Kao student strojarstva ili inženjer, znate koliko je važno da konstrukcije mogu podnijeti 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 djeluje izravno duž osi konstrukcije.
To znači da pri projektiranju, izgradnji i održavanju struktura treba uzeti u obzir čitav niz stvari.
U ovom ću članku ići u detalje o aksijalnom opterećenju i pokriti sve što trebate znati za izgradnju struktura koje mogu podnijeti ovu važnu silu.
Zato se zakopčajte i počnimo!.
Uvod u aksijalno opterećenje
Formalna definicija:
Sila čija rezultanta prolazi kroz težište određenog presjeka i okomita je na ravninu presjeka.
Aksijalno opterećenje je vrsta opterećenja koja vrši pritisak na konstrukcijski element duž njegove osi.
Za razliku od posmične sile, torzionog opterećenja i opterećenja na savijanje, aksijalno opterećenje stvara više tlačnog naprezanja od napetosti ili posmične sile.
Posmična sila, torzijsko opterećenje i opterećenje na savijanje: razlike
Posmična sila uzrokuje širenje naprezanja duž ravnine objekta, dok torzijsko opterećenje uzrokuje širenje naprezanja oko uzdužne osi objekta.
Kada je teret savijen, stvara normalno naprezanje i poprečno posmično naprezanje.
Normalno naprezanje uključuje i aksijalno i poprečno naprezanje, dok poprečno posmično naprezanje uključuje i torzijsko i poprečno smično naprezanje.
Važnost aksijalnog opterećenja
Aksijalna opterećenja su važna jer mogu promijeniti i strukturu implantata i kosti oko njega.
U inženjerstvu je aksijalno opterećenje vrlo važan dio izrade stupova, greda i rešetki.
U biomehanici, aksijalna opterećenja mogu promijeniti način na koji se kosti pomiču, što može uzrokovati prijelome ili zamjene zglobova, među ostalim ozljedama.
Zbog toga je iu inženjerstvu iu medicini važno razumjeti kako djeluje aksijalno opterećenje.
Razlika između aksijalnog i poprečnog opterećenja
Savjet: Uključite tipku titlova ako vam je potrebna. Odaberite "automatski prijevod" u gumbu postavki, ako niste upoznati s engleskim jezikom. Možda ćete prvo morati kliknuti na jezik videozapisa prije nego što vaš omiljeni jezik postane dostupan za prijevod.
Konstrukcijski elementi i aksijalna opterećenja
Rešetke i stupovi dvije su uobičajene vrste konstrukcijskih elemenata koji se uglavnom izrađuju za nošenje aksijalnog opterećenja.
Rešetke: karakteristike i primjena
Rešetke su konstrukcijski elementi koji su napravljeni da nose aksijalne sile u svojim članovima.
Ove sile mogu biti vlačne, kompresijske ili reverzibilne vlačne/kompresijske sile, ovisno o najgorem slučaju opterećenja i kombinacijama opterećenja.
Članovi rešetke koriste manje materijala za podupiranje iste težine.
To ih čini izvrsnim za mostove ili krovove koji moraju biti čvrsti, ali ne preteški.
Ali nosači se slobodno kreću i mogu nositi teret samo u jednom smjeru.
To znači da nisu dovoljno jaki da izdrže teret koji se pomiče s jedne na drugu stranu ili se savija.
Kolone: Karakteristike i primjene
Stupovi su okomiti dijelovi čeličnih građevinskih okvira koji drže podne nosače ili podove koji su izloženi velikim aksijalnim tlačnim opterećenjima.
Uglavnom su napravljeni da podnose tlačna aksijalna opterećenja, ali ovisno o tome kako su postavljeni i načinjeni, mogu izdržati i savijanje i posmične sile.
Stupovi mogu biti okrugli, kvadratni ili pravokutni, a mogu biti između ostalog izrađeni od betona, čelika ili drveta.
Članovi okvira: karakteristike i primjena
Ovisno o tome kako su postavljeni i izrađeni, grede i stupovi mogu nositi i poprečna i aksijalna opterećenja duž svoje duljine.
