background image

 

 

Metody energetyczne (c. d.) 

Przykład .8 

Kratownicę przedstawioną na rys. P8.1 rozwiązać 
metodą Menabrei. Przyjąć  EA = const.  dla  wszystkich 
prętów. Wyznaczyć deformację konstrukcji. 
 
 
Wyznaczamy reakcje podporowe 

P

V

a

V

Pa

M

B

B

A

=

=

=

0

0

P

H

H

P

X

A

A

=

=

=

0

0

P

V

V

V

V

Y

B

A

A

B

=

=

=

=

0

0

Rozpatrywany układ jest przesztywniony wewnętrznie. 
Jako wielkość hiperstatyczną przyjmiemy siłę w pręcie 
6. Metodą równoważenia węzłów wyznaczymy siły 
w pozostałych prętach i uzyskamy 3 warunki kontrolne – 
rys. P8.2 

Węzeł C 

,

N

N

Y

,

N

P

N

X

6

4

6

1

2

2

0

2

2

0

=

=

=

=

 

Węzeł A 

,

N

N

P

N

X

,

P

N

N

P

N

N

Y

6

5

3

6

5

6

5

2

2

2

2

0

2

2

2

2

2

0

=

=

=

+

=

+

=

=

 

Węzeł B 

,

N

P

N

Y

,

N

N

X

6

2

6

6

2

2

0

(kontrola)

0

2

2

2

2

0

=

=

=

+

=

 

 

 

Rys. P8.1. Schemat statyczny 

 

 

 

Rys. P8.2. Równowaga węzłów 

 

background image

 

 

Węzeł D 

(

)

(

)

,

P

N

N

P

Y

,

P

N

N

P

X

(kontrola)

0

2

2

2

2

2

0

(kontrola)

0

2

2

2

2

2

0

6

6

6

6

=

+

+

=

=

+

+

=

 

W konstrukcji, w której występują jedynie siły osiowe i są one stałe energię sprężystą obliczamy według 
wzoru 

 

∑∫

=

=

i

i

i

i l

i

EA

l

N

EA

x

N

U

i

2

2

d

2

2

Z twierdzenia Menabrei odliczamy wielkość hiperstatyczną 

 

(

)

(

) (

)

[

]

.

P

N

N

P

EA

a

a

N

a

P

N

a

N

a

N

a

N

P

a

N

P

EA

N

N

l

N

EA

N

U

i

i

i

i

2

2

0

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1

1

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

=

=

+

+

+

=

=

+

+

+









+









+

+









+









=

=

 

Obliczamy pozostałe siły wewnętrzne 

 

.

P

P

N

N

,

P

N

N

,

P

N

N

,

P

N

P

N

,

P

N

P

N

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

6

5

6

4

6

3

6

2

6

1

=

+

=

=

=

=

=

=

=

=

=

 

Przemieszczenia węzłów wyznaczymy na podstawie zmian długości prętów – rys. P8.3 

 

.

EA

Pa

l

,

EA

Pa

l

,

EA

Pa

l

,

EA

Pa

l

,

EA

Pa

l

,

EA

Pa

l

,

EA

l

N

l

i

i

i

=

=

=

=

=

=

=

6

5

4

3

2

1

2

2

2

2

 

 

EA

Pa

l

x

B

2

3

=

=

 

EA

Pa

l

y

,

EA

Pa

l

l

l

x

D

D

2

2

1

2

2

2

2

2

2

2

5

5

=

=

+

=

+

+

=

 

(

)

EA

Pa

l

y

,

EA

Pa

l

l

l

l

x

C

C

2

1

2

2

2

2

2

4

4

6

6

3

=

=

+

=

+

+

+

=

Kontrolą jest tu sprawdzenie zmiany długości pręta 1 

 

EA

Pa

x

x

l

C

D

2

1

=

=

background image

 

 

 
 
Wygodnie można też sprawdzić poziome przemieszczenie węzła C z twierdzenia Castigliana, w którym 
energię sprężystą liczymy jedynie od sił osiowych 

 

( )

( )

(

)

.

EA

Pa

EA

Pa

P

N

l

N

EA

x

P

N

EA

N

P

U

x

i

i

i

i

i l

i

i

i

C

i

1

2

0

2

2

2

2

0

0

1

2

1

1

2

1

1

d

+

=

+

+

+

+

−

+

−

=

=

=

=

=

∑∫

 

 
 
Przykład 9 

 

Rys. P8.3. Wyznaczenie stanu deformacji 

background image

 

 

W belce jak na rys. P9.1 wyznaczyć reakcje: 
na podporach skrajnych z twierdzenia 
Menabrei, na podporach wewnętrznych 
z zasady Bettiego. 
 
