background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymałość  Materiałów.  Poprzeczne  zginanie 

 

121 

11. POPRZECZNE ZGINANIE  

11.1. Naprężenia i odkształcenia 

Poprzecznym  zginanie  występuje  wówczas,  gdy  do  pobocznicy  pręta  pryzmatycznego  o  
symetrycznym  przekroju  poprzecznym  przyłożone  jest  obciążenie  rozłożone  symetrycznie 
względem    płaszczyzny symetrii pręta, które w jego przekroju poprzecznym redukuje się do 

momentu  zginającego    i  siły  poprzecznej  .  Płaszczyzną  działania  obu  tych  sił 
przekrojowych zarówno Q jak i M , jest płaszczyzna symetrii pręta. Zagadnienie to występuje 
wtedy,  gdy  moment  zginający  zmienia  swoją  wartość  na  długości  pręta,  gdyż  -  zgodnie  ze 

znaną  zależnością  różniczkową  - 

( )

( )

x

Q

dx

x

M

d

z

y

=

,  wówczas  siła  poprzeczna 

( )

0

x

Q

z

 

(patrz rys. 11.1).  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 11.1 

 
W tak obci

ąż

onym pr

ę

cie poszukiwa

ć

 b

ę

dziemy macierzy napr

ęż

e

ń

, odkształce

ń

 oraz wektora 

przemieszczenia w dowolnym jego punkcie. Postawione zadanie, w tym przypadku, nie daje 
si

ę

  rozwi

ą

za

ć

 w sposób 

ś

cisły nie tylko metodami wytrzymało

ś

ci materiałów

 ale i metodami 

teorii  spr

ęż

ysto

ś

ci

.  Aby  uzyska

ć

  zale

ż

no

ś

ci  okre

ś

laj

ą

ce  poszukiwane  wielko

ś

ci,  konieczne 

b

ę

dzie  przyj

ę

cie  dodatkowych  zało

ż

e

ń

  upraszczaj

ą

cych.  Mo

ż

na  jednak  pokaza

ć

  poprzez 

eksperymenty do

ś

wiadczalne i numeryczne, 

ż

e otrzymane w ten sposób wyniki nie odbiegaj

ą

 

w sposób istotny od 

ś

cisłych rozwi

ą

za

ń

 dla szczególnych przypadków poprzecznego zginania, 

a ich niew

ą

tpliw

ą

 zalet

ą

 jest prostota formy. 

Jednak

ż

e  zanim  przejdziemy  do  ich  wyznaczenia,  przeanalizujmy  deformacj

ę

  zginanego 

poprzecznie wspornika o przekroju prostok

ą

tnym pokazanego na rys. 11.2.  

 
 
 
 
 

Q

z

(x) 

 

Q

z

(x) 

M

y

(x) 

 

M

y

(x) 

 

dx 

 

 

q(x) 

 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  Poprzeczne  zginanie 

 

122 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 11.2 

Wspornik  pokazany  w  lewej  cz

ęś

ci  rysunku  składa  si

ę

  z  kilku  poło

ż

onych  na  sobie 

elementów , a w cz

ęś

ci prawej wspornik wykonany jest z jednego elementu. Obraz deformacji  

na rys. 11.2 pokazuje, 

ż

e w przypadku poprzecznego zginania przekrój płaski i prostopadły do 

osi  pr

ę

ta  w  konfiguracji  pocz

ą

tkowej  nie  pozostaje  płaski  po  przyło

ż

eniu  obci

ąż

enia,  jak  to 

było  w  przypadku  zginania  prostego.  Dowodzi  to  wyst

ą

pienia  odkształce

ń

  k

ą

towych  (w 

pokazanym  przykładzie  b

ę

dzie  to

xz

γ

)  włókien równoległych do osi układu odniesienia i, co 

za tym idzie napr

ęż

e

ń

 stycznych w przekroju poprzecznym. Mimo tego, przy wyprowadzaniu 

zale

ż

no

ś

ci okre

ś

laj

ą

cych odkształcenie liniowe przyjmiemy spełnienie hipotezy Bernoulliego 

głosz

ą

cej, 

ż

e  przekrój  płaski  i  prostopadły  do  osi  pr

ę

ta  przed  przyło

ż

eniem  obci

ąż

enia 

pozostaje  płaski  i  prostopadły  do  ugi

ę

tej  osi  po  przyło

ż

eniu  obci

ąż

enia.  Mo

ż

na  pokaza

ć

ż

takie zało

ż

enie upraszczaj

ą

ce b

ę

dzie skutkowało w warto

ś

ciach napr

ęż

e

ń

 normalnych bł

ę

dem 

rz

ę

du  h/l  gdzie:  h  jest  wysoko

ś

ci

ą

  przekroju  pr

ę

ta,  a  l  jego  długo

ś

ci

ą

.  St

ą

d  te

ż

  nale

ż

pami

ę

ta

ć

ż

e  wyprowadzone  zale

ż

no

ś

ci  mog

ą

  by

ć

  stosowane  w  przypadku    zginania 

poprzecznego pr

ę

tów długich.  

Po  tych  wst

ę

pnych  uwagach  rozwa

ż

my  pokazany  na  rys.  11.1  pr

ę

t  pryzmatyczny  o  polu 

przekroju poprzecznego A, okre

ś

lony w układzie współrz

ę

dnych (X, Y, Z) w którym osie (Y, 

Z

) s

ą

 głównymi centralnymi osiami bezwładno

ś

ci przekroju poprzecznego, a płaszczyzna (X, 

Z

)  jest  płaszczyzn

ą

  symetrii  pr

ę

ta  i  zarazem  płaszczyzn

ą

  obci

ąż

enia.  Materiał  pr

ę

ta  jest 

izotropowy, liniowo spr

ęż

ysty o stałych materiałowych E oraz 

ν. 

Dalej  post

ę

powa

ć

  b

ę

dziemy  według  schematu,  który  poprzednio  był  ju

ż

  dwukrotnie 

zastosowany. Po dokonaniu my

ś

lowego przekroju pr

ę

ta na dwie cz

ęś

ci w miejscu o odci

ę

tej 

x

,  odrzuceniu  cz

ęś

ci  II  i  przyło

ż

eniu  do  cz

ęś

ci  I    układu  sił  wewn

ę

trznych  (rys.11.3) 

rozwa

ż

ymy trzy komplety równa

ń

 tzn. równania równowagi, geometryczne i fizyczne. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys.11.3 

konfiguracja 

pocz

ą

tkowa 

 

konfiguracja 

aktualna

 

x

σ

xz

τ

xy

τ

x

 

M

y

(x) 

Q

z

 

(x) 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  Poprzeczne  zginanie 

 

123 

Równania równowagi wynikaj

ą

ce z twierdzenia o równowa

ż

no

ś

ci odpowiednich układów sił 

wewn

ę

trznych i zewn

ę

trznych w tym przypadku przyjm

ą

 posta

ć

(

)




=

=

=

+

=

=

=

∫∫

∫∫

∫∫

∫∫

∫∫

∫∫

.

dA

y

),

x

(

M

dA

z

,

dA

y

z

),

x

(

Q

dA

,

dA

,

dA

A

x

y

A

x

A

xz

xy

z

A

xz

A

xy

A

x

0

0

0

0

σ

σ

τ

τ

τ

τ

σ

 

(11.1) 

Równania geometryczne napiszemy przyjmuj

ą

c, 

ż

e: 

•  przekroje  płaskie  i  prostopadłe  do  osi  pr

ę

ta  przed  przyło

ż

eniem  obci

ąż

e

ń

  pozostaj

ą

 

płaskie i prostopadłe do ugi

ę

tej osi pr

ę

ta po przyło

ż

eniu obci

ąż

e

ń

•  odkształcenia k

ą

towe włókien równoległych do osi układu odniesienia s

ą

 równe zero, 

•  odkształcenia liniowe zwi

ą

zane s

ą

 zale

ż

no

ś

ci

ą

x

z

y

ε

ν

ε

ε

=

=

•  górne włókna uległy wydłu

ż

eniu, a dolne skróceniu, istnieje warstwa włókien - warstwa 

oboj

ę

tna,  których  długo

ść

  nie  uległa  zmianie,  cho

ć

  przyj

ę

ły  form

ę

  krzywoliniow

ą

  o 

zmiennym promieniu krzywizny

( )

x

ρ

, i w konfiguracji pocz

ą

tkowej włókna te le

ż

ały na 

płaszczy

ź

nie (X, Y). 

