Forståelse Af Aksial Belastning I Teknik

Som ingeniørstuderende eller ingeniør ved du, hvor vigtigt det er, at konstruktioner kan håndtere forskellige slags belastninger.

Men har du nogensinde tænkt over de unikke problemer, som aksial belastning giver? I modsætning til forskydningskraft, torsionsbelastning og bøjningsbelastning påfører aksial belastning kraft direkte langs en strukturs akse.

Det betyder, at når man designer, bygger og vedligeholder strukturer, skal der tages højde for et helt nyt sæt ting.

I denne artikel vil jeg gå i detaljer om aksial belastning og dække alt, hvad du behøver at vide for at bygge strukturer, der kan håndtere denne vigtige kraft.

Så spænd op, og lad os komme i gang!.

Introduktion til aksial belastning

Formel definition:

En kraft med dens resulterende, der passerer gennem tyngdepunktet i en bestemt sektion og er vinkelret på sektionens plan.

Aksial belastning er en type belastning, der lægger pres på et konstruktionselement langs dets akse.

I modsætning til forskydningskraft, torsionsbelastning og bøjningsbelastning, skaber aksial belastning mere trykspænding end spænding eller forskydningskraft.

Forskydningskraft, vridningsbelastning og bøjningsbelastning: Forskelle

Forskydningskraft bevirker, at spænding spredes ud langs et objekts plan, mens torsionsbelastning bevirker, at spænding spredes rundt om objektets længdeakse.

Når en last bøjes, skaber den normal spænding og tværgående forskydningsspænding.

Normalspænding omfatter både aksial og tværgående spænding, mens tværgående forskydningsspænding omfatter både vridnings- og tværforskydningsspænding.

Betydningen af ​​aksial belastning

Aksiale belastninger er vigtige, fordi de kan ændre både strukturen af ​​implantatet og knoglen omkring det.

I teknik er aksial belastning en meget vigtig del af, hvordan søjler, bjælker og spær er lavet.

I biomekanik kan aksiale belastninger ændre, hvordan knogler bevæger sig, hvilket kan forårsage brud eller ledudskiftninger, blandt andre skader.

På grund af dette er det vigtigt i både teknik og medicin at forstå, hvordan aksial belastning fungerer.

Forskellen mellem aksial belastning og tværgående belastning

Tip: Slå billedtekstknappen til, hvis du har brug for det. Vælg "automatisk oversættelse" i indstillingsknappen, hvis du ikke er fortrolig med det engelske sprog. Du skal muligvis først klikke på sproget for videoen, før dit yndlingssprog bliver tilgængeligt til oversættelse.

Strukturelle elementer og aksiale belastninger

Spær og søjler er to almindelige typer af strukturelle elementer, der for det meste er lavet til at bære aksiale belastninger.

Truss: Karakteristika og applikationer

Spær er konstruktionselementer, der er lavet til at bære aksiale kræfter i deres elementer.

Disse kræfter kan være spænding, kompression eller reversibel spænding/kompression, afhængigt af de værste belastninger og belastningskombinationer.

Truss medlemmer bruger mindre materiale til at bære den samme mængde vægt.

Dette gør dem gode til broer eller tage, der skal være stærke, men ikke for tunge.

Men spærelementerne kan bevæge sig frit og kan kun bære byrder i én retning.

Det betyder, at de ikke er stærke nok til at holde imod belastninger, der bevæger sig fra side til side eller bøjer.

Kolonner: Karakteristika og applikationer

Søjler er de lodrette dele af stålbygningsrammer, der holder gulvdragere eller gulve, der udsættes for store aksiale trykbelastninger.

De er for det meste lavet til at modstå aksiale trykbelastninger, men afhængigt af hvordan de er sat op og hvordan de er lavet, kan de også modstå bøjnings- og forskydningskræfter.

Søjler kan være runde, firkantede eller rektangulære, og de kan blandt andet være lavet af beton, stål eller træ.

Rammemedlemmer: Karakteristika og applikationer

Afhængigt af hvordan de er sat op og lavet, kan bjælker og søjler bære både tværgående og aksiale belastninger langs deres længde.

