Розуміння Осьового Навантаження В Техніці

Будучи студентом інженерного факультету або інженером, ви знаєте, наскільки важливо, щоб конструкції витримували різні види навантажень.

Але чи замислювалися ви коли-небудь про унікальні проблеми, які створює осьове навантаження? На відміну від поперечної сили, навантаження на кручення та навантаження на вигин, осьове навантаження діє безпосередньо вздовж осі конструкції.

Це означає, що при проектуванні, будівництві та обслуговуванні структур необхідно брати до уваги абсолютно новий набір речей.

У цій статті я детально розповім про осьове навантаження та розповім усе, що вам потрібно знати, щоб побудувати конструкції, здатні витримувати цю важливу силу.

Тож пристебніться, і давайте почнемо!.

Введення в осьове навантаження

Формальне визначення:

Сила, рівнодіюча якої проходить через центроїд певного перетину і перпендикулярна до площини перерізу.

Осьове навантаження - це вид навантаження, який створює тиск на елемент конструкції вздовж його осі.

На відміну від сили зсуву, навантаження на кручення та навантаження на вигин, осьове навантаження створює більшу напругу стиску, ніж сила розтягу чи зсуву.

Сила зсуву, навантаження на кручення та навантаження на вигин: відмінності

Сила зсуву спричиняє поширення напруги вздовж площини об’єкта, тоді як торсійне навантаження спричиняє поширення напруги навколо поздовжньої осі об’єкта.

Коли вантаж згинається, він створює нормальне напруження та поперечне напруження зсуву.

Нормальна напруга включає як осьову, так і поперечну напругу, тоді як поперечна напруга зсуву включає як крутильну, так і поперечну напругу зсуву.

Значення осьового навантаження

Осьові навантаження важливі, оскільки вони можуть змінити як структуру імплантату, так і кістки навколо нього.

У техніці осьове навантаження є дуже важливою частиною виготовлення колон, балок і ферм.

У біомеханіці осьові навантаження можуть змінити рух кісток, що, серед інших травм, може спричинити переломи або заміну суглобів.

Через це і в техніці, і в медицині важливо розуміти, як працює осьове навантаження.

Різниця між осьовим і поперечним навантаженням

Порада: увімкніть кнопку субтитрів, якщо вона вам потрібна. Виберіть «автоматичний переклад» у кнопці налаштувань, якщо ви не знайомі з англійською мовою. Можливо, вам доведеться спершу натиснути мову відео, перш ніж ваша улюблена мова стане доступною для перекладу.

Елементи конструкції та осьові навантаження

Ферми та колони є двома поширеними типами конструкційних елементів, які в основному виготовляються для перенесення осьових навантажень.

Ферми: характеристики та застосування

Ферми — це елементи конструкції, створені для сприйняття осьових зусиль у своїх елементах.

Ці сили можуть бути розтягуванням, стисненням або зворотним розтягуванням/стиском, залежно від найгірших навантажень і комбінацій навантажень.

Елементи ферми використовують менше матеріалу, щоб витримати ту саму вагу.

Це робить їх чудовими для мостів або дахів, які мають бути міцними, але не надто важкими.

Але елементи ферми вільно рухаються і можуть перевозити вантажі тільки в одному напрямку.

Це означає, що вони недостатньо міцні, щоб витримати навантаження, які рухаються з боку в бік або згинаються.

Стовпці: характеристики та застосування

Колони — це вертикальні частини сталевих будівельних каркасів, які утримують балки перекриттів або підлоги, які зазнають великих осьових навантажень на стиснення.

Здебільшого вони виготовлені для опору стискаючим осьовим навантаженням, але залежно від того, як вони налаштовані та виготовлені, вони також можуть протистояти силам згинання та зсуву.

Колони можуть бути круглими, квадратними або прямокутними, і вони можуть бути зроблені з бетону, сталі або дерева, серед іншого.

Елементи рами: характеристики та застосування

Залежно від того, як вони встановлені та зроблені, балки та колони можуть нести як поперечні, так і осьові навантаження по своїй довжині.