 

Odkształcenia 

liniowe 

x

ε

 

wyznaczymy 

analizuj

ą

c  

wydłu

ż

enie  odcinka  pr

ę

ta  o  dowolnie  małej  długo

ś

ci  dx 

przed  przyło

ż

eniem  obci

ąż

e

ń

  (rys.  11.4).    Po  deformacji 

przekroje  skrajne  obróc

ą

  si

ę

  i  utworz

ą

  dowolnie  mały  k

ą

d

ϕ

(x).  Je

ś

li 

ρ

(x)

 

jest  promieniem  krzywizny  warstwy 

oboj

ę

tnej, to odkształcenia liniowe 

x

ε

 włókien odległych o 

z

 od warstwy oboj

ę

tnej wynosz

ą

( )

[

]

( )

( )

( )

x

z

x

d

x

x

d

x

x

d

z

x

x

d

dx

dx

dx

x

ρ

ϕ

ρ

ϕ

ρ

ϕ

ρ

ϕ

ε

=

+

=

=

=

)

(

)

(

)

(

0

)

(

lim

0

lim

 

 
Równania geometryczne zapiszemy w postaci: 

( )

,

x

z

x

ρ

ε

=

   

( )

x

z

x

z

y

ρ

ν

ε

ν

ε

ε

=

=

=

0

,

0

=

=

yz

xy

γ

γ

Podstawienie  tych  odkształce

ń

  do  równa

ń

  fizycznych  daje  poni

ż

sze  zale

ż

no

ś

ci  i  warto

ś

ci 

napr

ęż

e

ń

(

)

x

x

z

y

x

x

x

E

E

ε

σ

ε

ε

ε

ν

ν

ε

ν

σ

=

+

+

+

+

=

2

1

1

(

)

0

2

1

1

=

+

+

+

+

=

y

z

y

x

y

y

E

σ

ε

ε

ε

ν

ν

ε

ν

σ

( )

x

ρ

C

 ‘ 

B

 

A

 

D

 ‘ 

z

warstwa 

oboj

ę

tna

Rys. 11.4 

dx 

dx+

 dx 

C

 

D

 

( )

x

d

ϕ

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  Poprzeczne  zginanie 

 

124 

(

)

0

2

1

1

=

+

+

+

+

=

z

z

y

x

z

z

E

σ

ε

ε

ε

ν

ν

ε

ν

σ

0

=

=

xy

xy

xy

G

τ

γ

τ

,    

0

=

=

yz

yz

yz

G

τ

γ

τ

W  wyniku  podstawienia  do  równa

ń

  równowagi  zawieraj

ą

cych  napr

ęż

enia  normalne 

otrzymujemy: 

( )

∫∫

∫∫

∫∫

=

=

=

A

A

A

x

x

dA

z

x

E

dA

E

dA

0

0

0

ρ

ε

σ

  

( )

∫∫

∫∫

=

=

A

A

x

dA

yz

x

E

dA

y

0

0

ρ

σ

 

( )

( )

( )

∫∫

∫∫

=

=

A

A

y

y

x

x

M

dA

z

x

E

x

M

dA

z

2

ρ

σ

   

zale

ż

no

ść

 mi

ę

dzy krzywizn

ą

 osi zdeformowanego pr

ę

ta i momentem zginaj

ą

cym: 

( )

( )

y

y

J

E

x

M

x

=

ρ

1

(11.2) 

co  pozwala  napisa

ć

  zwi

ą

zki  wi

ążą

ce  moment  zginaj

ą

cy  z  odkształceniem  liniowym  i 

napr

ęż

eniem normalnym:  

z

J

E

x

M

y

y

x

)

(

=

ε

(11.3) 

z

J

x

M

y

y

x

)

(

=

σ

(11.4) 

Aby wyznaczy

ć

, ostatni, nieznany element macierzy napr

ęż

e

ń

 

xz

τ

, wytnijmy z długo

ś

ci pr

ę

ta 

dwoma  płaszczyznami  prostopadłymi  do  jego  osi  odcinek  o  dowolnie  małej  długo

ś

ci  dx  i 

rozwa

ż

my równowag

ę

 górnej jego cz

ęś

ci odci

ę

tej  płaszczyzn

ą

  z = const (rys. 11.5). 

 
 
 
 
 

 

 

 

 

Rys. 11.5 

( )

x

x

σ

 

dx

 

x

z

ττττ

~

 

(z) 

x

 

(

)

dx

x

x

+

σ

A

1 

B

 

C

 

D

 

F

 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  Poprzeczne  zginanie 

 

125 

Siły  przyło

ż

one  do  tej  odci

ę

tej  cz

ęś

ci  winny  spełnia

ć

  ogólnie  znane  warunki  równowagi. 

Je

ż

eli  przez   

zx

τ

~   oznaczymy 

ś

rednie  napr

ęż

enie  styczne  na 

ś

ciance    BCDF    to  jeden  z 

warunków równowagi a mianowicie sumy rzutów sił na o

ś

 X mo

ż

emy zapisa

ć

 w postaci:  

= ;

0

X

 

 

∫∫

∫∫

=

+

+

+

1

1

0

)

(

)

(

~

)

(

A

x

A

zx

x

dA

dx

x

dx

z

b

dA

x

σ

τ

σ

 

Wykorzystanie  zale

ż

no

ś

ci  (10.4)  wi

ążą

cej  napr

ęż

enia  normalne  z  momentem  zginaj

ą

cym,  a 

nast

ę

pnie twierdzenia Lagrange’a pozwala przepisa

ć

 powy

ż

sze równanie w formie: 

∫∫

∫∫

=

+

+

+

+

1

1

0

)

(

)

(

)

(

~

)

(

A

y

y

y

A

zx

y

y

dA

J

z

dx

dx

dx

x

dM

x

M

dx

z

b

dA

z

J

x

M

α

τ

 

gdzie: 

1

0

α

Podstawiaj

ą

c  do  równania  zwi

ą

zek  ró

ż

niczkowy  mi

ę

dzy  momentem  zginaj

ą

cym  i  sił

ą

 

poprzeczn

ą

 mo

ż

emy otrzyma

ć

∫∫

+

=

1

)

(

)

(

~

A

y

z

zx

dA

z

z

b

J

dx

x

Q

α

τ

Po obustronnym przej

ś

ciu do granicy 

0

dx

 otrzymujemy ostatecznie zale

ż

no

ść

 okre

ś

laj

ą

c

ą

 

poszukiwane napr

ęż

enia styczne: 

 

)

(

)

(

)

(

z

b

J

z

S

x

Q

y

y

z

xz

zx

=

=

τ

τ

(11.5) 

gdzie: 

xz

τ

 - 

ś

rednie napr

ęż

enie styczne we włóknach  z = const w przekroju pr

ę

ta o 

współrz

ę

dnej  x,  

( )

z

S

y

 - moment statyczny wzgl

ę

dem osi zginania cz

ęś

ci przekroju ponad włóknami w 

których wyznaczamy napr

ęż

enia,  

( )

z

b

 - szeroko

ść

 przekroju na wysoko

ś

ci z , 

( )

x

Q

z

 

- siła poprzeczna w przekroju w którym wyznaczamy napr

ęż

enia. 

Znaki  w  wyprowadzonych  wzorach  obowi

ą

zuj

ą

  przy  przyj

ę

tych  zwrotach  osi  układu 

odniesienia i sił przekrojowych. W przypadku innych zwrotów nale

ż

y dokona

ć

 odpowiedniej 

korekty znaków.  
Zatem  macierze  napr

ęż

e

ń

  i  odkształce

ń

  w  pr

ę

cie  poddanym  poprzecznemu  zginaniu  w 

płaszczy

ź

nie (X, Z) maj

ą

 posta

ć

=

0

0

0

0

0

0

zx

xz

x

T

τ

τ

σ

σ

,    

=

x

zx

x

xz

x

T

ε

ν

γ

ε

ν

γ

ε

ε

0

2

0

0

2

0

 

(11.6)   

 

w  których  napr

ęż

enia  wyra

ż

one  poprzez  siły  przekrojowe  i  charakterystyki  geometryczne 

okre

ś

laj

ą

  wzory  wyprowadzone  wy

ż

ej  a  odkształcenia  liniowe  i  k

ą

towe  zwi

ą

zane  s

ą

  z  nimi 

równaniami Hooke’a. 
Warto  jednak  w  tym  miejscu  doda

ć

ż

e  jest  to  najprostsza  posta

ć

  macierzy  napr

ęż

e

ń

  i 

odkształce

ń

  dla  tego  przypadku  wytrzymało

ś

ci.  Bywaj

ą

  one  jeszcze  uzupełnione 

napr

ęż

eniami 

xy

τ

  oraz 

z

σ

i  odpowiadaj

ą

cymi  im  odkształceniami  ale  i  wówczas  s

ą

  one 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  Poprzeczne  zginanie 

 

126 

przybli

ż

one  i  nie  spełniaj

ą

  kompletu  równa

ń

  zagadnienia  brzegowego  ci

ą

głego  o

ś

rodka 

liniowo-spr

ęż

ystego. 

10.2. Analiza stanu naprężenia i odkształcenia 

Macierz napr

ęż

e

ń

 przy poprzecznym zginaniu pokazuje, 

ż

e w tym przypadku wytrzymało

ś

ci 

wyst

ę

puje  płaski,  niejednorodny  stan  napr

ęż

enia,  którego  płaszczyzn

ą

  jest    płaszczyzna 

(X,  Z).  Napr

ęż

enia  główne  (ekstremalne  warto

ś

ci  napr

ęż

e

ń

  normalnych)  i  ich  kierunki 

wyznaczamy  ze  wzorów  wyprowadzonych  przy  analizie  płaskiego  stanu  napr

ęż

enia 

podstawiaj

ą

c do nich odpowiednie elementy macierzy napr

ęż

e

ń

2

2

max

2

2

xz

x

x

τ

σ

σ

σ

+

+

=

,      

2

2

min

2

2

xz

x

x

τ

σ

σ

σ

+

=

 
 

max

max

tg

σ

τ

α

xz

=

,    

min

min

tg

σ

τ

α

xz

=

.

