Tìm Hiểu Về Tải Trọng Dọc Trục Trong Kỹ Thuật

Là một sinh viên kỹ thuật hoặc kỹ sư, bạn biết tầm quan trọng của việc các cấu trúc có thể xử lý các loại tải trọng khác nhau.

Nhưng bạn đã bao giờ nghĩ về những vấn đề độc nhất mà tải trọng hướng trục gây ra chưa? Trái ngược với lực cắt, tải trọng xoắn và tải trọng uốn, tải trọng dọc trục tác dụng lực trực tiếp dọc theo trục của kết cấu.

Điều này có nghĩa là khi thiết kế, xây dựng và bảo trì các cấu trúc, cần phải tính đến một loạt vấn đề hoàn toàn mới.

Trong bài viết này, tôi sẽ đi vào chi tiết về tải trọng dọc trục và đề cập đến mọi thứ bạn cần biết để xây dựng các cấu trúc có thể xử lý lực quan trọng này.

Vì vậy, hãy thắt dây an toàn và chúng ta hãy bắt đầu!.

Giới thiệu về tải trọng dọc trục

Định nghĩa chính thức:

Một lực với kết quả của nó đi qua trọng tâm của một phần cụ thể và vuông góc với mặt phẳng của phần đó.

Tải trọng dọc trục là một loại tải trọng gây áp lực lên một thành viên kết cấu dọc theo trục của nó.

Không giống như lực cắt, tải trọng xoắn và tải trọng uốn, tải trọng dọc trục tạo ra nhiều ứng suất nén hơn lực căng hoặc lực cắt.

Lực cắt, Tải trọng xoắn và Tải trọng uốn: Sự khác biệt

Lực cắt gây ra ứng suất phân tán dọc theo mặt phẳng của vật thể, trong khi tải trọng xoắn gây ra ứng suất phân tán xung quanh trục dọc của vật thể.

Khi một tải trọng bị uốn cong, nó sẽ tạo ra ứng suất pháp tuyến và ứng suất cắt ngang.

Ứng suất bình thường bao gồm cả ứng suất dọc trục và ngang, trong khi ứng suất cắt ngang bao gồm cả ứng suất cắt xoắn và ngang.

Tầm quan trọng của tải trọng trục

Lực dọc trục rất quan trọng vì chúng có thể thay đổi cả cấu trúc của implant và xương xung quanh nó.

Trong kỹ thuật, tải trọng dọc trục là một phần rất quan trọng trong cách tạo ra các cột, dầm và vì kèo.

Trong cơ sinh học, tải trọng dọc trục có thể thay đổi cách xương di chuyển, có thể gây gãy xương hoặc thay khớp, trong số các chấn thương khác.

Do đó, điều quan trọng trong cả kỹ thuật và y học là phải hiểu cách thức hoạt động của tải trọng dọc trục.

Sự khác biệt giữa tải dọc trục và tải ngang

Mẹo: Bật nút phụ đề nếu bạn cần. Chọn “dịch tự động” trong nút cài đặt, nếu bạn không quen với ngôn ngữ tiếng Anh. Bạn có thể cần nhấp vào ngôn ngữ của video trước khi ngôn ngữ yêu thích của bạn có sẵn để dịch.

Thành viên kết cấu và Tải trọng trục

Kèo và cột là hai loại cấu kiện phổ biến chủ yếu được chế tạo để chịu tải trọng dọc trục.

Vì kèo: Đặc điểm và ứng dụng

Vì kèo là các thành viên kết cấu được chế tạo để mang lực dọc trục trong các thành viên của chúng.

Các lực này có thể là lực căng, lực nén hoặc lực căng/nén đảo ngược, tùy thuộc vào trường hợp tải trọng xấu nhất và tổ hợp tải trọng.

Các thành viên giàn sử dụng ít vật liệu hơn để hỗ trợ cùng một trọng lượng.

Điều này làm cho chúng trở nên tuyệt vời cho những cây cầu hoặc mái nhà cần chắc chắn nhưng không quá nặng.

Nhưng các thành viên giàn được tự do di chuyển và chỉ có thể mang tải theo một hướng.

