükü ve eğilme yükünün aksine, eksenel yük çekme veya kesme kuvvetinden daha fazla sıkıştırma gerilimi oluşturur.
Kesme Kuvveti, Burulma Yükü ve Eğilme Yükü: Farklar
Kesme kuvveti, gerilmenin bir nesnenin düzlemi boyunca yayılmasına neden olurken, burulma kuvveti, gerilmenin nesnenin uzunlamasına ekseni etrafında yayılmasına neden olur.
Bir yük büküldüğünde, normal gerilim ve enine kayma gerilimi oluşturur.
Normal gerilim hem eksenel hem de enine gerilimi içerirken, enine kayma gerilimi hem burulma hem de enine kayma gerilimini içerir.
Eksenel Yükün Önemi
Eksenel yükler hem implantın yapısını hem de çevresindeki kemiği değiştirebileceği için önemlidir.
Mühendislikte eksenel yük, kolonların, kirişlerin ve kafes kirişlerin nasıl yapıldığının çok önemli bir parçasıdır.
Biyomekanikte eksenel yükler, diğer yaralanmaların yanı sıra kırıklara veya eklem yer değiştirmelerine neden olabilen kemiklerin hareket şeklini değiştirebilir.
Bu nedenle, eksenel yükün nasıl çalıştığını anlamak hem mühendislikte hem de tıpta önemlidir.
Eksenel Yükleme ve Enine Yükleme Arasındaki Fark
İpucu: Gerekirse altyazı düğmesini açın. İngilizce diline aşina değilseniz, ayarlar düğmesinde "otomatik çeviri"yi seçin. En sevdiğiniz dil çeviri için uygun hale gelmeden önce videonun diline tıklamanız gerekebilir.
Yapısal Elemanlar ve Eksenel Yükler
Makaslar ve kolonlar, çoğunlukla eksenel yükleri taşımak için yapılmış iki yaygın yapısal eleman türüdür.
Makaslar: Özellikler ve Uygulamalar
Makaslar, eksenel kuvvetleri elemanlarında taşımak için yapılan yapısal elemanlardır.
Bu kuvvetler, en kötü durum yüklerine ve yük kombinasyonlarına bağlı olarak çekme, sıkıştırma veya tersinir çekme/bastırma olabilir.
Kafes elemanları, aynı miktarda ağırlığı desteklemek için daha az malzeme kullanır.
Bu, onları güçlü olması ancak çok ağır olmaması gereken köprüler veya çatılar için harika kılar.
Ancak makas elemanları serbestçe hareket edebilir ve yükleri yalnızca bir yönde taşıyabilir.
Bu, yan yana hareket eden veya bükülen yüklere dayanacak kadar güçlü olmadıkları anlamına gelir.
Sütunlar: Özellikler ve Uygulamalar
Kolonlar, ağır eksenel basınç yüklerine maruz kalan döşeme kirişlerini veya döşemeleri tutan çelik bina çerçevelerinin dikey parçalarıdır.
Çoğunlukla sıkıştırıcı eksenel yüklere dayanacak şekilde yapılırlar, ancak nasıl kurulduklarına ve nasıl yapıldıklarına bağlı olarak eğilme ve kesme kuvvetlerine de dayanabilirler.
Sütunlar yuvarlak, kare veya dikdörtgen olabilir ve diğer şeylerin yanı sıra beton, çelik veya ahşaptan yapılabilir.
Çerçeve Elemanları: Özellikler ve Uygulamalar
Kirişler ve kolonlar, nasıl kurulduklarına ve yapıldıklarına bağlı olarak, uzunlukları boyunca hem enine hem de eksenel yükleri taşıyabilirler.
Genellikle bina ve inşaat projelerinde zeminleri, çatıları ve duvarları tutmak için kullanılırlar.
Ancak, kafes kiriş elemanlarının aksine, çerçeve elemanları sadece eksenel yükleri desteklemek zorunda değildir; ayrıca enine yükleri de destekleyebilirler.
Maksimum Eksenel Yükü Belirleme
Bir yapı inşa ederken, belirli bir elemanın veya yapının ne kadar eksenel yükü kaldırabileceğini bilmek önemlidir.
Sütunlar İçin Maksimum Eksenel Yükü Hesaplama
Bir kolonun ne kadar eksenel yükü kaldırabileceğini öğrenmek için KL/r değerini hesaplayabilir ve ardından bir tablodan cFcr değerine bakabilirsiniz.
Kolonun enine kesitindeki gerilme, f'nin tüm kesitte aynı olduğu varsayıldığı AP=f denklemi kullanılarak bulunabilir.
