background image

11. PÓŁPRZESTRZEŃ SPRĘŻYSTA OBCIĄŻONA SIŁĄ SKUPIONĄ

1

11



11. PÓŁPRZESTRZEŃ SPRĘŻYSTA OBCIĄŻONA SIŁĄ SKUPIONĄ

11.1. Zadanie Boussinesq'a

Zadanie to ma zastosowanie przy analizie rozkładu naprężeń w gruncie poniżej fundamentu.

Rys.11.1. Półprzestrzeń sprężysta obciążona siłą skupioną

Zakładamy występowanie osiowej symetrii naprężeń (od siły osiowej):

r

,

,

z

,

rz

=

zr

,

r

=

 r

=

 z

=

z

=0

(11.1)

Równania teorii sprężystości w przypadku osiowej symetrii mają postać:

a)    Równania równowagi (dla wyciętego elementu}:

∂

r

∂ r

∂

zr

∂ z

1

r



r

−

=0

(11.2)

∂

z

∂ z

∂ 

rz

∂ r

1

r

rz

=0

(11.3)

b)    Równania geometryczne:

r

= ∂

u

∂ r

(11.4)

z

= ∂

w

∂ z

(11.5)

Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M.

AlmaMater

P

y

x

σ

r

t

rz

σ

z

σ

F

t

zr

R

F

background image

11. PÓŁPRZESTRZEŃ SPRĘŻYSTA OBCIĄŻONA SIŁĄ SKUPIONĄ

2

=

u

r

(11.6)

zr

=

rz

= ∂

w

∂ r

 ∂

u

∂ z

(11.7)

c)    Równania fizyczne:

r

=

1

E

[

r

−



z

]

(11.8)

=

1

E

[

−

z



r

]

(11.9)

z

=

1

E

[

z

−

r



]

(11.10)

zr

=

rz

=

1

G

rz

(11.11)

d)     Równania fizyczne w zapisie odwrotnym:

r

=2G

r

1

e

(11.12)

=2G

1

2

e

(11.13)

z

=2G

z

1

2

e

(11.14)

rz

=

zr

=

rz

(11.15)

gdzie 

e

=

r



z



(11.16)

Mamy zatem 10 równań i 10 niewiadomych (σ

r

, σ

z

, σ

F

, τ

rz

, τ

zr

, ε

r

, ε

F

, ε

z

, γ

rz

, u, w).

Zadanie rozwiązujemy w przemieszczeniach tzn. szukamy dwóch funkcji przemieszczeń
u=u(r,z) i w=w(r,z).

Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M.

AlmaMater

background image

11. PÓŁPRZESTRZEŃ SPRĘŻYSTA OBCIĄŻONA SIŁĄ SKUPIONĄ

3

Wykorzystując równania fizyczne i geometryczne w równaniach równowagi dochodzimy do dwóch

równań przemieszczeniowych

2

u

∂ r

2

1

r

∂ u

∂ r

u

r

2

1

2

1−

2

u

∂ z

2

1

2

1−

2

w

∂ ∂ z

=0

(11.17)

2

w

∂ z

2

1

2

1−

2

w

∂ r

2

1

r

∂ w

∂ r

1

2

1−

2

u

∂ ∂ r

1

r

∂ u
∂ z

=0

(11.18)

Rozwiązanie układu równań (11.17) i (11.18) podał Boussinesq'e w następującej postaci:

u

r , z=A

r

2

R

3

B

r

R

Rz

(11.19)

w

r , z=A

[

z

2

R

3

1

R

]

B

1

R

,

gdzie

R

=

r

2

z

2

(11.20)

Podstawiając   (11.19)   i   (11.20)   do   (11.12),   (11.13),   (11.14),   (11.15)   przy   wykorzystaniu   równań

geometrycznych otrzymuje się składowe stanu naprężenia następującej postaci

r

=2G

{

A

[

1

z

R

3

3 z r

2

R

3

]

B

R

2

Rz

2

z

2

r

2

z

3

R

}

(11.21)

=2G

[

A

1

2

z

R

3

B

1

R

Rz

]

(11.22)

z

=−2G

{

A

[

3 z

3

R

5

1

z

R

3

]

B

z

R

3

}

(11.23)

rz

=

zr

=−2G

{

A

[

3 r z

3

R

5

1

r

R

3

]

B

r

R

3

}

(11.24)

Stałe A i B wyznaczamy z warunków:

1)  Na dowolnej płaszczyźnie z=const. wypadkowa z naprężeń σ

z

 musi być równa sile P.

Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M.

