Vodiči za zavarivanje

Proračuni čvrstoće materijala

Proračuni čvrstoće

Proračuni čvrstoće odnose se na proces određivanja sposobnosti materijala ili strukture da izdrži različita opterećenja ili sile bez pretjeranog loma ili deformiranja.

Ti se izračuni obično rade pomoću matematičkih formula i principa mehanike, a uzimaju u obzir čimbenike kao što su svojstva materijala, geometrija strukture te vrsta i veličina opterećenja.

Rezultati proračuna čvrstoće mogu se koristiti za projektiranje i projektiranje sigurnih i pouzdanih konstrukcija i proizvoda.

Proračun čvrstoće neophodan je, između ostalog, u strojarstvu i arhitekturi.

Ovim izračunima utvrđuje se koliko jako ili slabo određeni elementi mogu biti opterećeni i mogu li izdržati planirano opterećenje.

Na taj način komponente se mogu optimizirati i mogu se razviti dizajni koji mogu izdržati planirano opterećenje.

Osim toga, moguće je provesti optimizacije i zajamčiti sigurnost konstrukcija.

Što je čvrstoća materijala?

Čvrstoća materijala je sposobnost materijala ili strukture da izdrži opterećenja bez loma ili pretjeranog deformiranja.

To je proučavanje kako materijali reagiraju na vanjske sile kao što su napetost, kompresija, torzija i savijanje.

Bavi se ponašanjem čvrstih objekata pod naprezanjem i deformacijom i odnosom između vanjskih opterećenja primijenjenih na materijal ili strukturu i unutarnjih naprezanja i deformacija koje rezultiraju.

Opširnije: Proračun naprezanja u komponentama za zavarivanje.

Cilj čvrstoće materijala je razumjeti kako se materijali ponašaju pod različitim opterećenjima i upotrijebiti to znanje za projektiranje i projektiranje sigurnih, pouzdanih i učinkovitih struktura i proizvoda koji mogu izdržati opterećenja kojima će biti izloženi u namjeravanoj uporabi.

Kako se provodi proračun čvrstoće?

Proračuni čvrstoće koriste se za određivanje sposobnosti materijala ili strukture da izdrži opterećenja i sile bez kvara.

Za proračun čvrstoće primjenjuju se osnove i metode tehničke mehanike i analize konstrukcija.

U modernom kompjuterskom dobu za bolju ilustraciju koriste se grafičke metode.

Postoji nekoliko metoda koje se mogu koristiti za izvođenje proračuna čvrstoće, uključujući ručne proračune i metodu konačnih elemenata.

Ručni izračuni

Metoda ručnog izračuna uključuje korištenje matematičkih jednadžbi i formula za izračunavanje čvrstoće materijala ili strukture.

Obično se koristi za jednostavne konstrukcije, kao što su grede i stupovi, i uključuje izračun naprezanja i deformacija u materijalu, kao i sigurnosnih faktora za konstrukciju.

Metoda konačnih elemenata (FEM)

Metoda konačnih elemenata (FEM) je numerička metoda koja se koristi za analizu složenih struktura i materijala.

Uključuje rastavljanje strukture ili materijala na veliki broj malih elemenata, svaki s poznatim svojstvima, a zatim korištenje računalnog softvera za rješavanje jednadžbi koje opisuju ponašanje svakog elementa.

Ova se metoda može koristiti za analizu konstrukcija pod različitim uvjetima opterećenja i za predviđanje odziva konstrukcije tijekom vremena.

Izbor metode temelji se na složenosti sustava i projektnim zahtjevima.

Ručni izračuni koriste se za jednostavne sustave, a FEM se koristi za složene sustave, poput zrakoplova, mostova ili zgrada.

Proračuni čvrstoće u materijalima

Proračun normalnog naprezanja u materijalu

Naprezanje je mjera unutarnjih sila unutar materijala koje se odupiru vanjskim opterećenjima. Izračunava se pomoću formule:Naprezanje = sila / površina

gdje je sila vanjsko opterećenje primijenjeno na materijal, a površina površina poprečnog presjeka materijala.

Jedinica za naprezanje obično se daje u paskalima (Pa) ili megapaskalima (MPa) ili N/mm2 ili funti po inču (psi) i Ksi.

Na primjer, razmotrite cilindričnu šipku promjera 10 mm i duljine 100 mm koja je izložena vlačnoj sili od 200 N. Površina poprečnog presjeka štapa je:

Površina = π * (5 mm)2 = 78,5 mm2

A naprezanje u šipki bi bilo:

Naprezanje = 200N / 78,5 mm2 = 2,54 MPa.

Izračun čvrstoće uzorka

Proračun čvrstoće može se dobro ilustrirati primjerom: koristi se šipka koja je s obje strane opterećena silom F na napetost.

To rezultira naprezanjem σ (σ =F/A).

Uz pretpostavku da je šipka izrađena od čelika S235, maksimalno naprezanje odgovara σ granici tečenja od 235 N/mm2.

