Ako inžinier je mojou úlohou navrhovať a stavať konštrukcie, ktoré sú nielen užitočné, ale aj bezpečné a dlho vydržia.
Pochopenie pevnosti ložísk je dôležitou súčasťou stavebného inžinierstva.
Keď vydelíte efektívnu nosnú plochu maximálnym zaťažením, ktoré stĺp, stena, pätka alebo spoj znesie, kým sa nezlomí, získate pevnosť ložiska.
To chráni moje budovy pred pádom.
Ako študent inžinierstva alebo ako inžinier budete musieť navrhnúť konštrukcie, ktoré odolajú prírodným aj ľudským silám.
Preto potrebujem vedieť veľa o nosnej sile, aby som sa uistil, že moje budovy sú bezpečné a dlho vydržia.
V tomto článku sa ponorím hlbšie do sveta pevnosti ložísk, preskúmam rôzne faktory, ktoré ju ovplyvňujú a ako môžu inžinieri vypočítať a zabezpečiť stabilitu konštrukcie.
Takže si nasaďte prilbu a čiapku myslenia a poďme spolu preskúmať fascinujúci svet nosnej sily!
Pochopenie nosnej sily
Formálna definícia:
Maximálne zaťaženie, ktoré stĺp, stena, pätka alebo spoj vydrží až do zlyhania, vydelené efektívnou nosnou plochou.
Sila ložiska je veľmi dôležitá myšlienka v strojárstve, najmä v oblastiach, ako je stavba a navrhovanie lietadiel.
Vzťahuje sa na maximálne množstvo hmotnosti alebo tlaku, ktoré môže konštrukcia udržať pred zrútením.
V tomto článku budeme hovoriť o pevnosti ložiska, medze klzu a konečnej pevnosti ložiska.
Nosnosť
Maximálne zaťaženie ložiska, ktoré môže byť umiestnené na konštrukciu pred jej zlyhaním, vydelené plochou, ktorá nesie zaťaženie, sa nazýva pevnosť ložiska.
Ako už bolo povedané, nosná sila konštrukcie nie je maximálne množstvo hmotnosti alebo tlaku, ktoré môže udržať, kým sa rozpadne.
Namiesto toho je to efektívna nosná plocha vydelená maximálnym zaťažením, ktoré stĺp, stena, pätka alebo spoj znesie, kým sa nezlomí.
Pevnosť ložiska sa môže merať pevnosťou v ťahu, tlaku, ohybe a ohybe, ako aj tvrdosťou ložiska.
Je však dôležité pochopiť, že pevnosť v ťahu, tlaku a ohybe priamo nesúvisia s pevnosťou ložiska.
Pri stavbe je dôležité poznať nosnosť konštrukcií, ako sú steny a stĺpy, aby ste sa uistili, že dokážu udržať zaťaženie, ktoré majú niesť.
Rovnakým spôsobom pri navrhovaní lietadla musí byť nosnosť draku lietadla schopná odolať rôznym tlakom a silám, ktoré naň pôsobia počas vzletu, letu, stúpania, pristávania a iných operačných manévrov.
Medza klzu
Ďalším dôležitým spôsobom, ako merať, ako je niečo silné, je jeho medza klzu.
Je definovaná ako maximálne napätie, ktoré môže pevný materiál vydržať, keď je deformovaný v rámci svojho elastického limitu.
Medza klzu je maximálne napätie alebo zaťaženie, ktoré môže pevný materiál zvládnuť, keď je deformovaný až po hranicu pružnosti, čo znamená, že sa môže vrátiť do pôvodného tvaru po odstránení zaťaženia.
Napätie alebo zaťaženie, ktoré je potrebné na trvalú zmenu tvaru materiálu, sa nazýva jeho medza klzu.
Po tomto bode sa materiál nevráti do pôvodného stavu.
V tvárnych materiáloch je medza klzu oveľa nižšia ako medza klzu, zatiaľ čo v krehkých materiáloch neexistuje žiadna medza klzu, a teda žiadna medza klzu.
Maximálna nosná sila
Konečná pevnosť ložiska je najväčší tlak, ktorý môže pevný materiál vydržať, kým sa zlomí.