Điều này có nghĩa là chúng không đủ mạnh để chống lại các tải trọng di chuyển sang hai bên hoặc uốn cong.

Cột: Đặc điểm và Ứng dụng

Cột là các bộ phận thẳng đứng của khung nhà thép giữ dầm sàn hoặc sàn chịu tải trọng nén dọc trục nặng.

Chúng chủ yếu được chế tạo để chống lại tải trọng nén dọc trục, nhưng tùy thuộc vào cách chúng được thiết lập và cách chúng được chế tạo, chúng cũng có thể chống lại lực uốn và lực cắt.

Các cột có thể là hình tròn, hình vuông hoặc hình chữ nhật và chúng có thể được làm bằng bê tông, thép hoặc gỗ, trong số những thứ khác.

Thành viên khung: Đặc điểm và ứng dụng

Tùy thuộc vào cách chúng được thiết lập và chế tạo, dầm và cột có thể mang cả tải trọng ngang và tải trọng dọc theo chiều dài của chúng.

Chúng thường được sử dụng để giữ sàn, mái và tường trong các công trình xây dựng và xây dựng.

Tuy nhiên, không giống như các thành viên giàn, các thành viên khung không phải chỉ hỗ trợ tải trọng dọc trục; họ cũng có thể hỗ trợ tải ngang.

Xác định tải trọng dọc trục tối đa

Khi xây dựng một cấu trúc, điều quan trọng là phải biết tải trọng dọc trục mà một thành viên hoặc cấu trúc nhất định có thể chịu được.

Tính tải trọng trục tối đa cho cột

Để biết một cột có thể chịu được bao nhiêu tải trọng dọc trục, bạn có thể tìm ra KL/r của nó và sau đó tra cứu giá trị của cFcr trong một bảng.

Có thể tìm thấy ứng suất trong mặt cắt ngang của cột bằng cách sử dụng phương trình AP=f, trong đó f được giả định là như nhau trên toàn bộ mặt cắt ngang.

Độ oằn được biết đến là trạng thái giới hạn hư hỏng đối với cột và Công thức đưa ra tải trọng oằn tới hạn Pcr cho cột (3.1).

Nhưng để tính toán đầy đủ tải trọng oằn tới hạn cho một cột nhất định, bạn cần nhiều phương trình và phương pháp hơn, đồng thời thiết kế phải tính đến cách cột kết thúc và các đặc tính của vật liệu.

Xấp xỉ khả năng chịu tải tối đa

Thực hiện một thiết kế thép và xem xét tỷ lệ tương tác là một cách hay để có được ý tưởng sơ bộ về trọng lượng lớn nhất mà một thành viên có thể mang theo.

Tỷ lệ tương tác là tỷ lệ giữa trọng lượng lớn nhất mà một thành viên có thể mang và trọng lượng thực tế mà thành viên đó đang mang.

Nghịch đảo của tỷ lệ đó cho bạn biết mỗi thành viên có thể mang thêm bao nhiêu trọng lượng trước khi nó bị gãy.

Điều quan trọng cần nhớ là phương pháp này chỉ đưa ra ước tính.

Tải trọng tối đa thực tế mà một thành viên có thể mang có thể thấp hơn hoặc cao hơn giá trị tính toán.

Thiết kế cho tải trọng trục tối đa

Khi thiết kế cấu trúc, các thành viên có kích thước đại khái dựa trên bản vẽ kiến ​​trúc và các tài liệu liên quan khác, đồng thời trọng lượng của chúng được tính toán bằng cách sử dụng thông tin từ hầu hết các mã và tài liệu kỹ thuật dân dụng khác.

Nhưng các cấu trúc phải được xây dựng để xử lý tải trọng tới hạn, đây là tải trọng lớn nhất có thể tác động lên chúng.

Điều này được thực hiện bằng cách cộng tất cả các tải trọng mà một cấu trúc có thể mang trong suốt vòng đời của nó.

Điều này bao gồm cả hoạt tải và tĩnh tải, cũng như tải trọng do gió, động đất và các tải trọng có thể khác gây ra.

