Konštrukčné inžinierstvo zmenilo môj svet mnohými spôsobmi, od stavania vysokých mrakodrapov až po stavanie mostov, ktoré pretínajú celé rieky.
Jednoduchý nosníkový stĺp je jednou z najdôležitejších častí mnohých z týchto budov.
Na túto časť konštrukcie pôsobí súčasne osové zaťaženie a ohybové momenty spôsobené bočnými silami alebo excentricitou pozdĺžneho zaťaženia.
Mnohé zo súčasných inžinierskych zázrakov by neboli možné bez trámových stĺpov.
V tomto článku sa pozriem na stĺpy lúčov a poviem si, čo to sú, ako fungujú a prečo sú dôležité.
Tento príspevok je pre každého, či už ste nový študent inžinierstva alebo skúsený inžinier, ktorý sa chce naučiť niečo nové.
Takže začnime a zistime, čo sú stĺpy lúčov a čo robia.
Úvod
Formálna definícia:
Konštrukčný prvok je súčasne vystavený axiálnemu zaťaženiu a ohybovým momentom spôsobeným bočnými silami alebo excentricitou pozdĺžneho zaťaženia.
Trámový stĺp je dôležitou súčasťou inžinierstva, ktorá sa používa na podporu budov, mostov a iných konštrukcií.
V tomto článku sa pozrieme na rôzne spôsoby použitia nosníkových stĺpov v strojárstve a v stavebných projektoch.
Čo je stĺpový nosník?
Nosník je konštrukčný prvok, ktorý je vyrobený tak, aby odolal zaťaženiam na svojej dlhej osi.
Môže sa nazývať kompresný člen, čo znamená, že väčšina hmotnosti je naň kladená, keď je stlačený.
Trámový stĺp môže udržať hmotnosť trámov, stien, dosiek a iných konštrukcií.
Typy lúčových stĺpov
V strojárstve sa používa veľa rôznych druhov trámových stĺpov.
Valcované oceľové nosníkové stĺpy sú bežným typom stĺpov používaných v oceľových konštrukciách.
Vyrába sa valcovaním oceľových dosiek do tvaru, ktorý dokáže udržať zaťaženie, keď sú stlačené dohromady.
- Železobetónový trámový stĺp: Tento typ trámového stĺpa je vyrobený z betónu a je vystužený oceľovými tyčami.
Používa sa na stavbu zo železobetónu a je to skvelý spôsob premiestňovania ťažkých vecí.
- Drevený trámový stĺp: Tento typ trámového stĺpa je vyrobený z dreva a často sa používa v bytovej výstavbe.
- Kompozitný nosníkový stĺp: Tento typ nosníkového stĺpa je vyrobený kombináciou dvoch alebo viacerých materiálov, ako je oceľ a betón, aby sa vytvorila pevnejšia a odolnejšia konštrukcia.
Prečo sa uspokojiť s menším množstvom, keď lúčový stĺp vám dáva všetko?
Stále ťažké pochopiť? Dovolím si trochu zmeniť uhol pohľadu:
Už vás nebavia nudné rovné lúče, ktoré dokážu robiť len jednu vec naraz? Nepozerajte sa inde, len na trámový stĺp! Prečo používať jednoduchý, jednorozmerný lúč, keď môžete použiť člen, ktorý robí všetko?
Áno, trámový stĺp je prekonateľom pozemného staviteľstva, pretože ľahko zvládne osové zaťaženie aj ohybové momenty.
Prečo si teda vyberať len jeden druh nákladu, keď ich môžete mať všetky? S všestranným nosníkovým stĺpom sa môžete vyrovnať s nezvyčajným pozdĺžnym zaťažením a pridať trochu bočnej sily do vášho života.
Dobre, to bol len vtip, ktorý vyzeral ako televízna reklama.
Teraz sa vráťme k vysvetleniu.
Materiály používané v trámových stĺpoch
Trámové stĺpy môžu byť okrem iného vyrobené z kameňa, dreva, betónu alebo ocele.
V modernej konštrukcii sa však často používajú oceľové stĺpy v tvare H, pretože sú pevné a tuhé.
