درک بار محوری در مهندسی

به عنوان یک دانشجوی مهندسی یا مهندس، می دانید که چقدر برای سازه ها مهم است که بتوانند انواع بارها را تحمل کنند.

اما آیا تا به حال به مشکلات منحصر به فردی که بار محوری ایجاد می کند فکر کرده اید؟ بر خلاف نیروی برشی، بار پیچشی و بار خمشی، بار محوری نیرو را مستقیماً در امتداد محور سازه اعمال می کند.

این بدان معناست که هنگام طراحی، ساخت و نگهداری سازه‌ها، مجموعه‌ای کاملاً جدید باید در نظر گرفته شود.

در این مقاله، من به جزئیات بار محوری می پردازم و همه چیزهایی را که برای ساخت سازه هایی که می توانند این نیروی مهم را تحمل کنند، باید بدانید را پوشش خواهم داد.

بنابراین دست و پنجه نرم کنید، و اجازه دهید شروع کنیم!

مقدمه ای بر بار محوری

تعریف رسمی:

نیرویی که حاصل آن از مرکز یک مقطع خاص عبور می کند و بر صفحه آن مقطع عمود است.

بار محوری نوعی بار است که بر یک عضو سازه در امتداد محور خود فشار وارد می کند.

بر خلاف نیروی برشی، بار پیچشی و بار خمشی، بار محوری تنش فشاری بیشتری نسبت به نیروی کششی یا برشی ایجاد می‌کند.

نیروی برشی، بار پیچشی و بار خمشی: تفاوت ها

نیروی برشی باعث پخش تنش در امتداد صفحه جسم می شود، در حالی که بار پیچشی باعث پخش تنش در اطراف محور طولی جسم می شود.

هنگامی که یک بار خم می شود، تنش معمولی و تنش برشی عرضی ایجاد می کند.

تنش معمولی شامل هر دو تنش محوری و عرضی است، در حالی که تنش برشی عرضی شامل تنش برشی پیچشی و برشی عرضی است.

اهمیت بار محوری

بارهای محوری مهم هستند زیرا می توانند ساختار ایمپلنت و استخوان اطراف آن را تغییر دهند.

در مهندسی، بار محوری بخش بسیار مهمی از نحوه ساخت ستون ها، تیرها و خرپاها است.

در بیومکانیک، بارهای محوری می‌توانند نحوه حرکت استخوان‌ها را تغییر دهند که می‌تواند باعث شکستگی یا جایگزینی مفصل و سایر آسیب‌ها شود.

به همین دلیل، درک نحوه عملکرد بار محوری هم در مهندسی و هم در پزشکی مهم است.

تفاوت بین بارگذاری محوری و بارگذاری عرضی

نکته: در صورت نیاز دکمه زیرنویس را روشن کنید. اگر با زبان انگلیسی آشنایی ندارید، در دکمه تنظیمات، «ترجمه خودکار» را انتخاب کنید. قبل از اینکه زبان مورد علاقه شما برای ترجمه در دسترس قرار گیرد، ممکن است لازم باشد ابتدا روی زبان ویدیو کلیک کنید.

اعضای سازه و بارهای محوری

خرپاها و ستون ها دو نوع رایج از اعضای سازه ای هستند که بیشتر برای حمل بارهای محوری ساخته می شوند.

خرپاها: ویژگی ها و کاربردها

خرپاها اعضای سازه ای هستند که برای حمل نیروهای محوری در اعضای خود ساخته می شوند.

این نیروها بسته به بدترین بارها و ترکیب بارها می توانند کشش، فشار یا کشش/فشردگی برگشت پذیر باشند.

اعضای خرپا از مواد کمتری برای تحمل وزن یکسان استفاده می کنند.

این باعث می شود آنها برای پل ها یا سقف هایی که باید محکم باشند اما خیلی سنگین نباشند عالی هستند.

اما اعضای خرپا در حرکت آزادند و فقط می توانند بار را در یک جهت حمل کنند.