Često se koriste za držanje podova, krovova i zidova u građevinskim projektima.
No, za razliku od nosača, elementi okvira ne moraju podržavati samo aksijalna opterećenja; mogu podnijeti i poprečna opterećenja.
Određivanje maksimalnog aksijalnog opterećenja
Prilikom izgradnje konstrukcije važno je znati koliko aksijalno opterećenje određeni element ili konstrukcija može podnijeti.
Izračunavanje maksimalnog aksijalnog opterećenja za stupove
Da biste saznali koliko aksijalnog opterećenja stup može podnijeti, možete izračunati njegov KL/r i zatim potražiti vrijednost cFcr u tablici.
Napon u poprečnom presjeku stupa može se pronaći pomoću jednadžbe AP=f, gdje se pretpostavlja da je f isti po cijelom poprečnom presjeku.
Poznato je da je izvijanje granično stanje sloma za stupove, a jednadžba daje kritično opterećenje izvijanja Pcr za stupove (3.1).
Ali da biste u potpunosti odredili kritično opterećenje izvijanja za određeni stup, potrebno vam je više jednadžbi i metoda, a dizajn mora uzeti u obzir kako se stup završava i svojstva materijala.
Približna maksimalna nosivost
Izrada čeličnog dizajna i promatranje omjera interakcije dobar je način da dobijete okvirnu 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 govori vam koliko još težine svaki član može nositi prije nego što se slomi.
Važno je zapamtiti da ova metoda daje samo procjenu.
Stvarni maksimalni teret koji član može nositi može biti niži ili veći od izračunate vrijednosti.
Projektiranje za maksimalno aksijalno opterećenje
Prilikom projektiranja konstrukcija, veličine članova se grubo određuju na temelju arhitektonskih crteža i drugih relevantnih dokumenata, a njihove težine se utvrđuju pomoću informacija iz većine kodova i druge građevinske literature.
Ali strukture moraju biti izgrađene da podnose kritično opterećenje, a to je najveće opterećenje koje bi moglo djelovati na njih.
To se postiže zbrajanjem svih opterećenja koja bi konstrukcija mogla podnijeti tijekom svog životnog vijeka.
Ovo uključuje živa i mrtva opterećenja, kao i opterećenja uzrokovana vjetrom, potresima i drugim mogućim opterećenjima.
Kritično opterećenje u dugim vitkim stupovima
Kritično opterećenje najveća je aksijalna težina koju stup može držati prije nego što se počne savijati.
Eulerova formula: Izračun kritičnog opterećenja
Za određivanje kritičnog opterećenja može se koristiti Eulerova formula: Pcr = (2EI)/(KL)2, gdje je Pcr Eulerovo kritično opterećenje, E Youngov modul elastičnosti, I najmanji drugi moment površine poprečnog presjeka stup (površinski moment tromosti), K je faktor efektivne duljine stupa, a L je neoslonjena duljina stupa.
Značaj kritičnog opterećenja
Kritično opterećenje važno je za određivanje koliko dugi, tanki stupovi reagiraju na aksijalnu tlačnu silu jer ne ovisi o tome koliko je čvrst materijal.
To znači da pri izgradnji tankih struktura koje bi se mogle savijati, inženjeri moraju obratiti dodatnu pozornost na omjer vitkosti, što je duljina stupa podijeljena s njegovim najmanjim radijusom vrtnje.
Visoki omjer vitkosti znači da će mala tlačna opterećenja vjerojatnije uzrokovati lom strukture.
Izvijanje se događa kada se ravni stup koji je sabijen duž svoje duljine iznenada savije. Ovo je granično stanje kvara za stupce.
Ćelije za aksijalno opterećenje i njihova primjena
Merne ćelije koje mjere silu duž jedne osi nazivaju se aksijalne mjerne ćelije.
Princip rada aksijalnih mjernih ćelija
Ćelije za aksijalno opterećenje rade pretvaranjem sile koja se na njih primjenjuje u električni signal koji se može očitati i zapisati.
Oni koriste mjerače naprezanja za mjerenje koliko aksijalno opterećenje mijenja oblik nečega.
