Что такое жесткость балки?

В конструкционном проектировании жесткость балки - это способность балки противостоять отклонению или изгибу при применении изгибающего момента. Изгибающий момент возникает, когда сила прикладывается где-то в середине балки, закрепленной на одном или обоих концах. Это также произойдет, если к балке приложен крутящий момент, хотя это не так часто встречается в реальных приложениях. На жесткость балки влияет как материал балки, так и форма поперечного сечения балки.

Мотивация для создания луча, который сопротивляется отклонению, легко понять в случае моста. Например, бетон отлично подходит для прочности на сжатие, но мост, сделанный исключительно из бетона, был бы плохим выбором. Бетон не силен, когда он изогнут; бетонный мост будет провисать в середине из-за силы тяжести и, вероятно, развалится. Мост мог бы быть намного прочнее, если бы у него был какой-то фундамент или скелет, чтобы он не слишком сильно отклонялся посередине.

Жесткость балки может быть рассчитана с использованием двух факторов. Первый фактор - модуль упругости . Это свойство материала, которое связано со склонностью материала к деформации или растяжению при приложении напряжения. Если балка изготовлена ​​из нержавеющей стали, она будет иметь более высокий модуль упругости, чем, скажем, алюминий. Это связано с тем, что если к одной и той же форме стали и алюминия приложить одинаковые силы, стальной объект будет деформироваться меньше. Даже если металлы не сильно деформируются по сравнению с резиновыми лентами, они ведут себя одинаково; они растягиваются пропорционально тому, как сильно на них воздействует сила. Таким образом, балка, изготовленная из материала с высоким модулем упругости, будет иметь высокую жесткость балки, уменьшая вероятность ее изгиба.

Другим фактором в жесткости балки является момент инерции площади поперечного сечения балки. Это связано с вертикальным распределением материала близко к центру балки или от него. Часто используемая конструкция луча в гражданском строительстве с большим моментом инерции - это двутавровая балка. Он называется двутавровой балкой из-за его поперечного сечения, имеющего форму буквы «я». Эта форма фокусирует большую часть материала в направлении дна и верхней части поперечного сечения, и в центральных областях достаточно материала только для соединения внешних частей. Причиной этой формы является то, что она максимизирует момент инерции площади для данного количества материала. Наиболее распространенным материалом, используемым в двутавровых балках, является сталь, которая обеспечивает высокий модуль упругости. Эти два свойства двутавровой балки придают ему очень высокую жесткость луча.