Belverme, kolonlar için bir göçme sınır durumu olarak bilinir ve Denklem, kolonlar (3.1) için kritik burkulma yükünü Pcr verir.
Ancak belirli bir kolon için kritik burkulma yükünü tam olarak anlamak için daha fazla denkleme ve yönteme ihtiyacınız vardır ve tasarım, kolonun nasıl bittiğini ve malzemenin özelliklerini dikkate almalıdır.
Yaklaşık Maksimum Yük Taşıma Kapasitesi
Bir çelik tasarım yapmak ve etkileşim oranına bakmak, bir üyenin taşıyabileceği en fazla ağırlık hakkında kabaca bir fikir edinmenin iyi bir yoludur.
Etkileşim oranı, bir üyenin taşıyabileceği en fazla ağırlık ile gerçekte ne kadar ağırlık taşıdığı arasındaki orandır.
Bu oranın tersi, her bir üyenin kırılmadan önce ne kadar fazla ağırlık taşıyabileceğini söyler.
Bu yöntemin yalnızca bir tahmin verdiğini hatırlamak önemlidir.
Bir elemanın taşıyabileceği gerçek maksimum yük, hesaplanan değerden daha düşük veya daha yüksek olabilir.
Maksimum Eksenel Yük için Tasarım
Yapılar tasarlanırken, elemanlar kabaca mimari çizimlere ve diğer ilgili belgelere göre boyutlandırılır ve ağırlıkları, çoğu kanundan ve diğer inşaat mühendisliği literatüründen alınan bilgiler kullanılarak hesaplanır.
Ancak yapılar, üzerlerine etki edebilecek en büyük yük olan kritik yükü taşıyacak şekilde inşa edilmelidir.
Bu, bir yapının ömrü boyunca taşıyabileceği tüm yüklerin toplanmasıyla yapılır.
Bu, hem hareketli yükleri hem de ölü yükleri ve ayrıca rüzgar, deprem ve diğer olası yüklerin neden olduğu yükleri içerir.
Uzun İnce Kolonlarda Kritik Yük
Kritik yük, bir kolonun bükülmeye başlamadan önce taşıyabileceği en eksenel ağırlıktır.
Euler Formülü: Kritik Yükü Hesaplama
Euler'in formülü kritik yükü bulmak için kullanılabilir: Pcr = (2EI)/(KL)2, burada Pcr, Euler'in kritik yüküdür, E, Young'ın elastisite modülüdür, I, kesit alanının minimum ikinci momentidir. Sütun (alan atalet momenti), K sütun etkin uzunluk faktörü ve L sütunun desteklenmeyen uzunluğudur.
Kritik Yükün Önemi
Kritik yük, malzemenin ne kadar güçlü olduğuna bağlı olmadığından, ince kolonların eksenel sıkıştırma kuvvetine ne kadar süreyle tepki verdiğini bulmak için önemlidir.
Bu, bükülebilecek ince yapılar inşa ederken, mühendislerin kolonun uzunluğunun en küçük dönme yarıçapına bölümü olan narinlik oranına ekstra dikkat etmeleri gerektiği anlamına gelir.
Yüksek narinlik oranı, küçük sıkıştırma yüklerinin yapının kırılmasına neden olma olasılığının daha yüksek olduğu anlamına gelir.
Burkulma, uzunluğu boyunca sıkıştırılan düz bir kolon aniden büküldüğünde meydana gelir. Bu, sütunlar için bir başarısızlık sınırı durumudur.
Eksenel Yük Hücreleri ve Uygulamaları
Tek bir eksen boyunca kuvveti ölçen yük hücreleri, eksenel yük hücreleri olarak adlandırılır.
Eksenel Yük Hücrelerinin Çalışma Prensibi
Eksenel yük hücreleri, kendilerine uygulanan kuvveti okunabilen ve yazılabilen bir elektrik sinyaline çevirerek çalışırlar.
Eksenel yükün bir şeyin şeklini ne kadar değiştirdiğini ölçmek için gerinim ölçerler kullanırlar.
Yük hücresine ekseni boyunca bir kuvvet uygulandığında, gerinim ölçerler eğilir ve bu da dirençlerini değiştirir.
Dirençteki değişiklik daha sonra ölçülebilen bir elektrik sinyaline dönüştürülür.
Eksenel Yük Hücrelerinin Uygulamaları
Eksenel olarak monte edilmiş yük hücreleri, havacılık, otomotiv ve imalat gibi birçok alanda kullanılmaktadır.