Dlhšie strany príruby stĺpika v tvare H sú hrubšie ako stredná časť pásu, vďaka čomu lepšie odoláva kompresným silám.
Moderné budovy sú tiež často držané trámovými a stĺpovými systémami vyrobenými zo železobetónu.
Definícia a rozdiely
Definícia nosníka a stĺpca
Nosník je kus budovy, ktorý je vyrobený tak, aby odolával zaťaženiu ohýbaním.
Zvyčajne je plochý a držaný na koncoch alebo po dĺžke.
Väčšina podláh, striech a mostov je držaná trámami.
Na druhej strane, stĺp je vertikálna časť budovy, ktorá je vyrobená tak, aby odolávala prevažne tlakovému zaťaženiu.
Zvyčajne sa používa na uchytenie budovy alebo inej konštrukcie a presun závažia na základ.
Rozdiely medzi lúčom a stĺpcom
Medzi nosníkmi a stĺpmi je niekoľko hlavných rozdielov.
- Nosnosť: Nosníky sa väčšinou vyrábajú na prenášanie bremien, ktoré sú ohnuté, zatiaľ čo stĺpy sa väčšinou vyrábajú na prenášanie bremien, ktoré sú stlačené.
Z tohto dôvodu majú nosníky tendenciu byť silnejšie, keď sú ohnuté a slabšie, keď sú stlačené, zatiaľ čo stĺpy majú tendenciu byť pevnejšie, keď sú stlačené a slabšie, keď sú ohnuté.
- Orientácia: Trámy sú zvyčajne na boku a stĺpy sú zvyčajne na vrchu.
- Podmienky podopretia: Nosníky sú zvyčajne podopreté na svojich koncoch alebo pozdĺž ich dĺžky, zatiaľ čo stĺpy sú zvyčajne podopreté na svojej základni a na ich vrchu.
- Tvar prierezu: Nosníky sú zvyčajne štvorcové, kruhové alebo v tvare I, zatiaľ čo stĺpy sú zvyčajne štvorcové, kruhové alebo obdĺžnikové.
Kľúčové pojmy a rozdiely
Trámový stĺp je kus budovy, ktorý je vyrobený tak, aby zvládal axiálne aj ohybové zaťaženie.
Používa sa, keď je potrebné presunúť ťažké bremená z konštrukcie do základov.
Trámový stĺp prechádza zo spodnej stavby do nadstavby.
Je to kľúčová časť presunu hmotnosti z hornej časti budovy do základov.
Rozdiely medzi stĺpmi nosníkov, nosníkmi a stĺpmi
Tu sú najdôležitejšie rozdiely medzi nosníkmi, nosníkmi a stĺpmi:
- Nosnosť: Nosný stĺp je vyrobený na prenášanie axiálneho aj ohybového zaťaženia, zatiaľ čo nosník je väčšinou vyrobený na prenášanie ohybového zaťaženia a stĺp je väčšinou vyrobený na prenášanie axiálneho zaťaženia.
Stĺp je vertikálny kompresný prvok, zatiaľ čo nosník je horizontálny kompresný prvok.
Trámový stĺp spája základ s hornou vrstvou, ktorá môže byť horizontálna alebo vertikálna.
Pokiaľ ide o tvar prierezu, nosník je zvyčajne štvorcový, kruhový alebo v tvare I, zatiaľ čo stĺp je zvyčajne štvorcový, kruhový alebo obdĺžnikový.
Prierez stĺpa nosníka môže mať akýkoľvek tvar, ale zvyčajne ide o kombináciu štvorcových a okrúhlych tvarov.
- Použitie: Nosníky sa väčšinou používajú na podopretie podláh, striech a mostov, zatiaľ čo stĺpy sa väčšinou používajú na podopretie hmotnosti budovy alebo inej konštrukcie.
Nosníkové stĺpy sa používajú v budovách, ktoré potrebujú preniesť axiálne aj ohybové zaťaženie na základ.
Spojenie nosník-stĺp
Spoje nosník-stĺp držia nosníky a stĺpy pohromade v konštrukcii.
V tomto článku sa pozrieme na rôzne typy spojení nosník-stĺp a na to, ako pomáhajú udržiavať budovu bezpečnú a stabilnú.