 

 

Napr

ęż

enia normalne w przekroju poprzecznym okre

ś

lone wzorem (11.4) s

ą

 liniowo zale

ż

ne 

od współrz

ę

dnej z, zeruj

ą

 si

ę

 w punktach na osi Y,  jest ona ich osi

ą

 oboj

ę

tn

ą

 i osi

ą

gaj

ą

 sw

ą

 

maksymaln

ą

  bezwzgl

ę

dn

ą

  warto

ść

  w  punktach  od  niej  najodleglejszych.    Poniewa

ż

  w  tym 

przypadku  wytrzymało

ś

ci  moment  zginaj

ą

cy  zmienia  sw

ą

  warto

ść

  na  długo

ś

ci  pr

ę

ta  to 

najwi

ę

ksze  napr

ęż

enia 

x

σ

,  w  konstrukcji  wyst

ą

pi

ą

  w  przekroju  maksymalnego  momentu 

zginaj

ą

cego i s

ą

 równe:  

y

y

y

y

x

W

M

max

z

max

J

M

max

max

=

=

σ

 

(11.7)

 

gdzie: 

z

max

J

W

y

y

=

 znany ju

ż

 wska

ź

nik wytrzymało

ś

ci przy zginaniu wzgl

ę

dem osi Y. 

Analiz

ę

  rozkładu  napr

ęż

e

ń

  stycznych 

xz

τ

  w  przekroju  poprzecznym  okre

ś

lonych  wzorem 

(11.5)  zaczniemy  od  omówienia  wyst

ę

puj

ą

cego  w  nim  ujemnego  znaku.  Punktem  wyj

ś

cia 

przy jego okre

ś

leniu jest to, 

ż

e zwrot tych napr

ęż

e

ń

 jest taki jak zwrot siły poprzecznej i nie 

zale

ż

y  od  układu  odniesienia.  Przypisanie  odpowiedniego  znaku  po  ustalonym  ju

ż

  zwrocie 

napr

ęż

enia  stycznego  zwi

ą

zane  jest  z  przyj

ę

tym  układem  odniesienia  i  reguluje  to  umowa 

znakowania  napr

ęż

e

ń

  stycznych  –  reguła  podwójnej  zgodno

ś

ci  (zwrotów  osi  układu 

współrz

ę

dnych i zwrotów normalnej zewn

ę

trznej do płaszczyzny przekroju).  

 

Pokazane  na  rysunkach  obok  napr

ęż

enia 

styczne  w  obu  przypadkach  maj

ą

 zwrot w dół 

(bo  tak  działa  na  rozwa

ż

any  przekrój  siła 

poprzeczna)  ale  w  przypadku  po  lewej  nale

ż

przypisa

ć

  im  znak  minus  (bo  zachodzi 

niezgodno

ść

 

ich 

zwrotu 

dodatnim 

kierunkiem osi  Z  układu współrz

ę

dnych, przy 

równoczesnej  zgodno

ś

ci  zwrotu  normalnej 

zewn

ę

trznej do przekroju ze zwrotem osi ). 

 

W  dowolnym  ustalonym  przekroju  poprzecznym  pr

ę

ta  napr

ęż

enia  styczne  s

ą

  funkcj

ą

  jednej 

współrz

ę

dnej  z. Powstaje pytanie, jak

ą

 funkcj

ą

 ? 

Z

 

X

 

τ 

xz 

< 0

     

Q

z

 

 

Z

 

X

 

τ 

xz 

> 0

  

Q

z

 

 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  Poprzeczne  zginanie 

 

127 

Zacznijmy  od  prostego  przypadku  prostok

ą

tnego  przekroju  o  wymiarach 

h

b

×

,  na  który 

działa  siła  poprzeczna 

Q

Q

z

=

  skierowana  zgodnie  z  osi

ą

    Z.  Wielko

ś

ci  wyst

ę

puj

ą

ce  we 

wzorze na napr

ęż

enia styczne w tym przypadku przyjmuj

ą

 warto

ś

ci: 

( )

,

b

z

b

,

h

b

J

y

=

=

12

3

 

( )







=

=

2

2

2

1

8

2

4

2

h

z

h

b

z

*

z

b

h

*

h

b

z

S

y

 







=







=

2

2

2

3

2

1

2

3

2

1

8

12

h

z

bh

Q

h

z

h

b

b

*

h

b

Q

zx

τ

 

Zatem  rozkład  napr

ęż

e

ń

  stycznych  po  wysoko

ś

ci  przekroju  prostok

ą

tnego  jest  funkcj

ą

 

kwadratow

ą

,  która  osi

ą

ga  ekstremaln

ą

  warto

ść

  na  osi  oboj

ę

tnej,  a  zeruje  si

ę

  we  włóknach 

skrajnych.  Rysunek  poni

ż

ej  pokazuje  opisan

ą

  sytuacj

ę

  w  aksonometrii  oraz  w  płaszczy

ź

nie 

(X, Z).  

 

 

 

 

 
 
 

 
Z  napr

ęż

eniami  stycznymi

xz

τ

  stowarzyszone 

s

ą

  napr

ęż

enia 

zx

τ

  (patrz  rysunek  obok)  i 

wła

ś

nie 

te 

napr

ęż

enia 

s

ą

 

przyczyn

ą

 

rozwarstwiania 

si

ę

 

pr

ę

ta 

(

ś

cinania) 

płaszczyznach  równoległych  do  płaszczyzny 
(X, Y).  
 
 

 
 

Maj

ą

c  w  pami

ę

ci  rozkład  napr

ęż

e

ń

 

stycznych 

dla 

prostok

ą

tnego 

przekroju 

narysowanie 

kształtu 

rozkładu  napr

ęż

e

ń

  stycznych  dla 

innych  prostych  przekrojów,  w 
których 

boczne 

tworz

ą

ce 

s

ą

 

odcinkami  równoległe  do  osi    Z  nie 
powinno  sprawia

ć

  trudno

ś

ci  (patrz 

szkice obok). 
 

 

Z

 

Y

 

h

 

b

 

z

 

max

τ 

xz 

= 3Q/2bh 

             = 3Q/2A

     

 

h/2

 

h/2

 

b

 

Q

 

 

X

Z

 

h/2

h/2

max

τ 

xz 

= 3Q/2A 

Y

 

Z

 

Q

 

Y

 

Z

 

τ

 

xz 

Q

 

Y

 

Z

 

τ

 

xz 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  Poprzeczne  zginanie 

 

128 

Stan  odkształcenia  przy  poprzecznym  zginaniu  jest  przestrzenny.  Przy  czym  odkształcenia 
liniowe włókien  równoległych do osi Y  to jedne z odkształce

ń

 głównych. Dwa pozostałe to 

odkształcenia  odpowiadaj

ą

ce  kierunkom  napr

ęż

e

ń

  głównych  działaj

ą

cych  w  płaszczy

ź

nie  

(X, Z).  
 

11.3. Energia sprężysta pręta zginanego poprzecznie 

Po  wstawieniu  do  wzorów  (8.18),  zale

ż

no

ś

ci  okre

ś

laj

ą

cych  elementy  macierzy  napr

ęż

e

ń

  dla 

pr

ę

ta  poddanego  poprzecznemu  zginaniu  i  wykonaniu  całkowania  po  jego  obj

ę

to

ś

ci 

dostajemy  wyra

ż

enie  okre

ś

laj

ą

ce  wielko

ść

  energii  spr

ęż

ystej  dla  tego  przypadku 

wytrzymało

ś

ci: 

(

)

[

]

=

+

+

=

=

∫∫∫

∫∫∫

V

xz

x

V

dV

E

dV

U

2

2

1

2

2

1

τ

ν

σ

Φ

( )

( ) ( )

( )

( )

( )

∫∫

∫∫

+

=



+



=

l

z

l

y

y

y

y

z

A

A

l

y

y

l

dx

A

G

x

Q

dx

J

E

x

M

dA

z

b

J

z

S

x

Q

G

dx

dA

z

J

x

M

E

dx

0

2

0

2

2

0

2

0

2

2

2

1

2

1

κ

gdzie:

( )

( )

dA

z

b

x

S

J

A

A

y

y

∫∫

=

2

2

2

κ

  -

  współczynnik  zale

ż

ny  od  kształtu  przekroju  nazywany 

energetycznym  współczynnikiem 

ś

cinania  (dla  prostok

ą

ta  ma  warto

ść

  1.2,  a  dla  przekroju 

kołowego 1.18). 
Energi

ę

  spr

ęż

yst

ą

  układu  zło

ż

onego  z  wielu  pr

ę

tów  poddanych  poprzecznemu  zginaniu 

obliczamy wykonuj

ą

c sumowanie po wszystkich przedziałach charakterystycznych: 

 

( )

( )

∑ ∫

∑ ∫

=

=

+

=

n

i

l

z

n

i

l

y

y

dx

A

G

x

Q

dx

J

E

x

M

U

1

0

2

1 0

2

2

2

κ

(11.8)   

 

 

11.4. Wymiarowanie prętów zginanych poprzecznie 

Ograniczymy  si

ę

  teraz  tylko  do  wymiarowania  ze  wzgl

ę

du  na  stan  graniczny  no

ś

no

ś

ci 

przyjmuj

ą

c, 

ż

e  b

ę

dzie  on  osi

ą

gni

ę

ty  je

ś

li  przynajmniej  w  jednym  punkcie  dowolnego 

przekroju  poprzecznego  pr

ę

ta,  warto

ś

ci  napr

ęż

e

ń

  normalnych  lub  stycznych  b

ę

d

ą

  równe  ich 

wytrzymało

ś

ci  obliczeniowej.  Tak  wi

ę

c  stan  graniczny  no

ś

no

ś

ci  wymaga,  w  istocie  rzeczy, 

równoczesnego spełnienia dwóch nierówno

ś

ci: 