این بدان معنی است که آنها به اندازه کافی قوی نیستند که بتوانند در برابر بارهایی که از طرفین به طرف دیگر حرکت می کنند یا خم می شوند مقاومت کنند.

ستون ها: ویژگی ها و کاربردها

ستون ها قسمت های عمودی قاب های ساختمانی فولادی هستند که تیرهای کف یا طبقاتی را که تحت بارهای فشاری محوری سنگین قرار می گیرند، نگه می دارند.

آنها بیشتر برای مقاومت در برابر بارهای محوری فشاری ساخته می شوند، اما بسته به نحوه تنظیم و نحوه ساخت آنها، می توانند در برابر نیروهای خمشی و برشی نیز مقاومت کنند.

ستون ها می توانند گرد، مربع یا مستطیل باشند و می توانند از بتن، فولاد یا چوب و موارد دیگر ساخته شوند.

اعضای چارچوب: ویژگی ها و کاربردها

تیرها و ستونها بسته به نحوه راه اندازی و ساخت آنها می توانند بارهای عرضی و محوری را در طول خود حمل کنند.

آنها اغلب برای نگه داشتن کف، سقف و دیوارها در پروژه های ساختمانی و ساختمانی استفاده می شوند.

اما، بر خلاف اعضای خرپا، اعضای قاب مجبور نیستند فقط بارهای محوری را تحمل کنند. آنها همچنین می توانند بارهای عرضی را تحمل کنند.

تعیین حداکثر بار محوری

هنگام ساخت یک سازه، مهم است که بدانیم یک عضو یا سازه خاص چه مقدار بار محوری را می تواند تحمل کند.

محاسبه حداکثر بار محوری برای ستون ها

برای اینکه بفهمید یک ستون چقدر بار محوری را تحمل می کند، می توانید KL/r آن را بفهمید و سپس مقدار cFcr را در جدول جستجو کنید.

تنش در مقطع ستون را می توان با استفاده از معادله AP=f یافت، که در آن f در تمام سطح مقطع یکسان فرض می شود.

کمانش به عنوان یک حالت حد شکست برای ستون ها شناخته شده است، و معادله بار بحرانی کمانش Pcr را برای ستون ها (3.1) می دهد.

اما برای تعیین کامل بار بحرانی کمانش برای یک ستون معین، به معادلات و روش‌های بیشتری نیاز دارید و طراحی باید نحوه پایان ستون و خواص مواد را در نظر بگیرد.

تقریبی حداکثر ظرفیت حمل بار

انجام یک طراحی فولادی و بررسی نسبت اندرکنش، راه خوبی برای به دست آوردن یک ایده تقریبی از بیشترین وزنی است که یک عضو می تواند حمل کند.

نسبت تعامل، نسبت بین بیشترین وزنی است که یک عضو می تواند حمل کند و وزنی که واقعاً تحمل می کند.

متقابل این نسبت به شما می گوید که هر عضو قبل از شکستن چقدر وزن بیشتری می تواند حمل کند.

مهم است که به یاد داشته باشید که این روش فقط یک تخمین می دهد.

حداکثر بار واقعی که یک عضو می تواند حمل کند ممکن است کمتر یا بیشتر از مقدار محاسبه شده باشد.

طراحی برای حداکثر بار محوری

هنگام طراحی سازه ها، اندازه اعضا تقریباً بر اساس نقشه های معماری و سایر اسناد مربوطه تعیین می شود و وزن آنها با استفاده از اطلاعات بیشتر کدها و سایر متون مهندسی عمران مشخص می شود.

اما سازه‌هایی باید ساخته شوند تا بار بحرانی را تحمل کنند، که بزرگترین باری است که می‌تواند بر روی آنها اثر بگذارد.

این کار با جمع کردن تمام بارهایی که یک سازه می تواند در طول عمر خود حمل کند، انجام می شود.

این شامل بارهای زنده و بارهای مرده و همچنین بارهای ناشی از باد، زلزله و سایر بارهای احتمالی است.