Typy spojení nosník-stĺpec
Na základe toho, aké pevné je spojenie, existujú dva hlavné typy spojení nosník-stĺp: flexibilné spojenia a pevné spojenia.
- Flexibilné spojenie: Pri flexibilnom spojení, ktoré sa tiež nazýva jednoduché spojenie alebo kolíkové spojenie, nedochádza k prenosu momentu medzi časťami, ktoré sú spojené.
Pohybuje axiálnymi alebo šmykovými silami, ale nie momentmi.
Pružné spoje sa často používajú v konštrukciách, kde sa spoje medzi nosníkmi a stĺpmi musia vysporiadať s malými zákrutami alebo zákrutami.
- Pevné spojenie: Pevné spojenie, nazývané aj momentové alebo pevné spojenie, prenáša šmyk aj moment medzi časťami, ktoré sú spojené.
Pevné spoje sa používajú, keď spoj medzi nosníkom a stĺpom musí zvládnuť veľké zákruty alebo sily krútenia.
Špeciálne pripojenia
Pre krivé spoje, excentrické nosníky k stĺpom a napojenia na stĺpové stojiny možno použiť jednoduché spojenia.
Tieto spojenia sa považujú za špeciálne.
Tým, že sú časti nosníka menšie, môžu mať jednoduché spojenia väčšiu odolnosť voči zviazaniu.
To sa dá urobiť vyrezaním otvorov v stojine nosníka alebo odrezaním časti pásníc nosníka (redukovaná časť stojiny).
Faktory ovplyvňujúce návrh spojenia nosník-stĺpec
Typ použitého spojenia nosník-stĺp závisí od mnohých vecí, ako je množstvo hmotnosti, ktorú môže konštrukcia udržať, požiadavky na konštrukčný dizajn a vlastnosti materiálov.
Niektoré z vecí, ktoré ovplyvňujú spôsob vytvárania spojení lúča a stĺpa, sú:
- Nosnosť: Spojenie nosník-stĺp musí mať dostatočnú nosnosť, aby odolalo silám a momentom, ktoré naň pravdepodobne budú pôsobiť.
- Požiadavky na konštrukčný návrh: Návrh spojenia nosník-stĺp musí spĺňať stavebné predpisy a projektové špecifikácie pre konštrukčný návrh.
- Vlastnosti materiálu: Návrh musí zohľadňovať pevnosť a tuhosť materiálov použitých v spojení nosník-stĺp.
Maximálny moment a dizajn
Pri návrhu konštrukcie je schopnosť konštrukcie odolávať ohybovým momentom kľúčovou súčasťou zabezpečenia toho, aby zostala stabilná.
Maximálny moment
Rovnice a vzorce ohybového momentu sa používajú na zistenie, ako veľmi sa môže lúč ohnúť.
Maximálny moment je najvyšší moment, ktorý môže mať konštrukcia pri určitom zaťažení.
Je dôležité si uvedomiť, že najdôležitejším prípadom pre dizajn nemusí byť vždy maximálny moment.
Vzhľadom na to, ako sa ohybové a axiálne alebo torzné sily vzájomne ovplyvňujú, môže sa stať, že iný zaťažovací stav s nižšou hodnotou momentu bude vykázaný ako najdôležitejší prípad pre návrh.
Dizajnové momenty
Dizajnové momenty a maximálne momenty nie sú to isté.
Konštrukčné momenty sa zisťujú pohľadom na požiadavky kódexu a bezpečnostné faktory, zatiaľ čo maximálne momenty sa určujú pohľadom na výsledky analýzy.
Návrhové momenty berú do úvahy veci, ako sú vlastnosti materiálu, bezpečnostné faktory a kombinácie zaťažení na základe toho, čo hovorí kód.
Dizajnové momenty sú veľmi dôležité, aby sa zabezpečilo, že konštrukcia zvládne zaťaženie, ktoré je na ňu kladené, a stále má dostatok priestoru pre bezpečnosť.
Zvážte nasledujúce veci, aby ste zistili moment návrhu:
- Vlastnosti materiálu: Pri výpočte návrhového momentu sa berie do úvahy medza klzu a modul pružnosti nosníka.
