Статические и динамические нагрузки — структурные концепции

Определение и понимание основных структурных концепций техники и их выражения в физике и математике является ключевым аспектом для студентов. Это позволяет им войти в сферу проектирования и разработки конструкций с правой стороны. Цель этого краткого руководства — дать общее, но полезное описание различных концепций инженерных конструкций. Надеюсь, что помочь студентам понять их практическую ценность и их значение.

  • Структурные концепции вращаются вокруг того, что известно как статическое равновесие тела
  • Когда действующие и реагирующие силы на структурное тело равны, это то, что известно как состояние равновесия структуры
  • Системы стабилизации помогают бороться с качающимися мостами / зданиями, используя настроенные / пружинные демпферы массы
  • Предварительно напряженные элементы / материалы помогают создавать конструкции с более высоким сопротивлением сдвигу, меньшим диагональным натяжением и сопротивлением смещению от внешних сил
  • Люди, размещенные в зданиях, действуют как естественные демпферы, и их влияние учитывается

Статические нагрузки и энергетические структурные концепции

Статическое равновесие

Когда тело не движется ни в каком направлении, находясь в исходном намеченном положении, мы говорим, что оно находится в состоянии равновесия. Инженеры рассчитывают сумму действующих и реагирующих сил на конструкционное тело, чтобы вычислить их общую сумму. Если результат равен, это означает, что структура останется в состоянии равновесия.

Центр масс/гравитации

Для целей оценки и статического анализа инженерам важно иметь возможность определять центр масс/гравитации (или центроид). Это может быть для объекта или структурного элемента, или связанных наборов из них. Центр масс — единственная точка на твердом теле, которую можно использовать для подвешивания этого тела. Точка это будет оставаться в состоянии равновесия. Если вектор от центра тяжести к центру Земли не проходит через основание конструкции, структура не может находиться в равновесии, поскольку на нее постоянно действуют опрокидывающие силы.

Поперечные сечения и второй момент площади

Второй момент площади — это геометрическое свойство плоскости / области, которое указывает, как ее точки распределены относительно произвольной оси. Это очень важный элемент во всех концепциях structurak. Для инженеров-строителей это геометрическое свойство важно. Он используется, чтобы помочь рассчитать прогиб балки и, следовательно, приложенное к ней напряжение.

Изгиб луча

Поскольку конструкционные балки подвергаются нагрузкам, они имеют тенденцию изгибаться в определенном направлении. Это важное свойство для инженеров, которое помогает рассчитать напряжения и прогиб балки , которые являются монументально важными структурными концепциями для понимания. Позволяя инженерам выяснить, находятся ли изгибы и прогибы в допустимых пределах, и равномерно или равномерно сбалансировать нагрузки, чтобы сделать изгибание приемлемым.

Усилие сдвига и кручения

Сдвиговые силы прикладываются к двум разным точкам материала, и их векторы имеют противоположные направления. Это приводит к сдвиговому напряжению и поломке, резке или растрескиванию материала. Например, если на нижнюю часть пола прикладывается огромная нагрузка, которая удерживается на месте колонной, которая находится вдали от этой нагрузки, то на пол будет воздействовать напряжение сдвига. Торсионные силы на другой стороне — это те, которые имеют тенденцию скручивать структурный элемент. Обычно это результат неправильного анализа статической нагрузки и неправильных прогнозов.

Распределение стресса

Самообоснованное распределение напряжений является ключевой частью анализа напряжений в данной системе. Расчет внутренних напряжений во всех соединенных элементах конкретной системы на основе приложенных внешних сил. Цель состоит в том, чтобы внести коррективы, которые помогут повысить симметричный уровень и однородность этого распределения нагрузки. Связано ли это с отдельными наборами элементов или даже с распределением нагрузок многоэтажного здания на грунтовом грунте.

Направляющие и отклоняющие нагрузки

Нагрузка может привести к смещению элемента конструкции, это называется отклоняющей нагрузкой. Смещение может быть измерено по абсолютному расстоянию или даже по углу, и оно обычно используется для балок. Балки поддерживаются точками. Отклонение пропорционально расстоянию между этими точками, которое называется пролетом. Это определяет расстояние, которое имеет жизненно важное значение при изменении дизайна.

Жесткость и передача внутренней нагрузки

Жесткость конструкции — это физическая мера того, насколько хорошо она может противостоять силам деформации. Это не следует путать с эластичностью. Жесткость — это свойство того, насколько хорошо или насколько эффективно внутренние силы передаются между различными конструктивными элементами здания. От растягивающих и сдвигающих сил до сжимающих и скручивающих нагрузок — все считаются внутренними силами. Мы хотим, чтобы они были распределены между различными элементами и в конечном итоге переносились как можно большим количеством элементов. Это означает, что ни один луч не должен противостоять силам. Инженеры обычно используют крепежные элементы для создания путей передачи силы и повышения жесткости зданий.

