Қарсылық күштерге төзуге қабілетті құрылымдық элемент: Бұрыш
Beam (structure)
Балқылауға қарсы тұратын құрылымдық элемент – қабырға. Құрылыста, көліктерде, машиналарда қолданылады. Түрлері, қасиеттері, жүктемеге төзімділігі туралы біліңіз.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Бұрылуға төтеп бере алатын құрылымдық элемент
Structural element capable of withstanding loads by resisting bending
Арқалық – бұл негізінен өзінің осіне перпендикуляр (көлденең) бағытта қолданылатын жүктемелерге төтеп беретін құрылымдық элемент (өзінің осіне параллель жүктемелерді қабылдауға арналған элемент – тірек немесе бағана болып табылады). Арқалықтың иілу арқылы деформациялануы басым, себебі жүктемелер арқалықтың тіреу нүктелерінде реакциялық күштерді, ішкі иілу моменттерін, қималау күштерін, кернеулерді, деформацияларды және иілуді тудырады. Арқалықтар тіреу түрі, пішіні (көлденең қимасы), тепе-теңдік шарттары, ұзындығы және материалы бойынша сипатталады. Арқалықтар дәстүрлі түрде құрылыс және азаматтық инженериялық құрылымдық элементтердің сипаттамасы болып табылады, онда арқалықтар көлденең орналасқан және тік жүктемелерді қабылдайды. Дегенмен, автомобиль шассилері, ұшақ құрамдас бөліктері, машина шассилері және басқа да механикалық немесе құрылымдық жүйелер сияқты кез келген құрылымда арқалықтар кездесуі мүмкін. Кез келген бағытта орналасқан және элементтің осіне перпендикуляр (көлденең) бағытта қолданылатын жүктемелерге негізгідей төтеп беретін кез келген құрылымдық элемент – арқалық болып есептеледі.
A beam is a structural element that primarily resists loads applied laterally across the beam's axis (an element designed to carry a load pushing parallel to its axis would be a strut or column). Its mode of deflection is primarily by bending, as loads produce reaction forces at the beam's support points and internal bending moments, shear, stresses, strains, and deflections. Beams are characterized by their manner of support, profile (shape of cross section), equilibrium conditions, length, and material. Beams are traditionally descriptions of building or civil engineering structural elements, where the beams are horizontal and carry vertical loads. However, any structure may contain beams, such as automobile frames, aircraft components, machine frames, and other mechanical or structural systems. Any structural element, in any orientation, that primarily resists loads applied laterally across the element's axis is a beam.
Шолу
Тарихи тұрғыдан алғанда, арқалық – төрткүлді ағаш болып келген, бірақ металдан, тастан немесе ағаш пен металдың қосындысынан, мысалы, флич арқалықтан да жасалуы мүмкін. Арқалықтар негізінен тік гравитациялық күштерді көтереді, бірақ жер сілкінісі немесе желден туындаған көлденең жүктемелерді, немесе шатыр қабырғаларының итеру күшіне (тіреу арқалық) немесе қысымға (қолқа арқалық) қарсы тұру үшін кернеуде де қолданылады. Арқалыққа түсетін жүктемелер бағандарға, қабырғаларға немесе бас арқалықтарға, содан кейін жанындағы құрылымдық қысым элементтеріне және соңында жерге беріледі. Жеңіл каркасты құрылыста, қабырғалар арқалықтарға тірелуі мүмкін.
Historically a beam is a squared timber, but may also be made of metal, stone, or a combination of wood and metal such as a flitch beam. Beams primarily carry vertical gravitational forces, but they are also used to carry horizontal loads such as those due to earthquake or wind, or in tension to resist rafter thrust (tie beam) or compression (collar beam). The loads carried by a beam are transferred to columns, walls, or girders, then to adjacent structural compression members, and eventually to the ground. In light frame construction, joists may rest on beams.
Екінші ауданы моменті (айрылыс ауданы моменті)
Жарық теңдеуінде I айнымалысы ауданының екінші моменті немесе инерция моментін көрсетеді: ол ось бойымен dA·r² қосындысы болып табылады, мұнда r – бейтарап осьтен қашықтық, ал dA – ауданның кішкентай бөлігі. Ол сәуленің қимасының жалпы ауданын ғана емес, сонымен қатар әрбір кішкентай бөліктің осьтен қашықтығының квадратын өлшейді. I-дің үлкен мәні балқаның беріктігін, яғни иілуге қарсы тұру қабілетін көрсетеді.
In the beam equation, the variable I represents the second moment of area or moment of inertia: it is the sum, along the axis, of dA·r2, where r is the distance from the neutral axis and dA is a small patch of area. It measures not only the total area of the beam section, but the square of each patch's distance from the axis. A larger value of I indicates a stiffer beam, more resistant to bending.