- Kombinácie zaťažení: Návrhový moment sa vypočíta pomocou zoznamu rôznych kombinácií zaťaženia v stavebnom predpise.
- Bezpečnostné faktory: Návrhový moment zahŕňa bezpečnostné faktory, aby sa zabezpečilo, že konštrukcia zvládne zaťaženie nad a nad rámec maximálneho očakávaného zaťaženia.
Navrhovanie nosníkových stĺpov
Nosníky sú konštrukčné prvky, ktoré sú stlačené pozdĺž svojej dĺžky a ohnuté po celej šírke.
V budovách sa používajú na presun hmotnosti z nosníka vyššie do základov.
Ak chcete navrhnúť nosník-stĺp, musíte zistiť, akú veľkú váhu má a aký veľký je.
Môžete to urobiť pomocou softvéru ako Autodesk Inventor's Beam/Column Calculator alebo ručne pomocou vzorcov z učebníc stavebného inžinierstva alebo webových stránok ako CivilJungle.com alebo Civiconcepts.com.
Výpočet zaťaženia na trámovom stĺpe
Prvým krokom pri vytváraní konštrukcie nosník-stĺp je zistiť, aká veľká váha sa kladie na nosník a stĺp.
Stĺpy sú väčšinou na ich koncoch zaťažené, čo spôsobuje axiálne tlakové napätia.
Niekedy môžu na stĺp (napr. Nosníkové stĺpy) pôsobiť osové sily, priečne sily a ohybové momenty.
Vydelením skutočného rozloženia zaťaženia dĺžkou nosníka môžete nájsť rovnomerne rozložené zaťaženie v kilonewtonoch na meter.
Výpočet veľkosti nosníka a stĺpa
Potom, čo zistíte, aká veľká je hmotnosť nosníka-stĺpca, musíte zistiť, aký veľký musí byť nosník a stĺp na základe toho, aká veľká je hmotnosť každého z nich.
Napríklad objem betónu pre nosník 230 mm x 450 mm bez hrúbky dosky by bol 0,23 x 0,60 x 1 = 0,138 m3 a vážil by 0,138 x 2400 = 333 kg.
Rovnakým spôsobom sa dá celková hmotnosť stĺpa, ktorého dĺžka je zvyčajne trojnásobkom jeho najmenšej šírky prierezu, zistiť sčítaním hmotností všetkých jeho častí.
Spojenie lúč-stĺpec
Spojenie nosník-stĺp je miesto, kde sa nosník a stĺp spájajú v budove.
Skladá sa zo spoja a častí nosníkov, stĺpov a dosky, ktoré sú vedľa spoja.
V závislosti od toho, aké pevné je spojenie, existujú rôzne typy spojení nosník-stĺp.
Pružné spojenie, ktoré sa tiež nazýva jednoduché alebo kolíkové spojenie, prenáša šmykovú alebo osovú silu, ale nie momenty.
Pevné spojenie, ktoré sa tiež nazýva spojenie odolné voči krútiacemu momentu alebo pevné spojenie, posúva šmyk aj moment medzi časťami, ktoré sú spojené.
Pre krivé spoje, excentrické nosníky k stĺpom a napojenia na stĺpové stojiny možno použiť jednoduché spojenia.
Maximálny moment ohybu
Keď na stĺp lúča pôsobí vonkajšia sila, ktorá spôsobí, že sa ohne a prípadne zlomí, vtedy je ohybový moment najvyšší.
Keď sa na uchytenie súvislého nosníka používajú kolíkové podpery, na medziľahlých podperách dochádza k ohybovým momentom a na rozpätiach k priehybom.
Veľmi blízko medziľahlých podpier sú body kontraflexie.
Je možné, že bod maximálneho momentu bude tam, kde pôsobí väčší primárny moment.
Dizajnové momenty a maximálne momenty
Konštrukčné momenty sa zisťujú pohľadom na požiadavky kódexu a bezpečnostné faktory, zatiaľ čo maximálne momenty sa určujú pohľadom na výsledky analýzy.
Pri navrhovaní momentov sa berie do úvahy veľa vecí, ako sú vlastnosti materiálu, bezpečnostné faktory a kombinácie zaťaženia.
