Kip-Force
Symbol: kipUnited States
Was ist ein/eine Kip-Force (kip)?
Formale Definition
Die Kip (Symbol: kip oder klbf) ist eine US-amerikanische Einheit der Kraft, die 1000 Pfund-Kraft (1000 lbf) entspricht. Der Name ist eine Abkürzung von "kilo-pound" — eine Mischung aus dem griechischen Präfix "kilo-" (tausend) und dem englischen "pound." Eine Kip entspricht ungefähr 4.448,22 Newton oder 4.44822 Kilonewton. Die Kip ist nicht Teil des internationalen Einheitensystems, aber die dominierende Kraft-Einheit im US-Bauingenieurwesen.
Die Kip erfüllt im US-amerikanischen Einheitensystem denselben Zweck wie der Kilonewton im SI: Sie ermöglicht es Ingenieuren, Kräfte im Bereich von Tausenden von Pfund auszudrücken, ohne unhandliche Zahlen schreiben zu müssen. Eine Säule, die 250.000 lbf trägt, wird bequemer als 250 kips beschrieben. Diese Bequemlichkeit hat die Kip im amerikanischen Bauingenieurwesen unverzichtbar gemacht.
Verwandte Einheiten
Die Kip pro Quadratzoll (ksi = kip/in²) ist die Standard-Einheit zur Ausdruck von Materialfestigkeiten im US-Ingenieurwesen. Die Streckgrenzen von Baustahl liegen typischerweise zwischen 36 und 65 ksi, hochfeste Schrauben haben Zugfestigkeiten von 120 bis 150 ksi, und die Bruchfestigkeiten von Stahlseilen liegen zwischen 200 und 270 ksi. Der Kip-Fuß (kip·ft) wird für Biegemomente in tragenden Elementen verwendet.
Etymology
Ursprung des Namens
Das Wort "kip" ist eine Abkürzung von "kilo-pound," die das griechische Präfix "kilo-" (von χίλιοι, tausend) mit dem englischen "pound" kombiniert. Die Verschmelzung von metrischer und imperialer Terminologie spiegelt die praktischen Ursprünge der Einheit wider — amerikanische Ingenieure wollten eine Einheit für tausend Pfund und schufen eine praktische Abkürzung. Die Abkürzung "kip" erschien erstmals in der Ingenieurliteratur zu Beginn des 20. Jahrhunderts.
Die Verwendung ist strikt amerikanisch — britische, kanadische und australische Ingenieure, die mit imperialen Einheiten arbeiten, verwenden die Kip nicht häufig und ziehen es vor, große Kräfte in Kilonewton oder Tonnen-Kraft auszudrücken. Innerhalb der USA ist die Kip jedoch so fest im Bauingenieurwesen etabliert, dass sie in allen wichtigen Bauvorschriften und Entwurfsstandards erscheint.
Precise Definition
Exakte Definition
Eine Kip ist genau definiert als 1000 Pfund-Kraft: 1 kip = 1000 lbf = 1000 × 4.4482216152605 N = 4448.2216152605 N ≈ 4.44822 kN. Da das Pfund-Kraft genau in Bezug auf SI-Einheiten definiert ist (durch die definierten Werte des avoirdupois Pfunds und der Standardgravitation), hat die Kip auch ein genaues SI-Äquivalent.
Wichtige Umrechnungen
1 kip = 1000 lbf = 4448.22 N = 4.44822 kN = 453.592 kgf = 0.5 short ton-force = 0.00444822 MN. Für Spannung: 1 ksi (kip/in²) = 6.89476 MPa.
Abgeleitete Einheiten
Die Kip pro Quadratzoll (ksi) ist die Standard-Spannungseinheit im US-Bauingenieurwesen: 1 ksi = 1000 psi = 6.89476 MPa. Die Kip pro linearem Fuß (klf oder kip/ft) wird für verteilte Lasten auf Balken verwendet. Der Kip-Fuß (kip·ft) ist die Standardmoment (Drehmoment) Einheit im US-Bauingenieurwesen: 1 kip·ft = 1000 ft·lbf = 1.35582 kN·m.
Geschichte
Ursprünge im amerikanischen Ingenieurwesen
Die Kip entstand im frühen 20. Jahrhundert, als die Praxis des US-Bauingenieurwesens reifte. Als Gebäude und Brücken größer wurden, wurden Kräfte, die in einzelnen Pfund gemessen wurden, unpraktisch. Eine typische Stahlstütze in einem mehrstöckigen Gebäude könnte 200.000 bis 500.000 Pfund tragen — Zahlen, die umständlich zu schreiben, zu diskutieren und zu berechnen sind. Die Kip bot eine saubere, handhabbare Alternative.
