Почему двутавровая балка имеет такую ​​форму? Как окончательный дизайн двутавровой балки стал выполнять свою основную функцию?

В мире конструкций существует два основных семейства членов — изгибное и осевое. Элементы, которые сопротивляются изгибу, известны как балки, и элементы, которые сопротивляются осевому, подразделяются на категории в зависимости от того, находятся ли они в состоянии сжатия или растяжения (кабели, колонны, стержни и т. Д.). Наиболее часто встречающийся элемент с осевой нагрузкой в ​​конструкции — это элемент сжатия, называемый колонной. Растяжимые стержни и кабели распространены в мостах, но редко встречаются в других местах. Так много членов в структурном проектировании действуют как луч , столб или гибридный столб луча, кстати вы можете купить швеллер, Горячекатаный UPE по выгодной цене у metalucentrs.
Но вернемся к балкам … I-образная форма — идеальная форма для балок, то есть для сопротивления изгибу.

Вот примеры некоторых готовых, встроенных двутавровых балок, сделанных из дерева.

Это чрезвычайно эффективная форма для сопротивления изгибу — это еще один способ сказать, что это большая сила для небольшого количества материала и затрат.

Как уже указывалось , когда луч сгибается верхняя сторона пучка переходит в сжатие , как нижний слой переходит в напряженности. Это следует из законов Ньютона: силы должны суммироваться до нуля, чтобы балка оставалась в равновесии, и поэтому в балке генерируется внутренний момент, причем верхняя половина балки сжимается, а нижняя — растягивается. В некоторой точке в середине балки есть точка перехода, где вообще нет силы — это обычно известно как нейтральная ось или «NA»

Вокруг нейтральной оси силы слабы, но увеличиваются намного больше к внешней стороне луча. Имеет смысл расположить весь материал сверху и снизу, где они будут выполнять наиболее полезную работу, и просто соединить два фланца тонкой сеткой ; материал в центре мало что делает. В дополнение к этому, перемещение этих фланцев дальше и дальше от геометрического центра балки увеличивает внутренний момент плеча балки, резко увеличивая сопротивление изгибу. Таким образом, I-формы имеют оптимальную геометрию для сопротивления изгибным напряжениям.

Чтобы быть немного более строгим, жесткость элемента описывается двумя различными свойствами. Первое свойство — это внутренняя прочность самого материала, заданная модулем упругости E. Второе свойство связано с геометрией поперечного сечения элемента и называется моментом инерции, I.

В сочетании EI описывает жесткость, то есть сопротивление изгибу или провисанию элемента. То, что хорошо делают I-образные балки, это максимизирует термин «I», поэтому два элемента из одинакового материала, то есть одного и того же E, но различного по своему «I», будут иметь разные жесткости.

На фото выше представлены различные формы элементов, якобы из одного и того же основного материала, дерева, и, следовательно, все они имеют одинаковое E. Но как насчет момента инерции? «Я» называет кубы расстоянием от геометрического центроида, поэтому у более глубокого двутавра будет момент инерции, во много раз больший, чем у маленьких коротких двутавровых балок по бокам. Таким образом, для изгиба в одну сторону, то, что называется «изгибом вокруг большой оси», глубокий, тощий на вид луч определенно является подходящим способом. Однако балка иногда испытывает нагрузку по двум осям, как основной, так и вспомогательной. Это называется двухосным моментом.

Двутавровые балки отлично подходят для изгиба по большой оси, но не так хороши при изгибе по малой оси. Это связано с тем, что момент инерции в слабой оси для двутавровых балок намного меньше, чем их момент инерции в сильной оси.

Из вышеперечисленных лучей у маленького крепкого парня слева будет лучшее соотношение между главной и малой осями, потому что его ширина дает больший момент инерции в малом направлении. В стальном исполнении высокая, тонкая I-форма называется S-образной балкой; распространенные балки «середина дороги, Златовласка», которые мы видим повсюду, называются «W» или «WF» для «широкого фланца»; и некоторые, которые выглядят как «H», называются (как вы уже догадались …) «H» лучами. S-лучи очень эффективны, но также и нестабильны, H-лучи неэффективны, но стабильны, а WF-лучи являются компромиссом между эффективностью и стабильностью. Этот массив I-форм позволяет конструктору конструкции гибко подобрать форму балки к предполагаемой нагрузке, чтобы получить эффективную конструкцию.

Эффективность во многом зависит от контекста — то, что эффективно в одном приложении, не обязательно в другом. Есть и другие проблемы, такие как скручивание и различные механизмы разрушения при изгибе, которые могут затруднить использование любого двутавра. Независимо от того, они настолько полезный класс фигур, что они всегда будут популярны. Если бы вы добавили сжимающую нагрузку в балку, когда она изгибалась, вы бы получили поведение колонны балок, с которыми I-балки также довольно хорошо справляются, особенно с более широкими и стабильными формами.

Еще более эффективная форма для одностороннего изгиба — это то, что называется «стальная балка с открытым полотном» или «балочная балка» (которую старые таймеры часто называют «ферменной балкой»). Это в основном приблизительные значения фермы, где полотно вместо сплошной пластины материала представляет собой минимальный минимум материала, необходимый для удержания фланцев вместе и в плоскости. Вы можете думать об этом как о двутавровых балках, доведенных до логического предела. Это даже худшие формы, чем I-образные балки для двухосного изгиба, но они превосходны по своему прямому назначению, которое эффективно охватывает большие расстояния.