De bruges ofte til at holde gulve, tage og vægge op i bygge- og anlægsprojekter.

Men i modsætning til spærelementer behøver rammeelementer ikke kun at understøtte aksiale belastninger; de kan også understøtte tværgående belastninger.

Bestemmelse af maksimal aksial belastning

Når du bygger en struktur, er det vigtigt at vide, hvor meget aksial belastning et bestemt element eller struktur kan klare.

Beregning af maksimal aksial belastning for søjler

For at finde ud af, hvor meget aksial belastning en søjle kan klare, kan du finde ud af dens KL/r og derefter slå værdien af ​​cFcr op i en tabel.

Spændingen i søjlens tværsnit kan findes ved at bruge ligningen AP=f, hvor f antages at være ens over hele tværsnittet.

Knækning er kendt for at være en fejlgrænsetilstand for søjler, og ligning giver den kritiske knækbelastning Pcr for søjler (3.1).

Men for fuldt ud at finde ud af den kritiske knækbelastning for en given søjle, har du brug for flere ligninger og metoder, og designet skal tage højde for, hvordan søjlen ender og materialets egenskaber.

Tilnærmelsesvis maksimal belastningskapacitet

At lave et ståldesign og se på interaktionsforholdet er en god måde at få en nogenlunde idé om, hvor meget et medlem kan bære.

Interaktionsforholdet er forholdet mellem den mest vægt et medlem kan bære og hvor meget vægt det faktisk bærer.

Det gensidige af dette forhold fortæller dig, hvor meget mere vægt hvert medlem kan bære, før det går i stykker.

Det er vigtigt at huske, at denne metode kun giver et skøn.

Den faktiske maksimale belastning, som et medlem kan bære, kan være lavere eller højere end den beregnede værdi.

Design til maksimal aksial belastning

Ved design af strukturer dimensioneres medlemmerne groft baseret på arkitekttegninger og andre relevante dokumenter, og deres vægte beregnes ved hjælp af information fra de fleste koder og anden civilingeniørlitteratur.

Men konstruktioner skal bygges til at håndtere den kritiske belastning, som er den største belastning, der kan virke på dem.

Dette gøres ved at lægge alle de belastninger sammen, som en konstruktion kan bære i løbet af sin levetid.

Dette omfatter både levende belastninger og døde belastninger, såvel som belastninger forårsaget af vind, jordskælv og andre mulige belastninger.

Kritisk belastning i lange slanke søjler

Den kritiske belastning er den mest aksiale vægt, som en søjle kan holde, før den begynder at bøje.

Eulers formel: Beregning af kritisk belastning

Eulers formel kan bruges til at finde den kritiske belastning: Pcr = (2EI)/(KL)2, hvor Pcr er Eulers kritiske belastning, E er Youngs elasticitetsmodul, I er det mindste andet arealmoment af tværsnittet af søjlen (arealinertimoment), K er kolonnens effektive længdefaktor, og L er søjlens ikke-understøttede længde.

Betydningen af ​​kritisk belastning

Den kritiske belastning er vigtig for at finde ud af, hvor lange, tynde søjler reagerer på aksial trykkraft, fordi det ikke afhænger af, hvor stærkt materialet er.

Det betyder, at når man bygger tynde strukturer, der kan bøje, skal ingeniører være ekstra opmærksomme på slankhedsforholdet, som er længden af ​​søjlen divideret med dens mindste svingningsradius.

Et højt slankhedsforhold betyder, at små kompressionsbelastninger er mere tilbøjelige til at få strukturen til at bryde.

Knækning sker, når en lige søjle, der bliver komprimeret langs sin længde, pludselig bøjes. Dette er en fejlgrænsetilstand for kolonner.

Aksiale vejeceller og deres applikationer

Vejeceller, der måler kraft langs en enkelt akse, kaldes aksiale vejeceller.

Arbejdsprincip for aksiale vejeceller

Aksiale vejeceller fungerer ved at omdanne den kraft, der påføres dem, til et elektrisk signal, der kan læses og skrives ned.