Často sa používa rovnakým spôsobom ako „maximálna pevnosť v ťahu“. Konečná pevnosť ložiska a maximálna pevnosť v ťahu sú oba spôsoby, ako hovoriť o tom, koľko stresu môže pevný materiál vydržať, kým sa zlomí.
Zo skúšok ložísk môžete zistiť medzu klzu ložiska a jeho medzné napätie.
Medza klzu ložiska (BYS) sa zistí nakreslením čiary rovnobežnej s počiatočným sklonom krivky deformácie napätia ložiska pri posunutom pretvorení 0,002.
Nakoniec, pevnosť ložiska, medza klzu a konečná pevnosť ložiska sú všetky dôležité myšlienky v strojárstve.
Pevnosť ložiska je najväčšia hmotnosť, ktorú môže konštrukcia udržať, kým sa nezlomí, a medza klzu je najväčšia záťaž, ktorú môže materiál vydržať, kým začne trvalo meniť tvar.
Konečná pevnosť ložiska a maximálna pevnosť v ťahu sú oba spôsoby, ako hovoriť o tom, koľko stresu môže materiál vydržať, kým sa zlomí.
Pochopením týchto myšlienok môžu inžinieri vytvárať konštrukcie a materiály, ktoré sú bezpečné a spoľahlivé.
Posúvanie hraníc: Dôležitosť nosnej sily pri navrhovaní budov
Stále ťažké pochopiť? Dovolím si trochu zmeniť uhol pohľadu:
Ak chcete navrhnúť budovu, ktorá sa nerozpadne ako domček z karát, kľúčové je uistiť sa, že dokáže udržať váhu všetkých vašich nerozumných očakávaní, neprimeraných požiadaviek a nevyhnutných chýb.
Pretože povedzme si na rovinu, ak neposúvate hranice únosnosti svojej budovy, žijete naozaj naplno?
Dobre, to bol len vtip, ktorý vyzeral ako televízna reklama.
Teraz sa vráťme k vysvetleniu.
Faktory ovplyvňujúce nosnosť
Pôdne faktory
Jednou z najdôležitejších vecí, ktoré ovplyvňujú pevnosť konštrukcie, je to, akú váhu dokáže udržať.
Únosnosť pôdy ovplyvňujú tieto pôdne faktory:
- Pevnosť v šmyku: Pevnosť pôdy v šmyku je spôsob, ako merať, ako dobre môže pôda odolávať silám, ktoré sa ju snažia roztrhnúť.
- Šírka a hĺbka základu: Šírka a hĺbka základu môže mať veľký vplyv na to, akú váhu dokáže udržať.
Vo všeobecnosti môže základ udržať väčšiu váhu, ak je širší a hlbší.
- Hmotnosť pôdy a akákoľvek nadbytočná hmotnosť na nej: Hmotnosť pôdy a akákoľvek nadbytočná hmotnosť na jej vrchu môže ovplyvniť, akú váhu pôda unesie.
Pevnosť betónu v tlaku
Ďalšia vec, ktorá ovplyvňuje nosnosť, je pevnosť betónu, keď je stlačený.
Pevnosť betónu v tlaku po 28 dňoch sa používa pri navrhovaní stenových pätiek a je dôležité použiť betónovú zmes so správnou pevnosťou pre účel konštrukcie.
Tvar a rozmery konštrukcie
Pevnosť konštrukcie môže byť ovplyvnená aj jej tvarom a veľkosťou, ako je jej šírka, dĺžka a hrúbka.
Štruktúra s väčšou povrchovou plochou bude mať vo všeobecnosti vyššiu únosnosť.
Rozloženie zaťaženia a typ zaťaženia
Pevnosť konštrukcie môže byť ovplyvnená typom zaťaženia, ktoré na ňu bude kladené.
Pevnosť konštrukcie môže byť ovplyvnená živým zaťažením, vlastným zaťažením a zaťažením vetrom.
Umiestnenie a orientácia konštrukcie
Pevnosť konštrukcie môže byť ovplyvnená aj tým, kde sa nachádza a ako je nastavená.
Schopnosť pôdy udržať váhu môže byť ovplyvnená vecami, ako je typ pôdy a hladina podzemnej vody.