AlmaMater

background image

11. PÓŁPRZESTRZEŃ SPRĘŻYSTA OBCIĄŻONA SIŁĄ SKUPIONĄ

4

Wycinamy elementarny pierścień:

Rys.11.2. Elementarny pierścień

z

dF

=2 

z

dr

(11.25)

Dla całego przekroju poziomego:

2

0

z

rdr

=−P

(11.26)

Rys.11.3. Rozkład naprężeń σ

z

2)   Na płaszczyźnie z=0 nie działają żadne siły za wyjątkiem punktu przyłożenia siły P (oznacza to, że

naprężenia na tej płaszczyxnie są równe zero).

z

=0

- tożsamość

rz

=

zr

=0

stąd 

1 AB=0

(11.27)

Otrzymujemy:

A

=

P

4

G

B

=−1

P

4

G

(11.28)

Funkcje przemieszczeń u(r,z); w(r,z) przyjmą ostatecznie postać:

u

r , z=

P

4

G

[

r

2

R

3

−12

r

R

Rz

]

(11.29)

w

r , z=

P

4

G

[

2

1−

R

z

2

R

2

]

(11.30)

Natomiast funkcje składowych stanu naprężenia będą  postaci:

Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M.

AlmaMater

r

dr

σ

z

background image

11. PÓŁPRZESTRZEŃ SPRĘŻYSTA OBCIĄŻONA SIŁĄ SKUPIONĄ

5

r

=

P

2

[

12

R

Rz

3 z r

2

R

5

]

(11.31)

=

P

2

1

2

[

z

R

3

1

R

Rz

]

(11.32)

z

=−

3 P

2

z

3

R

5

(11.33)

rz

=

zr

=−

3 P

2

r z

2

R

5

(11.34)

Rozwiązania   te   obowiązują   dla   całej   półprzestrzeni   za   wyjątkiem   małego   otoczenia   punktu

przyłozenia   siły.   W   punkcie   tym   rozwiązanie   jest   osobliwe.   Naprężenia   i   przemieszczenia   przyjmują
wartości nieskończenie duże.

Przemieszczenia punktów płaszczyzny ograniczającej półprzestrzeń z=0 będą postaci (korzystamy ze

wzorów (11.29) i (11.30)):

u

r ,0=

−11

2

 Er

P

(11.35)

 

w

r ,0=

1

− P

 Er

(11.36)

Stan naprężenia w punktach znajdujących się na osi (O,z) (r=0):

Rys.11.4. Zbiór punktów leżących na osi (O,z)

 

r

=

=

P

2

1

2

2 z

(11.37)

Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M.

AlmaMater

P

O

z

background image

11. PÓŁPRZESTRZEŃ SPRĘŻYSTA OBCIĄŻONA SIŁĄ SKUPIONĄ

6

z

=−

P

2

3

z

2

(11.38)

rz

=

zr

=0

(11.39)

Wykażemy następującą  osobliwość  rozkładu  naprężeń  w półprzestrzeni  sprężystej  obciążonej  siłą

skupioną. Całkowite naprężenie w dowolnym punkcie poziomej płaszczyzny, tzn. wypadkowa z naprężeń
σ

z

, τ

rz  

wynosi:

p

=

z

2



rz

2

(11.40)

p

=

3 P
2

z

6

R

10

z

4

r

2

R

10

=

3 P

2

 R

2

z

6

R

6

z

4

r

2

R

6

(11.41)

Rys.11.5. Wypadkowa p z naprężeń σ

z

, τ

rz

z

R

=cos 

(11.42)

r

R

=sin 

(11.43)

R

d

=cos 

(11.44)

p

=

3 P

2

 R

2

cos

6

cos

4

 sin

2

(11.45)

Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M.

AlmaMater

P

r

z

R

d

α

σ

z

t

rz

p

background image

11. PÓŁPRZESTRZEŃ SPRĘŻYSTA OBCIĄŻONA SIŁĄ SKUPIONĄ

7

p

=

3 P cos

2

2

 R

2

(11.46)

Naprężenie wypadkowe p skierowane jest do początku układu

z

p

=

3 P
2

z

3

R

5

3 P
2

z

2

R

2

R

2

=

z

R

=cos 

(11.47)

Jeżeli   wyobrazimy   sobie   kulę   o   dowolnej   średnicy   d   styczna   do   płaszczyzny   ograniczającej

półprzestrzeń w punkcie zero, to na wszystkich poziomych polach elementarnych na powierzchni tej kuli
całkowite naprężenia będą jednakowe i równe

p

=

3 P

2

R

2

cos

2

(11.48)

Mając  rozwiązanie  problemu półprzestrzeni  obciążonej  siłą  skupioną  możemy przez zastosowanie

zasady  superpozycji  wyznaczyć  przemieszczenia  i  naprężenia   od  dowolnego  obciążenia   rozłożonego na
półprzestrzeni.