Tải trọng quan trọng trong các cột dài thanh mảnh

Tải trọng tới hạn là trọng lượng dọc trục lớn nhất mà một cột có thể giữ được trước khi nó bắt đầu uốn cong.

Công thức Euler: Tính tải tới hạn

Công thức của Euler có thể được sử dụng để tìm tải trọng tới hạn: Pcr = (2EI)/(KL)2, trong đó Pcr là tải trọng tới hạn của Euler, E là mô đun đàn hồi Young, I là mômen thứ hai nhỏ nhất của diện tích mặt cắt ngang của cột (mômen quán tính diện tích), K là hệ số chiều dài hiệu dụng của cột và L là chiều dài không được hỗ trợ của cột.

Tầm quan trọng của tải tới hạn

Tải trọng tới hạn rất quan trọng để xác định thời gian các cột mỏng, phản ứng với lực nén dọc trục vì nó không phụ thuộc vào độ bền của vật liệu.

Điều này có nghĩa là khi xây dựng các cấu trúc mỏng có thể uốn cong, các kỹ sư cần chú ý nhiều hơn đến tỷ lệ độ mảnh, là chiều dài của cột chia cho bán kính quay nhỏ nhất của nó.

Tỷ lệ độ mảnh cao có nghĩa là tải trọng nén nhỏ có nhiều khả năng khiến cấu trúc bị phá vỡ.

Độ vênh xảy ra khi một cột thẳng đang bị nén dọc theo chiều dài của nó đột ngột bị uốn cong. Đây là trạng thái giới hạn lỗi cho các cột.

Các cảm biến tải trọng hướng trục và ứng dụng của chúng

Cảm biến tải trọng đo lực dọc theo một trục được gọi là cảm biến tải trọng hướng trục.

Nguyên tắc làm việc của cảm biến tải trọng hướng trục

Cảm biến tải trọng hướng trục hoạt động bằng cách biến lực tác dụng lên chúng thành tín hiệu điện có thể đọc và ghi được.

Họ sử dụng máy đo biến dạng để đo mức độ tải trọng dọc trục làm thay đổi hình dạng của một thứ gì đó.

Khi một lực tác động lên cảm biến tải trọng dọc theo trục của nó, đồng hồ đo biến dạng sẽ uốn cong, làm thay đổi điện trở của chúng.

Sự thay đổi điện trở sau đó được chuyển thành tín hiệu điện có thể đo được.

Các ứng dụng của cảm biến tải trọng hướng trục

Các cảm biến tải trọng gắn dọc trục được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, như hàng không vũ trụ, ô tô và sản xuất.

Một số cách phổ biến mà cảm biến tải trọng hướng trục được sử dụng là:

• Đo lực tác dụng lên các bộ phận kết cấu của tòa nhà và cầu, như dầm và cột, trong khi chúng đang được xây dựng hoặc sử dụng.
• Thử nghiệm sử dụng, chẳng hạn như tìm hiểu xem cần bao nhiêu lực để bóp hoặc kéo căng một thứ gì đó, hoặc cần bao nhiêu lực để làm gãy hoặc biến dạng một thứ gì đó.
• Theo dõi những thứ như máy ép thủy lực, cần cẩu và thang máy để đảm bảo chúng hoạt động an toàn.
• Tôi sẽ liệt kê thêm ở cuối bài viết này.

Các khía cạnh khác của tải trọng hướng trục

Tải trọng gió hướng trục

Tải trọng gió dọc trục là lực mà luồng gió tác dụng lên công trình.

Trong quá khứ, lực gió, đặc biệt là ở các khu vực ven biển, đã khiến nhiều tòa nhà bị đổ.

Các kỹ sư xây dựng sử dụng phương trình 2.2 đã sửa đổi của ASCE 7-16, có tính đến chiều cao của cấu trúc so với mặt đất và tầm quan trọng của nó đối với tính mạng và tài sản của con người, để tìm ra tốc độ và áp suất gió ở các độ cao khác nhau so với mặt đất.