بار بحرانی در ستون های بلند باریک

بار بحرانی محوری ترین وزنی است که یک ستون قبل از شروع به خم شدن می تواند تحمل کند.

فرمول اویلر: محاسبه بار بحرانی

برای یافتن بار بحرانی می توان از فرمول اویلر استفاده کرد: Pcr = (2EI)/(KL)2، که در آن Pcr بار بحرانی اویلر است، E مدول الاستیسیته یانگ است، I حداقل لحظه دوم سطح مقطع است. ستون (منطقه ممان اینرسی)، K ضریب طول موثر ستون، و L طول بدون پشتوانه ستون است.

اهمیت بار بحرانی

بار بحرانی برای تشخیص اینکه ستون‌های نازک و طولی به نیروی فشاری محوری واکنش نشان می‌دهند مهم است، زیرا به میزان استحکام مواد بستگی ندارد.

این بدان معناست که هنگام ساخت سازه های نازکی که ممکن است خم شوند، مهندسان باید توجه بیشتری به نسبت باریکی داشته باشند که طول ستون تقسیم بر کوچکترین شعاع چرخش آن است.

نسبت باریکی بالا به این معنی است که بارهای فشاری کوچک بیشتر باعث شکستن سازه می شوند.

کمانش زمانی اتفاق می‌افتد که یک ستون مستقیم که در امتداد طول خود فشرده می‌شود، ناگهان خم می‌شود. این یک حالت حد شکست برای ستون ها است.

سلول های بار محوری و کاربردهای آنها

لودسل هایی که نیرو را در امتداد یک محور اندازه گیری می کنند، لودسل های محوری نامیده می شوند.

اصل کار سلول های بار محوری

لودسل های محوری با تبدیل نیرویی که به آنها وارد می شود به یک سیگنال الکتریکی قابل خواندن و نوشتن کار می کنند.

آن‌ها از کرنش‌سنج‌ها برای اندازه‌گیری میزان تغییرات بار محوری شکل چیزی استفاده می‌کنند.

هنگامی که نیرویی در امتداد محور آن به لودسل وارد می شود، کرنش سنج ها خم می شوند که مقاومت آنها را تغییر می دهد.

سپس تغییر مقاومت به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می شود که می تواند اندازه گیری شود.

کاربردهای سلول های بار محوری

لودسل های محوری در بسیاری از زمینه ها مانند هوافضا، خودروسازی و تولید استفاده می شود.

برخی از روش های رایج استفاده از سلول های بار محوری عبارتند از:

• اندازه‌گیری نیروی وارد بر بخش‌های سازه‌ای ساختمان‌ها و پل‌ها، مانند تیرها و ستون‌ها، در حین ساخت یا استفاده.
• از آزمایش استفاده می‌کند، مانند فهمیدن اینکه چه مقدار نیرو برای فشردن یا کشش چیزی، یا چه مقدار نیرو برای شکستن یا تغییر شکل چیزی لازم است.
• مراقب مواردی مانند پرس های هیدرولیک، جرثقیل ها و بالابرها باشید تا مطمئن شوید که آنها ایمن کار می کنند.
• در انتهای این مقاله بیشتر لیست خواهم کرد.

جنبه های دیگر بار محوری

بار محوری باد

بار محوری باد نیرویی است که جریان باد بر ساختمان وارد می کند.

در گذشته نیروهای باد به ویژه در مناطق ساحلی باعث سقوط بسیاری از ساختمان ها شده است.

مهندسان عمران از معادله 2.2 اصلاح شده ASCE 7-16 استفاده می کنند که ارتفاع سازه از سطح زمین و اهمیت آن برای جان و دارایی افراد را برای محاسبه سرعت و فشار باد در ارتفاعات مختلف از سطح زمین در نظر می گیرد.

مهندسان عمران از فرمولی استفاده می کنند که مواردی مانند منطقه پیش بینی شده، فشار باد، ضریب پسا، ضریب نوردهی، ضریب پاسخ وزش باد و فاکتور اهمیت را برای محاسبه بار محوری باد در نظر می گیرد.

