Будівельна інженерія багато в чому змінила мій світ, від будівництва високих хмарочосів до будівництва мостів, які перетинають цілі річки.
Проста балкова колона є однією з найважливіших частин багатьох із цих будівель.
На цю частину конструкції одночасно діє як осьове навантаження, так і згинальні моменти, спричинені бічними силами або ексцентриситетом поздовжнього навантаження.
Багато інженерних чудес сучасності були б неможливі без балкових колон.
У цій статті я розгляну балкові колони та розповім про те, що це таке, як вони працюють і чому вони важливі.
Ця публікація призначена для будь-кого, незалежно від того, чи ви новий студент інженера, чи досвідчений інженер, який хоче дізнатися щось нове.
Отже, давайте почнемо і дізнаємося, що таке балкові колони і для чого вони призначені.
вступ
Формальне визначення:
Конструкційний елемент одночасно піддається осьовому навантаженню та згинаючим моментам, створюваним бічними силами або ексцентриситетом поздовжнього навантаження.
Балкова колона є важливою частиною інженерії, яка використовується для підтримки будівель, мостів та інших споруд.
У цій статті ми розглянемо різні способи використання балкових колон в інженерних і будівельних проектах.
Що таке колонна балка?
Балкова колона – це конструктивний елемент, створений для витримування навантажень на своїй довгій осі.
Його можна назвати компресійним елементом, що означає, що більша частина ваги припадає на нього, коли він стискається.
Балкова колона може витримати вагу балок, стін, плит та інших конструкцій.
Види балкових колон
Існує багато різних типів балкових колон, які використовуються в техніці.
Прокатні сталеві балкові колони є поширеним типом колон, що використовується в сталевих конструкціях.
Він виготовляється шляхом прокатки сталевих пластин у форму, яка може витримувати навантаження, коли вони стиснуті разом.
- Залізобетонна балкова колона: цей тип балкової колони виготовляється з бетону та зміцнюється сталевими прутами.
Він використовується для будівництва із залізобетону і є чудовим способом переміщення важких речей.
- Дерев’яна балкова колона: цей тип балкової колони виготовляється з дерева і часто використовується в житловому будівництві.
- Композитна балкова колона: цей тип балкової колони виготовляється шляхом поєднання двох або більше матеріалів, як-от сталь і бетон, для створення міцнішої та довговічнішої конструкції.
Навіщо погоджуватися на менше, якщо балкова колона дає вам усе?
Усе ще важко зрозуміти? Дозвольте трохи змінити точку зору:
Вам набридли нудні, прямі балки, які можуть виконувати лише одну дію за раз? Не дивіться нікуди, крім балкової колони! Навіщо використовувати простий одновимірний промінь, коли можна використовувати елемент, який робить усе?
Так, балкова колона є перевагою будівельної інженерії, оскільки вона може легко витримувати як осьові навантаження, так і згинальні моменти.
Тож навіщо вибирати лише один вид навантаження, коли можна мати всі? За допомогою універсальної балкової колони ви можете охопити незвичайне поздовжнє навантаження та додати трохи бічної сили у своє життя.
Гаразд, це був просто жарт, схожий на телевізійну рекламу.
Тепер повернемося до пояснення.
Матеріали, що використовуються в балках-колонах
Балки-колони можуть бути зроблені з каменю, дерева, бетону, сталі та ін.
Однак у сучасному будівництві часто використовують Н-подібні сталеві колони, оскільки вони міцні та жорсткі.
Довші сторони фланця Н-подібної колони товщі, ніж середня частина перетинки, що робить її здатнішою протистояти силам стиснення.
Сучасні будівлі також часто тримаються на балочно-колонних системах із залізобетону.
Визначення та відмінності
Визначення балки та колони
Балка - це частина будівлі, яка витримує навантаження шляхом вигину.
Зазвичай вона плоска і тримається на кінцях або по довжині.
Більшість поверхів, дахів і мостів утримуються балками.
З іншого боку, колона - це вертикальна частина будівлі, яка створена для опору переважно стискаючим навантаженням.
Зазвичай він використовується для підтримки будівлі чи іншої конструкції та переміщення ваги на фундамент.
Відмінності між балкою та колоною
Є кілька основних відмінностей між балками і колонами.
- Вантажопідйомність: балки в основному виготовляються для перенесення навантажень, які зігнуті, тоді як колони в основному виготовляються для перенесення навантажень, які стискаються.
