Som ingeniør er det min opgave at designe og bygge strukturer, der ikke kun er nyttige, men også sikre og holder i lang tid.
Forståelse af bærestyrke er en vigtig del af konstruktionsteknik.
Når du dividerer det effektive lejeareal med den maksimale belastning, som en søjle, væg, fod eller led kan klare, indtil det knækker, får du bærestyrken.
Det er det, der forhindrer mine bygninger i at falde ned.
Som ingeniørstuderende eller som ingeniør bliver du nødt til at designe strukturer, der kan modstå både naturlige og menneskelige kræfter.
Derfor har jeg brug for at vide en masse om bæreevne for at sikre, at mine bygninger er sikre og holder længe.
I denne artikel vil jeg dykke dybere ned i bærestyrkens verden, udforske de forskellige faktorer, der påvirker den, og hvordan ingeniører kan beregne og sikre strukturel stabilitet.
Så tag din hjelm og din tænkehætte på, og lad os sammen udforske den fascinerende verden af bærestyrke!
Forståelse af lejestyrke
Formel definition:
Den maksimale belastning, som en søjle, væg, fod eller led vil tåle indtil fejl, divideret med det effektive lejeareal.
Bærestyrke er en meget vigtig idé inden for teknik, især inden for områder som bygning og design af fly.
Det refererer til den maksimale mængde vægt eller tryk, som en struktur kan holde, før den kollapser.
Vi vil tale om lejestyrke, flydespænding og ultimativ lejestyrke i denne artikel.
Lejestyrke
Den maksimale bærebelastning, der kan placeres på en konstruktion, før den svigter, divideret med det område, der understøtter belastningen, er kendt som bærestyrke.
Som allerede nævnt er en strukturs bærestyrke ikke den maksimale vægt eller tryk, den kan holde, før den falder fra hinanden.
I stedet er det det effektive lejeareal divideret med den maksimale belastning, som en søjle, væg, fod eller led kan klare, indtil den knækker.
Lejestyrke kan måles ved træk-, kompressions-, bøjnings- og bøjningsstyrke samt lejehårdhed.
Det er dog afgørende at forstå, at træk-, kompressions- og bøjningsstyrke ikke er direkte relateret til lejestyrken.
I byggeriet er det vigtigt at kende bærestyrken af strukturer som vægge og søjler for at sikre, at de kan holde de belastninger, de er beregnet til at understøtte.
På samme måde skal flyskrogets bærestyrke, når man designer et fly, kunne modstå forskellige tryk og kræfter, der påføres det under start, flyvning, klatring, landing og andre operationelle manøvrer.
Udbyttestyrke
En anden vigtig måde at måle, hvor stærkt noget er, er ved dets udbyttestyrke.
Det er defineret som den maksimale belastning, som et fast materiale kan modstå, når det deformeres inden for dets elastiske grænse.
Flydespænding er den maksimale spænding eller belastning, som et fast materiale kan klare, når det deformeres op til sin elastiske grænse, hvilket betyder, at det kan gå tilbage til sin oprindelige form, når belastningen fjernes.
Den spænding eller belastning, der er nødvendig for permanent at ændre formen på et materiale, kaldes dets flydespænding.
Efter dette tidspunkt vil materialet ikke gå tilbage til den måde, det var.
I duktile materialer er flydespændingen meget lavere end den ultimative styrke, mens der i sprøde materialer ikke er nogen flydegrænse og derfor ingen flydespænding.
Ultimativ lejestyrke
Ultimativ lejestyrke er det største tryk, som et fast materiale kan tåle, før det går i stykker.
Det bruges ofte på samme måde som "ultimativ trækstyrke." Ultimativ bærestyrke og ultimativ trækstyrke er begge måder at tale om, hvor meget stress et fast materiale kan tåle, før det går i stykker.
Fra lejetest kan du finde ud af lejets flydespænding og dets ultimative spænding.
Bearing Yield Strength (BYS) findes ved at tegne en linje parallel med den indledende hældning af lejespændingsdeformationskurven ved en offset tøjning på 0,002.
I sidste ende er lejestyrke, flydespænding og ultimativ lejestyrke alle vigtige ideer inden for teknik.
Bærestyrke er den største vægt, som en struktur kan holde, før den går i stykker, og flydespænding er den største belastning, som et materiale kan tåle, før det begynder at ændre form permanent.