•  warunek no

ś

no

ś

ci ze wzgl

ę

du na napr

ęż

enia normalne:  

    materiał  pr

ę

ta  ma  ró

ż

n

ą

  wytrzymało

ść

  obliczeniow

ą

  na  rozci

ą

ganie  R

r

  i 

ś

ciskanie  R

c

  

 

 

    

r

r

y

y

r

x

R

z

max

J

M

max

max

=

σ

  i   

c

c

y

y

c

x

R

z

max

J

M

max

max

=

σ

gdzie:  

r

x

max

σ

  i   

c

x

max

σ

-  najwi

ę

ksze  napr

ęż

enia  rozci

ą

gaj

ą

ce  i 

ś

ciskaj

ą

ce  w  przekroju 

poprzecznym konstrukcji,  

r

z

max

  i   

c

z

max

    -  odległo

ś

ci  od  osi  oboj

ę

tnej  skrajnych  punktów  przekroju 

poprzecznego,  odpowiednio, rozci

ą

ganych i 

ś

ciskanych. 

    materiał  pr

ę

ta  ma  jednakow

ą

  wytrzymało

ść

  obliczeniow

ą

  na  rozci

ą

ganie  i 

ś

ciskanie  

   (materiał izonomiczny) R 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  Poprzeczne  zginanie 

 

129 

   

R

W

M

max

max

y

y

x

=

σ

 

•  warunek no

ś

no

ś

ci ze wzgl

ę

du na napr

ęż

enia styczne: 

   

( )

( )

t

y

y

z

xz

R

z

b

J

z

S

Q

max

max

=

τ

gdzie: 

t

R

 wytrzymało

ść

 obliczeniowa na 

ś

cinanie. 

Punkt,  w  którym  wyst

ą

pi

ą

  maksymalne  napr

ęż

enia  normalne  to  najodleglejszy  od  osi 

oboj

ę

tnej  punkt  przekroju  poprzecznego,  w  którym  wyst

ę

puje  maksymalny  moment 

zginaj

ą

cy. 

Nieco  trudniej  jest  okre

ś

li

ć

  punkt  wyst

ą

pienia  maksymalnych  napr

ęż

e

ń

  stycznych,  je

ś

li 

przekrój ma skomplikowany kształt (np. o zmiennej szeroko

ś

ci). Wymaga to pewnej analizy, 

ale  b

ę

dzie  to  niew

ą

tpliwie  punkt  w  tym  przekroju  gdzie  wyst

ę

puje  maksymalna  siła 

poprzeczna. 
Z  tych  dwóch  wy

ż

ej  podanych  warunków  na  ogół  wystarcza  spełnienie  warunku  stanu 

granicznego  no

ś

no

ś

ci  ze  wzgl

ę

du  na napr

ęż

enia normalne, gdy

ż

 te napr

ęż

enia w  pr

ę

tach s

ą

 

dominuj

ą

ce.  Aby  si

ę

  o  tym  przekona

ć

  policzmy  stosunek  maksymalnego  napr

ęż

enia 

normalnego 

x

σ

  do  maksymalnego  napr

ęż

enia  stycznego 

xz

τ

  w  belce  wolnopodpartej  o 

przekroju prostok

ą

tnym 

h

b

×

 obci

ąż

onej jak rysunku. 

 
 

Maksymalne  napr

ęż

enia  normalne  wyst

ą

pi

ą

  w 

ś

rodku 

rozpi

ę

to

ś

ci  we  włóknach  skrajnych  i  b

ę

d

ą

  miały  warto

ść

 

2

6

4

h

b

l

P

W

M

max

max

y

x

=

=

σ

Maksymalne napr

ęż

enia styczne wyst

ą

pi

ą

 we włóknach na 

osi oboj

ę

tnej  i b

ę

d

ą

 miały warto

ść

 

h

b

P

A

Q

max

xz

2

2

3

2

3

=

=

τ

 

Zatem:     

h

l

h

b

P

h

b

l

P

max

max

xz

x

2

4

3

2

3

2

=

=

τ

σ

Rozpi

ę

to

ść

 belki jest w wi

ę

kszo

ś

ci przypadków kilkana

ś

cie razy wi

ę

ksza od jej wysoko

ś

ci i 

podobnie dominuj

ą

 warto

ś

ci napr

ęż

e

ń

 normalnych nad stycznymi, a napr

ęż

enia obliczeniowe 

przy rozci

ą

ganiu nie s

ą

 tak du

ż

o mniejsze od tych przy 

ś

cinaniu, gdy

ż

 np.: 

stal  St3S                     = 215 MPa,       R

 t 

= 0.58 R 

beton B20                   R

r

 

= 0.71 MPa,      R

 t 

= 0.75 R 

drewno sosnowe         R

r

 

=12.5 MPa,       R

 t 

= 1.4 MPa. 

Dla pełnego sprawdzenia stanu granicznego no

ś

no

ś

ci nale

ż

ałoby obliczy

ć

 napr

ęż

enia główne 

(tzn. ekstremalne napr

ęż

enia normalne) i ekstremalne napr

ęż

enia styczne i porówna

ć

 je z 

warto

ś

ciami odpowiednich wytrzymało

ś

ci obliczeniowych. Z reguły jest to jednak zbyteczne 

gdy

ż

 dla belek zginanych o powszechnie stosowanych ( „nie udziwnionych”) kształtach 

przekroju,  najwi

ę

ksze napr

ęż

enia normalne wyst

ę

puj

ą

 we włóknach skrajnych (w  

płaszczy

ź

nie przekroju poprzecznego) i tam te

ż

 wyst

ę

puj

ą

 ekstremalne napr

ęż

enia styczne , 

których warto

ść

 jest równa połowie tych napr

ęż

e

ń

 normalnych. 

 

11.5. Trajektorie naprężeń głównych w prętach zginanych poprzecznie 

P

 

l/2

 

l/2

 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  Poprzeczne  zginanie 

 

130 

Rozwa

ż

my płask

ą

 tarcz

ę

 w płaszczy

ź

nie (X, Z) w której wyst

ę

puje płaski stan napr

ęż

enia 

okre

ś

lony macierz

ą

 napr

ęż

e

ń

:  

 
  
 





=

0

zx

xz

x

T

τ

τ

σ

σ

której elementy s

ą

 funkcjami 

zmiennych x oraz  z . 
W ka

ż

dym punkcie  tarczy mo

ż

emy 

wyznaczy

ć

 napr

ęż

enia główne i ich 

kierunki posługuj

ą

c si

ę

 znanymi 

wzorami: 

2

2

2

2

xz

x

x

min

max

τ

σ

σ

σ

+

±

=

,       (a) 

 

min

max

xz

min

max

tg

σ

τ

α

=

.                          (b) 

 

 
Wybierzmy w niej dowolny punkt I (rys. 11.6) i wyznaczmy w nim napr

ęż

enie główne 

I

max,

σ

 

i jego kierunek okre

ś

lony 

I

max,

tg

α

, a nast

ę

pnie przesu

ń

my si

ę

 po tym kierunku do bliskiego 

punktu II. W punkcie II wyznaczmy napr

ęż

enie główne 

II

max,

σ

 i jego kierunek okre

ś

lony 

I

max,

tg

α

 i znowu przesu

ń

my si

ę

 po tym kierunku do bliskiego punktu III, itd. Działania takie 

mo

ż

emy kontynuowa

ć

 startuj

ą

c od dowolnego punktu na brzegu tarczy i ko

ń

cz

ą

c na innym 

punkcie brzegowym a ich wynikiem b

ę

dzie krzywa łamana, która w przypadku gdy z 

odległo

ś

ciami mi

ę

dzy punktami b

ę

dziemy zmierza

ć

 do zera b

ę

dzie krzyw

ą

 ci

ą

ą

 o tej 

własno

ś

ci, 

ż

e w ka

ż

dym jej punkcie kierunek maksymalnego napr

ęż

enia głównego 

max

σ

  jest 

do niej styczny. Krzyw

ą

 o takiej własno

ś

ci nazywa

ć

 b

ę

dziemy trajektori

ą

 maksymalnego 

napr

ęż

enia głównego. Podobnie definiujemy trajektori

ę

 minimalnego napr

ęż

enia głównego. 

W płaskiej tarczy trajektorie maksymalnych i minimalnych napr

ęż

e

ń

 głównych tworz

ą

 dwie 

rodziny krzywych prostopadłych do siebie w ka

ż

dym punkcie.  

Odnie

ś

my teraz to co zostało wy

ż

ej powiedziane do przykładu belki wolnopodpartej 

obci

ąż

onej równomiernie której prostok

ą

tny przekrój ma wymiary 

h

*

b

 ( rys. 11.7) 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys.11.6 

III 

I

max

σ

I

min

σ

 

II 

III

max

σ

III

min

σ

4

π

q  

Rys. 11.7 

2

π

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  Poprzeczne  zginanie 

 

131 

 
 
 
Funkcja momentów zginaj

ą

cych i napr

ęż

e

ń

 normalnych s

ą

 nast

ę

puj

ą

ce: 

( )

2

2

2

x

q

x

l

q

x

M

y

=

,   

(

)

( )

z

J

x

M

z

,

x

y

y

x

=

σ

(c) 

a funkcje sił poprzecznych i napr

ęż

e

ń

 stycznych maj

ą

 posta

ć

( )

qx

l

q

x

Q

z

=

2

,     

(

)

( ) ( )

( )

z

b

J

z

S

x

Q

z

,

x

y

y

z

xz

=

τ

(d) 

w których 

12

3

bh

J

y

=

,  

( )

2

8

2

2

z

b

h

b

z

S

y

=

,  

( )

b

z

b

= . 