یک فرمول F = A x P x Cd است که در آن F نیرو یا بار باد است، A ناحیه پیش بینی شده جسم، P فشار باد و Cd ضریب پسا است.

قدرت خستگی

محاسبه مقاومت خستگی سازه تحت بارهای محوری و خمشی می تواند با استفاده از روش های تحلیلی بر اساس نسبت مقاومت های خستگی برای بارهای محوری و خمشی انجام شود.

در این روش ها استحکام خستگی تحت بار خمشی دورانی به مقاومت خستگی تحت بار محوری تبدیل می شود.

برای اطلاع از نحوه عملکرد یک مدل تحلیلی، تست‌های خستگی چرخه بالا نیز می‌توانند در هر دو شرایط بارگذاری انجام شوند.

همچنین، از مدل‌های تنش سطحی می‌توان برای تعیین مدت زمان ماندگاری یک ماده در هنگام استفاده روی سطح آن استفاده کرد، جایی که یکی از تنش‌های اصلی معمولاً صفر است.

در نهایت، منحنی های SN را می توان برای یافتن حداکثر تنش مجاز در چرخه های N و ضریب کاهش استحکام خستگی kf استفاده کرد.

بلبرینگ و حداکثر بار محوری

بلبرینگ های شعاعی با نگهدارنده (یا قفس) بیشتر برای تحمل بارهای شعاعی ساخته می شوند، اما می توانند بارهای محوری را نیز تحمل کنند.

مقدار بار محوری که می توان روی یک یاتاقان وارد کرد به اندازه آن بستگی دارد و معمولاً به عنوان درصدی از بار شعاعی یاتاقان داده می شود.

هنگامی که اختلاف بین قطر سوراخ و قطر حلقه بیرونی زیاد باشد، یاتاقان می تواند بارهای محوری را تحمل کند که تا 50٪ بار استاتیک شعاعی است.

مسیرهای مسابقه در یاتاقان های مقطع نازک کم عمق تر هستند، که باعث می شود آنها کمتر قادر به تحمل بارهای محوری باشند.

اگر یاتاقان نیاز به تحمل بار محوری سنگین دارد، باید از یاتاقان تماس زاویه ای استفاده شود.

این یاتاقان ها در داخل متفاوت از بلبرینگ های شیار عمیق ساخته می شوند، بنابراین می توانند بارهای محوری بالاتری را تحمل کنند.

حداکثر بار محوری برای بلبرینگ‌های ساچمه‌ای با قطر داخلی معین به موارد مختلفی از جمله اندازه یاتاقان، عمق مسیر یاتاقان و اینکه آیا تحت بارهای شعاعی یا لحظه‌ای سنگین قرار می‌گیرد یا نه، بستگی دارد.

مقدار بار محوری که می تواند بر روی یاتاقان وارد شود اغلب به عنوان تقریبی از بار شعاعی یاتاقان ارائه می شود.

SKF حداقل بارهای محوری و شعاعی را برای یاتاقان های منفرد و جفت بلبرینگ هایی که به صورت پشت سر هم یا پشت به پشت/رو در رو تنظیم شده اند، فراهم می کند.

بیشترین استرسی که می توان به بلبرینگ وارد کرد به نحوه ساخت آنها در داخل بستگی دارد.

بارگذاری محوری در سازه ها

هنگامی که نیرویی مستقیماً در امتداد یک محور سازه به سازه وارد می شود، به آن بارگذاری محوری می گویند.

هنگامی که یک بار نقطه ای وجود دارد، تنش نزدیک به نقطه بارگذاری بسیار بیشتر از تنش متوسط ​​است.

این باعث تغییر شکل های بسیار پیچیده می شود زیرا حالت های تنش بسیار پیچیده هستند.

تنش معمولی و تنش برشی هر دو روشی برای اندازه گیری تنش متوسط ​​در یک مقطع هستند.

مهم نیست که کجای سطح مقطع را نگاه کنید، میزان استرس یکسان است.