Các kỹ sư xây dựng sử dụng một công thức có tính đến những thứ như diện tích dự kiến, áp suất gió, hệ số cản, hệ số tiếp xúc, hệ số phản ứng gió và hệ số quan trọng để tìm ra tải trọng gió dọc trục.

Một công thức là F = A x P x Cd, trong đó F là lực hoặc tải trọng gió, A là diện tích hình chiếu của vật thể, P là áp suất gió và Cd là hệ số cản.

sức mạnh mệt mỏi

Việc tính toán độ bền mỏi của kết cấu dưới tải trọng dọc trục và uốn cong có thể được thực hiện bằng các phương pháp phân tích dựa trên tỷ lệ cường độ mỏi đối với tải trọng dọc trục và uốn cong.

Trong các phương pháp này, độ bền mỏi dưới tải trọng uốn quay được thay đổi thành độ bền mỏi dưới tải trọng dọc trục.

Để tìm hiểu cách thức hoạt động của một mô hình phân tích, các thử nghiệm mỏi chu kỳ cao cũng có thể được thực hiện trong cả hai điều kiện tải.

Ngoài ra, các mô hình ứng suất phẳng có thể được sử dụng để tìm hiểu xem vật liệu sẽ tồn tại bao lâu khi được sử dụng trên bề mặt của nó, nơi mà một trong những ứng suất chính thường bằng không.

Cuối cùng, các đường cong SN có thể được sử dụng để tìm ứng suất cho phép lớn nhất ở N chu kỳ và hệ số suy giảm độ bền mỏi kf.

Vòng Bi và Tải Trọng Trục Tối Đa

Vòng bi cầu hướng tâm có vòng chặn (hoặc vòng cách) chủ yếu được chế tạo để chịu tải trọng hướng kính, nhưng chúng cũng có thể chịu tải trọng hướng trục.

Lượng tải trọng hướng trục có thể tác dụng lên ổ trục phụ thuộc vào kích thước của nó và thường được tính theo tỷ lệ phần trăm của định mức tải trọng hướng tâm của ổ trục.

Khi chênh lệch giữa đường kính của lỗ khoan và đường kính của vòng ngoài lớn, ổ trục có thể chịu tải trọng dọc trục lên tới 50% tải trọng tĩnh hướng kính.

Đường lăn trong vòng bi tiết diện mỏng nông hơn, khiến chúng ít có khả năng xử lý tải trọng dọc trục hơn.

Nên sử dụng ổ trục tiếp xúc góc nếu ổ trục cần xử lý tải trọng dọc trục nặng.

Chúng được chế tạo khác ở bên trong so với vòng bi rãnh sâu, vì vậy chúng có thể chịu được tải trọng dọc trục cao hơn.

Tải trọng dọc trục tối đa đối với ổ bi có đường kính trong nhất định phụ thuộc vào một số yếu tố, chẳng hạn như kích thước của ổ, độ sâu của rãnh lăn ổ và liệu nó có chịu tải trọng hướng tâm hoặc tải trọng mô men hay không.

Lượng tải trọng hướng trục có thể tác dụng lên ổ trục thường được tính gần đúng với định mức tải trọng hướng tâm của ổ trục.

SKF cung cấp tải trọng hướng trục và hướng kính tối thiểu cho các ổ trục đơn và các cặp ổ trục được thiết lập theo cấu hình song song hoặc lưng đối lưng/mặt đối mặt.

Ứng suất lớn nhất có thể tác động lên ổ bi tùy thuộc vào cách chúng được chế tạo ở bên trong.

Tải trọng trục trong kết cấu

Khi một lực được đặt trực tiếp lên một cấu trúc dọc theo một trục của cấu trúc, điều này được gọi là tải trọng dọc trục.

Khi có tải trọng điểm, ứng suất gần điểm tải cao hơn nhiều so với ứng suất trung bình.

Điều này gây ra những biến dạng rất phức tạp vì các trạng thái ứng suất rất phức tạp.

Ứng suất bình thường và ứng suất cắt là cả hai cách để đo ứng suất trung bình trên một mặt cắt ngang.

Bất kể bạn nhìn vào đâu dọc theo mặt cắt ngang, mức độ căng thẳng là như nhau.

