background image

ZGINANIE PRĘTÓW PROSTYCH 

Pojęcia 

Zjawisko zginania 

– pierwotnie prosta oś pręta (belki) zakrzywia się, przy czym włókna podłużne 

belki po stronie wypukłej wydłużają się, po stronie wklęsłej skracają się. 

Rozróżniamy: 

-  zginanie czyste, 
-  zginanie ze ścinaniem 

oraz 

-  zginanie proste (płaskie), 
-  zginanie ukośne 

Zginanie czyste    

– siły wewnętrzne sprowadzają się tylko 
do momentu gnącego, by było to możliwe 
moment gnący musi mieć wartość stałą. 

Zginanie ze ścinaniem 

 

– obok momentu gnącego występuje siła tnąca. 

Zginanie proste 

– płaszczyzna obciążenia pokrywa się z jedną z głównych osi bezwładności. 

Zginanie ukośne – płaszczyzna obciążenia przechodzi tylko przez środek ciężkości przekroju. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Siły wewnętrzne w prętach zginanych 

 

Pręty pracujące na zginanie nazywamy belkami 
Ze względu na sposób podparcia rozróżniamy: 

-  belki wspornikowe, 
-  belki swobodnie podparte. 

Siłą tnącą T (poprzeczną) w dowolnym przekroju poprzecznym belki nazywamy składową 

prostopadłą do osi belki sumy geometrycznej wszystkich sił działających na część 
belki znajdującą się po jednej stronie rozpatrywanego przekroju 

 
 

a jej znak 

 
 

Momentem gnącym M

g

 

w dowolnym przekroju belki nazywamy sumę momentów (względem 

środka ciężkości przekroju) wszystkich sił zewnętrznych (obciążeń i reakcji) 
dzi

ałających na część belki znajdującą się po jednej stronie rozpatrywanego 

przekroju 

 
 

a jego znak 

 
 

oś belki 

oś ugięta 

 

płaszcz.obciążenia 

.

 

M

M

płaszcz.obciążenia 

M

M

M

M

background image

Obciążenie ciągłe. Zależność między M

g

 a T. 

 

Obierzmy przekrój m-n o współrzędnej x 
i rozpatrzmy element dx. 

Oddziaływanie lewej odrzuconej części 
belki zas

tępujemy przez M

x

 i T

x

  (N

x

=0). 

Oddziaływanie prawej części zastępujemy 
przez M

x

+dM

x

, T

x

+dT

x

 

bo dx jest b.małe i 

nie ma skokowych zmian M i T. 

Obciążenie ciągłe działające na odcinku dx 
zastępujemy siłą q

x

dx działającą w połowie 

dx. 

 

Równania równowagi: 

1.    

 

0

0

)

(

x

x

x

x

x

x

dT

dx

q

dT

T

dx

q

T

Y

 

     

 

 

 

 

dx

dT

q

x

x

 

2. Równanie momentów względem środka C przekroju o współrzędnej x+dx 

   

0

2

)

(

0

)

(

2

2

x

x

x

x

x

x

x

x

C

dM

dx

q

dx

T

dM

M

dx

dx

q

M

dx

T

M

 

pomijając   

2

)

(

2

dx

q

x

 

 

dx

dM

T

x

x

 

zauważmy, że 

 

 

   

x

x

x

q

dx

dT

dx

M

d

2

2

 

Słownie: 

Pochodna siły poprzecznej względem współrzędnej x wzdłuż osi pręta jest równa 
natężeniu obciążenia ciągłego. 

Pochodna momentu gnącego względem x jest równa sile tnącej. 
Druga pochodna momentu względem x jest równa natężeniu obciążenia ciągłego

Wp

rowadzone zależności pozwalają wyznaczyć siły poprzeczne i momenty gnące dla 

zadanego obciążenia. Pomocne są również do konstrukcji wykresów T i M

g

Wskazówki ! 

1)   gdy q=0,        dT

x

/dx=0      

 

T

x

=const. 

wykresem jest prosta równoległa do x, zaś 

wykresem M

g

 prosta nachylona do osi x. 

2).   Moment gnący osiąga wartości ekstremalne w miejscach zerowania się siły tnącej. 

 

UWAGA !   

Gdy równanie M

g

 piszemy z prawej strony belki to  

 

 

 

 

 

 

x

x

T

dx

dM

 

dx 

dx 

q

x

 

T

x

 

T

x

+dT

x

 

M

x

 

M

x

+dM

q

(x) 

background image

Przykład  Wyznaczyć reakcje, napisać równania sił wewnętrznych i narysować ich wykresy. 