Kada se na mjernu ćeliju djeluje sila duž njene osi, mjerači naprezanja se savijaju, što mijenja njihov otpor.
Promjena otpora se zatim pretvara u električni signal koji se može mjeriti.
Primjena aksijalnih mjernih ćelija
Aksijalno montirane mjerne ćelije koriste se u mnogim područjima, poput zrakoplovstva, automobilske industrije i proizvodnje.
Neki uobičajeni načini na koje se koriste ćelije za aksijalno opterećenje su:
- Mjerenje sile na konstrukcijskim dijelovima zgrada i mostova, poput greda i stupova, dok se grade ili koriste.
- Ispitivanje koristi, poput utvrđivanja koliko je sile potrebno da se nešto stisne ili rastegne, ili koliko je sile potrebno da se nešto slomi ili deformira.
- Pazite na stvari poput hidrauličkih preša, dizalica i dizala kako biste bili sigurni da rade sigurno.
- Navest ću više na dnu ovog članka.
Ostali aspekti aksijalnog opterećenja
Aksijalno opterećenje vjetrom
Aksijalno opterećenje vjetrom je sila koju strujanje vjetra ima na zgradu.
U prošlosti su vjetrovi, osobito u obalnim područjima, uzrokovali rušenje mnogih zgrada.
Građevinski inženjeri koriste ASCE 7-16 modificiranu jednadžbu 2.2, koja uzima u obzir visinu konstrukcije iznad razine tla i koliko je ona važna za živote i imovinu ljudi, kako bi izračunali brzinu i pritisak vjetra na različitim visinama iznad razine tla.
Građevinski inženjeri koriste formulu koja uzima u obzir stvari kao što su projektirano područje, tlak vjetra, koeficijent otpora, koeficijent izloženosti, faktor odziva na udar vjetra i faktor važnosti kako bi izračunali aksijalno opterećenje vjetrom.
Jedna formula je F = A x P x Cd, gdje je F sila ili opterećenje vjetrom, A je projektirana površina objekta, P je tlak vjetra, a Cd je koeficijent otpora.
Snaga zamora
Proračun čvrstoće konstrukcije na zamor pri aksijalnom opterećenju i opterećenju na savijanje može se provesti analitičkim metodama koje se temelje na omjeru čvrstoće na zamor za aksijalno opterećenje i opterećenje na savijanje.
Kod ovih metoda, čvrstoća na zamor pod rotacijskim opterećenjem na savijanje mijenja se u čvrstoću na zamor pod aksijalnim opterećenjem.
Da biste saznali kako analitički model funkcionira, testovi zamora s visokim ciklusom također se mogu provesti pod oba uvjeta opterećenja.
Također, modeli ravnih naprezanja mogu se koristiti za određivanje koliko dugo će materijal trajati kada se koristi na svojoj površini, gdje je jedno od glavnih naprezanja obično nula.
Na kraju, krivulje SN mogu se koristiti za određivanje maksimalnog dopuštenog naprezanja pri N ciklusima i faktora smanjenja čvrstoće na zamor kf.
Kuglični ležajevi i maksimalno aksijalno opterećenje
Radijalni kuglični ležajevi s držačem (ili kavezom) većinom su napravljeni za radijalna opterećenja, ali mogu podnositi 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 do 50% radijalnog statičkog opterećenja.
Kanali za klizanje u ležajevima tankog presjeka su plići, što ih čini manje sposobnima za podnošenje aksijalnih opterećenja.
Kutni kontaktni ležaj trebao bi se koristiti ako ležaj treba podnijeti veliko aksijalno opterećenje.
Oni su iznutra drugačije napravljeni od kugličnih ležajeva s dubokim utorima, 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 je li podvrgnut velikim radijalnim ili momentnim opterećenjima.
Količina aksijalnog opterećenja koja se može staviti na ležaj često se daje kao aproksimacija radijalnog opterećenja ležaja.
SKF osigurava minimalna aksijalna i radijalna opterećenja za pojedinačne ležajeve i parove ležajeva postavljene u tandemu ili konfiguraciji leđa-u-leđa/lice u lice.
