Wat is balkstijfheid?

In de bouwtechniek is balkstijfheid het vermogen van een balk om doorbuiging of buiging te weerstaan ​​wanneer een buigmoment wordt toegepast. Een buigmoment ontstaat wanneer ergens in het midden van een balk die aan een of beide uiteinden is bevestigd een kracht wordt uitgeoefend. Het zal ook optreden als een koppel op de balk wordt uitgeoefend, hoewel dit minder gebruikelijk is in echte toepassingen. De stijfheid van de balk wordt beïnvloed door zowel het materiaal van de balk als de vorm van de dwarsdoorsnede van de balk.

De motivatie voor het ontwerpen van een balk die doorbuiging weerstaat, is gemakkelijk te waarderen in het geval van een brug. Beton is bijvoorbeeld geweldig vanwege zijn druksterkte, maar een brug die alleen van beton is gemaakt, zou een slechte keuze zijn. Beton is niet sterk wanneer het wordt gebogen; een brug van beton zakt in het midden door de zwaartekracht en zal waarschijnlijk uit elkaar vallen. De brug zou veel sterker kunnen zijn als deze een soort fundering of skelet had om te voorkomen dat deze in het midden teveel afbuigde.

Bundelstijfheid kan worden berekend met behulp van twee factoren. De eerste factor is de elastische modulus . Dit is een materiaaleigenschap die verband houdt met de neiging van het materiaal om te vervormen of uit te rekken wanneer spanning wordt uitgeoefend. Als de balk van roestvrij staal is, heeft deze een hogere elasticiteitsmodulus dan bijvoorbeeld aluminium. Dit komt omdat als dezelfde krachten worden uitgeoefend op dezelfde vorm van zowel staal als aluminium, het stalen object minder zou vervormen. Hoewel metalen niet veel vervormen in vergelijking met elastiekjes, gedragen ze zich op dezelfde manier; ze strekken zich proportioneel uit naar hoe hard een kracht op hen trekt. Een balk gemaakt van een materiaal met een hoge elasticiteitsmodulus zal dus een hoge balkstijfheid hebben, waardoor deze minder waarschijnlijk zal buigen.

De andere factor in de stijfheid van de balk is het traagheidsmoment van de dwarsdoorsnede van de balk. Dit heeft te maken met de verticale verdeling van materiaal dichtbij of weg van het midden van de balk. Een vaak gebruikt balkontwerp in civiele techniek met een groot traagheidsmoment is de I-balk. Het wordt de I-balk genoemd vanwege zijn dwarsdoorsnede, die de vorm heeft van de letter 'I'. Deze vorm focust veel van het materiaal op de bodem en bovenkant van de dwarsdoorsnede met slechts voldoende materiaal in de centrale gebieden om de buitenste delen te verbinden. De reden voor deze vorm is dat het het traagheidsmoment voor een bepaalde hoeveelheid materiaal maximaliseert. Het meest voorkomende materiaal dat wordt gebruikt in I-balken is staal, dat een hoge elastische modulus biedt. Deze twee eigenschappen van de I-balk geven hem een ​​zeer hoge balkstijfheid.