Das American Institute of Steel Construction (AISC), gegründet 1921, nahm die Kip als Standard-Einheit in seinem Steel Construction Manual an. Das American Concrete Institute (ACI) und die American Society of Civil Engineers (ASCE) folgten diesem Beispiel. Bis zur Mitte des Jahrhunderts war die Kip fest als Lingua Franca des amerikanischen Bauingenieurwesens etabliert.
Widerstand gegen die Metrisierung
Das US-Metrikumwandlungsgesetz von 1975 förderte (aber mandierte nicht) die Annahme von SI-Einheiten. Während einige Ingenieurdiziplinen teilweise Übergänge vollzogen, blieb das Bauingenieurwesen in den USA fest im Kip-basierten System. Der enorme Bestand an bestehenden Standards, Entwurfstabellen, Software und Fachwissen, das in Kips und ksi eingebettet ist, machte eine Umstellung unpraktisch.
Versuche, duale Einheiten (kip/kN) in Entwurfsstandards zu schaffen, hatten nur begrenzten Erfolg. Ingenieure fanden es verwirrend, gleichzeitig in zwei Systemen zu arbeiten, und der wirtschaftliche Anreiz zur Umstellung war schwach, da die meisten US-Bauingenieurwesen dem heimischen Bau dient. Heute bleibt das US-Bauingenieurwesen eines der hartnäckigsten imperialen Einheitensysteme der Welt.
Moderner Standard
Die Kip erscheint in allen aktuellen Ausgaben von AISC 360 (Stahlentwurf), ACI 318 (Betonentwurf), NDS (Holzbau) und ASCE 7 (Mindestentlastungen). US-ausgebildete Bauingenieure denken, berechnen und kommunizieren in Kips so natürlich, wie SI-ausgebildete Ingenieure Kilonewton verwenden.
Aktuelle Verwendung
Stahlbau-Design
Im US-Stahlbau (AISC 360) verwenden alle kraftbezogenen Größen Kips. Axiallasten von Säulen, Scherkräfte von Balken, Verbindungskapazitäten und Schraubenfestigkeiten werden in Kips ausgedrückt. Materialfestigkeiten verwenden ksi: A36-Stahl hat eine Streckgrenze von 36 ksi, A572 Grade 50 Stahl hat 50 ksi und A992 Stahl (der häufigste Baustahl) hat eine Streckgrenze von 50 ksi und eine Zugfestigkeit von 65 ksi.
Betonentwurf
ACI 318 drückt die Druckfestigkeit von Beton (f'c) in psi aus (typischerweise 3.000–8.000 psi für normalen Beton), aber Entlastungen in Kips und Momente in Kip-Füßen. Die Festigkeiten von Bewehrungsstäben werden in ksi angegeben: Bewehrungsstahl der Klasse 60 hat eine Streckgrenze von 60 ksi. Fundamenttragfähigkeiten werden in Kips pro Quadratfuß (ksf) angegeben.
Brückenbau
Die Brückendesign-Spezifikationen der AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials) verwenden Kips für alle Kraftgrößen. Entwurfs-Lkw-Lasten werden in Kips ausgedrückt: der HL-93-Entwurfslkw hat Achslasten von 8 Kips, 32 Kips und 32 Kips. Fahrbahnlasten betragen 0,64 Kips pro linearem Fuß. Die Tragfähigkeiten von Brückenbauteilen werden in Kips (Scher- und Axiallasten) oder Kip-Füßen (Moment) angegeben.
Geotechnisches Ingenieurwesen
Die Tragfähigkeiten von Pfählen werden in Kips oder Tonnen (1 Tonne = 2 Kips) angegeben. Ein typischer getriebener Stahl-H-Pfahl könnte eine Tragfähigkeit von 150–400 Kips haben. Bodenpressungen werden in Kips pro Quadratfuß (ksf) oder Tonnen pro Quadratfuß angegeben. Laterale Erddrücke werden in Kips pro linearem Fuß der Wand angegeben.
Everyday Use
Verständnis von Gebäude-Lasten
Während die meisten Menschen Kips nie direkt verwenden, regelt die Einheit die strukturelle Sicherheit jedes Gebäudes, das sie betreten. Ein typischer Bürofußboden ist für eine Nutzlast von etwa 2,5 Kips pro 50-Quadratfuß-Bereich ausgelegt. Eine Säule in einer Parkgarage könnte 500–1000 Kips tragen. Die Kabel einer großen Hängebrücke tragen Zehntausende von Kips.