Únosnosť konštrukcie môže byť ovplyvnená aj počasím, ako je vietor, dážď a zmeny teploty.
Medzinárodný stavebný zákon
Medzinárodný stavebný zákon obsahuje návrhy, aký druh základov použiť a ako by sa mal stavať.
Medzi týmito návrhmi, ale nie všetkými, sú tieto:
- Kapacita prírodnej alebo zhutnenej pôdy udržať váhu.
- Ustanovenia na zmiernenie účinkov pôdy, ktorá sa často pohybuje.
- Hĺbka mrazovej čiary.
- Minimálne vystuženie pre betónové pätky.
- Minimálna hĺbka drevených stĺpikov na osadenie do betónových pätiek.
Bezpečnostný faktor ložísk
Koeficient bezpečnosti ložísk sa používa na zabezpečenie stability konštrukcie.
Faktor bezpečnosti je pomer maximálneho zaťaženia, ktoré môže byť zaťažené ložiskom, k maximálnemu zaťaženiu, ktoré naň môže byť kladené.
Predpokladá sa, že zlyhanie nastane, keď je bezpečnostný faktor menší ako 1.
Prípustnú únosnosť môžete zistiť pomocou rovnice, ktorá zohľadňuje parametre pôdy a tvar základu.
Hodnotiace štandardy
Kvalita terénnej rekognoskácie, odberu vzoriek pôdy a šmykových skúšok môže ovplyvniť presnosť výpočtov stability.
Aby sa zabezpečilo, že bezpečnostný faktor je správny a spoľahlivý, boli vypracované hodnotiace normy pre faktor bezpečnosti v analýze stability základov.
V konečnom dôsledku existuje veľa vecí, ktoré ovplyvňujú pevnosť stĺpa, steny, pätky alebo spoja.
Inžinieri musia myslieť na pôdu, pevnosť betónu v tlaku, tvar a veľkosť konštrukcie, ako je rozložené zaťaženie a aký druh zaťaženia je, kde a ako je konštrukcia umiestnená a čo Medzinárodný stavebný zákon hovorí.
Okrem toho sa na zabezpečenie štrukturálnej stability používa bezpečnostný faktor ložísk a na zabezpečenie presných a spoľahlivých výpočtov sú zavedené hodnotiace normy.
Stanovenie únosnosti materiálov
Faktory ovplyvňujúce nosnosť
Pevnosť stĺpa, steny, pätky alebo spoja závisí od mnohých vecí, ako je pôda, konštrukcia základu, tvar a veľkosť konštrukcie, spôsob rozloženia zaťaženia a prostredie.
Pôdne faktory: Únosnosť pôdy je určená tromi pôdnymi faktormi: pevnosťou v šmyku, šírkou a hĺbkou základu a hmotnosťou pôdy a priťažením.
Keď sa základňa položí na pôdu, ktorá sa nelepí, jej schopnosť udržať váhu závisí od jej šírky.
Výpočty stability môžu byť nesprávne, ak prieskum v teréne, odber vzoriek pôdy a šmykové testy nie sú vykonané dobre.
Návrh základov: Medzinárodný stavebný predpis poskytuje odporúčania pre typ základov a kritériá návrhu, vrátane, ale nie výlučne, únosnosti prírodnej alebo zhutnenej pôdy, opatrení na zmiernenie účinkov expanzívnych zemín, hĺbky čiary mrazu, minimálnej výstuže pre betónové pätky a minimálne kotevné hĺbky pre drevené stĺpiky v betónových pätkách.
Rozmery a tvar budovy: Steny a stĺpy by mali byť podopreté čo najbližšie k stredu základových pätiek, aby sa zabránilo jednosmernému (nosníkovi) šmykovému zlyhaniu, ku ktorému dochádza, keď sa trám zlomí pod uhlom asi 45 stupňov k stene. .
Rozloženie zaťaženia je spôsob, akým sa rozložia zaťaženia konštrukcie, ako sú živé zaťaženie, vlastné zaťaženie a zaťaženie vetrom.
Medzi faktory prostredia patrí umiestnenie a orientácia budovy, ako aj podmienky na zemi a to, ako je vystavená vetru, dažďu a zmenám teploty.