Вони часто використовуються для утримання підлоги, даху та стін у будівництві та будівельних проектах.

Але, на відміну від кроквяних елементів, каркасні елементи не повинні витримувати тільки осьові навантаження; вони також можуть витримувати поперечні навантаження.

Визначення максимального осьового навантаження

При будівництві конструкції важливо знати, яке осьове навантаження може витримати певний елемент або конструкція.

Розрахунок максимального осьового навантаження для колон

Щоб дізнатися, яке осьове навантаження може витримати колона, ви можете визначити її KL/r, а потім знайти значення cFcr у таблиці.

Напруження в поперечному перерізі колони можна знайти за допомогою рівняння AP=f, де f вважається однаковим по всьому поперечному перерізу.

Відомо, що вигин є граничним станом відмови для колон, і рівняння дає критичне навантаження на вигин Pcr для колон (3.1).

Але щоб повністю визначити критичне навантаження на вигин для даної колони, вам потрібно більше рівнянь і методів, а проект повинен враховувати те, як закінчується колона, і властивості матеріалу.

Приблизне визначення максимальної вантажопідйомності

Створення сталевого дизайну та перегляд коефіцієнта взаємодії є хорошим способом отримати приблизне уявлення про найбільшу вагу, яку може нести учасник.

Коефіцієнт взаємодії — це співвідношення між найбільшою вагою, яку може нести учасник, і її фактичною вагою.

Зворотне значення цього відношення говорить вам, скільки ще ваги може нести кожен член, перш ніж зламається.

Важливо пам’ятати, що цей метод дає лише оцінку.

Фактичне максимальне навантаження, яке може нести елемент, може бути нижчим або вищим за розрахункове значення.

Розрахунок на максимальне осьове навантаження

Під час проектування конструкцій розміри елементів визначаються приблизно на основі архітектурних креслень та інших відповідних документів, а їх вага визначається з використанням інформації з більшості кодексів та іншої літератури з цивільного будівництва.

Але конструкції повинні бути побудовані так, щоб витримати критичне навантаження, яке є найбільшим навантаженням, яке може на них діяти.

Це робиться шляхом додавання всіх навантажень, які може витримати конструкція протягом усього терміну служби.

Це включає як живі, так і власні навантаження, а також навантаження, спричинені вітром, землетрусами та іншими можливими навантаженнями.

Критичні навантаження в довгих струнких колонах

Критичне навантаження - це найбільша осьова вага, яку колона може витримати до того, як почне згинатися.

Формула Ейлера: розрахунок критичного навантаження

Для визначення критичного навантаження можна використовувати формулу Ейлера: Pcr = (2EI)/(KL)2, де Pcr — критичне навантаження Ейлера, E — модуль пружності Юнга, I — мінімальний другий момент площі поперечного перерізу колона (момент інерції площі), K — коефіцієнт ефективної довжини колони, а L — довжина колони без опори.

Значення критичного навантаження

Критичне навантаження є важливим для визначення того, наскільки довгі тонкі стовпи реагують на осьову силу стиснення, оскільки воно не залежить від міцності матеріалу.

Це означає, що при створенні тонких конструкцій, які можуть згинатися, інженери повинні приділяти особливу увагу коефіцієнту стрункості, який дорівнює довжині колони, поділеній на її найменший радіус обертання.

Високий коефіцієнт стрункості означає, що малі навантаження на стиснення з більшою ймовірністю призведуть до руйнування конструкції.

Вигин виникає, коли пряма колона, яка стискається по довжині, раптово згинається. Це граничний стан відмов для стовпців.

Датчики осьового навантаження та їх застосування

Датчики навантаження, які вимірюють силу вздовж однієї осі, називаються датчиками навантаження.

Принцип роботи датчиків осьового навантаження

Датчики осьового навантаження працюють, перетворюючи силу, яка до них додається, в електричний сигнал, який можна зчитати та записати.

