Co to jest sztywność wiązki?
W inżynierii budowlanej sztywność belki to zdolność belki do przeciwstawienia się ugięciu lub zginaniu, gdy przykładany jest moment zginający. Moment zginający powstaje, gdy siła zostanie przyłożona gdzieś pośrodku belki zamocowanej na jednym lub obu końcach. Wystąpi również, gdy do belki zostanie przyłożony moment obrotowy, chociaż jest to mniej powszechne w zastosowaniach w świecie rzeczywistym. Na sztywność belki ma wpływ zarówno materiał belki, jak i kształt jej przekroju.
Motywację do zaprojektowania belki odpornej na ugięcie można łatwo docenić w przypadku mostu. Na przykład beton jest świetny ze względu na swoją wytrzymałość na ściskanie, ale most wykonany wyłącznie z betonu byłby złym wyborem. Beton nie jest mocny, gdy jest zgięty; most wykonany z betonu zapadnie się na środku z powodu grawitacji i prawdopodobnie rozpadnie się. Most mógłby być znacznie silniejszy, gdyby miał jakiś fundament lub szkielet, aby zbytnio nie odchylał się na środku.
Sztywność wiązki można obliczyć na podstawie dwóch czynników. Pierwszym czynnikiem jest moduł sprężystości . Jest to właściwość materiału, która odnosi się do tendencji materiału do odkształcania się lub rozciągania po przyłożeniu naprężenia. Jeśli belka jest wykonana ze stali nierdzewnej, będzie miała wyższy moduł sprężystości niż, powiedzmy, aluminium. Wynika to z faktu, że jeśli te same siły zostaną przyłożone do tego samego kształtu zarówno stali, jak i aluminium, stalowy obiekt mniej się odkształci. Chociaż metale nie odkształcają się znacznie w porównaniu z gumkami, zachowują się w ten sam sposób; rozciągają się proporcjonalnie do siły, jaką pociąga ich siła. Tak więc belka wykonana z materiału o wysokim module sprężystości będzie miała wysoką sztywność belki, co zmniejszy prawdopodobieństwo zgięcia.
Innym czynnikiem sztywności belki jest moment bezwładności przekroju poprzecznego belki. Ma to związek z pionowym rozkładem materiału w pobliżu lub od środka wiązki. Często stosowaną konstrukcją belki w inżynierii lądowej i wodnej o dużym momencie bezwładności jest belka dwuteowa. Nazywa się ją dwuteownikiem ze względu na jej przekrój, który ma kształt litery „I”. Ten kształt skupia znaczną część materiału w kierunku dolnej i górnej części przekroju, z wystarczającą ilością materiału w środkowych obszarach, aby połączyć części zewnętrzne. Powodem tego kształtu jest to, że maksymalizuje on bezwładność powierzchniową dla danej ilości materiału. Najczęściej stosowanym materiałem w dwuteownikach jest stal, która zapewnia wysoki moduł sprężystości. Te dwie właściwości belki dwuteowej nadają jej bardzo wysoką sztywność.