بار نقطه ای نیرویی از خارج است که در ناحیه کوچکی متمرکز می شود.

موارد استفاده کنید

در اینجا چند راه برای استفاده از بار محوری وجود دارد:

مورد استفاده در:	شرح:
طراحی یک ستون	ستون ها نمونه ای عالی از یک عضو سازه ای هستند که برای تحمل بارهای محوری ساخته شده اند. به عنوان مثال، در ساختمان‌ها، ستون‌ها وزن طبقات و سقف بالا را تحمل می‌کنند که باعث ایجاد بار محوری فشاری می‌شود که ستون باید در برابر آن مقاومت کند. بار محوری نکته مهمی است که هنگام طراحی ستون ها باید به آن فکر کنید تا مطمئن شوید که تحت فشار خم نمی شوند یا نمی شکنند.
پل ها	هنگام طراحی پل ها، بار محوری نیز نکته بسیار مهمی است که باید به آن فکر کنید. بارهای محوری فشاری ناشی از وزن پل و وسایل نقلیه ای است که با خود حمل می کند. پل باید بتواند این بارها را تحمل کند. پل ها همچنین می توانند تحت تأثیر عواملی مانند باد، زلزله و ترافیک قرار گیرند که همه اینها می توانند باعث ایجاد گشتاورهای خمشی و نیروهای برشی شوند. برای ساخت پل های ایمن و مفید، مهم است که بدانید این بارها چگونه با یکدیگر تعامل دارند.
طراحی برج	بارهای محوری فشاری بالا بر روی دکل هایی مانند دکل های انتقال، دکل های سلولی و توربین های بادی وارد می شود. هنگام ساخت این سازه ها، باید به نحوه بارگیری، مصالح، ارتفاع و عرض برج ها و موارد دیگر فکر کنید. برای اطمینان از ایمن بودن و ماندگاری طولانی این سازه ها، باید بدانید که بارهای محوری چگونه بر آنها تأثیر می گذارد.
ساخت و آزمایش	بار محوری نیز مفهوم مهمی در تولید و آزمایش است، که در آن مواد و محصولات باید بتوانند بارهای خاصی را بدون شکستن یا تغییر شکل تحمل کنند. با ابزارهای آزمایشی مانند سلول های بار محوری، می توانید بفهمید که یک ماده یا محصول قبل از شکستن چه مقدار بار محوری می تواند تحمل کند.
کاربردهای هوافضا	بارهای محوری می توانند هنگام طراحی موشک، موشک و سایر وسایل نقلیه برای استفاده در فضا بسیار مهم باشند. بارهای محوری می تواند ناشی از وزن خودرو، سرعت آن یا ارتعاشات باشد. برای ساختن سیستم‌های ایمن و مؤثر، دانستن اینکه چگونه بارهای محوری بر بخش‌های ساختاری یک وسیله نقلیه تأثیر می‌گذارد، مهم است.

نتیجه

همانطور که در این مقاله دیدیم، بار محوری یکی از بخش‌های کلیدی طراحی و ساخت سازه‌ها است که می‌تواند در برابر نیروهای وارده به آنها مقاومت کند.

هنگام کار با این نیروی مهم، چیزهای زیادی وجود دارد که باید به آنها فکر کنید، از درک چالش های منحصر به فرد ستون های بلند و نازک گرفته تا اضافه کردن سلول های بار محوری به جعبه ابزار مهندسی.

اما بار محوری همچنین یادآور این است که مهندسی یک رشته پیچیده است که همیشه در حال تغییر است.

با ادامه دادن به محدودیت های ممکن، ناگزیر با مشکلات جدیدی روبرو خواهیم شد که ما را ملزم به تفکر خلاقانه و همکاری برای حل آن می کند.

بنابراین، دفعه بعد که با بار محوری کار می کنید، ذهن خود را باز نگه دارید و آماده یادگیری باشید.

چه کسی می داند چه چیزهای جدیدی در گوشه بعدی وجود دارد؟