Вони використовують тензодатчики, щоб визначити, наскільки осьове навантаження змінює форму чогось.

Під час дії сили на тензодатчик уздовж його осі тензодатчики згинаються, що змінює їх опір.

Потім зміна опору перетворюється на електричний сигнал, який можна виміряти.

Застосування датчиків осьового навантаження

Датчики навантаження, встановлені по осі, використовуються в багатьох галузях, як-от аерокосмічна, автомобільна та промислова промисловість.

Нижче наведено деякі поширені способи використання датчиків осьового навантаження:

• Вимірювання сили на конструктивних частинах будівель і мостів, таких як балки та колони, під час їх будівництва або використання.
• Тестування використовує, наприклад, з’ясувати, скільки сили потрібно, щоб щось стиснути чи розтягнути, чи скільки сили потрібно, щоб щось зламати чи деформувати.
• Слідкуйте за такими речами, як гідравлічні преси, крани та підйомники, щоб переконатися, що вони працюють безпечно.
• Я перерахую більше в кінці цієї статті.

Інші аспекти осьового навантаження

Осьове вітрове навантаження

Осьове вітрове навантаження - це сила, яку вітровий потік чинить на будівлю.

У минулому вітри, особливо в прибережних районах, спричиняли падіння багатьох будівель.

Інженери-будівельники використовують модифіковане рівняння 2.2 ASCE 7-16, яке враховує висоту споруди над рівнем землі та її важливість для життя та майна людей, щоб визначити швидкість вітру та тиск на різних висотах над рівнем землі.

Для визначення осьового вітрового навантаження інженери-будівельники використовують формулу, яка враховує такі речі, як проектована площа, тиск вітру, коефіцієнт опору, коефіцієнт впливу, коефіцієнт реагування на пориви та фактор важливості.

Одна формула: F = A x P x Cd, де F — сила або вітрове навантаження, A — проектована площа об’єкта, P — тиск вітру, а Cd — коефіцієнт лобового опору.

Втомна міцність

Розрахунок втомної міцності конструкції при осьовому і згинальному навантаженні можна провести аналітичними методами, заснованими на співвідношенні втомної міцності при осьовому і згинальному навантаженні.

У цих методах втомна міцність при поворотному навантаженні на згин змінюється на втомну міцність при осьовому навантаженні.

Щоб з’ясувати, як працює аналітична модель, також можна провести багатоциклові випробування на втому за обох умов навантаження.

Крім того, моделі плоских напруг можна використовувати, щоб визначити, як довго прослужить матеріал, якщо його використовувати на його поверхні, де одне з основних напружень зазвичай дорівнює нулю.

Нарешті, криві SN можна використовувати для визначення максимально допустимого напруження за N циклів і коефіцієнта зниження міцності втоми kf.

Кулькові підшипники та максимальне осьове навантаження

Радіальні кулькові підшипники з фіксатором (або сепаратором) здебільшого призначені для радіальних навантажень, але вони також можуть витримувати осьові навантаження.

Величина осьового навантаження, яку можна застосувати до підшипника, залежить від його розміру та зазвичай подається у відсотках від номінального радіального навантаження підшипника.

Коли різниця між діаметром отвору та діаметром зовнішнього кільця велика, підшипник може сприймати осьові навантаження, які становлять до 50% від радіального статичного навантаження.

Доріжки кочення в підшипниках тонкого профілю дрібніші, що робить їх менш здатними витримувати осьові навантаження.

Радиально-упорний підшипник слід використовувати, якщо підшипник повинен витримувати велике осьове навантаження.

Вони виготовлені зсередини інакше, ніж радіальні шарикопідшипники, тому вони можуть витримувати більші осьові навантаження.

Максимальне осьове навантаження для кулькових підшипників із певним внутрішнім діаметром залежить від кількох речей, таких як розмір підшипника, глибина доріжки кочення підшипника, а також від того, чи піддається він великим радіальним або моментним навантаженням.