Stanovenie únosnosti materiálov
Drevo, oceľ a meď majú napríklad rôznu únosnosť, ktorá závisí od ich pevnosti v ťahu, pevnosti v tlaku, tvrdosti, ťažnosti, pružnosti a iných vlastností, ktoré sú jedinečné pre každý materiál.
Napríklad nosnosť dreva závisí od jeho zrna, hustoty a množstva vlhkosti, zatiaľ čo nosnosť ocele závisí od vecí, ako je zloženie zliatiny, tepelné spracovanie a fyzikálne rozmery, ako je vonkajší priemer, hrúbka steny, a dĺžka.
Pevnosť v ťahu: Pevnosť materiálu v ťahu je množstvo sily, ktorú je potrebné roztiahnuť, kým sa nerozbije.
Pevnosť v tlaku: Ak chcete zistiť pevnosť materiálu v tlaku, zmerajte, koľko sily je potrebné na jeho rozdrvenie, kým sa nerozbije.
Pevnosť ložiska oceľových rúrok
Vonkajší priemer, hrúbka steny a dĺžka oceľovej rúry, ako aj materiálové vlastnosti ocele, ako je jej medza klzu a medza pevnosti v ťahu, určujú, akú veľkú hmotnosť môže uniesť.
Kalkulačku môže použiť každý, kto pozná požiadavky na zaťaženie svojej aplikácie a či sa rúra použije ako nosník alebo stĺp, aby zistil, aká veľkosť rúry je potrebná.
Nosnosť oceľových rúrok možno vypočítať pomocou matematických rovníc alebo počítačových programov, ktoré zohľadňujú všetky tieto skutočnosti.
Napríklad nosnosť oceľovej rúry možno vypočítať pomocou Eulerovho vzorca, ktorý berie do úvahy dĺžku rúry, dĺžku bez podpery a moment zotrvačnosti.
Iné rovnice, ako napríklad vzorec AISC od Amerického inštitútu pre oceľové konštrukcie, možno použiť na zistenie, aká silná je oceľová rúra pri rôznych zaťaženiach.
Testovanie únosnosti pôdy
Testovanie pôdy je dôležitým spôsobom, ako zistiť, aký silný je základ budovy a akú váhu dokáže udržať.
Zahŕňa to testovanie vzoriek pôdy v laboratóriu, aby sa zistilo, aké sú ich vlastnosti, a použitie iných metód na zistenie stability pôdy.
Laboratórne testy na vlastnosti pôdy:
Vzorky pôdy môžu byť podrobené mnohým testom v laboratóriu, aby ste zistili ich vlastnosti.
Tieto testy zahŕňajú konsolidovaný neodvodnený (CU) test, neobmedzený kompresný test, trojosový kompresný test, šmykový boxový test, lopatkový test, konsolidačný test, test napučiavania a nasávania, test priepustnosti a chemické analýzy.
Tieto testy sú potrebné na opísanie a klasifikáciu pôdy a na zistenie farby, štruktúry a konzistencie narušených aj nenarušených vzoriek z lokality.
Spôsoby, ako zistiť, aká silná je pôda:
Na určenie únosnosti pôdy je možné použiť rôzne spôsoby, ako je teória maximálnej únosnosti Terzaghi, ktorá určuje maximálnu únosnosť pre plytké súvislé základy.
Používa rovnicu, ktorá zohľadňuje parametre pôdy ako súdržnosť, efektívna jednotková hmotnosť, hĺbka základu a šírka základu.
Ďalším spôsobom, ako zistiť, akú váhu môže udržať nenasýtená jemnozrnná pôda, je použiť pevnosť v šmyku z neobmedzených kompresných testov.
Rovnica únosnosti (odvodnená) funguje len pre plytké pätky, ktoré znášajú vertikálne zaťaženia, ktoré nie sú excentrické.
Použitie neobmedzenej pevnosti v tlaku na odhad únosnosti:
Neobmedzená pevnosť v tlaku funguje iba pre pôdy, ktoré sa zlepujú.
Nedá sa použiť na zistenie, akú váhu môže nesúdržná zemina udržať, pretože potrebuje inú sadu parametrov.
