Vad är strålberäkning?
Strålberäkning är mätningen av spänningen och avböjningen av en konstruktionsbalk när en given belastning appliceras på den. Många faktorer bidrar till en balkens kapacitet att motstå böjning, såsom egenskaper hos strålen, lasten och stöden. Beräkningen av belastningsförskjutningen för en enda balk med Euler-Bernoulli-strålekvationen är enkel, men i de flesta praktiska tillämpningar används strålprogramvara. Strålberäkningar används för att säkerställa säkerhet och undvika överbyggnad inom en mängd olika discipliner som konstruktion och luftfart.
Det är nödvändigt att beräkna balkbelastningskapacitet för att konstruera strukturer med de lättaste och billigaste materialen samtidigt som säkerhetskraven uppfylls och strukturens estetiska kvalitet upprätthålls. Hela disciplinen inom konstruktionsteknik ägnas åt denna analys och design, vilket säkerställer att tak inte kollapsar under snöns vikt, att underjordiska parkeringsgarage är säkra när trafiken kör över huvudet och att skyskrapor byggda längs fellinjer uppfyller jordbävningens säkerhetskrav. Strålberäkning har också sina tillämpningar inom maskinteknik när man testar belastningsmotståndet för enskilda delar av en maskin, till exempel lasten som en flygvinge kan motstå innan man utvecklar potentiellt farliga spänningar. Slutligen måste arkitekter överväga stråldeformation när man bygger och renoverar hus med stolpe- och balkkonstruktion och när man överväger den visuella inverkan av sjunkande golv, tak och balkonger.
En av de viktigaste faktorerna vid beräkning av en balkens bärförmåga är valet av material. Vanligtvis är balkar tillverkade av trä, stål, armerad betong eller aluminium. Varje material har en annan tendens att deformeras elastiskt, kallad elasticitetsmodulen, som hänvisar till materialets förmåga att springa tillbaka på plats. Vid dess utbytespunkt deformeras materialet plastiskt och bibehåller deformationen efter att den applicerade kraften har tagits bort.
Strålens tvärsnittsform är den andra egenskapen som beaktas vid strålberäkningen. Strålar kan vara rektangulära, runda eller ihåliga, samt ha många typer av flankering, såsom I-balkar, Z-balkar eller T-balkar. Varje form har ett annat tröghetsmoment, även känt som andra momentmoment, som förutsäger en balkens styvhet.
Kraften per enhetslängd är en annan parameter som används vid strålberäkningen och beror på lasttypen. Döda laster är helt enkelt vikten av strukturen, och pålagda eller levande laster är de krafter som strukturen kommer att utsättas för ibland, till exempel snö, trafik eller vind. De flesta laster är statiska, men särskild uppmärksamhet måste ägnas dynamiska laster, jordbävningar, vågor och orkaner, som repetitivt tillämpar kraft under en längre tid. En last kan fördelas, vanligtvis enhetligt eller asymmetriskt, till exempel snöfall eller en hög med smuts. Det kan också vara koncentrerat vid en punkt, centralt eller med olika intervall.
Gränsvillkoren för strålberäkning beror på strålstödstypen. En balk kan helt enkelt stödjas i båda ändarna, som en golvbalk mellan två bärande väggar. Det kan vara utskjutet eller stöttas i ena änden, som en balkong eller flygvinge. Gränsvillkoren gäller för alla punkter längs balkens längd.
Förhållandet mellan strålens avböjning och en statisk belastning beskrivs av Euler-Bernoulli-strålekvationen. En annan ekvation, Euler-Lagrange-strålekvationen, beskriver detta förhållande för en dynamisk belastning, men på grund av komplexiteten i dess tillämpning används statiska tillnärmningar vanligtvis. Avböjning, böjmoment och skjuvkraft hos en balk som ges en applicerad belastning kan härledas. I en praktisk inställning används lastdiagram för att sammanfatta denna information och de listar vanliga material som uppfyller säkerhetskraven för en känd last. För mer komplicerade applikationer är strålkalkylatorer lätt tillgängliga på företagets webbplatser och som tillägg för programvara för datorstödd design (CAD).