Γιατί τα ζευγάρια είναι τόσο αποτελεσματικά σε μεγάλες εκτάσεις

Η δοκός είναι μια δομή που χρησιμοποιείται πολύ συχνά στην πολιτική μηχανική, όπως γέφυρες, κτίρια από χάλυβα, πύργους και δομές οροφής (όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα). Εμφανίζονται επίσης σε πολλές μηχανικές και αεροδιαστημικές δομές, όπως γερανοί, υπεράκτιες πλατφόρμες, διαστημικές δομές, και ούτω καθεξής.

Ξύλο στέγης Οι δοκοί αποτελούνται από ευθεία μέλη που συνδέονται μεταξύ τους στα δύο άκρα κάθε μέλους. Όλα τα μέλη μιας δομής ζευκτόντων συνδέονται μαζί με τους συνδέσμους πείρων, έτσι ώστε για τους σκοπούς του σχεδιασμού αυτών των κατασκευών υποθέτουμε ότι οι αρμοί δεν μπορούν να μεταφέρουν ή να αντισταθούν σε καμία στιγμή.

Τυπικά, Οι συνδέσεις συνδέσμου σχηματίζονται με βίδα ή συγκόλληση των ακραίων μελών μαζί σε μια κοινή πλάκα, αποκαλούμενη πλάκα (απεικονίζεται παρακάτω). Όλα τα εξωτερικά φορτία που δρουν σε ένα στήριγμα θεωρείται ότι δρουν μόνο στις αρθρώσεις, και ως εκ τούτου, όλα τα μέλη ενός ζευκτόντος είναι μέλη δύο δυνάμεων. Τα μεμονωμένα μέλη δεν υπόκεινται σε ροπές κάμψης και διατμητικές δυνάμεις, αλλά υπόκεινται μόνο σε αξονικές δυνάμεις που είναι είτε συμπίεση είτε ένταση.

Συνήθως, τα δοκάρια είναι κατασκευασμένα από χάλυβα, ξυλεία και πολύ σπάνια από σκυρόδεμα και αλουμίνιο.

Πλάκα

Γιατί είναι τόσο αποτελεσματικοί σε μεγάλες εκτάσεις?

1. Συστήματα ζευκτόντων μεταφέρουν δυνάμεις αξονικά

Τα δοκάρια είναι πολύ πιο κατάλληλα για μεγάλα ανοίγματα από στερεά δοκάρια λόγω της κατεύθυνσης και του τύπου δύναμης που περιέχουν. Οπως αναφέρθηκε, Τα μέλη του συνδέσμου συνδέονται μέσω αρθρώσεων ακίδων που σημαίνει ότι υπάρχει καμία εσωτερική δύναμη διάτμησης και ροπής, και οι δυνάμεις ασκούνται αξονικά στο μέλος.

Σκεφτείτε μια στέγη με κλίση, με σημειακά φορτία που εφαρμόζονται κατά μήκος της έκτασης (μοντελοποιήθηκε χρησιμοποιώντας το SkyCiv's δωρεάν αριθμομηχανή ζευκτόντων):

Αυτά τα σημειακά φορτία μεταφέρονται σε εσωτερικές αξονικές δυνάμεις στο μέλος, με μικρή ή καθόλου εσωτερική στιγμή ή διάτμηση:

Εσωτερικές δυνάμεις μετά από γραμμική στατική ανάλυση, αναλύθηκε επίσης στο SkyCiv αριθμομηχανή ζευκτόντων

2. Τα μέλη είναι ισχυρότερα αξονικά

Το γεγονός ότι οι δυνάμεις σε κάθε μέλος ζευκτόντος είναι αξονικές είναι το κλειδί για την αποτελεσματικότητα του ζευκτόντος για μεγάλα διαστήματα. Σε ένα αξονικά φορτωμένο μέλος, η δύναμη μεταφέρεται εξίσου από κάθε μέρος του μέλους - κανένα υλικό δεν σπαταλά. Αντιθέστε το σε μια δέσμη. Όταν φορτώνουμε μια δέσμη στο κέντρο, τα στρες είναι πολύ υψηλότερα από ότι οπουδήποτε αλλού - τα στρες είναι συγκεντρωμένα. Το υλικό που βρίσκεται μακριά από το κέντρο δεν κάνει τόση δουλειά, μείωση της αποτελεσματικότητας της δομής και καθιστώντας την βαρύτερη:

Εναλλακτικά, σε μια δομή δοκών οι δυνάμεις είναι αξονικές. Αυτό σημαίνει, ότι κάθε μέλος δοκών έχει την ίδια ένταση αξονικής δύναμης σε ολόκληρο το μέλος (ομοιόμορφη συμπίεση ή ένταση). Επομένως, η δύναμη και οι τάσεις κατανέμονται σε ολόκληρο το μέλος. Εξαιτίας αυτού, Τα μέλη της δοκίδας μπορεί να είναι ελαφρύτερα, και θα έχει ακόμα μεγαλύτερη χωρητικότητα φορτίου και πιο αποτελεσματικά χρησιμοποιούμενες διατομές.

Γενικά, η συνολική απόδοση ενός ζευκτόν βελτιστοποιείται χρησιμοποιώντας λιγότερο υλικό στις χορδές και περισσότερο στα στοιχεία στήριξης. Αυτό είναι ιδιαίτερα χρήσιμο σε μεγαλύτερες εκτάσεις σε εναλλακτικές λύσεις όπως δοκάρια από σκυρόδεμα ή προεντεταμένο σκυρόδεμα. Τα δοκάρια μπορούν να παραμείνουν ελαφριά και η χρήση υλικών μπορεί να μειωθεί χρησιμοποιώντας ένα σύστημα χαλύβδινων μελών πάνω από ένα μεγάλο τμήμα σκυροδέματος. Τα μέλη δοκών τείνουν να κρεμούν όταν φορτώνονται και είναι πιο ευαίσθητα σε αυξήσεις στο άνοιγμα από την απαίτηση για αυξημένη αντοχή.

Εναλλακτικά σχέδια

Προεντεταμένο σκυρόδεμα είναι μια εναλλακτική δομή για κατασκευές μεγάλου εύρους. Αν και είναι μια απλούστερη δομή, είναι πολύ λιγότερο αποτελεσματικό από ένα ζευκτόν. Τα προεντεταμένα σκυρόδεμα μέλη πρέπει να αντέχουν στην τεράστια τάση κάμψης, και επιδεινώνεται μόνο καθώς αυξάνεται το εύρος. Έτσι, τόσο μεγαλύτερη είναι η διάρκεια, το πιο συγκεκριμένο που απαιτείται.

Καλωδιακές γέφυρες Ένας αποτελεσματικός σχεδιασμός για μεγάλα ανοίγματα, Ωστόσο, απαιτείται ακόμη μεγάλη χρήση υλικού για τη στήριξη των καλωδίων. Τα καλώδια είναι εξίσου αποτελεσματικά με τα δοκάρια, αφού μεταφέρουν δύναμη σε ένταση, Ωστόσο, η εξωτερική δομή για την υποστήριξη αυτού του συστήματος μπορεί να είναι αναποτελεσματική και βαριά.

3. Περίληψη

Τα δοκάρια χρησιμοποιούνται γενικά ως δομές στεγών μεγάλων κτιρίων και επίσης σε γέφυρες, πύργους, γερανοί και διάδρομοι. Έχουν μεγαλύτερη χωρητικότητα φορτίου και χρησιμοποιούνται πιο αποτελεσματικά διατομές.

Αυτό συμβαίνει επειδή οι καρφιτσωμένες συνδέσεις τους μεταφέρουν δυνάμεις αξονικά και υπάρχουν πολύ λίγες δυνάμεις κάμψης και διάτμησης στα μέλη. Τα μέλη είναι πιο αποτελεσματικά στη μεταφορά αξονικών φορτίων αφού οι τάσεις κατανέμονται ομοιόμορφα, αντί για εγκάρσια φορτία που είναι συγκεντρωμένα. Αυτός ο συνδυασμός καθιστά τα συστήματα ζευκτόντων πιο αποτελεσματικά από τις εναλλακτικές λύσεις ενός μέλους (π.χ. προεντεταμένο σκυρόδεμα).

Οι δοκοί επιτρέπουν στους μηχανικούς να δημιουργούν μεγάλους ανοιχτούς χώρους με λιγότερα υλικά. Η χρήση λιγότερων υλικών επιτρέπει επίσης στους εργολάβους να φτιάχνουν φθηνά. Μη διστάσετε να αρχίσετε να μοντελοποιείτε ή να σχεδιάζετε τη δομή του ζευκτού σας χρησιμοποιώντας το SkyCiv's Free Υπολογιστής δοκών ή δοκών στεγών.