Ingenieureberichte
Hausbesitzer und Gebäudeeigentümer, die strukturelle Ingenieureberichte überprüfen, werden auf Kips stoßen. Ein Ingenieur könnte berichten, dass ein Wohnbalken eine Tragfähigkeit von 15 Kips hat oder dass ein Fundament einer seitlichen Kraft von 8 Kips während eines Erdbebens widerstehen muss. Zu verstehen, dass eine Kip 1.000 Pfund entspricht, hilft, diese Werte zu interpretieren.
Bauindustrie
Bauarbeiter, Kranführer und Rigger stoßen auf Kip-Bewertungen an Geräten und in Hebeplänen. Ein Lastdiagramm eines Krans könnte die maximale Kapazität bei verschiedenen Radien in Kips angeben. Rigging-Hardware (Schäkel, Schlingen, Haken) kann in Kips für die Arbeitslastgrenze oder Bruchfestigkeit bewertet werden.
Akademischer Kontext
US-Ingenieurstudenten begegnen Kips in ihren Bauingenieurkursen. Lehrbuchprobleme drücken routinemäßig angewandte Lasten in Kips und verteilte Lasten in Kips pro Fuß aus. Das Beherrschen von kip-basierten Berechnungen ist entscheidend für das Bestehen der Prüfungen für die Grundlagen des Ingenieurwesens (FE) und die Lizenzprüfungen für professionelle Ingenieure (PE).
In Science & Industry
Software zur strukturellen Analyse
US-Software zur strukturellen Analyse (SAP2000, ETABS, RISA, RAM) verwendet standardmäßig Kip-basierte Einheiten. Eingabebelastungen liegen in Kips vor, Mitgliedskräfte werden in Kips und Kip-Füßen ausgegeben, und Entwurfsprüfungen beziehen sich auf ksi-Materialfestigkeiten. Während die meisten Software in SI-Einheiten arbeiten kann, verwendet die überwiegende Mehrheit der amerikanischen Praxis Kip-basierte Einstellungen.
Forschung und Tests
US-strukturelle Forschungseinrichtungen messen und berichten Kräfte in Kips. Das Labor an den NEES (Network for Earthquake Engineering Simulation) Einrichtungen, Universitätsprüflabore und Herstellerprüfberichte verwenden alle Kips. Ein typischer großangelegter struktureller Test könnte Lasten von 100–1000 Kips mit hydraulischen Aktuatoren anwenden.
Seismisches Ingenieurwesen
Seismische Basis-Scherkräfte — die gesamte horizontale Kraft, die ein Erdbeben auf die Basis eines Gebäudes anwendet — werden in Kips unter Verwendung der ASCE 7-Vorgaben berechnet. Ein typisches Mittelhochhaus in einer hochseismischen Zone könnte eine Entwurfsbasis-Scherkraft von 500–2000 Kips haben. Geschosskräfte, Diaphragma-Kräfte und Verbindungskräfte werden während des gesamten seismischen Entwurfsprozesses in Kips ausgedrückt.
Windingenieurwesen
Windlasten auf Gebäude und Strukturen, berechnet gemäß ASCE 7 Kapitel 26-31, erzeugen Kräfte in Pfund oder Kips, abhängig von der Größe der Struktur. Die gesamte Windkraft auf einem hohen Gebäude könnte 1.000–10.000 Kips betragen. Windkanaltests von Gebäudemodellen berichten Kräfte in Kips nach Skalierung auf vollmaßstäbliche Äquivalente.
Interesting Facts
The kip is one of the few engineering units formed by combining a Greek prefix (kilo-) with a non-metric base unit (pound). This hybrid origin reflects the pragmatic nature of American engineering — borrowing whatever works, regardless of system purity.
A typical four-story office building column supports approximately 200–400 kips — the weight of about 100–200 tons pressing down through the structure above. These forces are carried continuously for the life of the building.
The main cables of the Golden Gate Bridge carry a total tension of approximately 200,000 kips (100,000 tons) — the combined weight of the roadway, traffic, and the cables themselves.
US structural engineering students solve hundreds of problems in kips during their education. The PE structural exam requires fluency in kip-based calculations, making it one of the most persistently imperial-unit professional examinations in the world.
A standard A325 high-strength bolt (3/4-inch diameter) has a design shear capacity of about 17 kips in single shear. A typical beam-to-column connection might use 4–8 such bolts, providing 68–136 kips of connection capacity.
The AISC Steel Construction Manual — the 'bible' of US steel design — contains thousands of tables listing member capacities in kips and kip-feet. Converting these tables to SI units would require republishing the entire manual.