De bruger strain gauges til at måle, hvor meget aksial belastning ændrer formen på noget.

Når en kraft påføres vejecellen langs dens akse, bøjes strain gauges, hvilket ændrer deres modstand.

Modstandsændringen omdannes derefter til et elektrisk signal, der kan måles.

Anvendelser af aksiale vejeceller

Aksialt monterede vejeceller bruges på mange områder, såsom rumfart, bilindustrien og fremstilling.

Nogle almindelige måder, hvorpå aksiale vejeceller bruges, er:

• Måling af kraften på strukturelle dele af bygninger og broer, såsom bjælker og søjler, mens de bygges eller bruges.
• Testbrug, som at finde ud af, hvor meget kraft der skal til for at klemme eller strække noget, eller hvor meget kraft der skal til for at bryde eller deformere noget.
• Hold øje med ting som hydrauliske presser, kraner og lifte for at sikre, at de fungerer sikkert.
• Jeg vil liste mere i bunden af ​​denne artikel.

Andre aspekter af aksial belastning

Aksial vindbelastning

Aksial vindbelastning er den kraft, som vindstrømmen har på en bygning.

Tidligere har vindstyrker, især i kystnære områder, fået mange bygninger til at falde ned.

Civilingeniører bruger ASCE 7-16 modificeret ligning 2.2, som tager højde for strukturens højde over jordoverfladen, og hvor vigtigt det er for menneskers liv og ejendom, for at finde ud af vindhastigheden og trykket i forskellige højder over jordoverfladen.

Civilingeniører bruger en formel, der tager højde for ting som det projekterede område, vindtryk, modstandskoefficient, eksponeringskoefficient, vindstødsresponsfaktor og vigtighedsfaktor for at finde ud af aksial vindbelastning.

En formel er F = A x P x Cd, hvor F er kraften eller vindbelastningen, A er objektets projicerede område, P er vindtrykket, og Cd er modstandskoefficienten.

Træthedsstyrke

Beregning af en konstruktions udmattelsesstyrke under aksial- og bøjningsbelastninger kan ske ved brug af analytiske metoder baseret på forholdet mellem udmattelsesstyrkerne for aksial- og bøjningsbelastning.

I disse metoder ændres udmattelsesstyrken under roterende bøjningsbelastning til udmattelsesstyrken under aksial belastning.

For at finde ud af, hvordan en analytisk model fungerer, kan højcyklusudmattelsestest også udføres under begge belastningsforhold.

Planspændingsmodeller kan også bruges til at finde ud af, hvor længe et materiale vil holde, når det bruges på dets overflade, hvor en af ​​hovedspændingerne normalt er nul.

Endelig kan SN-kurver bruges til at finde den maksimalt tilladte spænding ved N-cyklusser og en udmattelsesstyrke-reduktionsfaktor kf.

Kuglelejer og maksimal aksial belastning

Radiale kuglelejer med holder (eller holder) er for det meste lavet til at håndtere radiale belastninger, men de kan også klare aksiale belastninger.

Mængden af ​​aksial belastning, der kan påføres et leje, afhænger af dets størrelse og angives normalt som en procentdel af lejets radiale belastningsværdi.

Når forskellen mellem diameteren af ​​boringen og diameteren af ​​den ydre ring er stor, kan lejet tage aksiale belastninger, der er op til 50% af den radiale statiske belastning.

Løbebanerne i tyndsektionslejer er mere lavvandede, hvilket gør dem mindre i stand til at håndtere aksiale belastninger.

Et vinkelkontaktleje bør anvendes, hvis lejet skal klare en stor aksial belastning.

Disse er lavet anderledes på indersiden end dybe sporkuglelejer, så de kan klare højere aksiale belastninger.

Den maksimale aksiale belastning for kuglelejer med en vis indvendig diameter afhænger af flere ting, såsom lejets størrelse, dybden af ​​lejets løbebane, og hvorvidt det udsættes for kraftige radiale eller momentbelastninger.