 

Trajektorie maksymalnych i minimalnych napr

ęż

e

ń

 głównych to krzywe całkowe ni

ż

ej 

podanych równa

ń

  ró

ż

niczkowych:  

 

max

xz

max

dx

dz

tg

σ

τ

α

=

=

,  

min

xz

min

dx

dz

tg

σ

τ

α

=

=

,  

(e) 

do których trzeba wstawi

ć

 zale

ż

no

ś

ci (a), (c) i (d). 

Rozwi

ą

zanie równa

ń

 (e) daje dwie rodziny krzywych, których przebieg jest naszkicowany na 

rys. 11.7. Lini

ą

 ci

ą

ą

 naszkicowana jest trajektoria maksymalnego napr

ęż

enia głównego 

(rozci

ą

gaj

ą

cego), a linia przerywana pokazuje trajektori

ę

 minimalnego napr

ęż

enia głównego 

(

ś

ciskaj

ą

cego). Ka

ż

da z tych trajektorii przecina o

ś

 X pod k

ą

tem 

°

45

, bo tam panuje czyste 

ś

cinanie, i podchodzi do odpowiednich kraw

ę

dzi (rozci

ą

ganych lub 

ś

ciskanych) belki pod 

k

ą

tem prostym. 

Zagadnienie trajektorii napr

ęż

e

ń

 głównych jest szczególnie wa

ż

ne przy kształtowaniu 

zginanych poprzecznie belek 

ż

elbetowych. Poniewa

ż

 wytrzymało

ść

 betonu przy rozci

ą

ganiu 

jest kilkana

ś

cie razy mniejsza ni

ż

 przy 

ś

ciskaniu, a stal posiada du

ż

a wytrzymało

ść

 przy 

rozci

ą

ganiu, wi

ę

c w obszarach belki gdzie wyst

ę

puj

ą

 napr

ęż

enia rozci

ą

gaj

ą

ce przenosz

ą

 je 

stalowe pr

ę

ty powszechnie nazywane  - zbrojeniem. Przebieg zbrojenia w 

ż

elbetowej belce 

winien  w przybli

ż

eniu odpowiada

ć

 kształtowi maksymalnych napr

ęż

e

ń

 głównych, i st

ą

zbrojenie pracuj

ą

ce na rozci

ą

ganie, w belce wy

ż

ej analizowanej,  b

ę

dzie miało kształt 

naszkicowany  na rys. 11.8.  
 
 
 
 
 
 
 
 

11.6. Przykłady 

Przykład 

11.6.1.

 

Wyznaczy

ć

 

potrzebny  przekrój  stalowej  belki 
dwuteowej  ze  wzgl

ę

du  na  stan 

graniczny 

no

ś

no

ś

ci 

je

ś

li 

wytrzymało

ść

 

obliczeniowa 

stali 

wynosi  R  =  175  MPa.  Po  przyj

ę

ciu 

dwuteownika 

wyznaczy

ć

 

jego 

 

= 13 kN/ m 

l = 

6.0 m

 

Z

 

Y

 

Rys.11.8 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  Poprzeczne  zginanie 

 

132 

no

ś

no

ść

 na zginanie. 

 

Rozwiązanie

 

Maksymalny moment zginaj

ą

cy w belce wynosi:  

50

58

8

6

13

8

2

2

.

*

l

q

M

max

y

=

=

=

 kNm. 

Warunek stanu granicznego no

ś

no

ś

ci daje: 

3

6

3

10

334

0

10

175

10

5

58

=

*

.

*

*

.

W

R

M

max

W

R

W

M

max

y

y

y

y

y

m

3

 = 334 cm

3

Przyj

ę

to 

I

 240, którego 

354

=

y

W

cm

3

Przy  tak  przyj

ę

tych  wymiarach  przekroju 

poprzecznego 

napr

ęż

enia 

normalne 

skrajnych  włóknach  przekroju maksymalnego 
momentu  zginaj

ą

cego  (

ś

rodek  rozpi

ę

to

ś

ci 

belki) wynosz

ą

 

25

165

10

354

10

5

58

6

3

.

*

*

.

W

M

y

y

górne

x

=

=

=

σ

MPa 

25

165

10

354

10

5

58

6

3

.

*

*

.

W

M

y

y

e

ln

do

x

=

=

=

σ

 MPa 

a ich rozkład pokazuje rysunek obok. 

 

Przez no

ś

no

ść

 przekroju na zginanie rozumie

ć

 b

ę

dziemy najwi

ę

kszy moment zginaj

ą

cy, który 

przyło

ż

ony  do  przekroju  nie  wywołuje  w 

ż

adnym  jego  punkcie  napr

ęż

e

ń

  normalnych 

wi

ę

kszych od wytrzymało

ś

ci obliczeniowej jego materiału . 

No

ś

no

ść

  na  zginanie,  przyj

ę

tego  dwuteownika,  wyznaczymy  z  warunku  stanu  granicznego 

no

ś

no

ś

ci:  

61950

175

*

354

max

max

max

=

y

y

y

y

y

M

R

W

M

R

W

M

 Nm. 

 
Przykład  11.6.2.

  Jak

ą

  dodatkow

ą

 

sił

ą

  P  mo

ż

na  obci

ąż

y

ć

  pokazan

ą

 

drewnian

ą

  belk

ę

  aby  napr

ęż

enia 

normalne 

nie 

przekroczyły 

wytrzymało

ś

ci  obliczeniowej  R  =  10 

MPa. 

 

Rozwiązanie

 

Wska

ź

nik wytrzymało

ś

ci przekroju poprzecznego belki wynosi: 

400

6

20

6

6

2

2

=

=

=

*

h

b

W

y

cm

3

Maksymalny moment zginaj

ą

cy w belce (wyst

ą

pi on w 

ś

rodku jej rozpi

ę

to

ś

ci) wynosi: 

4

8

2

l

P

l

q

M

max

y

+

=

Warunek stanu granicznego no

ś

no

ś

ci daje: 

Z

 

Y

 

24 cm

 

M

y

 = 58.5 kNm

 

σ

σ

σ

σ    

x

     

MPa 

165.25

 

 

165.25

 

 

q

=1.0 kN/ m 

= 4.0 m 

2.0 m 

2.0 m 

20 cm 

6 cm 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  Poprzeczne  zginanie 

 

133 

2000

10

10

10

400

4

4

8

4

10

4

8

6

6

2

3

2

+

+

P

*

*

*

P

R

W

l

P

l

q

R

W

M

max

y

y

y

N. 

Przykład  11.6.3.

  Wyznaczy

ć

  wymiary  przekroju  poprzecznego  belki  ze  wzgl

ę

du  na  stan 

graniczny  no

ś

no

ś

ci  je

ś

li  wytrzymało

ś

ci  obliczeniowe  stali  s

ą

  równe  R  =  175  MPa  oraz  

R

t

 

= 0.6R. 

Po  przyj

ę

ciu  wymiarów  wyznaczy

ć

  wykres  napr

ęż

e

ń

  normalnych  i  stycznych  w  przekroju  

α-α oraz napr

ęż

enia główne i ich kierunki w punkcie K tego przekroju. 

 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 

Rozwiązanie

 

Zaczniemy 

od 

wyznaczenia 

warto

ś

ci 

sił 

przekrojowych.  Na    wykresach  pokazanych  
obok  zaznaczone  s

ą

  ich  warto

ś

ci  w  punktach 

charakterystycznych  jak  i  ich  ekstremalne 
warto

ś

ci. 

 

0

50.

M

max

y

=

kNm,  

0

60.

Q

max

z

=

kN. 

 
Nast

ę

pnie 

przejdziemy 

do 

wyznaczenia 

potrzebnych 

charakterystyk 

geometrycznych 

przekroju poprzecznego belki. 
Potrzebujemy  wyznaczy

ć

  główne  centralne  osie 

bezwładno

ś

ci. O

ś

 Z, jako o

ś

 symetrii jest jedn

ą

 z 

nich,  druga  o

ś

  Y  jest  do  niej  prostopadła  i 

przechodzi  przez 

ś

rodek  ci

ęż

ko

ś

ci  przekroju. 

Musimy go wyznaczy

ć

 
 

 
 
 

Pole przekroju: 

2

27

5

1

2

2

12

a

a

*

a

.

*

a

*

a

A

=

+

=

 

Moment 

statyczny 

wzgl

ę

dem 

dowolnie 

przyj

ę

tej osi Y

0

(

)

3

2

0

5

16

5

5

5

1

2

a

.

a

.

a

.

*

S

y

=

=

 

Współrz

ę

dna 

ś

rodka ci

ęż

ko

ś

ci w układzie  

(Y

0

, Z

): 

a

.

a

a

.

A

S

z

y

611

0

27

5

16

2

3

0

0

=

=

=

 

3 m 

40

 

40

 

50

 

40

 

20

 

60

 

40

 

20

 

M

kNm

 

Q

kN

 

20 kN/ m 

4 m 

4 m 

20 kN 

2a 

1.5

 

1.5 a 

6.611

 

a

 

5.389

 

a

 

0.611 

a

 

a 

a 

Y

2a 

1.5a 

1.5a 

11a 

20 kN/ m 

4 m 

4 m 

20 kN 

α

 

α

 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  Poprzeczne  zginanie 

 

134 

Główna  centralna  o

ś

  Y  w  tym  zadaniu  jest 

osi

ą

  zginania  i  osi

ą

  oboj

ę

tn

ą

  napr

ęż

e

ń

 

normalnych. 

