A балка - это структурный элемент, который в первую очередь выдерживает нагрузки, приложенные сбоку к оси балки. Его режим отклонения - в основном изгиб. Нагрузки, приложенные к балке, вызывают силы реакции в точках опоры балки. Суммарный эффект всех сил, действующих на балку, заключается в создании в балке поперечных сил и изгибающих моментов, которые, в свою очередь, вызывают внутренние напряжения, деформации и прогибы балки. Балки характеризуются способом опоры, профилем (формой поперечного сечения), условиями равновесия, длиной и материалом.
Балки - это традиционно описания строительных или гражданских структурных элементов, но любые конструкции, такие как автомобильные автомобильные рамы, компоненты самолетов, рамы машин и другие механические или структурные системы, содержат балочные конструкции, которые предназначенные для несения боковых нагрузок, анализируются аналогичным образом.
Исторически балки представляли собой квадратную древесину, но также были из металла, камня или комбинации дерева и металла, например, балка. Лучи в основном переносят вертикальные гравитационные силы. Они также используются для несения горизонтальных нагрузок (например, нагрузок, вызванных землетрясением, ветром или растяжением, чтобы противостоять толчкам стропил в виде стяжной балки или (обычно) сжатие в виде воротниковой балки ). Нагрузки, переносимые балкой, передаются на колонны, стены или фермы, которые затем передают усилие на соседние несущие сжимающие элементы и в итоге на землю. В легкой каркасной конструкции, балки могут опираться на балки.
В инженерии балки бывают нескольких типов:
В уравнении балки I используется для представления второго момента площадь. Он обычно известен как момент инерции и представляет собой сумму относительно нейтральной оси dA * r ^ 2, где r - расстояние от нейтральной оси, а dA - небольшой участок площади. Следовательно, он включает не только общую площадь сечения луча, но и то, как далеко каждый бит площади от оси в квадрате. Чем больше I, тем жестче балка при изгибе для данного материала.
Схема жесткости простой квадратной балки (А) и универсальной балки (В). Полки универсальной балки расположены в три раза дальше друг от друга, чем верхняя и нижняя половины сплошной балки. Второй момент инерции универсальной балки в девять раз больше, чем у квадратной балки равного сечения (стенка универсальной балки для упрощения игнорируется)Внутри балки подвергаются нагрузкам, не вызывающим скручивания или осевое нагружение сжимающее, растягивающее и касательное напряжение в результате приложенных к ним нагрузок. Как правило, под действием гравитационных нагрузок исходная длина балки немного уменьшается, чтобы охватить дугу меньшего радиуса в верхней части балки, что приводит к сжатию, в то время как такая же исходная длина балки в нижней части балки слегка растягивается, чтобы заключить дуга большего радиуса и поэтому находится под напряжением. Режимы деформации, при которых верхняя поверхность балки находится в сжатом состоянии, например, под действием вертикальной нагрузки, известны как режимы провисания, а когда верхняя часть находится в состоянии растяжения, например, над опорой, - как заборы. Такая же исходная длина середины балки, обычно на полпути между верхом и низом, такая же, как и радиальная дуга изгиба, поэтому она не подвергается ни сжатию, ни растяжению, и определяет нейтральную ось (пунктирная линия в балке рисунок). Над опорами балка подвергается напряжению сдвига. Существуют некоторые железобетонные балки, в которых бетон полностью сжимается под действием растягивающих усилий, воспринимаемых стальными арматурами. Эти балки известны как балки из предварительно напряженного бетона и изготавливаются для создания сжатия, превышающего ожидаемое растяжение в условиях нагружения. Стальные арматуры из высокопрочной стали растягиваются, пока на них опускается балка. Затем, когда бетон затвердеет, связки медленно освобождаются, и балка сразу подвергается эксцентрическим осевым нагрузкам. Эта эксцентричная нагрузка создает внутренний момент и, в свою очередь, увеличивает несущую способность балки по моменту. Они обычно используются на автомобильных мостах.
Балка из PSL пиломатериалов установлена для замены несущей стеныОсновным инструментом структурного анализа балок является Эйлера – Бернулли. уравнение пучка. Это уравнение точно описывает упругое поведение тонких балок, размеры поперечного сечения которых малы по сравнению с длиной балки. Для балок, которые не являются тонкими, необходимо принять другую теорию для учета деформации из-за поперечных сил и, в динамических случаях, инерции вращения. Принятая здесь формулировка балки - это формулировка Тимошенко, а сравнительные примеры можно найти в NAFEMS Benchmark Challenge Number 7. Другие математические методы для определения прогиба балок включают «метод виртуальной работы ». и «метод отклонения склона». Инженеры заинтересованы в определении прогибов, поскольку балка может находиться в прямом контакте с хрупким материалом, таким как стекло. Прогиб луча также сведен к минимуму по эстетическим соображениям. Заметно провисающая балка, даже если она конструктивно безопасна, неприглядна, и ее следует избегать. более жесткая балка (высокий модуль упругости и / или один из более высоких второй момент области ) создает меньший прогиб.
Математические методы определения сил балки (внутренние силы балки и силы, действующие на опору балки) включают «метод распределения момента », силу или метод гибкости и метод прямой жесткости.
Большинство балок в железобетонных зданиях имеют прямоугольное поперечное сечение, но более эффективное поперечное сечение для балки представляет собой двутавровое или H-образное сечение, которое обычно встречается в стальных конструкциях. Из-за теоремы о параллельной оси и того факта, что большая часть материала находится далеко от нейтральной оси, второй момент площади балки увеличивается, что, в свою очередь, увеличивает жесткость.
Металлическая балка двутавровой формы под мостомДвутавровая балка является наиболее эффективной формой только в одном направлении изгиба: вверх и вниз, если смотреть на профиль как на I. Если балка изгибается из стороны в сторону, он работает как H там, где он менее эффективен. Самая эффективная форма для обоих направлений в 2D - это коробка (квадратная оболочка), однако наиболее эффективной формой для изгиба в любом направлении является цилиндрическая оболочка или труба. Но для однонаправленного изгиба лучше подходит двутавровая балка или балка с широкими полками.
Эффективность означает, что при одинаковой площади поперечного сечения (объем балки на длину) при одинаковых условиях нагрузки балка прогибается меньше.
Другие формы, такие как L (углы), C (каналы), T-образная балка и двутавр или трубки, также используется в строительстве, когда есть особые требования.
A тонкостенная балка - очень полезный тип балки (конструкции). Поперечное сечение тонкостенных балок складывается из тонких панелей, соединенных между собой для создания закрытых или открытых сечений балки (конструкции). Типичные закрытые секции включают круглые, квадратные и прямоугольные трубы. К открытым сечениям относятся двутавровые, тавровые, двутавровые и т. Д. Тонкостенные балки существуют потому, что их жесткость на изгиб на единицу площади поперечного сечения намного выше, чем у твердых поперечных сечений, таких как стержень или стержень. Таким образом можно получить жесткие балки с минимальным весом. Тонкостенные балки особенно полезны, когда материал представляет собой многослойный композит . Пионерская работа с тонкостенными балками из композитного ламината была проделана Либреску.
На жесткость балки на кручение в значительной степени влияет форма ее поперечного сечения. Для открытых секций, таких как двутавровые секции, возникают деформации, которые, если их сдерживать, значительно увеличивают жесткость на кручение.
Викискладе есть медиафайлы, связанные с Beams. |