Cilj je utvrditi može li u tom materijalu doći do trajne deformacije. To ne bi trebao biti slučaj ako stres padne ispod granice izdržljivosti.

Za površinu poprečnog presjeka od, na primjer, 20 mm2, najveća sila F je sljedeća:

F = σ*A = 235 N/mm 2 * 20 mm2 = 4700 N

Ova sila F od 4700 N odgovara težinskom opterećenju od približno 470 kg (na Zemlji).

Proračun normalne deformacije u materijalu

Normalna deformacija je mjera koliko je materijal rastegnut ili komprimiran u određenom smjeru.

Izračunava se uzimanjem omjera promjene duljine materijala i njegove izvorne duljine.

Dobivena vrijednost je bezdimenzionalna i često se izražava kao postotak.

Formula za normalno naprezanje u materijalu dana je sa:Naprezanje = (promjena duljine) / (izvorna duljina)

Na primjer, ako čelična šipka ima izvornu duljinu od 10 metara i rastegnuta je na duljinu od 10,2 metra, normalna deformacija bi bila:

Soj = (10,2 – 10) / 10 = 0,02 ili 2%

Imajte na umu da je deformacija bez dimenzija i često se izražava u postocima. U ovom slučaju, čelična šipka je podvrgnuta naprezanju od 2%.

Proračun smičnog naprezanja u materijalu

Smično naprezanje je mjera sile koja djeluje po jedinici površine na materijal kada je podvrgnut posmičnoj sili. Formula za izračunavanje smičnog naprezanja je:Smični napon (τ) = Smična sila (F) / Površina (A)

Na primjer, ako je materijal podvrgnut smičnoj sili od 100 N, a površina na koju se sila primjenjuje je 10 cm2, smično naprezanje bi bilo:

τ = 100 N / 10 cm2 = 10 N/cm2

Smično naprezanje izračunava se dijeljenjem smične sile s površinom na koju je sila primijenjena. Smično naprezanje mjeri se u jedinicama tlaka, kao što su N/cm2 ili Pa.

Što je veći smični napon, to je veća sila potrebna za deformiranje materijala. Važno je napomenuti da područje korišteno u izračunu treba biti područje koje je okomito na smjer sile smicanja, budući da naprezanje na smicanje ovisi samo o području u tom smjeru.

U praktičnom inženjerstvu, smično naprezanje se koristi za određivanje čvrstoće i stabilnosti konstrukcija, kao što su mostovi i zgrade, te sposobnosti materijala da izdrže deformacije pod opterećenjem. U nekim slučajevima materijali mogu izdržati veće smično naprezanje od ekvivalentnog vlačnog ili tlačnog naprezanja.

Međunarodni standardi za proračun čvrstoće

Postoji nekoliko međunarodnih standarda koji se obično koriste za izračun čvrstoće, uključujući:

Standard Eurokoda

Eurokodovi su skup međunarodnih normi za projektiranje visokogradnje i niskogradnje.

Ove norme pružaju dosljedan pristup projektiranju konstrukcija diljem Europe i uključuju sljedeće kodove:

EN-1990 (Eurocode 0): Ovaj kodeks pruža osnovu za projektiranje konstrukcija i uključuje opća načela i zahtjeve.

EN-1991 (Eurocode 1): Ovaj kodeks pokriva utjecaje na konstrukcije, kao što su opterećenja od vjetra, snijega i potresa, te kako ih treba uzeti u obzir u procesu projektiranja.

EN-1992 (Eurocode 2): Ovaj se kodeks usredotočuje na projektiranje betonskih konstrukcija, uključujući zahtjeve za materijale, konstrukcijske elemente i otpornost na vatru.

EN-1993 (Eurocode 3): Ovaj kodeks pokriva projektiranje čeličnih konstrukcija i uključuje zahtjeve za materijale, strukturne elemente i otpornost na vatru.

EN-1994 (Eurocode 4): Ovaj se kodeks bavi projektiranjem kompozitnih čeličnih i betonskih konstrukcija, uključujući interakciju između ta dva materijala.

EN-1995 (Eurocode 5): Ovaj kodeks pokriva projektiranje drvenih konstrukcija, uključujući zahtjeve za materijale i strukturne elemente.

EN-1996 (Eurocode 6): Ovaj se kodeks usredotočuje na projektiranje zidanih konstrukcija, uključujući zahtjeve za materijale i konstrukcijske elemente.

EN-1997 (Eurocode 7): Ovaj kodeks pokriva geotehničko projektiranje i uključuje zahtjeve za mehaniku tla i projektiranje temelja.

EN-1998 (Eurocode 8): Ovaj se kodeks bavi projektiranjem konstrukcija za otpornost na potres, uključujući zahtjeve za materijale, strukturne elemente i seizmičku analizu.

EN-1999 (Eurocode 9): Ovaj kodeks pokriva projektiranje aluminijskih konstrukcija, uključujući zahtjeve za materijale, strukturne elemente i otpornost na vatru.