 
Jako wielkości hiperstatyczne przyjmijmy 
reakcje 

A

 i 

D

. Uzależnimy od nich 

pozostałe reakcje oraz funkcje momentów 
zginających w przedziałach 
 
 

 

,

ql

V

V

V

l

V

ql

l

V

l

V

M

,

ql

V

V

V

l

V

l

V

ql

l

V

M

D

A

B

D

B

A

C

D

A

C

D

C

A

B

2

3

2

0

2

3

2

0

2

3

2

0

2

2

3

0

2

2

+

+

=

=

+

=

+

=

=

+

=

 

 

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

.

qx

l

x

ql

x

l

V

qx

l

x

V

l

x

V

x

V

M

,

qx

l

x

ql

l

x

V

l

x

V

qx

l

x

V

x

V

M

,

qx

x

V

M

D

C

B

A

CD

D

A

B

A

BC

A

AB

2

3

2

2

3

3

2

2

2

2

3

2

2

2

2

2

2

2

2

+

=

+

+

=

+

+

+

=

+

=

=

 

Zapisuje się twierdzenie Menabrei dla obu wielkości hiperstatycznych 

 

(

)

(

)

(

)

(

)

(

) (

)

(

)

,

ql

V

V

EI

l

ql

V

V

EI

l

x

l

x

l

lx

x

q

l

lx

x

V

l

lx

x

V

x

x

q

x

V

EI

x

x

l

qx

l

x

ql

l

x

V

x

l

V

x

x

qx

x

V

EI

x

V

M

EI

M

V

U

D

A

D

A

l

l

D

A

l

A

l

l

D

A

l

A

l

A

i

i

A

i

0

2

4

6

3

4

9

36

6

5

40

8

1

16

8

1

2

2

3

12

3

1

8

4

2

8

3

1

8

3

1

d

3

2

9

2

5

2

2

3

4

4

d

2

1

d

2

2

2

3

2

d

2

1

d

3

3

2

3

2

2

3

2

2

2

2

0

3

2

2

2

0

2

=

+

=

=





+

+

+

+

+

+

+

+

=







+

+

+

+

+

+



=

=





+

+

+



=

=

 

 

 

Rys. P9.1. Schemat statyczny 

background image

 

 

 

(

)

( )

( )

( )

(

)

(

)

(

)

(

) (

)

[

(

) (

)

(

)

.

ql

V

V

EI

l

ql

V

V

EI

l

x

l

x

l

lx

x

q

l

lx

x

V

x

l

x

l

lx

x

q

l

lx

x

V

l

lx

x

V

EI

x

x

l

qx

l

x

ql

x

l

V

x

l

x

qx

l

x

ql

l

x

V

x

l

V

EI

x

V

M

EI

M

V

U

D

A

D

A

l

l

D

l

l

D

A

l

l

D

l

l

D

A

l

D

i

i

D

i

0

13

24

8

48

4

27

8

108

243

4

24

81

16

16

81

2

3

2

3

12

3

2

16

8

1

16

2

9

2

12

27

6

8

27

1

1

4

3

1

8

2

2

3

12

3

1

8

d

27

27

9

2

9

6

2

1

d

2

3

3

2

2

2

2

3

1

d

3

2

3

2

2

3

3

2

1

d

2

2

3

2

1

d

3

3

3

2

3

2

2

3

2

2

2

2

3

2

2

2

2

2

3

2

2

2

2

=

+

=

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

=

=







+

+

+

+



+

+

+



+

+

+

+

=



+

+



+

+

+

=

=

 

Rozwiązanie otrzymanego układu równań pozwala wyznaczyć poszukiwane reakcje 

 

=

=

=

+

=

+

ql

V

ql

V

ql

V

V

ql

V

V

D

A

D

A

D

A

88

36

88

35

0

13

24

8

0

2

4

Zasadę Bettiego zapisujemy dla schematów 
zastępczych, w których usunięto więzi na 
kierunkach poszukiwanych reakcji 

B

 i 

C

 - 

rys. P9.2. W układzie  I, który jest 
rzeczywistym układem sił, przemieszczenia 
w miejscach  usuniętych więzi są zerowe. 
W układach  J i K przykładamy obciążenia, 
siły  P, w miejscach usuniętych więzi. Dla 
przemieszczeń i sił oznaczonych jak na 
rys. P9.2 

możemy zapisać zasadę 

wzajemności prac dla układów I i J 

( )

( )

0

d

d

2

0

2

2

0

1

1

=

+

+

+

l

J

l

J

J

C

C

J

B

B

x

x

w

x

x

w

q

w

V

w

V

 

