Co to jest gięcie wiązki?

W inżynierii lądowej gięcie wiązki odnosi się do zachowania niektórych elementów konstrukcyjnych w projekcie fizycznym. Element można uznać za belkę, jeśli jest solidny i jednorodny, a jego długość jest wielokrotnie większa niż jego wysokość lub szerokość. Główną funkcją wiązki jest odporność na zginanie; kontrastuje to z elementami konstrukcyjnymi, które przede wszystkim są odporne na naprężenia rozciągające, ściskające lub ścinające. Właściwości konstrukcyjne belki podczas zginania są określone przez jej wymiary, materiały i kształt przekroju.

Prostym przykładem gięcia wiązki jest most z samochodem. Mosty często mają na nich betonowe drogi, ale beton jest zasadniczo silny tylko przy ściskaniu. Długi most będzie jednak miał tendencję do opadania na środku, gdzie nie ma ziemi, aby go podeprzeć. To ugięcie będzie miało kształt łuku kołowego i będzie występować z powodu sposobu rozkładania naprężeń wewnętrznych podczas zginania belki. Aby przeciwdziałać temu zginaniu, zwykle mocniejsza metalowa belka jest umieszczana pod powierzchnią drogi.

Najważniejszym równaniem w gięciu wiązki jest równanie wiązki Eulera-Bernoulli'ego. To równanie wiąże ugięcie belki z przyłożonymi siłami, charakterystyką przekroju i właściwościami materiału belki. Wielkość ugięcia w gięciu belki można zmniejszyć, zmniejszając siły przyłożone do siatki, zmieniając przekrój belki i stosując mocniejszy materiał.

W poziomej belce z działającymi na nią siłami w dół górna część belki faktycznie ulegnie kompresji, podczas gdy dolna część będzie naprężona. W rzeczywistości, im bardziej w dół materiał, tym większe będzie napięcie. Okazuje się, że dla danej ilości całego materiału wzmocnienie dolnego i górnego obszaru przekroju jest najlepszym sposobem na wzmocnienie belki. Dlatego inżynierowie projektują belki z materiałem skoncentrowanym w kierunku dolnych i górnych obszarów przekroju.

Taka jest zasada projektowania dwuteowników lub belek o przekrojach przypominających literę „I.” Kosztowne jest wytwarzanie i transport belek o dużej masie, dlatego ważne jest, aby zminimalizować ilość użytego materiału. W przekroju belki dwuteowej na pośrednich wysokościach jest wystarczająca ilość materiału, aby utrzymać belkę razem jako solidny element. Reszta materiału jest skoncentrowana na dole iu góry przekroju, co daje belce wysoką odporność na zginanie. Odporność belki na zginanie nazywana jest jej sztywnością.