Через це балки мають тенденцію бути міцнішими при згинанні та слабшими при стисненні, тоді як колони мають тенденцію бути міцнішими при стисненні та слабшими при згинанні.
- Орієнтація: балки зазвичай розташовані збоку, а колони – зверху.
- Умови опори: балки зазвичай спираються на кінці або вздовж довжини, тоді як колони зазвичай спираються на основу та верх.
- Форма поперечного перерізу: балки зазвичай мають квадратну, круглу або I-подібну форму, тоді як колони зазвичай мають квадратну, круглу або прямокутну форму.
Основні поняття та відмінності
Балкова колона - це частина будівлі, яка витримує як осьове, так і вигинальне навантаження.
Застосовується при необхідності переміщення важких вантажів від конструкції до фундаменту.
Балкова колона йде від нижньої конструкції до верхньої будови.
Це ключова частина переміщення ваги від верхньої частини будівлі до фундаменту.
Відмінності балкових колон, балок і колон
Ось найважливіші відмінності балочних колон, балок і колон:
- Вантажопідйомність: балкова колона створена для перенесення як осьових, так і згинальних навантажень, у той час як балка здебільшого виготовлена для перенесення навантажень на вигин, а колона — для перенесення осьових навантажень.
Колона є елементом вертикального стиснення, тоді як балка є елементом горизонтального стиснення.
Балковий стовп з’єднує фундамент з верхнім шаром, який може бути горизонтальним і вертикальним.
За формою поперечного перерізу балка зазвичай має квадратну, круглу або двотаврову форму, тоді як колона зазвичай має квадратну, круглу або прямокутну форму.
Поперечний переріз балкової колони може мати будь-яку форму, але зазвичай це суміш квадратних і круглих форм.
- Використання: Балки в основному використовуються для підтримки підлог, дахів і мостів, тоді як колони в основному використовуються для підтримки ваги будівлі або іншої конструкції.
Балкові колони використовуються в будівлях, яким необхідно передавати на фундамент як осьове, так і вигинальне навантаження.
З'єднання балка-стовпа
З'єднання балок і колон утримують балки і колони разом в конструкції.
У цій статті ми розглянемо різні типи з’єднань балок і колон і те, як вони допомагають утримувати будівлю в безпеці та стабільності.
Види з'єднань балка-колона
Залежно від того, наскільки жорстким є з'єднання, розрізняють два основних типи з'єднань балок і колон: гнучкі і жорсткі.
- Гнучке з'єднання: у гнучкому з'єднанні, яке також називають простим з'єднанням або штифтовим з'єднанням, немає передачі моменту між з'єднаними частинами.
Він переміщує осьові або поперечні сили, але не моменти.
Гнучкі з’єднання часто використовуються в конструкціях, де з’єднання між балками та колонами мають мати справу з невеликими поворотами.
- Жорстке з’єднання: Жорстке з’єднання, яке також називають стійким до моменту або фіксованим, передає як зсув, так і момент між з’єднаними частинами.
Жорсткі з’єднання використовуються, коли з’єднання між балкою та колоною має витримувати великі повороти або сили скручування.
Спеціальні підключення
Для кривих з’єднань, ексцентричних балок із колонами та з’єднань із перетинками колон можна використовувати прості з’єднання.
Ці зв'язки вважаються особливими.
Зробивши секції балок меншими, прості з’єднання можуть мати більший опір з’єднанню.
Це можна зробити, прорізавши отвори в перетинці балки або відрізавши частину фланців балки (зменшена частина перетинки).
Фактори, що впливають на конструкцію з’єднання балка-колона
Використовуваний тип з’єднання балок і колон залежить від ряду речей, таких як кількість ваги, яку може витримати конструкція, вимоги до конструкції конструкції та властивості матеріалів.
Нижче наведено деякі фактори, які впливають на з’єднання балок і колон:
- Вантажопідйомність: з'єднання балка-колона повинно мати достатню вантажопідйомність, щоб витримати сили та моменти, які, ймовірно, будуть діяти на нього.
- Вимоги до структурного проектування: проект з’єднання балок і колон повинен відповідати будівельним нормам і специфікаціям проекту для конструктивного проектування.
- Властивості матеріалу: проект повинен враховувати міцність і жорсткість матеріалів, які використовуються для з’єднання балок і колон.