Величина осьового навантаження, яку можна застосувати до підшипника, часто вказується як приблизне значення радіального навантаження підшипника.

SKF забезпечує мінімальні осьові та радіальні навантаження для одиночних підшипників і пар підшипників, встановлених у тандемній конфігурації або конфігураціях «спина до спини/лице до лиця».

Найбільше навантаження на шарикопідшипники залежить від того, як вони виготовлені зсередини.

Осьове навантаження в конструкціях

Коли сила діє на конструкцію безпосередньо вздовж осі конструкції, це називається осьовим навантаженням.

Коли є точкове навантаження, напруга поблизу точки навантаження набагато вище, ніж середня напруга.

Це викликає дуже складні деформації, тому що напружені стани дуже складні.

Нормальна напруга та напруга зсуву є способами вимірювання середньої напруги в поперечному перерізі.

Незалежно від того, куди вздовж поперечного перерізу ви дивитеся, величина напруги однакова.

Точкове навантаження - це сила ззовні, яка зосереджена на невеликій площі.

Випадки використання

Ось кілька способів використання осьового навантаження:

Використовується в:	опис:
Дизайн колони	Колони є чудовим прикладом елемента конструкції, створеного для підтримки осьових навантажень. Наприклад, у будівлях колони витримують вагу перекриттів і даху, що створює стискаюче осьове навантаження, яке повинна витримувати колона. Осьове навантаження є важливою річчю, про яку слід думати при проектуванні колон, щоб переконатися, що вони не зігнутися або не зламаються під дією сили.
Мости	При проектуванні мостів дуже важливо враховувати осьове навантаження. Стискаючі осьові навантаження спричинені вагою мосту та транспортних засобів, які він перевозить. Міст повинен витримувати ці навантаження. На мости також можуть впливати такі фактори, як вітер, землетруси та рух, які можуть спричиняти згинальні моменти та зсувні сили. Щоб зробити безпечні та корисні мости, важливо знати, як ці навантаження взаємодіють один з одним.
Дизайн вежі	Високі осьові навантаження на стиск зазнають веж, таких як опори електропередачі, опори стільникового зв’язку та вітрові турбіни. Виготовляючи ці конструкції, ви повинні подумати про те, як вони будуть завантажені, матеріали, а також висоту та ширину веж, серед іншого. Щоб ці конструкції були безпечними і довговічними, необхідно знати, як на них впливають осьові навантаження.
Виготовлення та випробування	Осьове навантаження також є важливою концепцією у виробництві та випробуваннях, де матеріали та вироби повинні витримувати певні навантаження, не руйнуючись і не деформуючись. За допомогою інструментів тестування, таких як датчики осьового навантаження, ви можете дізнатися, яке осьове навантаження може витримати матеріал або продукт, перш ніж він зламається.
Аерокосмічні програми	Осьові навантаження можуть бути дуже важливими при проектуванні ракет, ракет та інших транспортних засобів для використання в космосі. Осьові навантаження можуть бути викликані вагою автомобіля, його швидкістю або вібрацією. Щоб створювати безпечні та ефективні системи, важливо знати, як осьові навантаження впливають на структурні частини автомобіля.

Висновок

Як ми побачили в цій статті, осьове навантаження є ключовою частиною проектування та будівництва конструкцій, які можуть витримувати зусилля, які на них покладаються.

Працюючи з цією важливою силою, є багато речей, про які варто подумати, від розуміння унікальних труднощів довгих тонких колон до додавання датчиків осьового навантаження до вашого інженерного інструментарію.

Але осьове навантаження також є нагадуванням про те, що інженерна справа є складною сферою, яка постійно змінюється.

Продовжуючи розширювати межі можливого, ми неминуче зіткнемося з новими проблемами, вирішення яких вимагатиме від нас творчого мислення та спільної роботи.

Отже, наступного разу, коли ви працюватимете з осьовим навантаженням, будьте відкритими та будьте готові вчитися.

Хто знає, що нового буде за рогом?