Utkrager

En utkrager er et stivt konstruksjonselement , for eksempel en bjelke , som bare støttes på den ene siden til et (vanligvis vertikalt) element, som det stikker ut fra. Utkrager kan også bygges med takstoler eller plater . Når den utsettes for en belastning, overfører utkrageren den til støtten den er festet til ved hjelp av et moment og en skjærspenning . [ 1 ]

Utkragende konstruksjon tillater strukturer som henger over støttene uten utvendig avstivning, kontra konstruksjon støttet i begge ender og med belastninger påført mellom dem, for eksempel en enkelt støttet bjelke eller overligger .

Arkitektur og ingeniørkunst

Utkrager finnes ofte i konstruksjon, spesielt på utkragerbroer og balkonger (se konsoll ). I broer bygges utkragere vanligvis i par, som hver støtter en del av en sentral seksjon. Skottlands Forth Bridge er et eksempel på en utkragende fagverksbro . En utkrager av en tradisjonell trebygning kalles en brygge .

Midlertidige utkragere brukes også ofte i konstruksjon, dvs. når strukturen er under konstruksjon er det en utkrager, men når strukturen er ferdig, fungerer den ikke som en utkrager. Dette er veldig nyttig når midlertidige støtter, for eksempel falskt arbeid eller støtte, ikke kan brukes til å støtte strukturen mens den bygges (for eksempel hvis den er over en motorvei eller elv, eller i en dyp dal).

Noen fagverksbroer (se Navajo-broen ) bygges som utkragere fra hver side til de to spennene møtes og blir deretter utsatt for kompresjon før de blir permanent sammenføyd. Nesten alle skråbroer bygges med utkragere, da dette er en av hovedfordelene deres. Mange kassebroer bygges i segmenter, eller i små biter. Denne typen konstruksjon egner seg godt til utkragerkonstruksjon når brua bygges i begge retninger fra en enkelt støtte. Alle disse strukturene er basert på balansen mellom momenter og rotasjon.

I arkitektur brukte Frank Lloyd Wright utkrager i Cascade House for å projisere store balkonger. East Stand of Elland Road Stadium i Leeds var, da den ble bygget, den største utkragede tribunen i verden, [ 2 ] med en kapasitet på 17 000 tilskuere. Taket bygget over Old Trafford -tribunene er utkraget slik at det ikke er noen støtter som blokkerer utsikten over banen. Den gamle Miami Stadium , nå revet, hadde en lignende baldakin over tilskuerområdet. For øyeblikket ligger den største utkragingen i Europa på St James' Park i Newcastle-Upon-Tyne , hjemmebanen til Newcastle United FC [ 3 ] ​[ 4 ]

Mindre åpenbare eksempler på utkrager er trådløse kommunikasjonstårn og skorsteiner som motstår vindpåvirkning fra utkragere ved basen.

Luftfart

En annen bruk av utkragingen er i fastvingede fly , et design som ble realisert av Hugo Junkers i 1915 . Vingene til tidlige fly bar lastene sine ved å bruke to eller flere vinger i en kabelforsterket biplankonfigurasjon .

De lignet på fagverksbroer, som ble utviklet av Octave Chanute , en jernbanebroingeniør. For å holde dem parallelle, ble vingene avstivet med kabler i kryss og front mot bak for å motstå vridning. Kablene og avstivningene genererte betydelig aerodynamisk motstand , og det ble stadig eksperimentert med måter å eliminere dem på.

Det var også ønskelig å bygge et monoplanfly , siden i en toplansdesign påvirker luftstrømmen rundt den ene vingen den andre negativt. Tidlige monoplaner brukte strekkstenger (som noen moderne lette fly gjør), eller kabler som Bleriot XI fra 1909 ( som noen moderne hjemmelagde fly gjør). Fordelen med å bruke kabler eller stag er en reduksjon i vekt for et gitt luftmotstand, men med en aerodynamisk motstandsstraff, som reduserer toppfarten og øker drivstofforbruket.

