Samenstellende Balken (Composite Beams) Begrijpen: Sterkte En Prestaties Uitgelegd

Een samengestelde balk is een constructie-element dat typisch bestaat uit een gewapend betonplaat die bevestigd aan en ondersteund wordt door geprofileerde staalbalken. Samengestelde balken zijn sterker dan de som van hun bestanddelen en tonen een gunstige combinatie van de sterktekenmerken van beide materialen. Dit betekent dat een staal-en-beton samengestelde balk zowel de drukkracht van beton als de trekkracht van staal bezit. Er zijn diverse andere typen samengestelde balken gebruikt in de bouwindustrie die diverse betongraden combineren met plastic composieten en hout. De staal en gewapende beton samengestelde balk is echter het meest veelvoorkomend.

Synergie Van Materialen

Het samenvoegen van twee ongelijke materialen om een samengesteld materiaal te vormen combineert niet alleen de collectieve sterktes van de twee materialen. Het vormen van een verbinding tussen relevante materialen versterkt hun fysieke kenmerken en maakt de samengestelde balk sterker dan de som van hun sterktes. In grootschalige bouw zijn staal en beton de meest frequente combinaties voor samengestelde balken. Het beton leent de samengestelde balk massa, stijfheid en drukkracht en vermindert deflectie en trilling in de plaat. De staalleden geven de balk zijn trekkracht met uitstekende sterkte-gewichtsverhoudingen en snelle bouwtijden.

Schuifconnectoren (Shear Connectors)

Een van de belangrijkste onderdelen van een samengestelde balk zijn de bevestigingspunten of schuifconnectoren tussen de twee materialen. De correcte verbinding van de twee delen van de samengestelde balk stelt de materialen in staat om als een eenheid te handelen en geeft de samengestelde balk zijn inherent sterkte. Deze schuifconnectoren zijn typisch pennen die aan de staalbalken gerelst zijn en in de betonplaat geplaatst. Het aantal en de grootte van deze schuifconnectoren worden zorgvuldig berekend omdat ze een kritiek deel vertegenwoordigen van de mechanische prestaties van de samengestelde balk.

Voorgegoten Vs. Ter Plekke Gegoten Platen

Een beton-en-staal samengestelde balk kan voorgegoten betonplaten gebruiken of ter plekke gegoten worden. Voorgegoten platen zijn geconstrueerd met sleuven of zakken die de bevestigingspennen accepteren. Deze zakken worden vervolgens met beton gevuld wanneer de plaat correct gepositioneerd is. Het fabriceren van platen ter plekke is iets complexer en vereist een geprofileerd dekblad te leggen voordat het beton gegoten wordt. Dit dek is typisch dunne geprofileerde staalplaten met diverse profielen afhankelijk van de toepassing.

Het blad wordt op de balken gelegd, en vervolgens worden schuifconnectoren aan de balken bevestigd met behulp van een 'door-dek-lassen' proces of door schieten. Eenmaal het dek op zijn plaats is, wordt het beton erboven gegoten en bezweningstaven toegevoegd. Het dek dient om het natte beton af te schermen of te bevatten en leent ook kracht aan de samengestelde balk zodra de plaat uitgehard is.

Andere Samengestelde Balktypes

Verscheidene andere samengestelde balktypen worden in kleinere schaal bouw gebruikt. Deze omvatten houten balken die lichte betonstroken ondersteunen die als vloerplaten in veel houten huizen gebruikt worden. Betongevulde hars samengestelde dozen worden vaak in de bouw van bruggen gebruikt. Ze zijn sterk, snel te fabriceren, en relatief lichtgewicht, wat een minimum aan zwaar materieel vereist om op hun plaats te brengen. Hoewel ze erg verschillend in de gebruikte materialen, maken al deze structurele elementen gebruik van hetzelfde principe van gedeelde sterktes als de meer traditionele staal-en-beton balken.

Verschil Met 'Sealed Beam' (Gezegelde Bundel)

Zoals eerder gezegd, bevatten structuren en gebouwen een wijd scala aan balktypen. Samengestelde balken zijn slechts één van meer dan 20 soorten die in moderne bouw gebruikt worden. Maar misschien ben je de term 'sealed beam' tegengekomen en vind je het een beetje verwarrend. Heeft een sealed beam iets met bouw te maken?

Het blijkt dat sealed beams niet uit de bouwwereld komen. Het is een type autokoplampontwerp dat een lamp omvat die achter een lens geplaatst en in een zelfstandige eenheid afgedicht is. Dit was de old-school type dat de meeste auto's voor 1990 uitgerust waren. Vandaag de dag vind je meestal samengestelde bundel koplampen op voertuigen: ze zijn make/model specifiek, waardoor je alleen de lamp hoeft te vervangen als hij doorbrandt. In tegenstelling, moest je een complete sealed koplamp vervangen als hij defect was.

