Struktuurikoormused: määratlus, tüübid ja struktuurianalüüs ehituses

Avasta struktuurikoormuste määratlus, tüübid ja praktiline struktuurianalüüs ehituses — juhend projekteerimiseks, ohutuseks ja rikete vältimiseks.

Struktuurikoormused või -mõjud on jõud, deformatsioonid või kiirendused, mida rakendatakse konstruktsioonile või selle osadele. Koormus on koormus, mida konstruktsioon peab kandma. Koormused põhjustavad konstruktsioonides pingeid, deformatsioone ja nihkeid. Struktuurianalüüs on koormuste mõju arvutamine füüsilistele struktuuridele. Liigne koormus või ülekoormus võib põhjustada konstruktsiooni rikkeid. Seda tuleb arvestada konstruktsiooni projekteerimisel ja ehitamisel.

Mehaanilistel konstruktsioonidel, nagu lennukid, satelliidid, raketid, kosmosejaamad, laevad ja allveelaevad, on oma erilised struktuurilised koormused ja toimingud. Sõidukite, eriti veoautode puhul on šassii konstrueeritud kandma struktuurikoormust. Paljudes autodes kasutatakse ühe kerega konstruktsiooni, kus metallkere (või muud materjalid) on kavandatud kandma koormust.

Gravitatsioon Maal on tõmbevõime, mis mõjutab kõiki objekte. Gravitatsioonikoormus on selline, millele mõjub allapoole suunatud raskusjõud.

Peamised struktuurikoormuste tüübid

• Püsikoormus (surnud koormus) – konstruktsiooni enda kaal ja kõik püsivad osad (näiteks seinad, vahedetailid). Neid koormusi loetakse tavaliselt konstantseteks.
• Muutuv koormus (elukoormus) – kasutusest tulenevad koormused, nagu inimesed, mööbel, laadurid, sõidukid. Need võivad aja jooksul muutuda ja paiknemine on sageli ettearvamatu.
• Töö- ja ekspluatatsioonikoormused – ajutised või korduvad koormused tööprotsesside käigus (nt kraanade koormus, survetööd).
• Tuulekoormus – dünaamiline koormus, mis võib põhjustada survet, tõmmet ja vibratsiooni eriti kõrghoonetel ning sillastruktuuridel.
• Lume- ja jääkoormus – katustele ja terrassidele mõjuv koormus, mis sõltub piirkonna kliimast ja katuse geomeetriast.
• Maavärina (seismiline) koormus – dünaamiline, impulsslaadne koormus, mis põhjustab inertsjõudu konstruktsioonis ning nõuab spetsiaalset analüüsi ja disaini.
• Termilised koormused – temperatuurimuutustest tekkivad paisumised ja kokkutõmbed, mis loovad pinged liitpindades ja ühendustes.
• Puute- ja löögikoormused – näiteks põrkumised või äkilised kokkupõrked sõidukite ja masinate puhul.
• Vibratsioon ja korduvad (väsimus)koormused – korduskoormused, mis aja jooksul põhjustavad materjali väsimist ja pragunemist.
• Hüdrostaatilised ja hüdrodünaamilised koormused – vedeliku rõhud ja voolud, olulised näiteks paakides, dammides ja laevades.

Koormuste arvestamine projekteerimisel

• Koormuste kombineerimine – projekteerimisel võetakse arvesse üheaegselt mõjivaid koormusi ja kasutatakse koormuskombinatsioone, et leida kriitilised olukorrad (näiteks püsikoormus + lumi + tuul).
• Ohutusfaktorid ja osalised koefitsiendid – standardid nõuavad koormustele ja materjalidele rakendatavaid tegureid, et katta mõõtmis-, modelleerimis- ja materjalierinevuste ebatäpsusi.
• Piirmõõtmed – eristatakse konstruktsiooni vastupidavuse (ultimate limit state, ULS) ja kasutatavuse/tööpiirangute (serviceability limit state, SLS) nõudeid. ULS tagab, et rike ei toimu, SLS tagab, et deformatsioonid ja vibratsioonid ei ole lubamatud.
• Koormusrada ja koormuste jaotus – disainer peab mõistma, kuidas koormus konstruktsioonis levib: läbi talade, jäikuste, ühenduste ja toestuse.

Struktuurianalüüsi meetodid

• Käsivarustused ja lihtsustatud analüüs – ristlõigete teooria, sümboolne tasakaal ja analüütilised valemid lihtsate talade, raamide ja talade jaoks.
• Numerilised meetodid (FEM) – lõplike elementide meetod võimaldab modelleerida keeruka geomeetria, materjalikäitumise ja dünaamiliste mõjude mõju väga detailselt.
• Dünaamiline analüüs – täpsemad meetodid, nagu modaalanalüüs, ajaloopõhine (time-history) ja vastusspektri analüüs maavärinate või ajutiste löökide jaoks.
• Katsetamine ja instrumenteerimine – koormustestid, pingemõõdikud, kiirendusmõõturid ja deformatsioonipaelad aitavad verifitseerida arvutusmudelite täpsust ja jälgida reaalseid tingimusi.

Erinevate konstruktsioonitüüpide eripärad

• Hoonekonstruktsioonid – oluline on arvestada korrustevahelisi elukoormusi, katuse lumi- ja tuulekoormusega ning seinte ja sambade raskuskoormusega.
• Sillad – koormused sisaldavad liiklussagedust, tuult, termilist liikumist, lööke ja ebaühtlast settimist; väsimus on suur probleem korduvate koormuste tõttu.
• Sõidukid ja šassii – dünaamilised koormused teel, löögid ja koormuste koondumine põhjustavad keerukaid pingeseisundeid; kere kannab sageli oluliselt koormust.
• Ruumistruktuurid ja kosmosekonstruktsioonid – madalgravitatsioon, temperatuuritsükli suured amplituudid, vibratsioon ja löögid käivituse ajal ning piiratud massi- ja jäikuseeeltingimused.

Kontroll, hooldus ja ümberkujundamine

• Regulaarsed ülevaatused – pragude, korrosiooni, deformatsioonide ja ülekandeelementide kontrollimine aitab ennetada rikkeid.
• Järelevalve süsteemid – püsimonitooring (nt strain gauge'id, kiirendusandurid) võimaldab tuvastada muutusi koormusmustris varakult.
• Retrofit ja tugevdamine – olemasolevate konstruktsioonide tugevdamine (nt süsinikkiud, täiendavad tugipiirded) kui koormus või kasutusotstarve muutub.
• Koormustestid – koormuskatsetega kontrollitakse konstruktsiooni tegelikku käitumist enne kasutuselevõttu või pärast remonti.

Kokkuvõte

Struktuurikoormuste mõistmine ja korrektne arvestamine on ehituse ja masinakrakteris kriitilise tähtsusega ohutu ja funktsionaalse konstruktsiooni saavutamiseks. Disainerid kasutavad erinevaid analüüsimeetodeid, ohutusfaktoreid ja testimist, et tagada struktuuri vastupidavus, töökindlus ja kasutusmugavus kogu eluaja jooksul.

Küsimused ja vastused

K: Mis on struktuurikoormus?

K: Kuidas mõjutavad koormused konstruktsioone?

K: Mis on struktuurianalüüs?

K: Mis juhtub liigse koormuse või ülekoormuse korral?

K: Kas mehaaniliste konstruktsioonide, näiteks lennukite ja laevade puhul on olemas erilised koormused ja tegevused?

K: Kuidas on sõidukid projekteeritud struktuurikoormuse kandmiseks?

K: Millist tüüpi jõud mõjub kõigile objektidele Maal?

Otsing