Eksenel yük hücrelerinin kullanıldığı bazı yaygın yollar şunlardır:
- Binaların ve köprülerin kirişler ve kolonlar gibi yapısal parçaları inşa edilirken veya kullanılırken üzerindeki kuvveti ölçmek.
- Bir şeyi sıkıştırmak veya germek için ne kadar kuvvet gerektiğini veya bir şeyi kırmak veya deforme etmek için ne kadar kuvvet gerektiğini bulmak gibi test kullanımları.
- Güvenli bir şekilde çalıştıklarından emin olmak için hidrolik presler, vinçler ve asansörler gibi şeylere göz kulak olmak.
- Bu makalenin altında daha fazlasını listeleyeceğim.
Eksenel Yükün Diğer Yönleri
Eksenel Rüzgar Yükü
Eksenel rüzgar yükü, rüzgar akışının bir binaya uyguladığı kuvvettir.
Geçmişte özellikle kıyı bölgelerinde rüzgar kuvvetleri birçok binanın yıkılmasına neden olmuştur.
İnşaat mühendisleri, rüzgar hızını ve basıncını zemin seviyesinden farklı yüksekliklerde hesaplamak için yapının zemin seviyesinden yüksekliğini ve insanların yaşamları ve mülkleri için ne kadar önemli olduğunu dikkate alan ASCE 7-16 değiştirilmiş denklem 2.2'yi kullanır.
İnşaat mühendisleri, eksenel rüzgar yükünü hesaplamak için öngörülen alan, rüzgar basıncı, sürükleme katsayısı, maruz kalma katsayısı, sert tepki faktörü ve önem faktörü gibi şeyleri hesaba katan bir formül kullanır.
Bir formül F = A x P x Cd'dir; burada F kuvvet veya rüzgar yüküdür, A nesnenin öngörülen alanıdır, P rüzgar basıncıdır ve Cd sürtünme katsayısıdır.
Yorulma Mukavemeti
Bir yapının eksenel ve eğilme yükleri altındaki yorulma dayanımının hesaplanması, eksenel ve eğilme yüklemeleri için yorulma dayanımlarının oranına dayanan analitik yöntemler kullanılarak yapılabilir.
Bu yöntemlerde, döner eğilme yükü altındaki yorulma mukavemeti, eksenel yük altındaki yorulma mukavemetine dönüştürülür.
Analitik bir modelin nasıl çalıştığını bulmak için, her iki yükleme koşulunda da yüksek devirli yorulma testleri yapılabilir.
Ayrıca, ana gerilimlerden birinin genellikle sıfır olduğu yüzeyinde kullanıldığında bir malzemenin ne kadar süre dayanacağını bulmak için düzlem gerilim modelleri kullanılabilir.
Son olarak, SN eğrileri, N döngüde izin verilen maksimum gerilimi ve bir yorulma mukavemeti azaltma faktörü kf'yi bulmak için kullanılabilir.
Rulmanlar ve Maksimum Eksenel Yük
Tutuculu (veya kafesli) radyal bilyalı rulmanlar çoğunlukla radyal yükleri taşımak için yapılır, ancak eksenel yükleri de kaldırabilirler.
Bir yatağa yüklenebilecek eksenel yük miktarı, boyutuna bağlıdır ve genellikle yatağın radyal yük derecesinin bir yüzdesi olarak verilir.
Deliğin çapı ile dış halkanın çapı arasındaki fark büyük olduğunda, rulman radyal statik yükün %50'sine kadar olan eksenel yükleri alabilir.
İnce kesitli yataklardaki kanallar daha sığdır ve bu da onların eksenel yükleri daha az kaldırabilmelerini sağlar.
Rulmanın ağır bir eksenel yükü taşıması gerekiyorsa, bir açısal temaslı rulman kullanılmalıdır.
Bunlar, sabit bilyalı rulmanlardan farklı iç kısımda yapılmıştır, bu nedenle daha yüksek eksenel yükleri kaldırabilirler.
Belirli bir iç çapa sahip bilyalı rulmanlar için maksimum eksenel yük, rulmanın boyutu, rulman kanalının derinliği ve ağır radyal veya moment yüklerine maruz kalıp kalmadığı gibi birçok şeye bağlıdır.
Bir yatağa yüklenebilecek eksenel yük miktarı, genellikle yatağın radyal yük derecesinin yaklaşık bir değeri olarak verilir.
SKF, tandem veya sırt sırta/yüz yüze konfigürasyonlarda kurulan tekli rulmanlar ve rulman çiftleri için minimum eksenel ve radyal yükler sağlar.