Hugo Junkers bestemte seg for å fjerne alle utvendige forsterkende elementer, bare et dusin år etter Wright-brødrenes første flyvninger , for å redusere aerodynamisk luftmotstand under flukt. Resultatet var det sene Junkers J 1 monoplanet fra 1915 , designet fra begynnelsen med utkragede metallvinger. Omtrent et år etter den første suksessen til Junkers J 1, oppnådde Fokkers Reinhold Platz også stor suksess med et utkragende, trebygget sesquiplan , Fokker V.1 .

For tiden er den vanligste utformingen av flyvinger utkragingen. En enkelt bjelke, kalt " hovedspeilet ", løper langs vingen, vanligvis nærmere forkanten , med omtrent 25 % av den totale akkorden . Under flukt genererer vingene løft , og bjelkene på de to vingene overfører belastningene til den andre vingen gjennom flykroppen .

For å motstå forover- og akterkrefter, har vinger vanligvis en andre, mindre bjelke nær bakkanten , koblet til hovedbjelken med strukturelle elementer eller sterk hud. Vingene må også motstå torsjonskrefter, noe som oppnås ved en rørformet " D " monocoque -struktur som danner forkanten, eller ved å koble de to rundene med en slags boksbjelke eller fagverksstruktur .

Cantilever vinger krever mye sterkere stringers enn det som ville være nødvendig for kabel-stag design. Men etter hvert som størrelsen på et fly øker, reduseres den ekstra vektstraffen.

På 1920 -tallet var det en trendendring, med de fleste flydesignene som flyttet til utkragende vinger. På 1940 -tallet brukte nesten alle større fly utelukkende cantilever, selv på mindre overflater som den horisontale stabilisatoren. Messerschmitt Bf 109E fra 1939 - 1941 var et av de siste flyene fra andre verdenskrig i frontlinjetjeneste som hadde kiler som stabilisatorer.

I mikroelektromekaniske systemer

Utkragende bjelker er de hyppigste strukturene innen mikroelektromekaniske systemer (MEMS). Et av de tidligste eksemplene på en MEMS-utkrager er resonistoren [ 5 ] [ 6 ] en monolitisk elektromekanisk resonator . MEMS utkrager er vanligvis laget av silisium (Si), silisiumnitrid (Si 3 N 4 ), eller polymerer . Produksjonsprosessen innebærer vanligvis å kutte bunnen av utkrageren fri , ofte ved bruk av kjemiske etsingsteknikker. Uten utkragende transdusere ville atomkraftmikroskop ikke vært mulig .

Det er et stort antall forskningsgrupper som prøver å utvikle cantilever arrays som biosensorer for medisinske diagnostiske applikasjoner. MEMS cantilevers brukes også som radiofrekvensfiltre og resonatorer . Vanligvis er MEMS utkrager gjort unimorfe eller bimorfe.

Det er to nøkkelligninger for å forstå oppførselen til MEMS-utkragere. Den første er "Stoneys formel", som relaterer avbøyningen δ av enden av utkragingen til den påførte spenningen σ:

hvor er Poissons forhold , er Youngs modul , er lengden på bjelken og er tykkelsen på utkragingen. Svært følsomme optiske og kapasitive metoder kan utvikles for å måle endringer i statisk avbøyning av utkragende stråler som brukes i sensorer.

Den andre er formelen som relaterer fjærkonstanten til dimensjonene til utkragingen og materialkonstantene:

hvor er kraften og er bredden på utkragingen. Fjærkonstanten er relatert til resonansfrekvensen til utkrageren ved den vanlige harmoniske oscillatorformelen . En endring i kraften påført en cantilever kan endre resonansfrekvensen. Frekvensforskyvningen kan måles med høy nøyaktighet ved bruk av heterodyne teknikker og er grunnlaget for direktekoblede cantilever-sensorer.

Den største fordelen med MEMS utkrager er deres lave kostnader og enkle fabrikasjon i store arrays, men utfordringen for deres praktiske anvendelse ligger i kvadratisk og kubikk avhengighet av deres ytelse på dimensjoner.