Moment bezwładno

ś

ci przekroju poprzecznego wzgl

ę

dem osi oboj

ę

tnej 

(

)

(

)

(

)

4

2

3

2

3

917

368

889

4

5

1

12

5

1

2

611

0

12

2

12

12

2

a

.

a

.

*

a

*

a

.

a

*

a

.

a

.

*

a

*

a

a

*

a

J

y

=

+

+

+

=

 

Wska

ź

nik wytrzymało

ś

ci 

3

4

804

55

611

6

917

368

a

.

a

.

a

.

z

max

J

W

y

y

=

=

=

 

Potrzebny wymiar ze wzgl

ę

du na napr

ęż

enia normalne. 

Najwi

ę

ksze  (co  do  bezwzgl

ę

dnej  warto

ś

ci)  napr

ęż

enia  normalne  wyst

ą

pi

ą

  w  przekroju 

maksymalnego momentu zginaj

ą

cego we włóknach górnych. 

0172

0

10

175

10

50

804

55

6

3

3

.

a

*

*

a

.

R

M

max

W

R

W

M

max

y

y

y

y

m = 1.72 cm. 

Potrzebny wymiar ze wzgl

ę

du na napr

ęż

enia styczne. 

Najwi

ę

ksze  (co  do  bezwzgl

ę

dnej  warto

ś

ci)  napr

ęż

enia  styczne  wyst

ą

pi

ą

  w  przekroju 

maksymalnej siły poprzecznej (na prawo od lewej podpory) we włóknach na osi Y.   
Moment statyczny cz

ęś

ci przekroju powy

ż

ej włókien w których wyznaczamy napr

ęż

enia: 

( )

3

705

43

2

611

6

2

611

6

0

a

.

a

.

*

a

*

a

.

S

y

=

=

 

( )

( )

3

6

4

3

3

10

82

5

10

175

6

0

2

917

368

705

43

10

60

0

0

*

.

a

*

*

.

a

*

a

.

a

.

*

*

R

b

J

S

Q

max

t

y

y

z

m = 0.582 cm. 

Przyj

ę

to do wykonania 

8

1.

a

=

cm. 

Wyznaczymy  teraz  wykresy  napr

ęż

e

ń

  normalnych  i  stycznych  w  przekroju 

α-α  gdzie  

moment zginaj

ą

cy ma warto

ść

 

40

=

α

α

y

M

kN i rozci

ą

ga włókna górne a siła poprzeczna jest 

dodatnia i ma warto

ść

   

60

=

α

α

z

Q

kN (patrz rysunek ni

ż

ej). 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

1.8 

9.7 

11.9 

19.8 

2.7 

2.7 

3.6 

α

α

z

Q

 

α

α

y

M

 

wymiary w cm 

81.596 

σ

 

x   

MPa

 

100.187 

122.910 

τ

 

xz   

MPa

 

10.970 

6.135 
2.454 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  Poprzeczne  zginanie 

 

135 

Moment bezwładno

ś

ci wzgl

ę

dem osi oboj

ę

tnej: 

743

.

3872

8

.

1

*

917

.

368

4

=

=

y

J

 cm

4

 Warto

ś

ci napr

ęż

e

ń

 normalnych: 

z

z

J

M

y

x

8

3

10

*

743

.

3872

10

*

40

=

=

α

α

σ

 

910

.

122

10

*

90

.

11

10

*

743

.

3872

10

*

40

2

8

3

=

=

górne

x

σ

 MPa, 

(

)

187

.

100

10

*

70

.

9

10

*

743

.

3872

10

*

40

2

8

3

ln

=

=

e

do

x

σ

 MPa, 

(

)

596

.

81

10

*

90

.

7

10

*

743

.

3872

10

*

40

2

8

3

=

=

K

x

σ

 MPa. 

Warto

ś

ci napr

ęż

e

ń

 stycznych: 

włókna górne i dolne:

  z = 11.90 oraz ( – 9.70 ) cm  

0

=

xz

τ

 

włókna na osi oboj

ę

tnej:

   = 0 

 

( )

898

.

254

2

9

.

11

*

6

.

3

*

9

.

11

0

=

=

y

S

 cm

( )

( )

970

.

10

10

*

6

.

3

*

10

*

743

.

3872

10

*

898

.

254

*

10

*

60

0

0

2

8

6

3

=

=

=

b

J

S

Q

y

y

xz

α

α

τ

 MPa 

włókna:

   = - 7.90 cm 

Moment  statyczny,  wzgl

ę

dem  osi  oboj

ę

tnej,  wchodz

ą

cy  do  licznika  wzoru  na  napr

ęż

enia 

styczne  mo

ż

na  policzy

ć

    od  cz

ęś

ci  przekroju  znajduj

ą

cej  si

ę

  poni

ż

ej  włókien  (tak  jest 

pro

ś

ciej) bior

ą

c jednak do dalszych oblicze

ń

 jego bezwzgl

ę

dn

ą

 warto

ść

 gdy

ż

 zwrot napr

ęż

e

ń

 

stycznych  generuje  zwrot  siły  poprzecznej  i  przy  przyj

ę

tym  układzie  współrz

ę

dnych  jest  on 

ujemny, co zostało ju

ż

 uwzgl

ę

dnione w znaku we wzorze na napr

ęż

enia.  

(

)

56

.

142

8

.

8

*

8

.

1

*

0

.

9

9

.

7

=

=

y

S

 cm

Dla tej współrz

ę

dnej z wyst

ę

puje skokowa zmiana szeroko

ś

ci przekroju dlatego te

ż

 wyst

ą

pi

ą

 

dwie warto

ś

ci napr

ęż

e

ń

 stycznych. 

135

.

6

10

*

6

.

3

*

10

*

743

.

3872

10

*

56

.

142

*

10

*

60

2

8

6

3

=

=

xz

τ

MPa, 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  Poprzeczne  zginanie 

 

136 

454

.

2

10

*

0

.

9

*

10

*

743

.

3872

10

*

56

.

142

*

10

*

60

2

8

6

3

=

=

xz

τ

MPa. 

Obliczenie napr

ęż

e

ń

 głównych i ich kierunków w punkcie K przekroju 

α-α. 

W  tym  punkcie  wyst

ę

puje  płaski  stan  napr

ęż

enia  (wszystkie  wektory  napr

ęż

e

ń

  przypisane 

dowolnym płaszczyzn

ą

  przeci

ę

cia le

żą

 w płaszczy

ź

nie (X, Z)) okre

ś

lony macierz

ą

 napr

ęż

e

ń

:       





=

0

135

.

6

135

.

6

596

.

81

K

T

σ

MPa 

( )

(

)

2

2

2

2

135

6

2

596

81

2

596

81

2

2

.

.

.

K

xz

K

x

K

x

K

min

max

+

 −

±

=

+



±

=

τ

σ

σ

σ

 

459

0.

K

max

=

σ

 MPa,   

055

82.

K

min

=

σ

 MPa. 

'

max

max

max

43

85

3660

.

13

459

.

0

135

.

6

tg

o

=

=

=

=

α

σ

τ

α

K

K

xz

 

'

min

min

min

17

4

0748

.

0

055

.

82

135

.

6

tg

o

=

=

=

=

α

σ

τ

α

K

K

xz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

Przykład  11.6.4.

  Wyznaczy

ć

  wymiary  płaskownika,  który  nale

ż

y  przyspawa

ć

  do  półek 

dwuteowej  stalowej  belki   

I

  200    pokazanej  na  rysunku  w  celu  zapewnienia  jej  potrzebnej 

no

ś

no

ś

ci. Wytrzymało

ść

 obliczeniowa stali = 150 MPa.   

 

 
 
 
 
 
 

Rozwiązanie 

= 10 kN/ m 

l

 = 6.0 

Z

 

Y

 

9 cm 

10 cm 

10 cm 

Dane z tablic profili 

walcowanych 

J

y

 

= 2140 cm

4

 

W

y

 

= 214 cm

3

 

 

6

.1

3

5

6.135 

6.135 

6

.1

3

5

 

81.596 

81.596 

σ

max

 

= 0.459 

'

min

17

4

o

=

α

'

max

43

85

o

=

α

σ

min

 

= 82.055 

σ

max

 

= 0.459 

σ

min

 

= 82.055 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  Poprzeczne  zginanie 

 

137 

Maksymalny moment zginaj

ą

cy działaj

ą

cy na belk

ę

 

00

45

8

6

10

8

2

2

.

*

l

q

M

max

y

=

=

=

kNm 

 
Maksymalny  dopuszczalny  moment  zginaj

ą

cy,  który  dany  przekrój  dwuteowy  mo

ż

przenie

ść

:  

32100

10

150

10

214

6

6

=

=

=

*

*

*

R

W

M

dop

y

y

Nm = 32.10 kNm. 

Belka nie mo

ż

e przenie

ść

 zadanego obci

ąż

enia, jej przekrój wymaga wzmocnienia.  