 

Rys. P9.2. Układy sił i przemieszczeń 

background image

 

 

Przemieszczenia w belkach wygodnie 
wyznacza się metodą obciążeń wtórnych. 
Przy różnych sztywnościach przyjmujemy 
sztywność porównawczą 

EI

EI

p

=

. Reakcje 

podporowe i momenty zginające w 
schemacie J będą równe – rys. P9.3 

J

D

J

A

P

V

,

P

V

3

1

3

2

=

=

.

x

P

M

,

x

P

M

J

DB

J

AB

2

1

3

1

3

2

=

=

 

 
 
 
 
 
 
 
Wyznaczamy reakcje w belce wtórnej 

 

.

l

P

V

l

l

l

P

l

l

l

P

l

l

l

P

l

l

l

P

l

V

M

,

l

P

V

l

l

l

P

l

l

l

P

l

l

l

P

l

l

l

P

l

V

M

J

*

A

J

J

J

J

*

A

*

D

J

*

D

J

J

J

J

*

D

*

A

2

2

108

58

0

3

7

3

2

2

1

3

5

3

1

2

1

2

3

3

1

3

2

6

1

2

1

3

0

108

41

0

3

2

3

2

2

1

3

4

3

1

2

1

2

3

3

1

3

7

6

1

2

1

3

0

=

=

=

=

=

=

 

Przemieszczenia w przedziałach będą równe 

 

(

)

(

)

,

x

x

l

EI

P

x

l

x

l

P

x

x

l

P

EI

EI

M

w

,

x

x

l

EI

P

x

l

x

l

P

x

x

l

P

EI

EI

M

w

J

J

J

p

*

DC

DC

J

J

J

p

*

AB

AB

3

2

2

2

2

2

1

2

2

3

1

1

2

1

1

1

1

2

3

41

108

3

6

1

2

1

108

41

1

12

58

108

3

3

2

2

1

108

58

1

=

=

=

=

=

=

 

 

(

)

(

)

(

)

.

l

x

l

x

EI

P

l

l

x

l

P

l

x

l

P

l

x

l

P

l

x

l

P

EI

EI

M

w

J

J

J

J

J

p

*
CB

CB

3

2

2

3

2

3

2

2

2

2

2

2

6

50

6

108

3

3

1

2

1

2

3

1

3

2

6

1

2

108

41

1

+

=

=

 −

=

=

 

Przemieszczenia w węzłach podporowych będą równe 

 

( )

( )

.

EI

l

P

l

w

w

,

EI

l

P

l

w

w

J

DC

J

C

J

AB

J

B

108

38

108

46

3

3

=

=

=

=

 

Zapisana wcześniej zasada Bettiego dla układów I oraz J prowadzi do związku 

 

 

Rys. P9.3. Metoda obciążeń wtórnych – schemat J 

background image

 

 

 

( )

( )

{

(

)

(

)

(

)

(

)

.

ql

,

V

V

EI

l

P

ql

V

V

EI

l

P

x

l

x

l

x

x

x

x

l

x

x

x

l

q

V

l

V

l

EI

P

x

x

w

x

x

w

q

w

V

w

V

C

B

J

C

B

J

l

l

l

l

C

B

J

l

J

l

J

J

C

C

J

B

B

0

25

92

38

46

108

6

2

50

200

4

6

96

4

3

2

41

4

12

2

58

38

46

108

d

6

50

6

d

3

41

d

12

58

38

46

108

d

d

3

3

2

2

3

2

2

3

2

0

2

3

2

2

2

0

1

3

1

1

2

3

3

2

0

2

2

0

1

1

=

+

=

=





+

+

+

=

=



+

+

+

+

+

=

+

+

 

 
Zasada wzajemności dla układów  I i K 
przyjmie postać 

( )

( )

0

d

d

0

2

2

2

0

1

1

=

+

+

+

l

K

l

K

K

C

C

K

B

B

x

x

w

x

x

w

q

w

V

w

V

Podobnie jak poprzednio zastosujemy 
metodę obciążeń wtórnych. Reakcje 
podporowe i 

momenty zginające w 

schemacie K będą równe – rys. P9.4 

K

D

K

A

P

V

,

P

V

3

2

3

1

=

=

.

x

P

M

,

x

P

M

K

DC

K

AC

2

1

3

2

3

1

=

=

 

 
 
 
Wyznaczamy reakcje w belce wtórnej 

 

.