Tải trọng điểm là một lực từ bên ngoài tập trung trong một khu vực nhỏ.

Trường hợp sử dụng

Dưới đây là một số cách mà tải trọng dọc trục có thể được sử dụng:

Được dùng trong:	Sự miêu tả:
Thiết kế cột	Các cột là một ví dụ tuyệt vời về một thành viên cấu trúc được tạo ra để hỗ trợ tải trọng dọc trục. Ví dụ, trong các tòa nhà, các cột hỗ trợ trọng lượng của các tầng và mái bên trên, điều này tạo ra tải trọng nén dọc trục mà cột phải chịu được. Tải trọng dọc trục là một điều quan trọng cần nghĩ đến khi thiết kế các cột để đảm bảo chúng sẽ không bị uốn cong hoặc gãy dưới tác dụng của lực.
Cầu	Khi thiết kế cầu, tải trọng dọc trục cũng là một điều rất quan trọng cần nghĩ đến. Tải trọng nén dọc trục được gây ra bởi trọng lượng của cây cầu và các phương tiện mà nó mang theo. Cây cầu phải có khả năng chịu được các tải trọng này. Cầu cũng có thể bị ảnh hưởng bởi những thứ như gió, động đất và giao thông, tất cả đều có thể gây ra mômen uốn và lực cắt. Để tạo ra những cây cầu an toàn và hữu ích, điều quan trọng là phải biết các tải trọng này tương tác với nhau như thế nào.
thiết kế tháp	Tải trọng trục nén cao được đặt lên các tháp như tháp truyền tải, tháp di động và tua-bin gió. Khi làm những cấu trúc này, bạn phải suy nghĩ về cách chúng sẽ được chất tải, vật liệu, chiều cao và chiều rộng của tháp, cùng những thứ khác. Để đảm bảo các cấu trúc này an toàn và tồn tại lâu dài, bạn cần biết tải trọng dọc trục ảnh hưởng đến chúng như thế nào.
Sản xuất và thử nghiệm	Tải trọng dọc trục cũng là một khái niệm quan trọng trong sản xuất và thử nghiệm, trong đó vật liệu và sản phẩm phải có khả năng chịu được tải trọng nhất định mà không bị gãy hoặc biến dạng. Với các công cụ kiểm tra như cảm biến lực dọc trục, bạn có thể biết được vật liệu hoặc sản phẩm có thể chịu tải trọng dọc trục bao nhiêu trước khi bị hỏng.
Ứng dụng hàng không vũ trụ	Tải trọng dọc trục có thể rất quan trọng khi thiết kế tên lửa, tên lửa và các phương tiện khác để sử dụng trong không gian. Tải trọng dọc trục có thể do trọng lượng, tốc độ hoặc rung động của xe gây ra. Để tạo ra các hệ thống an toàn và hiệu quả, điều quan trọng là phải biết tải trọng dọc trục ảnh hưởng đến các bộ phận kết cấu của xe như thế nào.

Phần kết luận

Như chúng ta đã thấy trong bài viết này, tải trọng dọc trục là một phần quan trọng trong việc thiết kế và xây dựng các kết cấu có thể chịu được các lực tác dụng lên chúng.

Khi làm việc với lực lượng quan trọng này, có rất nhiều điều cần suy nghĩ, từ việc hiểu những thách thức đặc biệt của các cột dài, mỏng đến việc thêm các cảm biến tải trọng hướng trục vào bộ công cụ kỹ thuật của bạn.

Nhưng tải trọng dọc trục cũng là một lời nhắc nhở rằng kỹ thuật là một lĩnh vực phức tạp luôn thay đổi.

Khi chúng ta tiếp tục thúc đẩy các giới hạn của những gì có thể, chắc chắn chúng ta sẽ phải đối mặt với những vấn đề mới đòi hỏi chúng ta phải suy nghĩ sáng tạo và cùng nhau giải quyết.

Vì vậy, lần tới khi bạn làm việc với tải trọng hướng trục, hãy giữ một tinh thần cởi mở và sẵn sàng học hỏi.

Ai biết những gì mới là xung quanh góc tiếp theo?