Warum ist es unklug, einen zylindrischen horizontalen Balken zu wählen?

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Ich habe gehört, dass es unklug ist, einen zylindrischen horizontalen Balken zu wählen. Meine Frage ist warum?

civil-engineering beam

— Mohamed
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Für welche Anwendung?

— Fußnässe

Haben Sie das über Hohlzylinder, Vollzylinder oder beides gehört?

— Air

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Die Stärke eines horizontalen Trägers wird basierend auf einer Eigenschaft definiert, die als Abschnittsmodul bezeichnet wird . Formen mit mehr Material, das oben und unten verteilt ist, haben einen höheren Querschnittsmodul. Aus diesem Grund werden häufig I-förmige Balken oder hohe Rechtecke gewählt. Bei runden Formen hingegen konzentriert sich der größte Teil des Materials um die Mitte der Form und oben und unten sehr wenig, sodass sie keine sehr starken Strahlen bilden. Das bedeutet, dass ein runder Balken viel mehr Material benötigt, um die gleiche Festigkeit wie ein höher geformter Balken zu erzielen.

Sie können dies intuitiv sehen, wenn Sie ein Lineal oder ein anderes dünnes Material nehmen, das Sie zur Hand haben, und versuchen, es zu biegen. Sie werden feststellen, dass es in flacher Richtung sehr schwach und leicht zu biegen ist. In der weiten Richtung ist es jedoch ziemlich stark. Obwohl das Materialstück die gleiche Größe hat, wird es durch mehr Material oben und unten stärker.

Der Grund dafür ist nicht allzu schwer zu verstehen, wenn sich ein Balken biegt, kann er nicht perfekt gerade bleiben. Um eine Kurve zu bilden, muss sich die Form leicht ändern. Die Oberseite wird zusammengedrückt (nach innen gedrückt) und der untere Teil erfährt eine Zugspannung (wird auseinandergezogen). Je näher Sie der Mitte kommen, desto geringer ist die Spannung jedes Typs. Wenn Sie in die Mitte gelangen, wird der Strahl weder auseinandergezogen noch zusammengeschoben. Er wird als "neutrale Achse" bezeichnet. Die Ober- und Unterseite müssen also stark sein, um der Kompression und Spannung standzuhalten, aber die Mitte muss nur stark genug sein, um alles anzubringen.

Wenn Sie wirklich eine zylindrische Form für einen horizontalen Balken verwenden möchten (möglicherweise aus visuellen Gründen oder aus Gründen des Windwiderstands), wäre ein rundes Rohr effizienter als ein Vollzylinder, da es um die neutrale Achse weniger Material enthält. Es wäre jedoch immer noch nicht so effizient wie ein rechteckiges Rohr oder eine herkömmliche Strukturform.

— Ethan48
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Es wäre vielleicht klarer und präziser zu sagen, dass das Lineal in der flachen Richtung weniger steif und in der weiten Richtung steifer ist . Wenn das Linealmaterial nicht anisotrop ist, ändert sich die Festigkeit nicht mit der Ausrichtung, und wenn kein Versagen beabsichtigt ist, spielt die Festigkeit bei der Balkenkonstruktion keine Rolle, außer bei der Materialauswahl.

— wwarriner

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Die Steifheit ist die Eigenschaft, die der Benutzer beobachtet, aber die Stärke des Trägers ändert sich, wenn Sie die Ausrichtung der aufgebrachten Lasten ändern. Die Materialfestigkeit ändert sich nicht, die Strahlfestigkeit jedoch. Da der Querschnittsmodul das Trägheitsmoment (das die Steifheit steuert) geteilt durch den extremen Faserabstand ist, sind Festigkeit und Steifheit für ein bestimmtes Material korreliert, und für ein intuitives Verständnis der Schnitteigenschaften müssen wir nicht unterscheiden.

— Ethan48

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Ein zylindrischer Balken ist wahrscheinlich nicht der beste Balken für eine bestimmte Situation. Dies bedeutet nicht, dass es keine spezifischen Situationen gibt, in denen ein zylindrischer Balken nützlich wäre.

Vorteile

Kann der gleichen Last in jede Richtung oder Kombination von Richtungen widerstehen. Es ist in horizontaler Richtung genauso stark wie in vertikaler Richtung.
Sie müssen sich keine Gedanken über den Grenzzustand des seitlichen Torsionsknickens (LTB) machen oder diesen überprüfen.
Funktioniert gut als Balkensäule (Momente und axiale Belastungen zusammen).
Die Kreisform kann eine geringere Oberfläche haben als andere Formen, wenn Dinge wie gemalte Fläche oder Eisbildung berücksichtigt werden.

Nachteile

Nicht so effizient (Materialgewicht pro Festigkeit) wie eine I-Form für Lasten in nur einer Richtung.
Abschnitte sind möglicherweise schwer zu finden oder teurer als häufigere Formen.
Verbindungen an den Enden und zu anderen Mitgliedern, die von der Seite kommen, sind komplizierter.
Versteifungen unter Bereichen konzentrierter Lasten sind schwieriger zu konstruieren und herzustellen.

Ein zylindrischer Balken ist wahrscheinlich nicht die beste Option, es sei denn, einer der Punkte in der Liste "Vorteile" überwiegt bei weitem die "Nachteile".

— Hazzey
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Die Verwendung eines zylindrischen horizontalen Trägers ist insofern unklug, als er ein zusätzliches Gewicht aufweist, das keine zusätzliche Festigkeit bietet. Daher zahlen Sie für nicht benötigtes Material, das unklug ist, es sei denn, ästhetische Bedenken erfordern die Verwendung der Zylinderform. Sehr ungewöhnliche seitliche Belastungen können die Verwendung eines zylindrischen Trägers zur Option machen, aber diese Kräfte werden normalerweise mit anderen Konstruktionskomponenten behandelt.

— user416
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Könnten Sie den Zylinder nicht in ein Prisma einschreiben, anstatt ihn zu umschreiben? Auf diese Weise würden Sie weniger Material verwenden.

— HDE 226868

@ HDE226868 Ich verstehe Ihre Frage hier nicht ganz, aber wenn Sie immer noch neugierig sind, können Sie sie als eigene Frage mit einer Skizze posten.

— Ethan48

@ Ethan48 Diese Antwort scheint anzunehmen, dass der Querschnitt des Zylinders größer ist als ein Querschnitt eines Quadrats. Dies umschreibt im Wesentlichen den Querschnitt. Ich schlage vor, es stattdessen einzuschreiben, was tatsächlich weniger wiegen würde. Habe ich es falsch interpretiert?

— HDE 226868

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Ich denke, was sie bedeuteten (aber nicht explizit angaben), ist, dass für eine gegebene Anforderung an die Strahlstärke der zylindrische Strahl mehr wiegt. Natürlich können Sie kreisförmige Balken kleiner als andere Querschnitte machen, aber sie sind schwächer als andere Querschnittsformen mit derselben Fläche.

— Ethan48