Belka (struktura)
Zewnętrznie, belki poddane obciążeniom, które nie wywołują skrętu lub obciążenia osiowego, doświadczają naprężeń ściskających, rozciągających i ścinających w wyniku przyłożonych do nich obciążeń. Zazwyczaj, pod wpływem obciążeń grawitacyjnych, pierwotna długość belki jest nieco zmniejszona, aby zamknąć łuk o mniejszym promieniu w górnej części belki, co powoduje ściskanie, podczas gdy ta sama pierwotna długość belki w dolnej części belki jest nieco rozciągnięta, aby zamknąć łuk o większym promieniu, co powoduje rozciąganie. Tryby deformacji, w których górna powierzchnia belki jest ściskana, jak w przypadku obciążenia pionowego, są znane jako tryby zwisające, a gdy górna powierzchnia jest rozciągana, na przykład nad podporą, są znane jako tryby zginające. Ta sama pierwotna długość środka belki, zwykle w połowie odległości między górą a dołem, jest taka sama jak łuk promieniowy zginania, a więc nie jest poddawana ani ściskaniu, ani rozciąganiu, i określa oś neutralną (linia kropkowana na rysunku belki). Powyżej podpór belka jest narażona na naprężenia ścinające. Istnieją belki żelbetowe, w których beton jest w całości ściskany, a siły rozciągające są przejmowane przez cięgna stalowe. Takie belki są znane jako belki strunobetonowe i są wytwarzane w taki sposób, że ściskanie jest większe niż oczekiwane rozciąganie w warunkach obciążenia. Stalowe cięgna o wysokiej wytrzymałości są rozciągane, podczas gdy belka jest na nich wylewana. Następnie, po utwardzeniu betonu, cięgna są powoli zwalniane, a belka jest natychmiast poddawana mimośrodowym obciążeniom osiowym. To mimośrodowe obciążenie wytwarza moment wewnętrzny, a to z kolei zwiększa nośność belki przy zginaniu. Są one powszechnie stosowane na mostach autostradowych.
Podstawowym narzędziem do analizy konstrukcyjnej belek jest równanie belki Eulera-Bernoulliego. Równanie to dokładnie opisuje zachowanie sprężyste belek smukłych, w których wymiary przekroju poprzecznego są małe w porównaniu z długością belki. W przypadku belek, które nie są smukłe, należy przyjąć inną teorię w celu uwzględnienia odkształceń spowodowanych siłami ścinającymi oraz, w przypadkach dynamicznych, bezwładnością obrotową. Przyjęte tutaj sformułowanie belki jest sformułowaniem Timoshenko, a przykłady porównawcze można znaleźć w NAFEMS Benchmark Challenge Number 7. Inne matematyczne metody wyznaczania ugięcia belek obejmują „metodę pracy wirtualnej” oraz „metodę ugięcia skarpy”. Inżynierowie są zainteresowani wyznaczaniem ugięć, ponieważ belka może być w bezpośrednim kontakcie z kruchym materiałem, takim jak szkło. Ugięcia belek są również minimalizowane ze względów estetycznych. Widocznie zwisająca belka, nawet jeśli jest bezpieczna konstrukcyjnie, jest nieestetyczna i należy jej unikać. Sztywniejsza belka (o wysokim module sprężystości i/lub o wyższym drugim momencie powierzchni) powoduje mniejsze ugięcie.
Matematyczne metody określania sił działających na belkę (siły wewnętrzne belki oraz siły działające na podporę belki) obejmują „metodę rozkładu momentu”, metodę sił lub elastyczności oraz metodę sztywności bezpośredniej.
.