Dane: P=4 [kN], q=8 [kN/m], a=1 [m] 

Reakcje 

M

A

=Pa-R

B

2a+½qa2¼a=0 → R

B

=6,5 [kN] 

Y=P+½qa-R

A

-R

B

=0  →  R

A

=1,5 [kN] 

 x

1

 

 a 

M

1

=R

A

x

1

 

x

1

=0   

M

1

=0 

   

 

x

1

=a

 

 

     M

1

=R

A

a=1,5 [kNm] 

T

1

=R

A

   

 

 

T

1

=1,5 [kN] 

 x

2

 

 2a 

M

2

=R

A

x

2

-P(x

2

-a)   x

2

=a 

M

2

=1,5 [kNm] 

   

 

      x

2

=2a 

M

2

= -1 [kNm] 

T

2

=R

A

-P 

 

 

T

2

= -2,5 [kN] 

 x

3

 

 

½a 

M

3

= -

½qx

2

 

x

3

=0   

M

3

=0 

   

 

x

3

=½a  

M

3

= -1 [kNm] 

T

3

=qx

3

   

x

3

=0   

T

3

=0 

   

 

x

3

=½a  

T

3

=4 [kN] 

 

 

Przykład  Podać zależności na M

g

, T, N oraz narysować ich wykresy dla pręta jak na rysunku. 

 

Redukujemy siłę P do środka ciężkości 
dowolnie obranego przekroju określonego 
kątem 

T= - Pcos

N=Psin

M

g

=Prsin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II 

III 

II 

R

R

x

x

2

 

x

½a 

M

T

 

R

R

1,5 

2,5 

1,5 

y

 

 

M

Pr 

background image

NAPRĘŻENIA PRZY CZYSTYM ZGINANIU 

Rozpatrzmy belkę: 
 

 

 

         odcinek CD poddany zginaniu czystemu: M

g

=const., T=0 

 
 

 

 

 

 

     

przed zgięciem   

         

po zgięciu 

 
 
 
 
 
 
 

Wyniki obserwacji: 

-  zakrzywienie linii podłużnych i osi pręta 
-  linie prostopadłe do osi pozostają proste 

i kontur przekroju jest płaski 

 
Założenia: 

1. 

Przekrój płaski pozostaje po odkształceniu pręta płaski. 

2. 

Istnieje warstwa obojętna. 

3. 

Występują wyłącznie naprężenia normalne w przekroju prostopadłym pręta, 
w przekrojach wzdłużnych brak jakichkolwiek naprężeń. 

 
Warunki geometryczne 

Rozpatrzmy włókna odległe od warstwy obojętnej o y. Ich pierwotna długość dx=ds

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
z zależności geometrycznych: 

 

 

 

 

y

ds

y

1

ds

)

(

 

 

Warunki fizyczne 

 

 

 

 

 

y

E

E

 

 

 

naprężenia są proporcjonalne do odległości od osi obojętnej zginania 

 

M

T=P 

T=-P 

M

g

=Pa 

M

M

M

z

 

y

 

x

 

dx

 

y

 

ds=dx

 

ds(1+

)

 

y

 

 

d

 

 

(-)

 

(+)

 

 - 

promień 

krzywizny 
warstwy 
obojętnej 
(tu-

wartość  

ujemna)

 

background image

Warunki równowagi 
 

Siły zewnętrzne po jednej stronie przekroju 
redukują się do momemtu M

g

 
Siły wewnętrzne do sił elementarnych 

dA 

 
 

)

(

A

0

dA

0

X

 

 

)

(

 

A

y

0

z

dA

0

M

 

 

)

(

A

g

z

0

M

y

dA

0

M

 

 
(

)  wstawiając za 

     

A

A

0

ydA

0

ydA

E

y

E

moment statyczny względem osi 

Wniosek - 

oś obojętna musi przechodzić przez środek ciężkości przekroju. 

(



 

A

A

0

yzdA

0

yzdA

E

moment dewiacji będzie równy 0,  

gdy wektor momentu pokrywa się z jedną główną centralną osią bezwładności. 

(



)    

A

z

2

g

A

2

J

dA

y

0

M

dA

y

E

moment bezwładności względem osi z

 

 

 

 

z

g

EJ

M

1

 

wstawiając za 

Ey

1

 

(war. geometryczny) 

 

 

y

J

M

z

g

 

oznaczając 

max

y

J

W

z

z

  - 

wskaźnik wytrzymałości na zginanie 

 

 

 

 

g

z

g

k

W

M

max

  - 

warunek wytrzymałościowy na zginanie 

Dla przekroju niesymetrycznego 

c

I

g

I

I

I

z

k

W

M

W

y

J

 

 

r

II

g

II

II

II

z

k

W

M

W

y

J

 

 
 

Dla prostokąta 

 

 

 

 

 

 

 

dla koła 

 

6

bh

W

12

bh

J

2

z

3

z

   

 

 

32

d

W

64

d

J

3

z

4

z

 

 

 

M

dA 

oś obojętna

 

y

y

II 

II 

background image

Przykład  Obliczyć przekrój stalowej, prostokątnej belki wspornikowej, obciążonej na końcu siłą 

P=20 kN, jeżeli dla przekroju h/b=2, l=1,5 m, k

g

=120 MPa. 