Максимальний момент і дизайн
У структурному проектуванні здатність конструкції протистояти згинальним моментам є ключовою частиною забезпечення її стабільності.
Максимальний момент
Рівняння та формули згинального моменту використовуються, щоб визначити, наскільки балка може зігнутися.
Максимальний момент - це найбільший момент, який може мати конструкція при певному випадку навантаження.
Важливо пам'ятати, що найважливіший випадок для проектування не завжди може бути максимальним моментом.
Через те, як взаємодіють сили згину та осьові або крутильні сили, інший варіант навантаження з меншим значенням моменту може в кінцевому підсумку бути визнаний найважливішим випадком для проектування.
Дизайнерські моменти
Проектні моменти та максимальні моменти – це не одне й те саме.
Проектні моменти визначаються, дивлячись на вимоги до коду та фактори безпеки, тоді як максимальні моменти визначаються на основі результатів аналізу.
Проектні моменти враховують такі речі, як властивості матеріалу, коефіцієнти міцності та комбінації навантажень на основі того, що зазначено в коді.
Проектні моменти дуже важливі, щоб переконатися, що конструкція витримує навантаження, які на неї покладаються, і все ще має достатньо місця для безпеки.
Зверніть увагу на наступні речі, щоб визначити момент проектування:
- Властивості матеріалу: При визначенні розрахункового моменту враховується межа текучості і модуль пружності балки.
- Комбінації навантажень: проектний момент визначається за допомогою списку різних комбінацій навантажень у будівельних нормах.
- Фактори безпеки: момент проектування включає фактори безпеки, щоб переконатися, що конструкція може витримувати навантаження, що перевищують максимально очікувані навантаження.
Проектування балкових колон
Балки-колони являють собою елементи конструкції, стиснуті по довжині і зігнуті по ширині.
У будівлях вони використовуються для переміщення ваги з балки вище на фундамент.
Щоб спроектувати балку-колону, необхідно визначити, яка на неї вага і розміру.
Ви можете зробити це за допомогою такого програмного забезпечення, як Autodesk Inventor's Beam/Column Calculator, або вручну, використовуючи формули з підручників цивільного будівництва або веб-сайтів, таких як CivilJungle.com або Civiconcepts.com.
Розрахунок навантажень на балку-колону
Перший крок у створенні балково-колонної конструкції – визначити, яка вага надається на балку та колону.
Здебільшого навантаження діють на кінці колон, що викликає осьові напруги стиску.
Іноді на колону (наприклад, балку-колону) можуть діяти осьові сили, поперечні сили та згинальні моменти.
Поділивши фактичний розподіл навантаження на довжину балки, ви можете знайти рівномірно розподілене навантаження в кілоньютонах на метр.
Розрахунок розмірів балки і колони
Після того, як ви визначите, скільки важить балка-стовпа, вам потрібно визначити, наскільки великими мають бути балка та колона, виходячи з того, скільки ваги припадає на кожну.
Наприклад, об’єм бетону для балки 230 мм х 450 мм, без урахування товщини плити, становитиме 0,23 х 0,60 х 1 = 0,138 м3, а її вага буде 0,138 х 2400 = 333 кг.
Таким же чином загальну вагу колони, довжина якої зазвичай в три рази перевищує її найменшу ширину поперечного перерізу, можна знайти шляхом складання ваги всіх її частин.
З'єднання балка-колона
З’єднання балка-колона – це місце з’єднання балки та колони в будівлі.
Він складається з стиків і частин балок, колон і плит, які знаходяться поруч з стиком.
Залежно від того, наскільки жорстким є з'єднання, розрізняють види з'єднань балка-колона.
Гнучке з'єднання, яке також називають простим або штифтовим з'єднанням, передає зсув або осьову силу, але не моменти.
Жорстке з’єднання, яке також називають з’єднанням із опором моменту або нерухомим з’єднанням, переміщує як зсув, так і момент між з’єднаними частинами.
Для кривих з’єднань, ексцентричних балок із колонами та з’єднань із перетинками колон можна використовувати прості з’єднання.
Максимальний згинальний момент
Коли зовнішня сила прикладена до балки-колони, що спричиняє її вигин і зрештою ламається, саме тоді згинальний момент є максимальним.
Коли кріпильні опори використовуються для утримання безперервної балки, на проміжних опорах виникають моменти провисання, а на прольотах – моменти провисання.