Ultimativ bærestyrke og ultimativ trækstyrke er begge måder at tale om, hvor meget stress et materiale kan tåle, før det går i stykker.
Ved at forstå disse ideer kan ingeniører lave strukturer og materialer, der er sikre og pålidelige.
Skub grænserne: Vigtigheden af bærestyrke i bygningsdesign
Stadig svært at forstå? Lad mig ændre synspunktet lidt:
Hvis du vil designe en bygning, der ikke falder fra hinanden som et korthus, er nøglen at sørge for, at den kan holde vægten af alle dine urimelige forventninger, urimelige krav og uundgåelige fejl.
For lad os se det i øjnene, hvis du ikke skubber grænserne for din bygnings bæreevne, lever du så virkelig livet fuldt ud?
Okay, det var bare en joke lavet til at ligne en tv-reklame.
Lad os nu gå tilbage til forklaringen.
Faktorer, der påvirker lejestyrken
Jordfaktorer
En af de vigtigste ting, der påvirker styrken af en struktur er, hvor meget vægt den kan holde.
Følgende jordbundsfaktorer påvirker jordens bæreevne:
- Forskydningsstyrke: Jordforskydningsstyrke er en måde at måle, hvor godt en jord kan modstå kræfter, der forsøger at trække den fra hinanden.
- Fundamentets bredde og dybde: Et fundaments bredde og dybde kan have stor betydning for, hvor meget vægt det kan holde.
Generelt kan en foundation holde mere vægt, hvis den er bredere og dybere.
- Jordens vægt og eventuel ekstra vægt oven på den: Jordens vægt og eventuel ekstra vægt oven på den kan påvirke, hvor meget vægt jorden kan holde.
Trykstyrke af beton
En anden ting, der påvirker bærestyrken, er, hvor stærk beton er, når den komprimeres.
Betonens trykstyrke efter 28 dage bruges til at designe vægfod, og det er vigtigt at bruge en betonblanding med den rette styrke til konstruktionens formål.
Strukturens form og dimensioner
Styrken af en struktur kan også påvirkes af dens form og størrelse, såsom dens bredde, længde og tykkelse.
En konstruktion med et større overfladeareal vil generelt have en højere bæreevne.
Belastningsfordeling og belastningstype
Styrken af en struktur kan påvirkes af den type belastning, der vil blive påført den.
Styrken af en struktur kan påvirkes af levende belastninger, død belastninger og vindbelastninger.
Placering og orientering af strukturen
Strukturens styrke kan også påvirkes af, hvor den er, og hvordan den er sat op.
Jordens evne til at holde vægt kan påvirkes af ting som jordtypen og grundvandsniveauet.
En strukturs bærestyrke kan også påvirkes af vejret, såsom vind, regn og temperaturændringer.
International byggelov
International Building Code har forslag til, hvilken slags fundament der skal bruges, og hvordan det skal bygges.
Blandt disse forslag, men ikke alle af dem, er følgende:
- Naturlig eller komprimeret jords kapacitet til at holde vægten.
- Bestemmelser for at mindske virkningerne af jord, der bevæger sig meget.
- Frost linje dybde.
- Minimumsarmering til foder lavet af beton.
- Minimumsdybder for træstolper, der sættes i betonfod.
Lejesikkerhedsfaktor
Lejesikkerhedsfaktoren bruges til at sikre strukturel stabilitet.
Sikkerhedsfaktoren er forholdet mellem den maksimale belastning, der kan påføres et leje, og den maksimale belastning, der kan påføres det.
Det menes, at fejl vil ske, når sikkerhedsfaktoren er mindre end 1.
Du kan finde ud af den tilladte bæreevne med en ligning, der tager hensyn til jordparametre og fundamentets form.
Evalueringsstandarder
Kvaliteten af feltrekognoscering, jordprøvetagning og forskydningstest kan påvirke nøjagtigheden af stabilitetsberegninger.
For at sikre, at sikkerhedsfaktoren er korrekt og pålidelig, er der lavet evalueringsstandarder for sikkerhedsfaktoren ved funderingsstabilitetsanalyse.
I sidste ende er der mange ting, der påvirker, hvor stærk en søjle, væg, fod eller led er.
