วิธีคำนวณความสามารถในการรับน้ำหนักของโครงสร้างเหล็ก？

การแนะนำ

การคำนวณความสามารถในการรับน้ำหนักของโครงสร้างเหล็กเป็นพื้นฐานพื้นฐานของวิศวกรรมโครงสร้าง ช่วยให้มั่นใจได้ว่าโครงสร้างสามารถรองรับโหลดที่ตั้งใจไว้ได้อย่างปลอดภัยโดยไม่เสี่ยงต่อความล้มเหลว กระบวนการเกี่ยวข้องกับการทำงานร่วมกันที่ซับซ้อนของคุณสมบัติของวัสดุการออกแบบโครงสร้างและโหลดที่ใช้ การทำความเข้าใจวิธีการกำหนดความสามารถนี้อย่างถูกต้องเป็นสิ่งสำคัญสำหรับวิศวกรและสถาปนิกที่ออกแบบและประเมินผล เหล็ก โครงสร้าง บทความนี้นำเสนอวิธีการฐานรากเชิงทฤษฎีและการพิจารณาในทางปฏิบัติที่เกี่ยวข้องในการคำนวณความสามารถในการรับน้ำหนักของโครงสร้างเหล็ก

แนวคิดพื้นฐานในการออกแบบโครงสร้างเหล็ก

ก่อนที่จะคำนวณความสามารถในการรับน้ำหนักมันเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องเข้าใจแนวคิดพื้นฐานที่ควบคุมการออกแบบโครงสร้างเหล็ก เหล่านี้รวมถึงคุณสมบัติของวัสดุเช่นความแข็งแรงของผลผลิตความต้านทานแรงดึงและโมดูลัสของความยืดหยุ่น พฤติกรรมของเหล็กภายใต้สภาวะการโหลดต่าง ๆ - ความดัน, การบีบอัด, การดัดและแรงเฉือน - ต้องวิเคราะห์อย่างละเอียด นอกจากนี้ปัจจัยต่าง ๆ เช่นการโก่งตัวอ่อนเพลียและข้อบกพร่องของวัสดุมีผลต่อความสามารถโดยรวมของโครงสร้าง

คุณสมบัติวัสดุของเหล็กกล้า

เหล็กเป็นที่รู้จักกันดีในเรื่องอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูงความเหนียวและความเก่งกาจ ความแข็งแรงของผลผลิตคือความเครียดที่เหล็กเริ่มเปลี่ยนรูปแบบพลาสติก สำหรับเหล็กโครงสร้างความแข็งแรงของผลผลิตทั่วไปมีตั้งแต่ 250 MPa ถึง 460 MPa ความต้านทานแรงดึงสูงกว่าความแข็งแรงของผลผลิตเป็นความเครียดสูงสุดที่เหล็กสามารถทนต่อได้ในขณะที่ถูกยืดออกก่อนที่จะคอ โมดูลัสของความยืดหยุ่นประมาณ 200 GPa สำหรับเหล็กวัดความแข็งของวัสดุ

ประเภทของโหลด

โครงสร้างเหล็กต้องอยู่ภายใต้การโหลดประเภทต่างๆ:

1. โหลดที่ตายแล้ว: โหลดถาวรจากน้ำหนักของโครงสร้างและการติดตั้งที่แน่นอน

2. โหลดสด: โหลดชั่วคราวหรือเคลื่อนย้ายได้เช่นผู้คนเฟอร์นิเจอร์ยานพาหนะ

3. โหลดสิ่งแวดล้อม: โหลดจากลมหิมะกิจกรรมแผ่นดินไหวและการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

การประเมินที่ถูกต้องของภาระเหล่านี้มีความสำคัญต่อการออกแบบที่ปลอดภัย

รหัสและมาตรฐานการออกแบบ

รหัสออกแบบให้แนวทางและสูตรเพื่อความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือ ในสหรัฐอเมริกาสถาบันการก่อสร้างเหล็กแห่งอเมริกา (AISC) เผยแพร่คู่มือการก่อสร้างเหล็กซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลาย รหัสเหล่านี้คำนึงถึงปัจจัยด้านความปลอดภัยการรวมกันของการโหลดและข้อกำหนดของวัสดุ การปฏิบัติตามมาตรฐานเหล่านี้เป็นสิ่งจำเป็นในกระบวนการคำนวณ

วิธีการคำนวณ

การคำนวณความสามารถในการรับน้ำหนักนั้นเกี่ยวข้องกับหลายขั้นตอนและการพิจารณา:

