Kao student mašinstva ili inženjer, znate koliko je važno da konstrukcije budu sposobne da izdrže različite vrste opterećenja.
Ali jeste li ikada razmišljali o jedinstvenim problemima koje predstavlja aksijalno opterećenje? Za razliku od posmične sile, torzijskog opterećenja i opterećenja na savijanje, aksijalno opterećenje primjenjuje silu direktno duž osi konstrukcije.
To znači da prilikom projektovanja, izgradnje i održavanja konstrukcija treba uzeti u obzir potpuno novi skup stvari.
U ovom članku ću detaljno govoriti o aksijalnom opterećenju i pokriti sve što trebate znati za izgradnju struktura koje mogu podnijeti ovu važnu silu.
Zato se vežite i krenimo!.
Uvod u aksijalno opterećenje
Formalna definicija:
Sila čija rezultanta prolazi kroz težište određenog presjeka i okomita je na ravan presjeka.
Aksijalno opterećenje je vrsta opterećenja koja vrši pritisak na element konstrukcije duž njegove ose.
Za razliku od sile smicanja, torzijskog opterećenja i opterećenja na savijanje, aksijalno opterećenje stvara veće tlačno naprezanje od sile napetosti ili posmične sile.
Smična sila, torzijsko opterećenje i opterećenje savijanjem: razlike
Posmična sila uzrokuje širenje naprezanja duž ravnine objekta, dok torzijsko opterećenje uzrokuje širenje naprezanja oko uzdužne ose objekta.
Kada je opterećenje savijeno, stvara normalno naprezanje i poprečno naprezanje smicanja.
Normalno naprezanje uključuje i aksijalno i poprečno naprezanje, dok poprečno posmično naprezanje uključuje i torzijsko i poprečno posmično naprezanje.
Važnost aksijalnog opterećenja
Aksijalna opterećenja su važna jer mogu promijeniti i strukturu implantata i kosti oko njega.
U inženjerstvu, aksijalno opterećenje je vrlo važan dio načina na koji se izrađuju stupovi, grede i rešetke.
U biomehanici, aksijalna opterećenja mogu promijeniti način kretanja kostiju, što može uzrokovati frakture ili zamjenu zglobova, između ostalih ozljeda.
Zbog toga je u inženjerstvu i medicini važno razumjeti kako djeluje aksijalno opterećenje.
Razlika između aksijalnog i poprečnog opterećenja
Savjet: Uključite dugme za titl ako vam je potrebno. Odaberite "automatski prijevod" u gumbu za podešavanja, ako niste upoznati sa engleskim jezikom. Možda ćete morati prvo kliknuti na jezik videozapisa prije nego što vaš omiljeni jezik postane dostupan za prijevod.
Konstruktivni elementi i aksijalna opterećenja
Nosači i stupovi su dvije uobičajene vrste konstrukcijskih elemenata koji su uglavnom napravljeni da nose aksijalna opterećenja.
Konstrukcije: karakteristike i primjene
Nosači su konstrukcijski elementi koji su napravljeni da nose aksijalne sile u svojim elementima.
Ove sile mogu biti napetost, kompresija ili reverzibilna napetost/kompresija, ovisno o najgorem slučaju opterećenja i kombinacija opterećenja.
Članovi rešetke koriste manje materijala da izdrže istu količinu težine.
To ih čini odličnim za mostove ili krovove koji moraju biti jaki, ali ne preteški.
Ali elementi rešetke se slobodno kreću i mogu nositi teret samo u jednom smjeru.
To znači da nisu dovoljno jaki da izdrže opterećenja koja se pomiču sa jedne na drugu stranu ili se savijaju.
Kolumne: karakteristike i primjene
Stupovi su vertikalni dijelovi čeličnih okvira zgrada koji drže podne nosače ili podove koji su izloženi velikim aksijalnim tlačnim opterećenjima.
Uglavnom su napravljeni tako da izdrže tlačna aksijalna opterećenja, ali ovisno o tome kako su postavljeni i kako su napravljeni, također mogu odoljeti silama savijanja i smicanja.
Stubovi mogu biti okrugli, kvadratni ili pravougaoni, a mogu biti između ostalog od betona, čelika ili drveta.
Članovi okvira: karakteristike i primjene
U zavisnosti od načina postavljanja i izrade, grede i stubovi mogu nositi i poprečna i aksijalna opterećenja duž svoje dužine.
Često se koriste za držanje podova, krovova i zidova u građevinskim projektima.