Стресс
Сәулелерге түсетін жүктемелер ішкі қысымды, созылуды және қию күштерін тудырады (бұралу немесе осьтік жүктеме болмаса). Әдетте, гравитациялық жүктемелер астында сәуле аз ғана дөңгелек доғаға иіледі, оның бастапқы ұзындығы жоғарғы жағында кіші радиустағы доғаны жасау үшін қысылады, ал төменгі жағында үлкен радиустағы доғаны кернеумен жабу үшін созылады. Бұл салбырау деп аталады, ал жоғарғы жағы кернеуге ұшыраса, мысалы, тірек үстінде, ол хоггинг деп аталады. Сәуленің бастапқы ұзындығын сақтайтын ось, әдетте, жоғарғы және төменгі жағының арасында орналасқан, қысылуға немесе созылуға ұшырамайды және бейтарап осьті анықтайды (сәуле суретіндегі нүктелі сызық). Тіректердің үстінде сәуле қию күшіне ұшырайды. Кейбір темірбетон сәулелерде бетон толығымен қысылуға ұшырайды, ал созылу күштерін болат арқандар қабылдайды. Бұл сәулелер алдын ала керілген бетон сәулелер деп аталады және жүктеме кезінде күтілетін созылудан артық қысылуды жасау үшін жасалады. Жоғары беріктікті болат арқандар сәуленің үстіне құю кезінде созылады. Содан кейін, бетон қатып қалғаннан кейін, арқандар баяу босатылады және сәуле бірден эксцентрлік осьтік жүктемелерге ұшырайды. Бұл эксцентрлік жүктеме ішкі моментті тудырады, соның нәтижесінде сәуленің жүктеме көтеру қабілеті артады. Алдын ала керілген сәулелер көпірлерде кеңінен қолданылады. Сәулелердің құрылымдық талдауының негізгі құралы – Эйлер-Бернулли сәуле теңдеуі. Бұл теңдеу көлденең қимасының өлшемдері сәуленің ұзындығымен салыстырғанда кішкентай болған жұқа сәулелердің серпімді мінез-құлқын дәл сипаттайды. Егер сәуле жұқа болмаса, қию күштерінің және динамикалық жағдайларда айналу инерциясының әсерін ескеру үшін басқа теория қолданылуы керек. Мұнда қолданылған сәуле формуласы Тимошенко формуласы, ал салыстыру мысалдары NAFEMS Benchmark Challenge No 7-де кездеседі. Сәулелердің иілуін анықтау үшін қолданылатын басқа математикалық әдістерге «виртуалды жұмыс әдісі» және «бұрылу әдісі» жатады. Инженерлер иілуді анықтауға қызығушылық танытады, өйткені сәуле шыны сияқты қатырылғыш материалмен тікелей жанасуы мүмкін. Сондай-ақ, сәуленің иілуі эстетикалық себептермен де азайтылады. Көзге көрінетін салбыраған сәуле, тіпті құрылымдық тұрғыдан қауіпсіз болса да, жаман көрінеді және одан аулақ болу керек. Қаттырақ сәуле (эластикалық модуль жоғары және/немесе екінші моменті жоғары) аз иіледі. Сәуле күштерін анықтау үшін қолданылатын математикалық әдістер (сәуленің ішкі күштері және тіректерге түсетін күштер) «момент тарату әдісі», күш немесе икемділік әдісі және тікелей қаттылық әдісі.
Loads on a beam induce internal compressive, tensile and shear stresses (assuming no torsion or axial loading). Typically, under gravity loads, the beam bends into a slightly circular arc, with its original length compressed at the top to form an arc of smaller radius, while correspondingly stretched at the bottom to enclose an arc of larger radius in tension. This is known as sagging; while a configuration with the top in tension, for example over a support, is known as hogging. The axis of the beam retaining its original length, generally halfway between the top and bottom, is under neither compression nor tension, and defines the neutral axis (dotted line in the beam figure). Above the supports, the beam is exposed to shear stress. There are some reinforced concrete beams in which the concrete is entirely in compression with tensile forces taken by steel tendons. These beams are known as prestressed concrete beams, and are fabricated to produce a compression more than the expected tension under loading conditions. High strength steel tendons are stretched while the beam is cast over them. Then, when the concrete has cured, the tendons are slowly released and the beam is immediately under eccentric axial loads. This eccentric loading creates an internal moment, and, in turn, increases the moment carrying capacity of the beam. Prestressed beams are commonly used on highway bridges. The primary tool for structural analysis of beams is the Euler–Bernoulli beam equation. This equation accurately describes the elastic behaviour of slender beams where the cross sectional dimensions are small compared to the length of the beam. For beams that are not slender a different theory needs to be adopted to account for the deformation due to shear forces and, in dynamic cases, the rotary inertia. The beam formulation adopted here is that of Timoshenko and comparative examples can be found in NAFEMS Benchmark Challenge Number 7. Other mathematical methods for determining the deflection of beams include "method of virtual work" and the "slope deflection method". Engineers are interested in determining deflections because the beam may be in direct contact with a brittle material such as glass. Beam deflections are also minimized for aesthetic reasons. A visibly sagging beam, even if structurally safe, is unsightly and to be avoided. A stiffer beam (high modulus of elasticity and/or one of higher second moment of area) creates less deflection. Mathematical methods for determining the beam forces (internal forces of the beam and the forces that are imposed on the beam support) include the "moment distribution method", the force or flexibility method and the direct stiffness method.