Najviše opterećenja koje se može staviti na kuglične ležajeve ovisi o tome kako su napravljeni iznutra.
Aksijalno opterećenje u konstrukcijama
Kada se sila djeluje na konstrukciju izravno duž osi konstrukcije, to se naziva aksijalno opterećenje.
Kada postoji točkasto opterećenje, naprezanje u blizini točke opterećenja puno je veće od prosječnog naprezanja.
To uzrokuje vrlo komplicirane deformacije jer su stanja naprezanja vrlo komplicirana.
Normalno naprezanje i smično naprezanje su oba načina za mjerenje prosječnog naprezanja po presjeku.
Bez obzira na koju stranu poprečnog presjeka pogledate, količina naprezanja je ista.
Točkasto opterećenje je sila izvana koja je koncentrirana na malom području.
Slučajevi upotrebe
Evo nekoliko načina na koje se može koristiti aksijalno opterećenje:
| Korišteno u: | Opis: |
|---|---|
| Dizajn stupca | Stupovi su izvrstan primjer konstrukcijskog elementa koji je napravljen da podupire aksijalna opterećenja. Na primjer, u zgradama stupovi nose težinu katova i krova iznad, što stvara kompresijsko aksijalno opterećenje koje stup mora izdržati. Aksijalno opterećenje je važna stvar o kojoj treba razmišljati kada projektirate stupove kako biste bili sigurni da se neće saviti ili slomiti pod silom. |
| Mostovi | Kod projektiranja mostova, aksijalno opterećenje također je vrlo važna stvar o kojoj treba razmišljati. Tlačna aksijalna opterećenja uzrokovana su težinom mosta i vozila koja on nosi. Most mora moći izdržati ta opterećenja. Na mostove također mogu utjecati stvari poput vjetra, potresa i prometa, a sve to može uzrokovati momente savijanja i posmične sile. Da bismo napravili sigurne i korisne mostove, važno je znati kako ta opterećenja međusobno djeluju. |
| Dizajn tornja | Visoka tlačna aksijalna opterećenja izložena su tornjevima kao što su prijenosni tornjevi, ćelijski tornjevi i vjetroturbine. Prilikom izrade ovih konstrukcija, između ostalog morate razmišljati o načinu na koji će biti opterećene, materijalima te visini i širini tornjeva. Da biste bili sigurni da su ove strukture sigurne i dugotrajne, morate znati kako na njih utječu aksijalna opterećenja. |
| Proizvodnja i ispitivanje | Aksijalno opterećenje također je važan koncept u proizvodnji i testiranju, gdje materijali i proizvodi moraju moći izdržati određena opterećenja bez loma ili deformiranja. Pomoću alata za testiranje kao što su ćelije za aksijalno opterećenje, možete saznati koliko aksijalnog opterećenja materijal ili proizvod može podnijeti prije nego što se slomi. |
| Primjene u zrakoplovstvu | Aksijalna opterećenja mogu biti vrlo važna pri projektiranju raketa, projektila i drugih vozila za uporabu u svemiru. Aksijalna opterećenja mogu biti uzrokovana težinom vozila, njegovom brzinom ili vibracijama. Za izradu sigurnih i učinkovitih sustava važno je znati kako aksijalna opterećenja utječu na strukturne dijelove vozila. |
Zaključak
Kao što smo vidjeli u ovom članku, aksijalno opterećenje ključni je dio projektiranja i izgradnje konstrukcija koje mogu izdržati sile koje na njih djeluju.
Kada radite s ovom važnom silom, postoji mnogo stvari o kojima treba razmišljati, od razumijevanja jedinstvenih izazova dugih, tankih stupova do dodavanja aksijalnih mjernih ćelija u vaš inženjerski alat.
Ali aksijalno opterećenje također je podsjetnik da je inženjerstvo komplicirano područje koje se uvijek mijenja.
Dok 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 budete radili s aksijalnim opterećenjem, budite otvorenog uma i budite spremni učiti.
Tko zna koje su nove stvari iza sljedećeg ugla?
Dijeli…