Ali, za razliku od rešetkastih elemenata, elementi okvira ne moraju nositi samo aksijalna opterećenja; mogu izdržati i poprečna opterećenja.
Određivanje maksimalnog aksijalnog opterećenja
Prilikom izgradnje konstrukcije važno je znati koliko aksijalnog opterećenja određeni član ili konstrukcija može podnijeti.
Izračunavanje maksimalnog aksijalnog opterećenja za stupove
Da biste saznali koliko aksijalnog opterećenja stub može podnijeti, možete izračunati njegov KL/r i zatim potražiti vrijednost cFcr u tabeli.
Napon u poprečnom presjeku stupa može se pronaći pomoću jednadžbe AP=f, gdje se pretpostavlja da je f isti na cijelom poprečnom presjeku.
Poznato je da je izvijanje granično stanje kvara za stupove, a jednadžba daje kritično opterećenje izvijanja Pcr za stupove (3.1).
Ali da biste u potpunosti utvrdili kritično opterećenje izvijanja za dati stup, potrebno vam je više jednadžbi i metoda, a dizajn mora uzeti u obzir kako stub završava i svojstva materijala.
Približna maksimalna nosivost
Izrada čeličnog dizajna i gledanje omjera interakcije dobar je način da dobijete grubu ideju o najvećoj težini koju član može nositi.
Omjer interakcije je omjer između najveće težine koju član može nositi i težine koju zapravo nosi.
Recipročna vrijednost tog omjera vam govori koliko više težine svaki član može podnijeti prije nego što pukne.
Važno je zapamtiti da ova metoda daje samo procjenu.
Stvarno maksimalno opterećenje koje član može nositi može biti niže ili veće od izračunate vrijednosti.
Projektovanje za maksimalno aksijalno opterećenje
Prilikom projektovanja konstrukcija, dimenzije članova su grubo zasnovane na arhitektonskim crtežima i drugim relevantnim dokumentima, a njihove težine se određuju korišćenjem informacija iz većine kodeksa i druge literature o građevinarstvu.
Ali konstrukcije moraju biti izgrađene da izdrže kritično opterećenje, koje je najveće opterećenje koje bi moglo djelovati na njih.
To se postiže zbrajanjem svih opterećenja koja bi konstrukcija mogla podnijeti tokom svog vijeka trajanja.
Ovo uključuje i živa i mrtva opterećenja, kao i opterećenja uzrokovana vjetrom, zemljotresima i drugim mogućim opterećenjima.
Kritično opterećenje u dugim vitkim stubovima
Kritično opterećenje je najveća aksijalna težina koju stub može izdržati prije nego što se počne savijati.
Ojlerova formula: izračunavanje kritičnog opterećenja
Ojlerova formula se može koristiti za pronalaženje kritičnog opterećenja: Pcr = (2EI)/(KL)2, gdje je Pcr Eulerovo kritično opterećenje, E je Youngov modul elastičnosti, I je minimalni drugi moment površine poprečnog presjeka stub (površinski moment inercije), K je faktor efektivne dužine stuba, a L je dužina stuba bez oslonca.
Značaj kritičnog opterećenja
Kritično opterećenje je važno za određivanje koliko dugi tanki stupovi reagiraju na aksijalnu tlačnu silu jer ne ovisi o tome koliko je materijal jak.
To znači da prilikom izgradnje tankih konstrukcija koje se mogu savijati, inženjeri moraju obratiti dodatnu pažnju na omjer vitkosti, koji je dužina stupa podijeljena s njegovim najmanjim radijusom okretanja.
Visok omjer vitkosti znači da će mala tlačna opterećenja vjerojatnije uzrokovati lom konstrukcije.
Izvijanje se dešava kada se ravna stuba koja se sabija duž svoje dužine naglo savija. Ovo je granično stanje greške za stupce.
Aksijalne ćelije opterećenja i njihove primjene
Merne ćelije koje mjere silu duž jedne ose nazivaju se aksijalne ćelije za opterećenje.
Princip rada aksijalnih ćelija za opterećenje
Aksijalne ćelije za opterećenje rade tako što pretvaraju silu koja se na njih primjenjuje u električni signal koji se može čitati i zapisivati.
Oni koriste mjerače naprezanja za mjerenje koliko aksijalno opterećenje mijenja oblik nečega.
Kada se sila na mjernu ćeliju uzduž njene ose, mjerni mjerači savijaju, što mijenja njihov otpor.