Жалпы пішіндер
Арматуралы бетон ғимараттардағы көптеген арқалықтар тікбұрышты қимамен кесіледі, бірақ арқалық үшін тиімдірек қима – I немесе H пішіндес қима, ол әдетте болат конструкцияларда кездеседі. Параллель ось теоремасы және материалдың көп бөлігі бейтарап осьтен алыс орналасқандықтан, арқалықтың екінші моменті артады, бұл өз кезегінде беріктігін арттырады. I пішіндес арқалық тек бір бағытта иілуге тиімді: профильге қарағанда жоғары және төмен қарай. Егер арқалық бүйірден иілсе, ол тиімсіздік ретінде жұмыс істейді. Екі өлшемдегі екі бағыт үшін де ең тиімді пішін – қорап (төртбұрышты қабыршақ); бірақ кез келген бағытта иілу үшін ең тиімді пішін – цилиндрлік қабыршақ немесе түтік. Бір бағытты иілу үшін I немесе кең қанатты арқалық артықшылыққа ие. Тиімділік дегеніміз – бірдей көлденең қима ауданында (бірлік ұзындықтағы арқалық көлемінде) бірдей жүктеме жағдайларына ұшырағанда, арқалық аз деформацияланады. Құрылыста арнайы талаптар болған жағдайда бұрыштар, арналар, арқалықтар және қос немесе түтік сияқты басқа да пішіндер қолданылады.
Most beams in reinforced concrete buildings have rectangular cross sections, but a more efficient cross section for a beam is an or section which is typically seen in steel construction. Because of the parallel axis theorem and the fact that most of the material is away from the neutral axis, the second moment of area of the beam increases, which in turn increases the stiffness. An beam is only the most efficient shape in one direction of bending: up and down looking at the profile as an If the beam is bent side to side, it functions as an where it is less efficient. The most efficient shape for both directions in 2D is a box (a square shell); the most efficient shape for bending in any direction, however, is a cylindrical shell or tube. For unidirectional bending, the or wide flange beam is superior. Efficiency means that for the same cross sectional area (volume of beam per length) subjected to the same loading conditions, the beam deflects less. Other shapes, like (angles), (channels), beam and double or tubes, are also used in construction when there are special requirements.
Жүгірткілер мен штангалар
Бұл жүйе шағын траншеяларға көлденең тіреулер орнату арқылы пайдалы коммуникациялардың қауіпсіз орнатылуын қамтамасыз етеді. Ол болат қазба парақтарымен бірге жұмыс істеу үшін арнайы жасалған.
This system provides horizontal bracing for small trenches, ensuring the secure installation of utilities. It's specifically designed to work in conjunction with steel trench sheets.
Ұсақ қабырғалы
Жұқа қабырғалы арқалық – арқалықтардың (құрылымның) өте пайдалы түрі. Жұқа қабырғалы арқалықтардың қимасы, арқалықтың (құрылымның) жабық немесе ашық қималарын жасау үшін бір-бірімен байланысқан жұқа панельдерден тұрады. Көбінесе жабық қималарға дөңгелек, шаршы және тіктөртбұрышты түтіктер жатады. Ашық қималарға I-арқалық, T-арқалық, L-арқалық және т.б. кіреді. Жұқа қабырғалы арқалықтардың болу себебі – олардың көлденең қимасының бірлігіне шаққандағы иілу қатаңдығы, таған немесе стержень сияқты толық қималы арқалықтарға қарағанда әлдеқайда жоғары. Осы арқылы, ең аз салмақта берік арқалықтар жасауға болады. Жұқа қабырғалы арқалықтар, материал композиттік ламинат болғанда ерекше пайдалы. Композиттік ламинаттан жасалған жұқа қабырғалы арқалықтарды зерттеуде Либреску пионерлік жұмыстар жасаған. Арқалықтың бұрылу қатаңдығына оның көлденең қимасының пішіні зор әсер етеді. Ашық қималарда, мысалы I-қималарда, бұрылу деформациялары пайда болады, олар шектелген жағдайда бұрылу қатаңдығын едәуір арттырады.
A thin walled beam is a very useful type of beam (structure). The cross section of thin walled beams is made up from thin panels connected among themselves to create closed or open cross sections of a beam (structure). Typical closed sections include round, square, and rectangular tubes. Open sections include I beams, T beams, L beams, and so on. Thin walled beams exist because their bending stiffness per unit cross sectional area is much higher than that for solid cross sections such a rod or bar. In this way, stiff beams can be achieved with minimum weight. Thin walled beams are particularly useful when the material is a composite laminate. Pioneer work on composite laminate thin walled beams was done by Librescu. The torsional stiffness of a beam is greatly influenced by its cross sectional shape. For open sections, such as I sections, warping deflections occur which, if restrained, greatly increase the torsional stiffness.