Ingeniører skal tænke på jorden, betonens trykstyrke, konstruktionens form og størrelse, hvordan belastningen er fordelt og hvilken slags belastning det er, hvor og hvordan konstruktionen er placeret, og hvad den internationale byggekodeks siger.
Derudover bruges lejesikkerhedsfaktoren til at sikre strukturel stabilitet, og evalueringsstandarder er på plads for at sikre nøjagtige og pålidelige beregninger.
Bestemmelse af materialers lejestyrke
Faktorer, der påvirker lejestyrken
Styrken af en søjle, væg, fod eller led afhænger af en række ting, såsom jorden, fundamentets udformning, konstruktionens form og størrelse, hvordan belastningen er fordelt og miljøet.
Jordfaktorer: Jordens bæreevne bestemmes af tre jordfaktorer: forskydningsstyrke, fundamentsbredde og -dybde samt jordvægt og tillæg.
Når en fod sættes oven på jord, der ikke hænger sammen, afhænger dens evne til at holde vægten af, hvor bred den er.
Stabilitetsberegninger kan være forkerte, hvis feltrekognoscering, jordprøvetagning og forskydningstest ikke udføres godt.
Fundamentdesign: International Building Code giver anbefalinger til fundamenttype og designkriterier, herunder, men ikke begrænset til, bæreevne af naturlig eller komprimeret jord, bestemmelser til at afbøde virkningerne af ekspansiv jord, frostlinjedybde, minimumsarmering for betonfods og minimum indstøbningsdybder til træstolper i betonfod.
Bygningens dimensioner og form: Vægge og søjler bør understøttes så tæt på midten af fundamenterne som muligt for at forhindre envejs (bjælke) forskydningsfejl, som sker, når bjælken knækker i en vinkel på omkring 45 grader i forhold til væggen .
Belastningsfordeling er den måde, konstruktionens belastninger, såsom levende belastninger, dødlaster og vindbelastninger, spredes ud.
Miljøfaktorer omfatter placeringen og orienteringen af bygningen, samt jordforholdene og hvor udsat den er for ting som vind, regn og ændringer i temperatur.
Bestemmelse af materialers lejestyrke
Træ, stål og kobber har for eksempel forskellige bærestyrker, der afhænger af deres trækstyrke, trykstyrke, hårdhed, duktilitet, elasticitet og andre egenskaber, der er unikke for hvert materiale.
For eksempel afhænger træets bærestyrke af dets korn, densitet og mængden af fugt, mens stålets bærestyrke afhænger af ting som dets legeringssammensætning, varmebehandling og fysiske dimensioner, såsom dets ydre diameter, vægtykkelse, og længde.
Trækstyrke: Et materiales trækstyrke er den mængde kraft, det tager at trække det fra hinanden, indtil det går i stykker.
Trykstyrke: For at finde ud af et materiales trykstyrke måler du, hvor meget kraft det kræver at knuse det, indtil det går i stykker.
Stålrørs lejestyrke
Den ydre diameter, vægtykkelse og længde af et stålrør samt stålets materialeegenskaber, såsom dets flydespænding og ultimative trækstyrke, bestemmer, hvor meget vægt det kan bære.
En lommeregner kan bruges af alle, der kender belastningskravene for deres applikation, og om røret skal bruges som en bjælke eller søjle for at finde ud af, hvilken størrelse rør der er behov for.
Stålrørs bæreevne kan beregnes ved hjælp af matematiske ligninger eller computerprogrammer, der tager højde for alle disse ting.
Eksempelvis kan et stålrørs bæreevne beregnes ved hjælp af Euler-formlen, som tager højde for rørets længde, længde uden understøtning og inertimoment.
Andre ligninger, som AISC-formlen fra American Institute of Steel Construction, kan bruges til at finde ud af, hvor stærkt et stålrør er under forskellige belastninger.
Jordprøve for bæreevne
Jordtest er en vigtig måde at finde ud af, hvor stærkt en bygnings fundament er, og hvor meget vægt den kan holde.
Det går ud på at prøve jordprøver i laboratoriet for at finde ud af, hvad deres egenskaber er, og bruge andre metoder til at finde ud af, hvor stabil jorden er.
Laboratorietests for jordens egenskaber:
Jordprøver kan udsættes for en række tests i laboratoriet for at finde ud af deres egenskaber.
Disse test inkluderer Consolidated Undrained (CU) Test, Unconfined Compression Test, Triaxial Compression Test, Shear Box Test, Vinge Test, Consolidation Test, Swelling and Suction Test, Permeabilitetstesten og de kemiske analyser.