Пряжка колонны

Деформация колонны — это структурное разрушение колонны, что является чрезвычайно важной структурной концепцией. Это происходит, когда подвергается подавляющему значению осевого сжимающего напряжения. В результате чего происходит его деформация и боковое отклонение. Это делает колонны неспособными нести нагрузки, поэтому они обычно полностью выходят из строя. Проблема с изгибом состоит в том, что это может произойти с нагрузками, которые были рассчитаны, чтобы быть в пределах предела силы сжатия. К сожалению, непредвиденный изгиб колонны полностью меняет этот предел.

Предварительно напряженные элементы или материалы

Предварительно напряженные элементы или даже материалы, такие как предварительно напряженный бетон, часто используются инженерами. Они создают структуры, которые могут лучше противостоять перемещению от внешних сил. Как следствие, они могут противостоять растрескиванию вследствие ударов или ударов и демонстрируют лучшую долговечность. Создание гораздо более высокой прочности на сжатие и растяжение, а также намного лучшую устойчивость к вибрациям, что приводит к более безопасной структуре. Предварительно напряженные элементы, как правило:

  • Легче
  • Иметь более высокое сопротивление сдвигу
  • Создайте меньше диагонального напряжения в бетонных секциях
  • Может составлять более компактные конструктивные элементы

Нетрудно понять, как эти характеристики могут оказать чрезвычайно положительное влияние на стабильность и долговечность любой конструкции.

Вертикальные нагрузки и горизонтальное движение

Вертикальные нагрузки, приводящие к горизонтальным перемещениям, очень важны и должны учитываться по их симметрии и величине. В прошлом многие инженеры недооценивали важность вертикальных нагрузок в традиционных конструкциях. В некоторых случаях это может привести к разрушению внешних краев и полному выходу из строя опор. Распределение нагрузки и структурная геометрия являются ключевыми элементами, которые необходимо учитывать при анализе вертикальных нагрузок, и являются чрезвычайно важными структурными концепциями.

Концепции динамической нагрузки / энергии

Сохранение энергии и импульса

Для инженера-строителя важно помнить об основах сохранения энергии и импульса. Это часто помогает прогнозировать поведение здания при ветровых нагрузках и землетрясениях.

Маятниковые системы

В этом же контексте оценка характеристик маятника конструкции является очень важной структурной концепцией. Это помогает разработать системы стабилизации, которые приведут структуру к равновесию. При этом позволяя ему достаточно упругости принимать и выдерживать внешние нагрузки. Например, небоскребы или мосты могут начать раскачиваться взад и вперед после того, как сильный ветер обрушится на них.

Бесплатная вибрация

Свободная вибрация возникает, когда здание выходит из своего устойчивого равновесия. Это может быть связано с возникновением такого землетрясения или аналогичного природного явления. Как следствие, здание вибрирует или входит в маятниковую ситуацию без каких-либо дополнительных внешних помех. Выраженная в циклах вибрации, с числом циклов, указывающих естественную частоту здания, важна свободная вибрация. Можно смягчить и привести к полной остановке вибрации, используя демпфирующие элементы.

Резонанс

Когда вибрация здания встречает свой естественный резонанс, это приводит к очень опасной ситуации вибрации с максимальной величиной. Это важно для инженеров, чтобы рассчитать, определить и рассмотреть. В результате они могут затем осуществлять проектные вмешательства, избегая резонанса в определенном диапазоне частот, который близок к собственной частоте структуры. Или они могут увеличить демпфирование, что позволяет зданию выдерживать такой сценарий.

Гармонический демпфер небоскреба Taipei 101 , вид с 89-го этажа обсерватории.

Демпфирование в конструкциях и вибропоглотители

Демпфирующие элементы в конструкциях помогают уменьшить смещение, вызванное свободной вибрацией. Обычно это будет продолжаться только в течение коротких периодов времени (минут). После определения свободной вибрации, резонанса и т. Д. Инженер определит коэффициент демпфирования, необходимый для создания безопасной конструкции. Расположенные сверху высоких конструкций, настроенные / пружинные демпферы массы (также известные как гармонические абсорбенты) очень важны. Именно здесь величина свободных колебаний максимальна, а демпферы наиболее полезны.

Учитывая человеческие тела

Люди в зданиях действуют как естественные амортизаторы массы пружины, что является интересной структурной концепцией, о которой следует знать. Те, кто движется динамически внутри конструкции, вызывают динамические нагрузки и вибрацию конструкции. Это может быть трудно оценить или рассчитать с точностью, но неправильно относиться к людям как к статическим нагрузкам. Поэтому инженеры, скорее всего, будут учитывать присутствие людей как дополнительные амортизаторы.

источник https://www.engineeringclicks.com/structural-concepts

Back to Top