Maximálne momenty berú do úvahy iba zaťaženie, ktoré pôsobí na konštrukciu, nie bezpečnostné alebo kódové požiadavky.
Pomer štíhlosti
V stavebníctve je pomer štíhlosti pomer medzi dĺžkou stĺpa a jeho najmenším rozmerom strany.
Aby ste to zistili, vydeľte efektívnu dĺžku stĺpa jeho polomerom otáčania.
Pomer štíhlosti sa používa na určenie toho, akú váhu môže stĺp udržať, kým sa ohne.
Ak je pomer štíhlosti menší alebo rovný 12, stĺpce sa považujú za krátke.
Ak je viac ako 12, stĺpce sa považujú za dlhé alebo tenké.
Krátke stĺpce sú riadené ich dĺžkou a šírkou, zatiaľ čo dlhé, tenké stĺpce sú riadené ich pomermi dĺžky k šírke.
Spojenie lúčov/stĺpcov
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.
Používa lúčový stĺp
Mosty:
Trámové stĺpy sa často používajú na stavbu mostov, pretože dokážu zvládnuť ohybové momenty spôsobené hmotnosťou vozidiel, ako aj bočné sily spôsobené vetrom a zemetrasením.
Môžu byť tiež vyrobené tak, aby vyhovovali rôznym rozpätiam a zaťaženiam, čo z nich robí dobrú voľbu pre mosty s krátkym aj dlhým rozpätím.
Veľké, vysoké budovy:
Trámové stĺpy sa často používajú vo vysokých budovách, pretože dokážu udržať ťažké váhy a odolať silám vetra a zemetrasenia.
Sú tiež skvelé pre vysoké budovy, pretože môžu byť vyrobené s rôznymi dĺžkami a priemermi.
To pomáha rovnomernejšie rozložiť váhu a robí budovu ako celok stabilnejšou.
Priemyselné konštrukcie:
Pretože môžu držať ťažké zariadenia a stroje, nosníkové stĺpy sa často používajú v priemyselných budovách, ako sú továrne a sklady.
V týchto typoch budov sa trámové stĺpy často používajú na podoprenie krovov a prenášanie hmotnosti zo strechy na základ.
Obytné stavby:
Trámové stĺpy sa používajú aj v obytných budovách, najmä na steny a základy pivníc.
Môžu byť tiež použité ako podperné stĺpy v otvorených pôdorysoch, aby pomohli udržať horné poschodia stabilné.
Infraštruktúrne projekty:
Trámové stĺpy sa často používajú v infraštruktúrnych projektoch, ako sú tunely, priehrady a oporné múry.
V tuneloch trámové stĺpy držia strechu a steny.
V priehradách pomáhajú rovnomerne rozložiť váhu vody po celej štruktúre.
Nosníkové stĺpy môžu byť použité v oporných stenách na zastavenie bočných síl, ktoré sú spôsobené tlakom pôdy a vodou.
Záver
Keď ukončíme náš pohľad na trámové stĺpy, je jasné, že tieto stavebné časti sú vo svete strojárstva veľmi dôležité.
Od základov našich budov až po cesty, ktoré spájajú naše mestá, trámové stĺpy poskytujú mnohým konštrukciám, ktoré používame každý deň, potrebnú podporu a stabilitu.
Nosné stĺpy sú tiež zaujímavé, pretože nám poskytujú jedinečný pohľad na to, ako forma a funkcia spolupracujú.
Spôsob, akým je nosníkový stĺp vyrobený a umiestnený, môže mať veľký vplyv na to, ako budova vyzerá a pôsobí ako celok.
Z tohto dôvodu môžeme nosníkové stĺpy považovať nielen za užitočné nástroje, ale aj za dôležitú súčasť inžinierstva ako umenia a vedy.
Keď teda nabudúce pôjdete okolo mrakodrapu alebo prejdete cez most, venujte chvíľu oceneniu jednoduchého stĺpa s trámom, ktorý to všetko umožňuje.
Odkazy a referencie
Úvod do navrhovania oceľových stĺpov alebo lisovaných prvkov
Detail budovy s oceľou
Konštrukčné použitie betónu
Zdieľať na…