Promjena otpora se tada pretvara u električni signal koji se može mjeriti.
Primjena aksijalnih mjernih ćelija
Aksijalno postavljene ćelije za opterećenje koriste se u mnogim poljima, kao što su vazduhoplovstvo, automobilska industrija i proizvodnja.
Neki uobičajeni načini na koje se koriste aksijalne ćelije za opterećenje su:
- Mjerenje sile na konstruktivne dijelove zgrada i mostova, kao što su grede i stupovi, dok se grade ili koriste.
- Testiranje koristi, kao što je određivanje koliko je sile potrebno da se nešto stisne ili rastegne, ili koliko je sile potrebno da se nešto slomi ili deformiše.
- Pazite na stvari kao što su hidraulične prese, dizalice i dizala kako biste bili sigurni da rade bezbedno.
- Navest ću više na dnu ovog članka.
Drugi aspekti aksijalnog opterećenja
Aksijalno opterećenje vjetrom
Aksijalno opterećenje vjetrom je sila koju strujanje vjetra ima na zgradu.
U prošlosti su snage vjetra, posebno u obalnim područjima, uzrokovale rušenje mnogih zgrada.
Građevinski inženjeri koriste ASCE 7-16 modifikovanu jednačinu 2.2, koja uzima u obzir visinu konstrukcije iznad nivoa zemlje i koliko je važno za živote i imovinu ljudi, da bi se utvrdila brzina i pritisak vetra na različitim visinama iznad nivoa tla.
Građevinski inženjeri koriste formulu koja uzima u obzir stvari kao što su projektovana površina, pritisak vjetra, koeficijent otpora, koeficijent izloženosti, faktor odziva na udare i faktor važnosti za određivanje aksijalnog opterećenja vjetrom.
Jedna formula je F = A x P x Cd, gdje je F sila ili opterećenje vjetrom, A je projektovana površina objekta, P je pritisak vjetra, a Cd je koeficijent otpora.
Fatigue Strength
Proračun zamorne čvrstoće konstrukcije pod aksijalnim opterećenjem i opterećenjem na savijanje može se izvršiti analitičkim metodama na temelju omjera zamorne čvrstoće za aksijalno i savijanje.
U ovim metodama, zamorna čvrstoća pod opterećenjem rotirajućim savijanjem mijenja se u čvrstoću na zamor pod aksijalnim opterećenjem.
Da bi se saznalo kako radi analitički model, testovi zamora u velikom ciklusu također se mogu obaviti pod oba uvjeta opterećenja.
Također, modeli ravnih naprezanja mogu se koristiti za određivanje koliko dugo će materijal trajati kada se koristi na njegovoj površini, gdje je jedan od glavnih napona obično nula.
Konačno, SN krivulje se mogu koristiti za pronalaženje maksimalnog dopuštenog naprezanja u N ciklusa i faktora smanjenja čvrstoće na zamor kf.
Kuglični ležajevi i maksimalno aksijalno opterećenje
Radijalni kuglični ležajevi sa držačem (ili kavezom) uglavnom su napravljeni da podnose radijalna opterećenja, ali mogu podnijeti i aksijalna opterećenja.
Količina aksijalnog opterećenja koja se može staviti na ležaj ovisi o njegovoj veličini i obično se daje kao postotak radijalnog opterećenja ležaja.
Kada je razlika između promjera provrta i promjera vanjskog prstena velika, ležaj može podnijeti aksijalna opterećenja koja iznose i do 50% radijalnog statičkog opterećenja.
Staze klizanja u ležajevima tankog presjeka su pliće, što ih čini manje sposobnim za podnošenje aksijalnih opterećenja.
Ugaoni kontakt ležaj treba koristiti ako ležaj treba da izdrži veliko aksijalno opterećenje.
Oni su iznutra drugačije napravljeni od kugličnih ležajeva s dubokim žljebovima, tako da mogu podnijeti veća aksijalna opterećenja.
Maksimalno aksijalno opterećenje za kuglične ležajeve s određenim unutarnjim promjerom ovisi o nekoliko stvari, kao što su veličina ležaja, dubina klizne staze ležaja i da li je izložen velikim radijalnim ili momentnim opterećenjima.
Količina aksijalnog opterećenja koja se može staviti na ležaj se često daje kao aproksimacija radijalnog opterećenja ležaja.