Przyj

ę

to  do  wzmocnienia  dwa  płaskowniki  o  wymiarach  7.0*0.8  cm  przyspawane  do  półek 

dwuteownika. 
Moment bezwładno

ś

ci wzmocnionego przekroju wzgl

ę

dem osi oboj

ę

tnej: 

 

99

3351

60

0

39

1211

2140

4

10

8

0

7

12

8

0

7

2

2140

2

3

.

.

.

.

*

.

*

.

*

J

y

=

+

+

=



+

+

=

 cm

Wska

ź

nik wytrzymało

ś

ci wzmocnionego przekroju: 

37

310

80

10

99

3351

.

.

.

W

y

=

=

cm

3

Dopuszczalny  moment  zginaj

ą

cy  który  mo

ż

e  przenie

ść

  wzmocniony      przekrój  (no

ś

no

ść

 

przekroju na zginanie): 
 

50

46555

10

150

10

37

310

6

6

.

*

*

*

.

R

W

M

dop

y

y

=

=

=

Nm = 46.56 kNm. 

No

ś

no

ść

  wzmocnionego  przekroju  na  zginanie  jest  wi

ę

ksza  od  maksymalnego  momentu 

zginaj

ą

cego działaj

ą

cego w przekroju. 

Płaskowniki  wzmacniaj

ą

ce  przekrój  belki  potrzebne  s

ą

  tylko  na  długo

ś

ci  belki  gdzie 

wyst

ę

puje moment zginaj

ą

cy wi

ę

kszy od 32.10 kNm. 

Miejsce wyst

ę

powania tego momentu: 

( )

40

1

0

42

6

6

10

32

2

10

30

1

2

2

.

x

.

x

x

.

x

x

x

M

=

=

+

=

=

m,   

60

4

2

.

x

=

m. 

Dano ostatecznie dwa płaskowniki 7*0.8 cm na długo

ś

ci 3.30 m. 

Na  rysunku  poni

ż

ej  lini

ą

  przerywan

ą

  narysowano  wykres  momentów  zginaj

ą

cych 

działaj

ą

cych na belk

ę

, linia ci

ą

gła pokazuje warto

ś

ci momentów, które belka mo

ż

e przenie

ść

Wykres narysowany lini

ą

 ci

ą

ą

 musi obejmowa

ć

 wykres narysowany lini

ą

 przerywan

ą

.  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

9 cm 

10 cm 

10 cm 

7 cm 

0.8 

0.8 

M

kNm

 

32.10

 

46.56

 

45.00

 

32.10

 

32.10

 

1.35 

3.30 m 

10 kN/ m 

1.4 

1.4 

3.20 m 

6.00

 

1.35 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  Poprzeczne  zginanie 

 

138 

Przykład  11.6.5.

  Dla  spawanej  belki  o  symetrycznym  przekroju  teowym  jak  rysunku 

wyznaczy

ć

 najwi

ę

ksz

ą

 dopuszczaln

ą

 warto

ść

 siły P (no

ś

no

ść

 belki) ze wzgl

ę

du na: 

•  napr

ęż

enia normalne je

ś

li R = 175 MPa 

•  napr

ęż

enia styczne przy 

ś

cinaniu spoin je

ś

li 

ts

 = 105 MPa

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rozwiązanie

 

Z  pokazanych  obok  wykresów  momentów  i 
sił poprzecznych wynika, 

ż

e: 

4

Pl

M

max

y

=

,   

2

P

Q

max

z

=

 

 

 

 
 
 
 

 
Wyznaczenie  osi  głównych  centralnych  i 
potrzebnych  charakterystyk  geometrycznych 
nie powinno stanowi

ć

 trudno

ś

ci. 

Ich  poło

ż

enie  pokazuje  rysunek  obok  a 

moment 

bezwładno

ś

ci 

wska

ź

nik 

wytrzymało

ś

ci 

wzgl

ę

dem 

osi 

zginania 

wynosz

ą

00

33210.

J

y

=

cm

4

913

1443

23

33120

.

z

max

J

W

y

y

=

=

=

cm

3

 

No

ś

no

ść

 belki ze wzgl

ę

du na napr

ęż

enia normalne: 

685

252

10

175

10

913

1443

4

6

6

6

.

P

*

*

*

.

P

R

W

M

max

R

W

M

max

y

y

y

y

kN 

 
W  celu  wyznaczenia  no

ś

no

ść

  belki  ze 

wzgl

ę

du  na 

ś

cinanie  spoin  policzymy 

wpierw  sił

ę

  rozwarstwiaj

ą

c

ą

  mi

ę

dzy 

stopk

ą

  a 

ś

rodnikiem  na  jednostk

ę

 

długo

ś

ci belki. 

 

5 cm 

6 cm 

30 cm 

20 cm 

grubość spoin 
a

= 0.4 cm

 

P

 

3.0 m

 

3.0  m

 

P

l /

 4

 

M

Q

P

 /

 2

 

P

 /

 2

 

τ

 zx 

τ

 xz 

τ

 zx 

P

 

3.0 m

 

3.0  m

 

 

6 cm 

30 cm 

5 cm 

20 cm 

13 cm 

23 cm 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  Poprzeczne  zginanie 

 

139 

Zakładaj

ą

równomierny 

rozkład 

napr

ęż

e

ń

  stycznych  (patrz  rysunek 

obok) siła ta jest równa: 

y

y

z

y

y

z

zx

J

S

Q

b

b

J

S

Q

*

b

*

T

=

=

=

1

τ

gdzie: 

2

P

Q

z

=

,   

6

6

10

1200

10

10

20

6

=

=

*

*

*

*

S

y

m

3

  (to  moment  statyczny  półki 

wzgl

ę

dem osi zginania). 

T

ą

 sił

ę

 musz

ą

 przenie

ść

 dwie spoiny, których powierzchnia 

ś

cinania na jednostkowej długo

ś

ci  

wynosi: 

2

2

10

80

0

10

4

0

2

1

2

=

=

=

*

.

*

.

*

*

a

*

A

sp

 m

2

Przy zało

ż

eniu równomiernego rozkładu napr

ęż

e

ń

 

ś

cinaj

ą

cych w spoinach, napr

ęż

enia winny 

spełnia

ć

 warunek: 

s

t

sp

R

A

T

St

ą

d no

ś

no

ść

 belki ze wzgl

ę

du na 

ś

cinanie spoin wynosi: 

sp

s

t

y

y

z

sp

s

t

A

R

J

S

Q

A

R

T

 

940

464

10

1200

10

8

0

10

105

10

33210

2

2

6

2

6

8

.

*

*

.

*

*

*

*

*

S

A

R

J

*

P

y

sp

s

t

y

=

=

kN. 

Zatem  najwi

ę

ksza  dopuszczalna  siła  jak

ą

  mo

ż

na  obci

ąż

y

ć

  analizowan

ą

  belk

ę

  ma  warto

ść

 

252.685 kN.  
 

Przykład. 11.6.6. 

Dla belki o schemacie i przekroju jak na rys. wyznaczy

ć

 w przekrojach 

α

α

β

β

 i 

γ

γ

•  rozkład napr

ęż

e

ń

 normalnych i stycznych w przekroju poprzecznym, 

•  napr

ęż

enia główne i ich kierunki oraz maksymalne napr

ęż

enia styczne 

max

τ

 w 

zaznaczonych pi

ę

ciu punktach po wysoko

ś

ci przekroju, 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rozwiązanie 
 

β

β

Y

 

q

 =20 kN/m 

Z

 

α

1 m

 

2 m

 

1 m

 

α

γ

γ

Z

 

Y

 

6 cm

 

4*3 c

m

 

3  

1  

2  

4  

5  

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  Poprzeczne  zginanie 

 

140 

Wykresy sił przekrojowych wraz ich 
warto

ś

ciami w zadanych przekrojach 

pokazane s

ą

 obok. 

Potrzebne do wyznaczenia napr

ęż

e

ń

 warto

ś

ci 

charakterystyk geometrycznych wynosz

ą

moment bezwładno

ś

ci wzgl

ę

dem osi 

oboj

ę

tnej 

00

864

12

12

6

3

.

*

J

y

=

=

 cm

4

momenty statyczne wchodz

ą

ce do wzoru na 

napr

ęż

enia styczne w zadanych kolejnych 

punktach przekroju 

0

5

1

=

=

,

y

,

y

S

S

00

81

5

4

6

3

4

2

.

.

*

*

S

S

,

y

,

y

=

=

=

 cm

3, 

00

108

3

6

6

3

.

*

*

S

,

y

=

=

 cm

3

 

 

Przekrój 

α

α

 (przekrój podporowy)

 

0

=

y

M

,   

00

40.

Q

z

=

 kN 

Napr

ęż

enia normalne w przekroju poprzecznym 

x

σ

 wobec zerowania si

ę

 momentu 

zginaj

ą

cego s

ą

 równe zero. 

Napr

ęż

enia styczne w przekroju poprzecznym: 

( )

( )

z

b

J

z

S

Q

y

y

z

xz

=

τ

 

0

5

1

=

=

,

xz

,

xz

τ

τ

,     

25

6

10

6

10

864

10

81

10

40

2

8

6

3

4

2

.

*

*

*

*

*

*

,

xz

,

xz

=

=

=

τ

τ

 MPa,

 

33

8

10

6

10

864

10

108

10

40

2

8

6

3

3

.

*

*

*

*

*

*

,

xz

=

=

τ

 MPa. 