Testovanie pôdy je dôležitým spôsobom, ako zistiť, aké pevné sú základy budovy a akú váhu dokáže udržať.
Vlastnosti pôdy sa zisťujú pomocou laboratórnych testov a existujú rôzne spôsoby, ako zistiť, akú váhu môže pôda udržať na základe jej vlastností.
Pre súdržné a nesúdržné pôdy je dôležité použiť správne metódy a pri každej metóde zohľadniť iné parametre pôdy.
Nosnosť muriva
Maximálne použiteľné napätie pre betónové murivo
Pri vlákne s extrémnym tlakom v betónovom murive je najväčšie napätie, ktoré možno použiť, 0,0025.
Vystužené murivo
Pre vystužené murivo sa tlakové a ťahové napätia vo výstuži pod špecifikovanou medzou klzu rovnajú modulu pružnosti výstuže vynásobenému deformáciou ocele.
Šmyková kapacita muriva
Nominálnu únosnosť muriva môžete zistiť aj tak, že sa pozriete na to, koľko vydrží pri namáhaní.
V jednoduchom nosníku rozpätia sa šmyková kapacita pohybuje od 0 pri podpore do nekonečna v strede.
V príslušných konštrukčných kódexoch a smerniciach môžete nájsť vzorec na určenie únosnosti v šmyku ako funkcie M/Vd.
Dôležité aspekty pri navrhovaní muriva
Je dôležité si uvedomiť, že tieto výpočty sú založené na určitých predpokladoch a konštrukčných predpisoch.
Pri navrhovaní muriva musíte starostlivo premyslieť veci, ako sú typy zaťaženia, vlastnosti materiálov a spôsob nastavenia konštrukcie.
Pred vykonaním akýchkoľvek výpočtov alebo akýchkoľvek návrhových rozhodnutí o murovaných konštrukciách je najlepšie skontrolovať príslušné projektové predpisy a pokyny.
Účinky vysokej teploty na oceľ
Oceľ sa často používa v stavebníctve a strojárstve, ale keď sa príliš zahreje, stráca schopnosť udržať váhu.
Okolo 425°C je najvyššia teplota, nad ktorou oceľ začína strácať svoju schopnosť udržať váhu.
Medzi 600°C a 650°C oceľ stratí polovicu svojej pevnosti a v závislosti od toho, akú váhu nesie, by sa mohla zlomiť.
Okolo 500 °C pevnosť konštrukčnej ocele valcovanej za tepla pri izbovej teplote výrazne stráca na svojej nosnosti.
Pri 1100 °F (593,33 °C) má oceľ stále asi 50 % svojej pevnosti.
Keď sa oceľ topí pri teplote približne 2700 °F (1482,22 °C), stráca všetku svoju pevnosť.
Vo väčšine prípadov sa pri navrhovaní predpokladá, že celá kapacita sa stratí pri teplote približne 2200 °F (1204,44 °C).
Vplyv ohňa na konštrukčnú oceľ
V oceli S275 triedy BS EN 10025 môže profil z konštrukčnej ocele valcovanej za tepla S275, ktorý bol v ohni a zahrial sa na viac ako 600 °C, po ochladení stratiť niektoré zo svojich vlastností.
Bez ohľadu na to, aký horúci je oheň, medza prieťažnosti pri izbovej teplote alebo výmena nebudú potrebné, ak prvok spĺňa všetky ostatné technické požiadavky, ako napríklad rovný.
Keď sa konštrukčná oceľ triedy S355 zahreje na teplotu vyššiu ako 600 °C v ohni, jej zvyšková medza klzu a pevnosť v ťahu sa tiež zníži.
Pevnosť skrutiek v šmyku - Výpočty nosnosti ložiska, roztrhnutia a šmyku
Tip: Ak potrebujete, zapnite tlačidlo titulkov. Ak nie ste oboznámení s hovoreným jazykom, vyberte v tlačidle nastavení „automatický preklad“. Možno budete musieť najskôr kliknúť na jazyk videa, až potom bude váš obľúbený jazyk dostupný na preklad.
Využitie pevnosti ložísk
Výstavba budov:
Budovy a konštrukcie každého druhu musia byť dostatočne pevné, aby udržali svoju váhu.