SKF pruža minimalna aksijalna i radijalna opterećenja za pojedinačne ležajeve i parove ležajeva postavljene u tandemu ili konfiguracijama leđa-to-leđa/licem u lice.
Najveći pritisak koji se može staviti na kuglične ležajeve zavisi od toga kako su napravljeni iznutra.
Aksijalno opterećenje u konstrukcijama
Kada se sila djeluje na konstrukciju direktno duž ose konstrukcije, to se naziva aksijalno opterećenje.
Kada postoji tačkasto opterećenje, napon u blizini tačke opterećenja je mnogo veći od prosječnog naprezanja.
To uzrokuje vrlo komplicirane deformacije jer su naponska stanja vrlo komplicirana.
Normalno naprezanje i napon smicanja su oba načina mjerenja prosječnog naprezanja preko poprečnog presjeka.
Bez obzira gdje na poprečnom presjeku pogledate, količina naprezanja je ista.
Tačkasto opterećenje je sila izvana koja je koncentrisana na malom području.
Slučajevi upotrebe
Evo nekoliko načina na koje se može koristiti aksijalno opterećenje:
| Koristi se u: | Opis: |
|---|---|
| Dizajn kolone | Stupovi su odličan primjer konstrukcijskog elementa koji je napravljen da podupire aksijalna opterećenja. Na primjer, u zgradama, stupovi podržavaju težinu podova i krova iznad, što stvara tlačno aksijalno opterećenje kojem stub mora izdržati. Aksijalno opterećenje je važna stvar o kojoj treba razmišljati kada dizajnirate stupove kako biste bili sigurni da se neće saviti ili slomiti pod silom. |
| Mostovi | Prilikom projektiranja mostova, aksijalno opterećenje je također vrlo važna stvar o kojoj treba razmišljati. Kompresijska aksijalna opterećenja uzrokovana su težinom mosta i vozila koje nosi. Most mora biti u stanju izdržati ova opterećenja. Na mostove također mogu utjecati stvari poput vjetra, zemljotresa i saobraćaja, što sve može uzrokovati momente savijanja i posmične sile. Da bi se napravili sigurni i korisni mostovi, važno je znati kako ova opterećenja međusobno djeluju. |
| Dizajn tornja | Visoka tlačna aksijalna opterećenja se stavljaju na tornjeve kao što su prijenosni tornjevi, ćelijski tornjevi i vjetroturbine. Prilikom izrade ovih konstrukcija, morate razmišljati o načinu na koji će biti opterećeni, materijalima, te visini i širini tornjeva, između ostalog. Da biste bili sigurni da su ove konstrukcije sigurne i da traju dugo, morate znati kako na njih utječu aksijalna opterećenja. |
| Proizvodnja i ispitivanje | Aksijalno opterećenje je također važan koncept u proizvodnji i ispitivanju, gdje materijali i proizvodi moraju biti u stanju izdržati određena opterećenja bez loma ili deformacije. Pomoću alata za testiranje kao što su aksijalne ćelije za opterećenje, možete saznati koliko aksijalnog opterećenja materijal ili proizvod može podnijeti prije nego što se slomi. |
| Vazdušne aplikacije | Aksijalna opterećenja mogu biti veoma važna pri projektovanju raketa, projektila i drugih vozila za upotrebu u svemiru. Aksijalna opterećenja mogu biti uzrokovana težinom vozila, njegovom brzinom ili vibracijama. Da bi se napravili sigurni i efikasni sistemi, važno je znati kako aksijalna opterećenja utiču na strukturne delove vozila. |
Zaključak
Kao što smo vidjeli u ovom članku, aksijalno opterećenje je ključni dio projektiranja i izgradnje konstrukcija koje mogu izdržati sile koje se na njih stavljaju.
Kada radite s ovom važnom silom, postoji mnogo stvari o kojima treba razmišljati, od razumijevanja jedinstvenih izazova dugih, tankih stubova do dodavanja aksijalnih ćelija opterećenja u vaš komplet inženjerskih alata.
Ali aksijalno opterećenje je i podsjetnik da je inženjering komplikovano polje koje se uvijek mijenja.
Kako nastavljamo pomicati granice mogućeg, neizbježno ćemo se suočiti s novim problemima koji će od nas zahtijevati kreativno razmišljanje i zajednički rad na rješavanju.
Dakle, sljedeći put kada radite s aksijalnim opterećenjem, budite otvoreni i budite spremni za učenje.
Ko zna koje su nove stvari iza ugla?
Podijelite na…