M

gmax

=Pl  

- w utwierdzeniu. 

Wymiary przekroju wyznaczamy z warunku 
wytrzymałości na zginanie: 

   

 

g

g

k

W

M

max

 

dla prostokąta 

6

2

/

12

/

2

3

bh

h

bh

W

 

dla  

h=2b   

W=⅔b

wstawiając 

]

[

072

,

0

10

120

2

5

,

1

10

20

3

2

3

3

2

3

6

3

3

3

m

k

Pl

b

k

b

Pl

g

g

  czyli b=7,2 cm, h=14,4 cm 

Przykład  Sprawdzić czy belka żeliwna pokazana na rysunku może bezpiecznie pracować jeżeli 

P= 30 kN, l=0,3 m. Przyjąć dla żeliwa k

r

=100 MPa, k

c

= 300 MPa. 

 

 

 

 

 

 

 

 

Belka symetryczna  -  R

A

 = R

B

 =P/2=15 [kN] 

 

M

gmax

=R

A

 l/2=15 10

3

 0,15=2250 [Nm] 

Położenie osi obojętnej zginania – obieramy oś pomocniczą przechodzącą przez podstawę z’ i 
piszemy wyrażenie na moment statyczny pola przekroju względem tej osi. 

 

 

]

[

86

,

1

1

5

1

6

5

,

3

1

5

5

,

0

1

6

2

1

2

2

1

1

2

2

1

1

cm

A

A

y

A

y

A

e

y

A

y

A

e

A

 

Liczymy moment bezwładności przekroju względem osi obojętnej zginania 

 

 

]

[

5

,

35

)

86

,

1

5

,

3

(

1

5

12

5

1

)

5

,

0

86

,

1

(

1

6

12

1

6

4

2

3

2

3

cm

J

z

 

Wyznaczamy wskaźniki wytrzymałości na zginanie dla części 

dolnej     

]

[

1

,

19

86

,

1

5

,

35

3

1

cm

e

J

W

z

       

i górnej     

]

[

6

,

8

86

,

1

6

5

,

35

6

3

2

cm

e

J

W

z

 

Naprężenia rozciągające we włóknach dolnych belki: 

 

 

 

 

]

[

100

]

[

8

,

117

10

1

,

19

2250

6

1

max

MPa

k

MPa

W

M

r

g

r

 

Naprężenia ściskające we włóknach górnych: 

 

 

 

 

]

[

300

6

,

261

10

6

,

8

2250

6

2

max

2

MPa

k

W

M

c

g

 

M

gmax

 = Pl 

l/2 

R

R

M

gmax 

10

 

10

 

60 

60 

z’ 

background image

Belki o stałej wytrzymałości na zginanie 

Rozpatrzmy 

najprostszą belkę: 

 

 

 

 

g

g

g

k

x

W

P

W

x

M

x

x

P

x

M

max

 

zatem tylko w utwierdz

eniu występuje   M

g max

=P l, 

a więc tylko w utwierdzeniu w warstwach skrajnych 
naprężenie będzie równe naprężeniu 
dopuszczalnemu. 

 

 

Można jednak tak zaprojektować belkę by w każdym 
przekroju poprzecznym naprężenia maksymalne były 
jednakowe. 

Belkę taką nazywamy belką o stałej wytrzymałości. 

Dla takiej belki 

 

 

 

 

g

g

k

M

W

 

Dla naszej belki 

 

 

 

 

x

k

P

k

M

W

g

g

g

 

Jeżeli przekrojem belki będzie prostokąt b·h, to belkę 
o stałej wytrzymałości można otrzymać przez zmianę 
b przy h=const. lub odwrotnie. 

 

Przy h=const. 

x

k

h

P

x

b

x

k

P

h

x

b

g

g

2

2

6

)

(

6

)

(

 

czyli zależność zmienia się liniowo. 

 

Przy b=const. 

 

 

x

k

b

P

x

h

x

k

P

x

bh

g

g

6

)

(

6

)

(

2

 

zmiana wysokości przekroju opisana jest parabolą. 

 

M

g max

=

P l 

b=const 

h=const 

b(x)