Mikä on palkin taivutus?

Maa- ja vesirakentamisessa palkin taivutus viittaa tiettyjen rakenteellisten elementtien käyttäytymiseen fyysisessä suunnittelussa. Elementtiä voidaan pitää palkkina, jos se on kiinteä ja homogeeninen ja sen pituus on monta kertaa sen korkeus tai leveys. Palkin ensisijainen tehtävä on vastustaa taivutusta; tämä on ristiriidassa rakenteellisten elementtien kanssa, jotka vastustavat ensisijaisesti jännitystä, puristusta tai leikkausjännitystä. Palkin rakenneominaisuudet taivutuksessa määräytyvät sen mittojen, materiaalien ja poikkileikkausmuodon mukaan.

Yksinkertainen esimerkki palkin taivutuksesta on silta, jossa on auto. Siltojen päällä on usein betoniteitä, mutta betoni on yleensä vain puristuslujaa. Pitkä silta pyrkii kuitenkin taipumaan keskelle, missä ei ole maata sen tukemiseksi. Tämä taipuminen on pyöreän kaaren muotoinen ja johtuu sisäisten jännitysten jakautumisesta palkin taivutuksessa. Tämän taivutuksen estämiseksi vahvempi metallipalkki asetetaan yleensä tienpinnan alle.

Palkin taivuttamisen tärkein yhtälö on Euler-Bernoullin palkkiyhtälö. Tämä yhtälö liittyy palkin taipumiseen kohdistuviin voimiin, poikkileikkausominaisuuksiin ja palkin materiaaliominaisuuksiin. Palkin taivutuksessa tapahtuvaa taipumista voidaan vähentää vähentämällä kohdistettuja nettovoimia, muokkaamalla palkin poikkileikkausta ja käyttämällä vahvempaa materiaalia.

Vaakasuorassa palkissa, johon kohdistetaan alaspäin kohdistuvia voimia, palkin yläosa todella puristuu ja alaosa jännittyy. Itse asiassa mitä kauempana materiaali on, sitä enemmän jännitystä se kokee. On käynyt ilmi, että tietylle kokonaismateriaalimäärälle poikkileikkauksen ala- ja yläosan vahvistaminen on paras tapa vahvistaa palkkia. Siksi insinöörit suunnittelevat palkkeja, joiden materiaali on keskitetty poikkileikkauksen ala- ja yläalueille.

Tämä on I-palkkien tai palkkien, joiden poikkileikkaukset muistuttavat kirjainta “I”, suunnittelun periaate. Palkkipalkkien tuottaminen ja kuljettaminen on kallista, joten on tärkeää minimoida käytetyn materiaalin määrä. I-palkin poikkileikkauksessa on vain tarpeeksi materiaalia välikorkeuksilla pitääkseen palkin yhdessä kiinteänä kappaleena. Loput materiaalista on keskitetty poikkileikkauksen ala- ja yläosaan, jolloin palkki kestää hyvin taivutusta. Palkin taivutuskestävyyttä kutsutaan sen jäykkyydeksi.