l

P

V

l

l

l

P

l

l

l

P

l

V

M

,

l

P

V

l

l

l

P

l

l

l

P

l

V

M

K

*

A

K

K

*

A

*

D

K

*

D

K

K

*

D

*

A

2

2

54

22

3

5

2

3

2

2

1

3

2

3

1

2

1

3

0

54

23

3

4

2

3

2

2

1

3

7

3

1

2

1

3

0

=

=

=

=

 

Przemieszczenia w przedziałach będą równe 

 

(

)

(

)

.

x

x

l

EI

P

x

l

x

l

P

x

x

l

P

EI

EI

M

w

,

x

x

l

EI

P

x

l

x

l

P

x

x

l

P

EI

EI

M

w

K

K

K

p

*

DC

DC

K

K

K

p

*

AC

AB

3

2

2

2

2

2

1

2

2

3

1

1

2

1

1

1

1

2

3

23

54

3

3

1

2

1

54

23

1

3

22

54

3

2

3

2

2

1

54

22

1

=

=

=

=

=

=

 

Przemieszczenia w węzłach podporowych będą równe 

 

( )

( )

.

EI

l

P

l

w

w

,

EI

l

P

l

w

w

K

DC

K

C

K

AB

K

B

54

20

54

19

3

3

=

=

=

=

 

 

 

 

Rys. P9.4. Metoda obciążeń wtórnych – schemat K 

background image

 

 

Zapisana wcześniej zasada Bettiego dla układów  I oraz K prowadzi do drugiego związku między 
poszukiwanymi reakcjami i obciążeniem 

 

( )

( )

(

)

(

)

(

)

.

ql

,

V

V

EI

l

P

ql

V

V

EI

l

P

x

x

x

l

x

x

x

l

q

V

l

V

l

EI

P

x

x

w

x

x

w

q

w

V

w

V

C

B

K

C

B

K

l

l

C

B

K

l

K

l

K

K

C

C

K

B

B

0

75

42

20

19

54

4

3

2

23

12

44

20

19

54

d

3

23

d

3

22

20

19

54

d

d

3

3

0

2

3

2

2

2

2

0

1

3

1

1

2

3

3

0

2

2

2

0

1

1

=

+

=





+

+

=

=





+

+

=

=

+

+

 

Rozwiązanie otrzymanego układu równań pozwala wyznaczyć poszukiwane reakcje 

 

=

=

=

+

=

+

ql

V

ql

V

ql

,

V

V

ql

,

V

V

C

B

C

B

C

B

88

95

88

98

0

75

42

20

19

0

25

92

38

46

Kontrola 

ql

ql

V

V

V

V

D

C

B

A

3

88

36

95

98

35

=

+

+

+

=

+

+

+

 
 

background image

 

 

Przykład 10 

Z twierdzenia Bettiego wyznaczyć przemieszczenie w – 
rys. P10.1. 
 
 
Zasadę Bettiego zapisujemy dla schematów zastępczych, 
w których  usunięto więź na kierunku reakcji R – rys. P10.2. 
W układzie  I, który jest rzeczywistym układem sił, 
przemieszczenie w miejscu usuniętej więzi będzie równe zero. 
Zasada Bettiego dla układów I oraz J będzie miała postać 

0

=

ϕ

+

J

J

M

Rw

Przemieszczenia wyznaczymy metodą obciążeń wtórnych – 
rys. P10.3 

.

EI

l

P

l

P

l

EI

,

EI

l

P

l

l

P

l

EI

w

J

J

J

J

J

J

2

2

1

1

3

3

2

2

1

1

2

3

=

=

ϕ

=

=

 

Reakcja R będzie równa 

l

M

M

w

R

J

J

3

2

=

ϕ

=

Zasada Bettiego dla układów I oraz K ma postać 

w

P

M

Rw

K

K

K

=

ϕ

+

Przemieszczenia wyznaczymy metodą obciążeń wtórnych – 
rys. P10.3 

.

EI

l

P

l

l

P

EI

,

EI

l

P

l

l

l

P

l

l

l

P

EI

w

K

K

K

K

K

K

K

2

3

2

2

2

2

1

1

6

5

3

2

2

1

2

1

=

=

ϕ

=

+

=

 

 
 

 

 

Rys. P10.1. Schemat statyczny 

 
 
 
 
 

 

 

Rys. P10.2. Układy sił i przemieszczeń 

 

 

 

Rys. P10.3. Wyznaczenie przemieszczeń w układach J i K 

background image

 

 

10 

Szukane przemieszczenie będzie równe 

 

EI

Ml

P

EI

l

P

M

EI

l

P

l

M

P

M

Rw

w

K

K

K

K

K

K

4

3

2

6

5

2

3

2

2

3

=

+

=

ϕ

+

=