Disse tests er nødvendige for at beskrive og klassificere jorden og for at notere farven, teksturen og konsistensen af både forstyrrede og uforstyrrede prøver fra stedet.
Måder at finde ud af, hvor stærk jorden er:
Forskellige måder kan bruges til at finde ud af jordens bæreevne, som Terzaghi Ultimate Bearing Capacity Theory, som udregner den ultimative bæreevne for lavvandede kontinuerlige fundamenter.
Den bruger en ligning, der tager højde for jordbundsparametre som kohæsion, effektiv enhedsvægt, foddybde og fodbredde.
En anden måde at finde ud af, hvor meget vægt en umættet finkornet jord kan holde, er at bruge forskydningsstyrken fra ubegrænsede kompressionstest.
Bæreevneligningen (drænet) fungerer kun for lavt underlag, der understøtter lodrette belastninger, der ikke er excentriske.
Brug af den ubegrænsede trykstyrke til at estimere bæreevnen:
Ubegrænset trykstyrke virker kun for jord, der klæber sammen.
Det kan ikke bruges til at finde ud af, hvor meget vægt en ikke-sammenhængende jord kan holde, fordi den har brug for et andet sæt parametre.
Jordtest er en vigtig måde at finde ud af, hvor stærkt en bygnings fundament er, og hvor meget vægt den kan holde.
Jordegenskaber findes gennem laboratorietest, og der er forskellige måder at finde ud af, hvor meget vægt en jord kan holde ud fra dens egenskaber.
For sammenhængende og ikke-sammenhængende jorde er det vigtigt at bruge de rigtige metoder og tage højde for forskellige jordparametre for hver metode.
Lejestyrke af murværk
Maksimal brugbar belastning for betonmurværk
Ved den ekstreme kompressionsfiber af betonmurværk er den største belastning, der kan bruges, 0,0025.
Forstærket murværk
For armeret murværk er tryk- og trækspændinger i armeringen under den angivne flydespænding lig med armeringens elasticitetsmodul gange ståltøjningen.
Murværks forskydningskapacitet
Du kan også finde ud af murværkets nominelle bærestyrke ved at se på, hvor meget det kan holde under belastning.
I en simpel spændbjælke går forskydningskapaciteten fra 0 ved støtten til uendelig i midten.
I relevante designkoder og vejledninger kan du finde formlen for udregning af forskydningskapacitet som funktion af M/Vd.
Vigtige overvejelser for murværksdesign
Det er vigtigt at huske, at disse beregninger er baseret på visse antagelser og designkoder.
Når man designer murværk, skal man tænke grundigt over ting som belastningstyper, materialernes egenskaber, og hvordan konstruktionen er sat op.
Før du foretager nogen beregninger eller træffer designbeslutninger om murværkskonstruktioner, er det bedst at kontrollere de relevante designkoder og retningslinjer.
Effekter af høj temperatur på stål
Stål bruges ofte i byggeri og teknik, men når det bliver for varmt, mister det sin evne til at holde på vægten.
Omkring 425°C er den højeste temperatur, over hvilken stål begynder at miste sin evne til at holde vægten.
Mellem 600°C og 650°C vil stålet miste halvdelen af sin styrke, og afhængigt af hvor meget vægt det bærer, kan det gå i stykker.
Omkring 500°C mister styrken af varmtvalset konstruktionsstål meget af sin bæreevne ved stuetemperatur.
Ved 1100°F (593,33°C) har stålet stadig omkring 50% af sin styrke.
Når stålet smelter ved omkring 2700°F (1482,22°C), opgiver det al sin styrke.
Det meste af tiden, når man designer, antages det, at al kapacitet går tabt ved omkring 2200°F (1204,44°C).
Virkning af brand på konstruktionsstål
I BS EN 10025 S275-stål kan en varmvalset stålsektion af S275, der har været i brand og er blevet varmere end 600°C, miste nogle af sine egenskaber, efter at den er kølet ned.
Uanset hvor varmt ilden er, vil rumtemperaturens udbyttespænding eller udskiftning dog ikke være nødvendig, hvis medlemmet opfylder alle de andre tekniske krav, som at være lige.
