彎曲應力計算器
計算實心矩形梁的彎曲應力、斷面性質、容許應力及彎矩承載能力。
矩形梁應力分析
輸入施加的彎矩、斷面尺寸、材料及安全係數。
關於彎曲應力
彎曲應力是外加彎矩使梁彎曲時產生的應力。中性軸一側的纖維受壓縮短,另一側的纖維受拉伸長。對於對稱且均質的矩形斷面,中性軸通過形心,最大應力出現在距中性軸最遠的上、下表面。
彈性彎曲關係指出,應力等於彎矩乘以距中性軸的距離,再除以斷面慣性矩。在最外緣纖維處,可簡寫成彎矩除以斷面模數。實心矩形的斷面慣性矩為寬度乘以高度的三次方再除以十二,斷面模數則為寬度乘以高度的平方再除以六。計算器將輸入彎矩由牛頓公尺換算為牛頓毫米,讓以毫米輸入的尺寸直接得到以百萬帕表示的應力。
材料選項提供代表性標稱強度:鋼為 250 MPa、混凝土為 30 MPa、木材為 40 MPa、鋁為 150 MPa。容許應力等於該強度除以輸入的安全係數。最大容許彎矩等於容許應力乘以斷面模數。顯示的安全裕度為容許應力除以計算應力,因此大於一表示通過此項簡化比較,小於一則表示超出限值。
這些計算假設材料為線彈性、梁為等斷面實心矩形、撓度很小,且繞形心強軸彎曲。實際構件也可能受剪力、挫屈、側向扭轉不穩定、疲勞、孔洞、缺口、接合、火災或使用性限制控制。混凝土與木材尤其受等級、配筋、載重持續時間、濕度及方向影響,因此單一標稱強度無法代表規範設計。可用結果了解幾何形狀與應力的關係,或進行初步比較。最終結構尺寸設計須採用經確認的材料性質、控制載重組合及適用規範,並由合格專業人員審查。
彎曲應力範例
| 彎矩與斷面 | 計算應力 | 說明 |
|---|---|---|
| 5,000 N·m;200 × 400 mm 鋼矩形斷面 | 0.938 MPa | 較深的斷面提供 5,333,333.333 mm³ 的斷面模數。 |
| 2,000 N·m;150 × 300 mm 木矩形斷面 | 0.889 MPa | 安全係數為 2 時,代表性容許應力為 20 MPa。 |
| 8,000 N·m;300 × 500 mm 混凝土矩形斷面 | 0.64 MPa | 這是理想彈性斷面計算,並非鋼筋混凝土設計。 |
如何計算彎曲應力
- 輸入經適當梁分析取得的最大彎矩。
- 以毫米量測實心矩形斷面的寬度及總高度。
- 選擇代表性材料,並輸入所需安全係數。
- 選取「計算應力」,將計算應力與顯示的容許值比較。
彎曲應力計算器常見問題
為什麼梁高比梁寬影響更大?
矩形斷面模數隨高度的平方增加,但僅隨寬度線性增加。因此,增加高度比以相同比例增加寬度更能有效降低彎曲應力。
應輸入哪個彎矩?
輸入對梁及其載重進行結構分析所得的最大設計彎矩。本計算器不計算支承反力或載重組合。
整個斷面的彎曲應力都相同嗎?
不同。彈性彎曲時,應力由中性軸處的零線性變化至最外緣纖維處的最大絕對值。
可以用於工字梁或圓形斷面嗎?
僅靠寬度與高度欄位不行,因為這些欄位使用實心矩形公式。其他形狀需要各自的斷面模數與慣性矩。
安全裕度大於一就能保證安全嗎?
不能。這僅表示通過此項簡化彎曲應力比較。完整設計還須評估剪力、挫屈、接合、撓度、材料標準及規範要求。