1. การกำหนดโหลดที่ใช้

ขั้นตอนแรกคือการระบุโหลดทั้งหมดที่ทำหน้าที่ในโครงสร้าง ซึ่งรวมถึงการคำนวณโหลดที่ตายแล้วตามความหนาแน่นของวัสดุและขนาดการประมาณโหลดสดตามมาตรฐานการเข้าพักและการประเมินภาระสิ่งแวดล้อมตามข้อมูลระดับภูมิภาค

2. การเลือกสมาชิกโครงสร้าง

การเลือกสมาชิกโครงสร้างที่เหมาะสม (คานคอลัมน์โครงถัก) เกี่ยวข้องกับการพิจารณาปัจจัยต่าง ๆ เช่นรูปร่างหน้าตัดขนาดและเกรดวัสดุ รูปร่างทั่วไปรวมถึง i-beams, ช่องและท่อ การเลือกได้รับอิทธิพลจากประเภทของโหลดและความยาวของช่วง

3. การคำนวณคุณสมบัติส่วน

คุณสมบัติส่วนเช่นพื้นที่ช่วงเวลาของความเฉื่อยและโมดูลัสส่วนถูกคำนวณสำหรับสมาชิกที่เลือก คุณสมบัติเหล่านี้มีความสำคัญในการกำหนดความสามารถของสมาชิกในการต่อต้านการดัดและแรงอัด

4. การวิเคราะห์พฤติกรรมเชิงโครงสร้าง

การวิเคราะห์โครงสร้างเกี่ยวข้องกับการคำนวณแรงภายในและช่วงเวลาภายในโครงสร้างโดยใช้วิธีการเช่น:

- การวิเคราะห์แบบคงที่: สำหรับโครงสร้างที่มีการใช้โหลดช้าและคงที่

- การวิเคราะห์แบบไดนามิก: สำหรับโครงสร้างที่อยู่ภายใต้ตัวแปรหรือแรงกระแทก

ซอฟต์แวร์ Finite Element Analysis (FEA) มักจะใช้สำหรับโครงสร้างที่ซับซ้อนเพื่อจำลองและจำลองพฤติกรรมภายใต้โหลด

5. การตรวจสอบโหมดความล้มเหลว

โครงสร้างเหล็กอาจล้มเหลวผ่านโหมดต่างๆ:

- ผลผลิต: เมื่อความเครียดเกินความแข็งแรงของผลผลิต

- การโก่ง: สำหรับสมาชิกบีบอัดเช่นคอลัมน์

- ความเหนื่อยล้า: เนื่องจากการโหลดแบบวัฏจักรเมื่อเวลาผ่านไป

การคำนวณจะต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าความเค้นการออกแบบอยู่ในขีด จำกัด ที่อนุญาตสำหรับโหมดความล้มเหลวที่อาจเกิดขึ้นทั้งหมด

การคำนวณตัวอย่าง

พิจารณาลำแสงเหล็กที่รองรับได้อย่างง่าย ๆ ซึ่งอยู่ภายใต้โหลดแบบกระจาย (UDL) ขั้นตอนในการคำนวณความสามารถในการรับน้ำหนักมีดังนี้:

ขั้นตอนที่ 1: กำหนดคุณสมบัติของวัสดุ

สมมติว่าลำแสงทำจากเหล็ก ASTM A36 ที่มีความแข็งแรงของผลผลิต (FY) 250 MPa

ขั้นตอนที่ 2: เลือกขนาดลำแสง

เลือก W-section (ลำแสงกว้าง) ตัวอย่างเช่น W310x60 คุณสมบัติคือ:

- ส่วนโมดูลัส (SX): 938 x 10 ³ มม.³

- ช่วงเวลาแห่งความเฉื่อย (ix): 145 x 10 ⁶ มม.⁴

ขั้นตอนที่ 3: คำนวณช่วงเวลาสูงสุด

สำหรับลำแสงที่รองรับเพียงภายใต้ UDL:

[m_ {max} = frac {wl^2} {8} ]

ที่ไหน:

- (w ) = โหลดต่อความยาวหน่วย (n/mm)

- (l ) = ความยาวขยาย (มม.)