Mængden af ​​aksial belastning, der kan påføres et leje, er ofte angivet som en tilnærmelse af lejets radiale belastningsværdi.

SKF leverer minimale aksiale og radiale belastninger for enkeltlejer og lejepar sat op i tandem eller back-to-back/face-to-face-konfigurationer.

Den største belastning, der kan lægges på kuglelejer, afhænger af, hvordan de er lavet på indersiden.

Aksial belastning i strukturer

Når en kraft påføres en struktur direkte langs en akse af strukturen, kaldes dette aksial belastning.

Når der er en punktbelastning, er spændingen nær belastningspunktet meget højere end den gennemsnitlige belastning.

Dette forårsager meget komplicerede deformationer, fordi spændingstilstandene er meget komplicerede.

Normalspænding og forskydningsspænding er begge måder at måle den gennemsnitlige spænding over et tværsnit.

Uanset hvor langs tværsnittet du kigger, er mængden af ​​stress den samme.

En punktbelastning er en kraft udefra, der er koncentreret i et lille område.

Brug cases

Her er nogle måder, hvorpå aksial belastning kan bruges:

Brugt i:	Beskrivelse:
Design af en søjle	Søjler er et godt eksempel på et konstruktionselement, der er lavet til at understøtte aksiale belastninger. For eksempel i bygninger understøtter søjler vægten af ​​gulvene og taget ovenover, hvilket skaber en aksial trykbelastning, som søjlen skal modstå. Aksial belastning er en vigtig ting at tænke på, når man designer søjler for at sikre, at de ikke bøjes eller knækker under kraften.
Broer	Når man designer broer, er aksial belastning også en meget vigtig ting at tænke på. Aksiale trykbelastninger forårsages af vægten af ​​broen og de køretøjer, den bærer. Broen skal kunne modstå disse belastninger. Broer kan også blive påvirket af ting som vind, jordskælv og trafik, som alle kan forårsage bøjningsmomenter og forskydningskræfter. For at lave sikre og nyttige broer er det vigtigt at vide, hvordan disse belastninger interagerer med hinanden.
Tårn design	Høje aksiale trykbelastninger påføres tårne ​​som transmissionstårne, celletårne ​​og vindmøller. Når du laver disse strukturer, skal du blandt andet tænke på måden, de vil blive belastet på, materialerne og højden og bredden af ​​tårnene. For at sikre, at disse strukturer er sikre og holder i lang tid, skal du vide, hvordan aksiale belastninger påvirker dem.
Fremstilling og test	Aksialbelastning er også et vigtigt begreb i fremstilling og test, hvor materialer og produkter skal kunne modstå visse belastninger uden at gå i stykker eller deformeres. Med testværktøjer som aksiale vejeceller kan du finde ud af, hvor meget aksial belastning et materiale eller produkt kan tåle, før det går i stykker.
Luftfartsapplikationer	Aksiale belastninger kan være meget vigtige, når man designer raketter, missiler og andre køretøjer til brug i rummet. Aksiale belastninger kan være forårsaget af køretøjets vægt, dets hastighed eller vibrationer. For at lave sikre og effektive systemer er det vigtigt at vide, hvordan aksiale belastninger påvirker de strukturelle dele af et køretøj.

Konklusion

Som vi har set i denne artikel, er aksial belastning en vigtig del af design og bygning af strukturer, der kan modstå de kræfter, der påføres dem.

Når du arbejder med denne vigtige kraft, er der mange ting at tænke på, lige fra at forstå de unikke udfordringer ved lange, tynde søjler til at tilføje aksiale vejeceller til dit tekniske værktøjssæt.

Men aksial belastning er også en påmindelse om, at ingeniørarbejde er et kompliceret område, der altid er under forandring.

Når vi fortsætter med at skubbe grænserne for, hvad der er muligt, vil vi uundgåeligt stå over for nye problemer, som vil kræve, at vi tænker kreativt og arbejder sammen for at løse.

Så næste gang du arbejder med aksial belastning, skal du holde et åbent sind og være klar til at lære.

Hvem ved, hvilke nye ting der er rundt om det næste hjørne?