Disse avhengighetene gjør at cantilevers er svært følsomme for variasjoner i disse parameterne, spesielt tykkelse, som er vanskelig å måle veldig nøyaktig. [ 7 ] Det er imidlertid vist at tykkelsen på disse mikrokantilene kan måles ganske nøyaktig og at variasjonen kan kvantifiseres. [ 8 ] Det kan også være vanskelig å kontrollere gjenværende stress .

Kjemiske sensorer

En kjemisk sensor kan oppnås ved å belegge oversiden av en mikrocantilever-bjelke med et lag med reseptorer. [ 10 ] En typisk applikasjon er immunosensoren basert på et antistoffbelegg som selektivt interagerer med et bestemt immunogen og rapporterer innholdet i en prøve. I statisk modus manifesteres sensorresponsen ved bøyning av strålen i forhold til en referansemikrokant. Alternativt kan mikrocantilever-sensorer fungere i dynamisk modus. I dette tilfellet vibrerer strålen ved sin resonansfrekvens, og en variasjon av denne parameteren indikerer konsentrasjonen av analytten .

Lagring

Lagerlager

Et utkragerstativ er en type lagersystem som består av en vertikal søyle, sokkel, armer og horisontale og/eller skråstilte seler. Disse komponentene er vanligvis laget av konstruksjonsstål. Kiler brukes til å koble to eller flere kolonner sammen. De finnes ofte i trelastverksteder, snekkerbutikker og rørleggerlagre.

Bærbar lagring

Et sammenleggbart cantilever-brett er en type stablet hylle som kan foldes ut for å gi enkel tilgang til gjenstander plassert på mange nivåer samtidig. Hyller kan slås ned når de ikke er i bruk for mer kompakt oppbevaring. På grunn av disse egenskapene brukes disse skuffene ofte i bagasje og verktøykasser .

Se også

Referanser

  1. ↑ Hool, George A.; Johnson, Nathan Clarke (1920). "Elementer av strukturteori - definisjoner" . Håndbok for bygningskonstruksjon (Google Books) . vol. 1 (1. utgave). New York: McGraw-Hill . s. 2 . Hentet 1. oktober 2008 . «En utkragende bjelke er en bjelke som har den ene enden stivt festet og den andre enden fri. » 
  2. ^ "GMI Construction vinner 5,5 millioner pund design- og byggekontrakt for Leeds United Football Clubs Elland Road East Stand" . Byggnyheter . 6. februar 1992 . Hentet 2012-09-24 . 
  3. ↑ IStructE The Structural Engineer Volum 77/No 21, 2. november 1999. James's Park en ombyggingsutfordring
  4. ↑ The Architects ' Journal Arkivert 2011-08-26 på Wayback Machine Eksisterende stadioner: St James' Park, Newcastle. 1. juli 2005
  5. ↑ ELEKTROMEKANISK MONOLITTISK RESONATOR, US Pat.3417249 - Arkivert 29. april 1966
  6. ↑ RJ Wilfinger, PH Bardell og DS Chhabra: Resonatoren er en frekvensselektiv enhet som bruker den mekaniske resonansen til et silisiumsubstrat, IBM J. 12, 113-118 (1968)
  7. ↑ PM Kosaka, J. Tamayo, JJ Ruiz, S. Puertas, E. Polo, V. Grazu, JM de la Fuente og M. Calleja: Takling reproducibility in microcantilever biosensors: a statistical approach for sensitive and specific end-point detection of immunreaksjoner, Analyst 138, 863-872 (2013)
  8. ↑ AR Salmon, MJ Capener, JJ Baumberg og SR Elliott: Rask mikrokanteltykkelsesbestemmelse ved optisk interferometri, Measurement Science and Technology 25, 015202 (2014)
  9. ↑ PC Fletcher, Y. Xu, P. Gopinath, J. Williams, BW Alphenaar, RD Bradshaw, RS Keynton, "Piezoresistive Geometry for Maximizing Microcantilever Array Sensitivity," presentert på IEEE Sensors, Lecce, Italia, 2008.
  10. ↑ Bǎnicǎ, Florinel-Gabriel (2012). Kjemiske sensorer og biosensorer: grunnleggende og bruksområder . Chichester, Storbritannia: John Wiley & Sons. s. 576. ISBN  9781118354230 . 

Eksterne lenker