ขั้นตอนที่ 4: กำหนดช่วงเวลาที่อนุญาต

ช่วงเวลาการดัดงอที่อนุญาต ( _{อนุญาต} ) คือ:

[m_ {อนุญาต} = f_y times s_x ]

[m_ {อนุญาต} = 250 times 10^6 times 938 times 10^{-6} = 234.5 times 10^3 , text {n · mm} ]

ขั้นตอนที่ 5: แก้ปัญหาการโหลดสูงสุด

จัดระเบียบสูตรช่วงเวลาสูงสุดใหม่เพื่อแก้ปัญหา (w ):

[w = frac {8m_ {อนุญาต}} {l^2} ]

สมมติความยาวของช่วง (l = 6000 , text {mm} ):

[w = frac {8 times 234.5 times 10^3} {(6000)^2} = 5.22 , text {n/mm} ]

ดังนั้นลำแสงสามารถรองรับโหลดที่สม่ำเสมอของ 5.22 n/mm ในช่วง 6 เมตร

การพิจารณาขั้นสูง

ในทางปฏิบัติต้องพิจารณาปัจจัยเพิ่มเติม:

ปัจจัยโหลดและปัจจัยด้านความปลอดภัย

รหัสการออกแบบจำเป็นต้องใช้ปัจจัยโหลดและความต้านทานเพื่ออธิบายความไม่แน่นอน ตัวอย่างเช่นวิธีการออกแบบปัจจัยการโหลดและความต้านทาน (LRFD) ใช้โหลดแบบแยกส่วนและลดความแข็งแรงของวัสดุเพื่อความปลอดภัย

การวิเคราะห์การโก่งงอสำหรับคอลัมน์

สำหรับคอลัมน์สูตรการโหลดที่สำคัญของออยเลอร์จะกำหนดภาระการโก่งตัว:

[p_ {cr} = frac { pi^2 ei} {(kl)^2} ]

ที่ไหน:

- (e ) = โมดูลัสของความยืดหยุ่น

- (i ) = ช่วงเวลาแห่งความเฉื่อย

- (k ) = คอลัมน์ปัจจัยความยาวที่มีประสิทธิภาพ

- (l ) = ความยาวที่ไม่ได้รับการสนับสนุน

การออกแบบจะต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าโหลดที่ใช้น้อยกว่าภาระการโก่งงอที่สำคัญ

เครื่องมือและการจำลองซอฟต์แวร์

วิศวกรรมสมัยใหม่อาศัยซอฟต์แวร์อย่างมากสำหรับการคำนวณที่ซับซ้อน:

- การวิเคราะห์องค์ประกอบไฟไนต์ (FEA): เครื่องมือเช่น Ansys, Abaqus จำลองพฤติกรรมโครงสร้างภายใต้โหลด

- ซอฟต์แวร์การออกแบบ: โปรแกรมเช่น SAP2000, Staad.pro ช่วยในการออกแบบและวิเคราะห์โครงสร้าง

เครื่องมือเหล่านี้บัญชีสำหรับรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนการรวมกันของโหลดและพฤติกรรมวัสดุที่ท้าทายในการคำนวณด้วยตนเอง

เคล็ดลับการปฏิบัติสำหรับวิศวกร

- การคำนวณแบบตรวจสอบสองครั้ง: ตรวจสอบการคำนวณอย่างอิสระเสมอหรือใช้วิธีการอื่น

- อัปเดตอยู่ด้วยรหัส: รหัสการออกแบบได้รับการปรับปรุงเป็นระยะ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าสอดคล้องกับมาตรฐานล่าสุด

- พิจารณาความสามารถในการสร้าง: ออกแบบด้วยวิธีการก่อสร้างที่ใช้งานได้จริงและความสามารถในการผลิตในใจ

- บัญชีสำหรับการโก่งตัว: ความสามารถในการให้บริการต้องมีการ จำกัด การเบี่ยงเบนไปยังระดับที่ยอมรับได้สำหรับการทำงานของโครงสร้าง

บทสรุป

การคำนวณความสามารถในการรับน้ำหนักของโครงสร้างเหล็กเป็นกระบวนการที่พิถีพิถันซึ่งรวมวิทยาศาสตร์วัสดุการวิเคราะห์โครงสร้างและการยึดติดกับรหัสออกแบบ โดยการทำความเข้าใจคุณสมบัติของ โครงสร้างเหล็ก และการใช้วิธีการวิเคราะห์อย่างเข้มงวดวิศวกรสามารถออกแบบโครงสร้างที่ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ ความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องในเครื่องมือการคำนวณและเทคโนโลยีวัสดุช่วยเพิ่มความแม่นยำและความน่าเชื่อถือของการคำนวณเหล่านี้ ความเชี่ยวชาญของแนวคิดเหล่านี้เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับวิศวกรที่มุ่งมั่นสู่ความเป็นเลิศในการออกแบบโครงสร้างและความซื่อสัตย์