Hovorí, akú váhu môže stĺp, stena, pätka alebo spoj uniesť, kým sa zlomí.
Inžinieri používajú výpočty nazývané "nosná pevnosť", aby sa uistili, že budova udrží svoju vlastnú váhu, ako aj dodatočnú váhu, ktorá pochádza od ľudí, zariadení a životného prostredia.
Dizajn mosta:
Mosty musia byť postavené tak, aby zvládli ťažké bremená, ako sú autá, vietor a zemetrasenia.
Únosná sila základových a nosných konštrukcií, ako sú móla a podpery, je kľúčovým faktorom pri zisťovaní, akú váhu dokážu udržať.
Inžinieri tiež používajú nosnú silu, aby zistili, akú váhu môže nosník, nosník alebo kábel udržať.
Matematické inžinierstvo:
V strojárstve je pevnosť ložísk veľmi dôležitá, pretože sa používa na určenie toho, koľko hmotnosti môžu niesť ozubené kolesá, ložiská a hriadele.
Inžinieri používajú výpočty pevnosti ložísk, aby sa uistili, že diely zvládnu sily a namáhanie aplikácie, ako sú ťažké stroje, vozidlá a lietadlá.
Letecký priemysel:
Pevnosť ložísk je dôležitá aj v leteckom a kozmickom priemysle, kde sa používa na určenie toho, akú váhu môžu časti, ako sú krídla, trupy a podvozky, udržať.
Inžinieri používajú výpočty nazývané "nosná pevnosť", aby sa uistili, že lietadlo zvládne sily a namáhanie, ktoré prichádzajú s letom, ako sú turbulencie, vzlet a pristátie.
Budovy na mori:
Pri navrhovaní a stavbe štruktúr, ako sú ropné plošiny, veterné turbíny a plošiny na mori, je dôležitým faktorom pevnosť ložiska.
Tieto budovy musia byť schopné odolať nepriazni počasia, ako je silný vietor, vlny a prúdy.
Nosná sila sa používa na určenie toho, akú váhu môžu udržať základy a nosné konštrukcie, ako aj to, akú váhu môžu maximálne udržať zariadenia a stroje.
Ťažobný biznis:
V ťažobnom priemysle je pevnosť ložísk veľmi dôležitá, pretože sa používa na zistenie toho, akú veľkú váhu je možné priložiť na podzemné nosné konštrukcie, ako sú stĺpy a nosníky.
Inžinieri používajú výpočty nazývané "nosná pevnosť", aby sa uistili, že konštrukcie dokážu zvládnuť hmotnosť horniny nad ňou, ako aj sily a napätia spôsobené ťažobným procesom, ako je odstrel a vŕtanie.
Záver
Keď skončíme rozprávanie o pevnosti ložísk, je dôležité si uvedomiť, že táto myšlienka je dôležitá nielen v strojárstve, ale v živote všeobecne.
Rovnako ako budova potrebuje pevnú základňu, aby mohla stáť, aj my potrebujeme pevnú základňu, aby sme mohli čeliť výzvam života.
Musíme byť zakorenení vo svojich presvedčeniach, hodnotách a princípoch, aby sme sa postavili veciam, ktoré sa nás snažia zraziť na zem.
Budovy nie sú jediná vec, ktorá musí byť silná. Aj náš život musí byť silný.
Musíme zistiť, akú veľkú váhu unesieme, nájsť správnu pomoc a uistiť sa, že máme pevnú základňu, na ktorej môžeme stáť.
Takže predtým, ako odídete z tohto článku, nájdite si chvíľu na premýšľanie o tom, akí ste silní.
Na čom staviate svoj dom? Koľko unesiete? A ako sa môžete uistiť, že máte potrebnú pomoc, aby ste mohli čeliť výzvam života? Pamätajte, že dobre navrhnutý život môže trvať rovnako dlho ako dobre navrhnutá budova.
Choďte teda von a vybudujte si život, ktorý dokáže podporiť vaše sny.
Odkazy a referencie
ACI 318-14 Požiadavky stavebného zákona na stavebný betón a komentár
Kapitola 3: Návrhové zaťaženia pre obytné budovy
Odporúčané minimálne požiadavky na stavbu murovaných stien
Zdieľať na…