Typen Bouwbalken

Nu we weten dat sealed beams geen verband hebben met de bouw, laten we een snel overzicht doen van de meest voorkomende soorten balken. Je vindt ze geclassificeerd op basis van logische kenmerken, waaronder ondersteuningscondities, constructiematerialen, geometrie, dwarsdoorsnede vormen en constructiemethode.

Balkmaterialen En Ondersteuningscondities

Samengestelde balken vallen in dezelfde categorie als gewapend beton, staal en hout. Meesten worden gemaakt door staal te paren met gewapend beton, maar andere stijlen combineren plastic composieten en hout met beton. Andere balken geclassificeerd op constructiematerialen omvatten zuiver staal, hout en gewapend beton.

Constructiebalken zijn ook gecategoriseerd op basis van hoe ze ondersteund worden. Eenvoudig ondersteunde balken rusten op een pensteun aan het ene uiteinde en rolsteunen aan het andere. Dankzij deze opstelling is het vrij om te draaien. Vaste balken hebben steunpunten aan beide uiteinden maar kunnen niet draaien. Kragarmbalken (cantilever) zijn aan een verticaal oppervlak bevestigd en steken eruit. Ze worden veel gebruikt om structuren als erker en balkons te creëren. Doorlopende balken zijn uitgerust met meer dan twee steunpunten over de gehele lengte.

Balkgeometrie En Dwarsdoorsnede Vormen

Vorm en geometrie spelen ook sleutelrollen in de functie van een balk. Die met dwarsdoorsnede vormen zijn doorgaans gevormd uit gewapend beton, staal of een mengsel van de twee. Typische ontwerpen omvatten rechthoekig, T-vormig, L-vormig, recht, gebogen of getaperd.

Constructiemethode

Betonbalken kunnen door specifieke fabricagemethoden gevormd worden om de best mogelijke ondersteuning te bieden. Ter plekke gegoten betonbalken (cast in-situ) worden direct op de bouwplaats geproduceerd, terwijl prefab betonbalken (precast) in fabrieken vervaardigd worden voordat een bouwproject begint. Er zijn ook voorgespannen betonbalken (prestressed), die voorgespannen metalen draden in elke balk bevatten om de prestaties te verbeteren.

Zandwichbalken En Schuimkernen

Je hebt al geleerd over samengestelde en andere typen balken in bouwconstructies. Maar een ander type samengestelde balk wordt in high-performance omgevingen gebruikt: de zandwichbalk. Deze structuur wordt typisch gebruikt in luchtvaart, auto's, scheepsbouw en windturbineproductie. Zandwich samengestelde balken hebben veel voordelen: kracht, vermoeidheidsweerstand, duurzaamheid en stijfheid.

Constructie Van Zandwichbalken

Zandwich samengestelde balken bestaan meestal uit een lage-stijfheid, lage-dichtheid interne kern gekoppeld met twee buitenhuiden en een sterke lijm. De buitenhuiden bevatten vaak koolstofvezel of luchtvaart-kwaliteit aluminium, maar kunnen ook geproduceerd worden uit glaslaminaten, koolstofvezel versterkte thermoplasten of thermohardende polymeren. Hun lage-dichtheid interieurs bestaan uit ofwel open- of gesloten-cel schuim. Fabrikanten kunnen kiezen uit een selectief scala aan materialen bij het maken van zandwich samengestelde balken:

• Nomex schuim
• Metaal honingraat
• Plastic polymere schuimen

Nomex Schuimen

Nomex is een duurzame hitte- en vlambestendige meta-aramide polymere voor het eerst gecreëerd door DuPont in de vroege jaren 1960. Nomex beschikt over een trekkracht van 340 megapascal, ruwweg equivalent aan 49.300 psi. Het kan ook temperaturen aan tot bijna 700 graden Fahrenheit.

Polymere Schuimen

Plastic polymere schuimen zijn ook populaire keuzes voor zandwich samengestelde balken kernen. Polyurethaan, polyvinylchloride, polyethyleen en polystyreen zijn de meest gebruikte. Net als Nomex creëren ze een lage-dichtheid interieur.

Voordelen Van Zandwich Samengestelde Balken

Zandwich samengestelde balken leveren enkele belangrijke voordelen vanuit een ingenieurs perspectief. Door stijve buitenhuiden te paren met lage-dichtheid interieure kernen, leveren deze balken superieure kracht bij reductie van het totale gewicht. Dit ontwerp resulteert in hoge buigsterkte en stijfheid ten opzichte van het gewicht van de balken. Afhankelijk van de specifieke materialen in elke balk, kunnen ze ook thermische isolatie-eigenschappen bieden plus corrosieweerstand en stabiliteit. Ze bieden ook superieure crashworthiness, het vermogen om impactenergie tijdens botsingen te absorberen.