Дуже близько до проміжних опор знаходяться точки контрафлексури.
Точкою максимального моменту може бути прикладений більший первинний момент.
Моменти дизайну та Моменти максимуму
Проектні моменти визначаються, дивлячись на вимоги до коду та фактори безпеки, тоді як максимальні моменти визначаються на основі результатів аналізу.
При проектуванні моментів враховується багато речей, таких як властивості матеріалу, коефіцієнти безпеки та комбінації навантажень.
Максимальні моменти враховують лише навантаження на конструкцію, а не вимоги безпеки чи правила.
Коефіцієнт стрункості
У цивільному будівництві коефіцієнт стрункості - це співвідношення між довжиною колони та її найменшим бічним розміром.
Щоб зрозуміти це, поділіть ефективну довжину колони на її радіус обертання.
Коефіцієнт стрункості використовується, щоб визначити, яку вагу може витримати колона, перш ніж вона зігнеться.
Якщо коефіцієнт стрункості менше або дорівнює 12, колони вважаються короткими.
Якщо їх більше 12, стовпчики вважаються довгими або худими.
Короткі колони контролюються їхньою довжиною та шириною, а довгі тонкі колонки – співвідношенням довжини до ширини.
З’єднання балок/колон
Порада: увімкніть кнопку субтитрів, якщо вона вам потрібна. Виберіть «автоматичний переклад» у кнопці налаштувань, якщо ви не знайомі з розмовною мовою. Можливо, вам доведеться спершу натиснути мову відео, перш ніж ваша улюблена мова стане доступною для перекладу.
Балкова колона використовує
Мости:
Балкові колони часто використовуються для будівництва мостів, оскільки вони можуть витримувати згинальні моменти, викликані вагою транспортних засобів, а також бічні сили, викликані вітром і землетрусами.
Вони також можуть бути виготовлені відповідно до різних прольотів і навантажень, що робить їх гарним вибором для мостів як з коротким, так і з великим прольотом.
Великі, високі будівлі:
Балкові колони часто використовуються у високих будівлях, тому що вони можуть витримувати велику вагу та протистояти силі вітру та землетрусів.
Вони також чудово підходять для високих будівель, оскільки їх можна виготовляти різної довжини та діаметру.
Це допомагає більш рівномірно розподілити вагу і робить будівлю більш стійкою в цілому.
Промислові споруди:
Оскільки вони можуть утримувати важке обладнання та машини, балкові колони часто використовуються в промислових будівлях, таких як заводи та склади.
У таких будівлях балкові колони часто використовуються для підтримки ферм даху та перенесення ваги з даху на фундамент.
Житлові споруди:
Балкові колони також використовуються в житлових будинках, особливо для стін і фундаментів підвалів.
Їх також можна використовувати як опорні колони у відкритих планах поверхів, щоб підтримувати стабільність верхніх поверхів.
Інфраструктурні проекти:
Балкові колони часто використовуються в інфраструктурних проектах, таких як тунелі, дамби та підпірні стіни.
У тунелях балкові колони тримають дах і стіни.
У дамбах вони допомагають рівномірно розподілити вагу води по конструкції.
Балкові колони можна використовувати в підпірних стінах, щоб зупинити бічні сили, викликані тиском ґрунту та водою.
Висновок
Підсумовуючи наш погляд на балкові колони, стає зрозуміло, що ці будівельні частини дуже важливі у світі техніки.
Від фундаментів наших будівель до доріг, що з’єднують наші міста, балкові колони надають багатьом конструкціям, які ми використовуємо щодня, необхідну підтримку та стабільність.
Але балкові колони також цікаві тим, що вони дають нам унікальний погляд на те, як форма та функція працюють разом.
Спосіб виготовлення та встановлення балкової колони може мати великий вплив на те, як будівля виглядає та відчувається в цілому.
Через це ми можемо розглядати балкові колони не лише як корисні інструменти, але й як важливу частину інженерії як мистецтва та науки.
Тож наступного разу, коли ви будете проходити повз хмарочос або переходити міст, знайдіть хвилинку, щоб оцінити просту балкову колону, яка допомагає зробити все це можливим.
Посилання та посилання
Вступ до конструкції сталевих колон або компресійних елементів
Детальне будівництво зі сталі
Конструкційне використання бетону
Поділіться на…