Bilyalı yataklara uygulanabilecek en fazla baskı, iç kısımda nasıl yapıldıklarına bağlıdır.
Yapılarda Eksenel Yükleme
Bir yapıya doğrudan yapının ekseni boyunca bir kuvvet uygulandığında buna eksenel yükleme denir.
Bir noktasal yük olduğunda, yükleme noktasına yakın gerilim ortalama gerilimden çok daha yüksektir.
Bu durum çok karmaşık deformasyonlara neden olur çünkü gerilim durumları çok karmaşıktır.
Normal gerilim ve kayma gerilimi, bir kesit üzerindeki ortalama gerilimi ölçmenin iki yoludur.
Kesit boyunca nereye bakarsanız bakın, gerilim miktarı aynıdır.
Noktasal yük, küçük bir alanda yoğunlaşan dışarıdan gelen bir kuvvettir.
Kullanım örnekleri
Eksenel yükün kullanılabileceği bazı yollar şunlardır:
| Kullanılan: | Tanım: |
|---|---|
| Sütun Tasarımı | Sütunlar, eksenel yükleri desteklemek için yapılmış yapısal bir elemanın harika bir örneğidir. Örneğin, binalarda, kolonlar üst katların ve çatının ağırlığını taşır, bu da kolonun karşı koyması gereken bir sıkıştırıcı eksenel yük oluşturur. Eksenel yük, kuvvet altında bükülmeyeceklerinden veya kırılmayacaklarından emin olmak için kolonları tasarlarken düşünülmesi gereken önemli bir şeydir. |
| Köprüler | Köprüleri tasarlarken, eksenel yük de düşünülmesi gereken çok önemli bir şeydir. Basınç eksenel yükleri, köprünün ve taşıdığı araçların ağırlığından kaynaklanır. Köprü bu yüklere dayanabilmelidir. Köprüler, tümü bükülme momentlerine ve kesme kuvvetlerine neden olabilecek rüzgar, deprem ve trafik gibi şeylerden de etkilenebilir. Güvenli ve kullanışlı köprüler yapmak için bu yüklerin birbirleriyle nasıl etkileşime girdiğini bilmek önemlidir. |
| Kule Tasarımı | İletim kuleleri, hücre kuleleri ve rüzgar türbinleri gibi kulelere yüksek basınçlı eksenel yükler uygulanır. Bu yapıları yaparken, diğer şeylerin yanı sıra, bunların nasıl yükleneceğini, malzemelerini, kulelerin yüksekliğini ve genişliğini düşünmeniz gerekir. Bu yapıların güvenli olduğundan ve uzun süre dayandığından emin olmak için eksenel yüklerin bunları nasıl etkilediğini bilmeniz gerekir. |
| Üretim ve test | Eksenel yük, malzemelerin ve ürünlerin belirli yüklere kırılmadan veya deforme olmadan dayanabilmesi gereken imalat ve testlerde de önemli bir kavramdır. Eksenel yük hücreleri gibi test araçlarıyla, bir malzeme veya ürünün kırılmadan önce ne kadar eksenel yük taşıyabileceğini öğrenebilirsiniz. |
| Havacılık Uygulamaları | Uzayda kullanılmak üzere roketler, füzeler ve diğer araçlar tasarlanırken eksenel yükler çok önemli olabilir. Eksenel yüklere aracın ağırlığı, hızı veya titreşimleri neden olabilir. Güvenli ve etkili sistemler yapmak için eksenel yüklerin bir aracın yapısal parçalarını nasıl etkilediğini bilmek önemlidir. |
Çözüm
Bu makalede gördüğümüz gibi, eksenel yük, üzerlerine uygulanan kuvvetlere dayanabilen yapıların tasarlanması ve inşa edilmesinin önemli bir parçasıdır.
Bu önemli kuvvetle çalışırken, uzun, ince kolonların benzersiz zorluklarını anlamaktan mühendislik araç setinize eksenel yük hücreleri eklemeye kadar düşünülmesi gereken çok şey vardır.
Ancak eksenel yük, mühendisliğin sürekli değişen karmaşık bir alan olduğunu da hatırlatır.
Mümkün olanın sınırlarını zorlamaya devam ettikçe, kaçınılmaz olarak yaratıcı düşünmemizi ve çözmek için birlikte çalışmamızı gerektirecek yeni sorunlarla karşılaşacağız.
Bu nedenle, bir dahaki sefere eksenel yük ile çalıştığınızda açık fikirli olun ve öğrenmeye hazır olun.
Bir sonraki köşede hangi yeni şeylerin olduğunu kim bilebilir?
Paylaş…