Når konstruktionsstål af klasse S355 opvarmes til over 600°C i en brand, falder dets resterende flydespænding og trækstyrke også.
Boltforskydningsstyrke - Beregninger af leje-, rive- og forskydningsbelastningskapacitet
Tip: Slå billedtekstknappen til, hvis du har brug for det. Vælg "automatisk oversættelse" i indstillingsknappen, hvis du ikke er fortrolig med det talte sprog. Du skal muligvis først klikke på sproget for videoen, før dit yndlingssprog bliver tilgængeligt til oversættelse.
Bruger lejestyrke
Opførelse af bygninger:
Bygninger og strukturer af enhver art skal være stærke nok til at holde deres vægt.
Den fortæller, hvor meget vægt en søjle, væg, fod eller led kan holde, før den knækker.
Ingeniører bruger beregninger kaldet "bærestyrke" for at sikre, at bygningen kan holde sin egen vægt såvel som den ekstra vægt, der kommer fra mennesker, udstyr og miljøet.
Brodesign:
Broer skal bygges, så de kan håndtere tunge belastninger som biler, vind og jordskælv.
Bærestyrken af fundamentet og støttestrukturer, såsom moler og abutments, er en nøglefaktor for at finde ud af, hvor meget vægt de kan holde.
Ingeniører bruger også bærestyrke til at finde ud af, hvor meget vægt en bjælke, drager eller kabel kan holde.
Matematisk teknik:
I maskinteknik er lejestyrken meget vigtig, fordi den bruges til at finde ud af, hvor meget vægt gear, lejer og aksler kan holde.
Ingeniører bruger beregninger af bærestyrke for at sikre, at delene kan håndtere kræfterne og belastningerne fra applikationen, såsom i tunge maskiner, køretøjer og fly.
Luftfartsforretning:
Bærestyrke er også vigtig i rumfartsindustrien, hvor den bruges til at finde ud af, hvor meget vægt dele som vinger, flykroppe og landingsstel kan holde.
Ingeniører bruger beregninger kaldet "bærestyrke" for at sikre, at flyet kan håndtere de kræfter og belastninger, der følger med at flyve, som turbulens, start og landing.
Offshore bygninger:
Når man designer og bygger strukturer som olieplatforme, vindmøller og platforme, der er ude på havet, er bærestyrken en vigtig faktor.
Disse bygninger skal være i stand til at modstå hårdt vejr, såsom stærk vind, bølger og strøm.
Bærestyrke bruges til at finde ud af, hvor meget vægt fundamentet og støttekonstruktionerne kan holde, samt hvor meget vægt udstyret og maskineriet højst kan holde.
Minevirksomheden:
I mineindustrien er bærestyrken meget vigtig, fordi den bruges til at finde ud af, hvor meget vægt der kan lægges på underjordiske støttekonstruktioner som søjler og bjælker.
Ingeniører bruger beregninger kaldet "bærestyrke" for at sikre, at strukturerne kan håndtere vægten af stenen ovenover såvel som de kræfter og spændinger, der forårsages af minedriftsprocessen, såsom sprængning og boring.
Konklusion
Når vi er færdige med at tale om bærestyrke, er det vigtigt at huske, at denne idé er vigtig ikke kun i teknik, men i livet generelt.
Ligesom en bygning har brug for en stærk base for at stå højt, har vi brug for en stærk base for at klare livets udfordringer.
Vi er nødt til at være forankret i vores overbevisninger, værdier og principper for at stå op mod de ting, der forsøger at slå os ned.
Bygninger er ikke det eneste, der skal være stærke. Vores liv skal også være stærkt.
Vi skal finde ud af, hvor meget vægt vi kan bære, finde den rigtige hjælp og sikre os, at vi har en stærk base at stå på.
Så før du forlader denne artikel, skal du bruge et øjeblik på at tænke over, hvor stærk du er.
Hvad bygger du dit hus på? Hvor meget kan du bære? Og hvordan kan du sikre dig, at du har den hjælp, du har brug for til at klare livets udfordringer? Husk at et veldesignet liv kan vare lige så længe som en veldesignet bygning.
Så gå ud og byg et liv, der kan understøtte dine drømme.
Links og referencer
ACI 318-14 Building Code Krav til strukturel beton og kommentarer
Kapitel 3: Designbelastninger for beboelsesbygninger
Anbefalede minimumskrav til murværkskonstruktion
Del på…