Przykładowo napiszemy wzór na ugięcia pionowe półrzestrzeni od dowolnego obciążeniapionowego

q(ξ,η)

w

z

=0

=

P

1−

2

 Er

(11.49)

Rys.11.6.

Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M.

AlmaMater

y

x

K

r

x

y

S – powierzchnia, 

na którą działa 

obciążenie q(ξ,η)

η

ξ

background image

11. PÓŁPRZESTRZEŃ SPRĘŻYSTA OBCIĄŻONA SIŁĄ SKUPIONĄ

8

Ugięcie w punkcie K wywołane obciążeniem elementarnym q(ξ,η)dξdη wynosi:

dw

 x , y

z

=0

=

q

 , 1−

2

 Er

(11.50)

gdzie:

r

=

−x

2

− y

2

(11.51)

Przemieszczenie wywołane całym obciążeniem (w pkt.K)

w

 x , y

=

1

−

2

 E

q

 x.y

r

d

 

(11.52)

Rys.11.7.Ugięcie pod wpływem obciążenia kołowego

Przykładowo   jeżeli   obciążenie   q   jest   rozłożone   na   polu   koła   o   promieniu   a   i   wypadkowa   tego

obciążenia wynosi P, to po obliczeniu przemieszczeń pionowych półpłaszczyzny otrzymamy:

q

=

P

 a

2

(11.53)

w

r

=0

=

2

1−

2

E

qa

=

2

1−

2

 E a

P

(11.54)

w

r

=a

=

4

1−

2

 E

qa

=

4

1−

2

 P

2

E a

(11.55)

Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M.

AlmaMater

a

q

w

r=a

w

r=0

a

background image

11. PÓŁPRZESTRZEŃ SPRĘŻYSTA OBCIĄŻONA SIŁĄ SKUPIONĄ

9

w

r

=0

w

r

=a

=

2

=1,57

(11.56)

Naprężenia na osi OZ (r=0):

z

=q

[

1

z

3

a

2

z

2

3
2

]

(11.57)

r

=

=

q
2

[

−1

2

1 z

a

2

z

2

z

a

2

z

2

3

]

(11.58)

W   przypadku,   gdy  obciążenie   przekazywane   jest   za   pośrednictwem  nieodkształcalnego  kołowego

walca, to wszystkie punkty doznają jednakowych przemieszczeń.

Rozwiązanie ma postać:

Rys.11.8.Oddziaływanie walca na podłoże

q

r=

P

2

 a

a

2

r

2

(11.59)

q

min

=

P

2

 a

2

(11.60)

w

0

=

P

1−

2

2 Ea

(11.61)

stąd wniosek:

Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M.

AlmaMater

w

0

q

śr

P

a

r

q

min

=

2

P

q

śr

=

πa

2

background image

11. PÓŁPRZESTRZEŃ SPRĘŻYSTA OBCIĄŻONA SIŁĄ SKUPIONĄ

10

w

0

=

q

śr

 a1−

2

2 E

(11.62)

Ugięcie   stempla   na  sprężystym  podłożu   jest   przy  zachowaniu  identycznego  obciążenia  średniego

proporcjonalne do jego średnicy. 

Zadanie: 
Wyznaczyć   ugięcie   powierzchni   ograniczającej   półprzestrzeń   sprężystą   w   punktach   A   i   B   pod

wpływem obciążenia słupem wysokiego napięcia, którego rozstaw pionowych nóg wynosi a.

Rys.11.9. Rysunek pomocniczy do zadania

Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M.

AlmaMater

P

P

P

P

1

2

3

4

x

A

B

a

a/2

a/2

P

P

A,B

a/2

a/2

P

A

r = l =

P

B

P

a/2

a

2

2

a

2

5

background image

11. PÓŁPRZESTRZEŃ SPRĘŻYSTA OBCIĄŻONA SIŁĄ SKUPIONĄ

11

W punkcie A:

w

A1

 – przemieszczenie punktu A od obciążenia na jedną nogę:

w

A1

=

P

1−

2

2

 Ea

(11.63)

uwzględniając, że

r

=l=

a

2

2

(11.64)

Całkowite przemieszczenie pkt. A wynosi:

w

A

=

4

2

1−

2

 P

 Ea

(11.65)

W punkcie B:

w

B

=2 w

B4

2 w

B1

(11.66)

w

B4

=

1−

2

 P

 Er

=

2

1−

2

 P

 Ea

, bo

r

=

a

(11.67)

w

B1

=

1−

2

 P

 Er

=

2

1−

2

 P

 E a

5

, bo

r

=

a

5

2

(11.68)

Całkowite ugięcie wynosi:

w

B

=

4

1−

2



5

1 P

 E a

5

(11.69)

Dla porównania

w

B

w

A

=

1

5

10

=1,025

(11.70)

Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M.

AlmaMater