Dlaczego nierozsądnie jest wybierać cylindryczną belkę poziomą

10

Słyszałem, że nierozsądnie jest wybierać cylindryczną belkę poziomą. Moje pytanie brzmi: dlaczego?

civil-engineering beam

— Mohamed
źródło

2

Do jakiej aplikacji?

— footwet

Czy słyszałeś o cylindrach pustych, cylindrach pełnych lub obu?

— Air

14

Wytrzymałość poziomej belki jest definiowana na podstawie właściwości zwanej modułem przekroju . Kształty, które mają więcej materiału rozmieszczonego u góry iu dołu, mają wyższy moduł przekroju. Dlatego belki w kształcie litery „I” lub wysokie prostokąty są powszechnym wyborem. Z drugiej strony okrągłe kształty skupiają większość materiału wokół środka kształtu i bardzo mało u góry i na dole, dzięki czemu nie tworzą bardzo mocnych wiązek. Oznacza to, że okrągła belka potrzebowałaby znacznie więcej materiału, aby osiągnąć taką samą wytrzymałość jak belka o wyższym kształcie.

Możesz to zobaczyć intuicyjnie, jeśli weźmiesz linijkę lub inny cienki materiał, który masz pod ręką i spróbujesz go zgiąć. Zauważysz, że w kierunku płaskim jest bardzo słaby i łatwy do zgięcia. W szerokim kierunku jest jednak dość silny. Mimo że kawałek materiału ma ten sam rozmiar, posiadanie większej jego ilości u góry iu dołu czyni go mocniejszym.

Przyczyna tego nie jest zbyt trudna do zrozumienia, gdy wiązka wygina się, nie może pozostać idealnie prosta. Aby utworzyć krzywą, musi ona nieco zmienić kształt. Jego górna część zostaje ściśnięta (popchnięta do wewnątrz), a dolna część naprężenia rozciągające (rozsuwane). W miarę zbliżania się do środka, naprężenia każdego rodzaju są mniejsze. W rzeczywistości, kiedy dojdziesz do środka, wiązka nie zostanie ani rozerwana, ani zepchnięta razem, nazywa się to „osią neutralną”. Tak więc góra i dół muszą być mocne, aby wytrzymać ściskanie i napięcie, ale środek musi być wystarczająco silny, aby wszystko było przyczepione.

Jeśli naprawdę chciałbyś użyć cylindrycznego kształtu dla poziomej belki (być może ze względów wizualnych lub odporności na wiatr), okrągła rura byłaby bardziej wydajna niż solidny cylinder, ponieważ ma mniej materiału wokół osi neutralnej. Jednak nadal nie byłby tak wydajny jak prostokątna rura lub tradycyjny kształt strukturalny.

— Ethan48
źródło

Być może bardziej jasne i precyzyjne byłoby stwierdzenie, że w kierunku płaskim linijka jest mniej sztywna, a w kierunku szerokim jest bardziej sztywna . O ile materiał linijki nie jest anizotropowy, siła nie zmienia się wraz z orientacją, i chyba że uszkodzenie jest zamierzone, siła nie odgrywa roli w projektowaniu wiązki, z wyjątkiem wyboru materiału.

— wwarriner

1

Sztywność jest właściwością obserwowaną przez użytkownika, ale wytrzymałość belki zmienia się po zmianie orientacji przyłożonych obciążeń. siła materiału się nie zmienia, ale siła wiązki się zmienia. Ponieważ moduł przekroju jest momentem bezwładności (który kontroluje sztywność) podzielonym przez ekstremalną odległość włókna, wytrzymałość i sztywność są skorelowane dla danego materiału, a dla intuicyjnego zrozumienia właściwości przekroju nie musimy różnicować.

— Ethan48

12

Belka cylindryczna prawdopodobnie nie jest najlepszą belką w danej sytuacji. Nie oznacza to, że nie ma konkretnych sytuacji, w których przydatna byłaby cylindryczna belka.

Plusy

Może wytrzymać to samo obciążenie w dowolnym kierunku lub kombinacji kierunków. Jest tak silny w kierunku poziomym, jak w pionie.
Nie musisz się martwić ani sprawdzać stanu granicznego wyboczenia skrętnego (LTB).
Działa dobrze jako belka-kolumna (momenty i obciążenia osiowe razem).
Okrągły kształt może mieć mniejszą powierzchnię niż inne kształty, biorąc pod uwagę rzeczy takie jak obszar malowany lub gromadzenie się lodu.

Cons

Nie tak wydajny (ciężar materiału na wytrzymałość) jak kształt litery I dla obciążeń tylko w jednym kierunku.
Przekroje mogą być trudne do znalezienia lub bardziej kosztowne niż bardziej powszechne kształty.
Połączenia na końcach i z innymi członkami wchodzącymi z boku są bardziej skomplikowane.
Usztywnienia w obszarach skoncentrowanych obciążeń są trudniejsze do zaprojektowania i wytworzenia.

O ile jeden z elementów na liście „Za” nie znacznie przewyższa „Wady”, cylindryczna belka prawdopodobnie nie jest najlepszą opcją.

— Hazzey
źródło

1

Zastosowanie cylindrycznej poziomej belki jest nierozsądne, ponieważ ma dodatkowy ciężar, który nie zapewnia dodatkowej siły, dlatego płacisz za niepotrzebny materiał, który jest nierozsądny, chyba że względy estetyczne wymagają zastosowania kształtu cylindra. Wysoce nietypowe obciążenia boczne mogą uczynić zastosowanie belki cylindrycznej opcją, ale siły te są zwykle uwzględniane w innych komponentach projektowych.

— użytkownik416
źródło

Czy nie mógłbyś wpisać cylindra do wnętrza pryzmatu zamiast go opisać? W ten sposób zużyjesz mniej materiału.

— HDE 226868

@ HDE226868 Nie do końca rozumiem tu twoje pytanie, ale jeśli nadal jesteś ciekawy, możesz opublikować je jako własne pytanie ze szkicem.

— Ethan48

@ Ethan48 Ta odpowiedź wydaje się zakładać, że przekrój cylindra jest większy niż przekrój kwadratu. Zasadniczo ogranicza to przekrój poprzeczny. Zamiast tego sugeruję wpisanie go, co w rzeczywistości ważyłoby mniej. Czy źle to zinterpretowałem?

— HDE 226868,

2

Myślę, że mieli na myśli (ale nie stwierdzili wprost), że dla danego wymagania wytrzymałości wiązki cylindryczna wiązka będzie ważyła więcej. Z pewnością można zrobić mniejsze belki okrągłe niż inne przekroje, ale będą one słabsze niż inne kształty przekroju o tym samym obszarze.

— Ethan48