Napr

ęż

enia główne i ich kierunki 

W przekroju wyst

ę

puje czyste 

ś

cinanie i napr

ęż

enia główne w ka

ż

dym punkcie s

ą

 równe 

wyst

ę

puj

ą

cym w nim napr

ęż

eniom 

ś

cinaj

ą

cym a ich kierunki nachylone s

ą

 pod k

ą

tem 45

° do 

osi Y (patrz rys. ni

ż

ej na którym opisane s

ą

 tylko warto

ś

ci 

max

σ

). 

Maksymalne napr

ęż

enia styczne s

ą

 w tym przypadku równe napr

ęż

eniom stycznym w 

przekroju poprzecznym. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

M

y

 

kNm 

40

 

 

30

 

 

z

 

kN 

20

 

 

40

 

 

β

β

α

α

γ

γ

6.25 

6.25 

8.33 

6.25 

6.25 

8.33 

45

° 

45

° 

45

° 

8.33 

6.25 

6.25 

6.25 

6.25 

8.33 

8.33 

6.25 

6.25 

8.33 

6.25 

6.25 

x

σ

xz

τ

max

σ

min

σ

max

τ

MPa 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  Poprzeczne  zginanie 

 

141 

Przekrój 

β

β

  

00

30.

M

y

=

 kNm , 

00

20.

Q

z

=

 kN, 

w przekroju wyst

ę

puje poprzeczne zginanie i w ogólno

ś

ci ka

ż

dy punkt tego przekroju (z 

wyj

ą

tkiem skrajnych) znajduje si

ę

 w płaskim stanie napr

ęż

enia, którego płaszczyzn

ą

 jest 

płaszczyzna (X, Z). 
Napr

ęż

enia normalne w przekroju poprzecznym 

z

J

M

y

y

x

=

σ

 

33

208

10

6

10

864

10

30

2

8

3

1

.

*

*

*

,

x

=

=

σ

 MPa, 

17

104

10

3

10

864

10

30

2

8

3

2

.

*

*

*

,

x

=

=

σ

 MPa,   

0

3

=

,

x

σ

,  

(

)

17

104

10

3

10

864

10

30

2

8

3

4

.

*

*

*

,

x

=

=

σ

MPa 

(

)

33

208

10

6

10

864

10

30

2

8

3

5

.

*

*

*

,

x

=

=

σ

MPa 

 
Napr

ęż

enia styczne w przekroju poprzecznym 

( )

( )

z

b

J

z

S

Q

y

y

z

xz

=

τ

 

0

5

1

=

=

,

xz

,

xz

τ

τ

,     

12

3

10

6

10

864

10

81

10

20

2

8

6

3

4

2

.

*

*

*

*

*

*

,

xz

,

xz

=

=

=

τ

τ

 MPa, 

 

16

4

10

6

10

864

10

108

10

20

2

8

6

3

3

.

*

*

*

*

*

*

,

xz

=

=

τ

 MPa. 

Napr

ęż

enia główne i ich kierunki 

2

2

2

2

xz

x

x

min

max

τ

σ

σ

σ

+

±

=

,     

min

max

xz

min

max

tg

σ

τ

α

=

 

Punkt 1 

0

1

=

max,

σ

,     

=

1

max,

tg

α

,   

o

90

1

=

max,

α

 

33

208

1

.

min,

=

σ

MPa,     

0

1

=

min,

tg

α

,   

o

0

1

=

min,

α

 
Punkt 2 
 

(

)

2

2

2

2

12

3

2

17

104

2

17

104

.

.

.

min,

max,

+

 −

±

=

σ

09

0

2

.

max,

=

σ

MPa,

26

104

2

.

min,

=

σ

MPa, 

 

'

.

.

.

tg

max,

max,

50

89

67

34

09

0

12

3

2

2

°

=

=

=

α

α

  ,   

'

*

.

.

.

tg

min,

min,

10

0

10

27

5

26

104

12

3

2

3

2

°

=

=

=

α

α

 . 

Punkt 3 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  Poprzeczne  zginanie 

 

142 

(

)

2

3

3

16

4.

min,

max,

±

=

σ

16

4

3

.

max,

=

σ

MPa,  

16

4

3

.

min,

=

σ

MPa, 

 

°

=

=

=

45

1

16

4

16

4

3

3

max,

max,

.

.

tg

α

α

  ,   

°

=

=

=

45

1

16

4

16

4

3

3

min,

min,

.

.

tg

α

α

 . 

 
Punkt 4 
 

(

)

2

2

2

2

12

3

2

17

104

2

17

104

.

.

.

min,

max,

+

±

=

σ

26

104

2

.

max,

=

σ

MPa,  

09

0

2

.

min,

=

σ

MPa, 

 
 

'

*

.

.

.

tg

max,

max,

10

0

10

27

5

26

104

12

3

2

3

2

°

=

=

=

α

α

  ,   

'

.

.

.

tg

min,

min,

50

89

67

34

09

0

12

3

2

2

°

=

=

=

α

α

 . 

Punkt 5 

33

208

5

.

max,

=

σ

 MPa,     

0

5

=

max,

tg

α

,   

o

0

5

=

max,

α

 

0

5

=

min,

σ

,     

=

5

min,

tg

α

,   

o

90

5

=

min,

α

 
Maksymalne napr

ęż

enia styczne : 

2

min

max

max

σ

σ

τ

=

 

Punkt 1 i 5 

16

104

5

1

.

max,

max,

=

=

τ

τ

 MPa 

Punkt 3 

16

4

3

.

max,

=

τ

 MPa 

Punkt 2 i 4 

18

52

4

2

.

max,

max,

=

=

τ

τ

 MPa 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

104.26 

104.17 

4.16 

0.09 

3.12 

4.16 

89

°50’

0

°10’ 

45

° 

3.12

4.16 

3.12

xz

τ

MPa 

208.33 

208.33 

104.17 

3.12 

208.33 

208.33 

104.17 

208.33 

x

σ

104.17 

208.33 

104.26 

max

σ

208.33 

4.16 

0.09 

min

σ

208.33 

104.26 

4.16 

0.09 

52.18 

4.16 

104.16

max

τ

52.18 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  Poprzeczne  zginanie 

 

143 

Przekrój 

γ

γ

 (przekrój  w  

ś

rodku rozpi

ę

to

ś

ci) 

00

40.

M

y

=

kNm, 

0

=

z

Q

 

w przekroju wyst

ę

puje proste zginanie wzgl

ę

dem osi Y  i w ka

ż

dy punkcie przekroju 

wyst

ę

puje jednoosiowy stan napr

ęż

enia, reprezentowany przez napr

ęż

enie 

x

σ

, które jest 

równocze

ś

nie jednym z napr

ęż

e

ń

 głównych.  

Napr

ęż

enia normalne w przekroju poprzecznym 

z

J

M

y

y

x

=

σ

 

78

277

10

6

10

864

10

40

2

8

3

1

.

*

*

*

,

x

=

=

σ

 MPa, 

89

138

10

3

10

864

10

40

2

8

3

2

.

*

*

*

,

x

=

=

σ

 MPa,   

0

3

=

,

x

σ

,  

(

)

89

138

10

3

10

864

10

40

2

8

3

4

.

*

*

*

,

x

=

=

σ

MPa, 

(

)

78

277

10

6

10

864

10

40

2

8

3

5

.

*

*

*

,

x

=

=

σ

MPa. 

 
Napr

ęż

enia styczne w przekroju poprzecznym 

xz

τ

 wobec zerowania si

ę

 siły poprzecznej s

ą

 

równe zero. 
Warto

ś

ci napr

ęż

e

ń

 głównych, ich kierunki oraz maksymalne napr

ęż

enia styczne pokazane s

ą

 

ni

ż

ej. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 
 
 
 

 
Przykład 11.6.7.

 Obliczy

ć

 warto

ść

 energetycznego współczynnika 

ś

cinania  

κ dla podanych 

przekrojów.

 

 

MPa 

xz

τ

138.89 

x

σ

277.78 

138.89 

277.78 

138.89 

277.78 

277.78 

138.89 

277.78 

min

σ

138.89 

max

τ

138.89 

69.44 

69.44 

138.89 

277.78 

138.89 

max

σ

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  Poprzeczne  zginanie 

 

144 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Prostok

ą

,

4

1

8

2

8

)

(

;

)

(

;

12

;

2

2

2

2

2

3





=

=

=

=

=

h

z

bh

bz

bh

z

S

b

z

b

bh

J

bh

A

y

y

 

 

(

)

(

)

(

)

2

.

1

5

6

2

1

8

9

1

8

9

2

1

4

9

4

1

64

144

)

(

)

(

1

1

4

2

1

1

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

4

2

6

2

2

2

2

=

=

+

=

=

=





=





=

=

∫∫

du

u

u

du

u

dz

h

z

h

dz

b

b

h

z

h

b

h

b

bh

dA

z

b

z

S

J

A

h

h

h

h

A

y

y

κ

 

Łatwo i warto zauwa

ż

y

ć

ż

e energetyczny współczynnik 

ś

cinania dla kwadratu 1*1 b

ę

dzie te

ż

 

miał warto

ś

ci 1.2  bo jak wida

ć

 z powy

ż

szych oblicze

ń

 jego wielko

ść

 nie zale

ż

y od b oraz h

Liczenie powy

ż

szej całki po obszarze 1*1 jest znacznie prostsze. 

Przekrój skrzynkowy i dwuteowy 
Warto

ś

ci energetycznego współczynnika 

ś

cinania dla obu przekrojów b

ę

d

ą

 takie same. 

Obliczenia przeprowadzimy dla przekroju skrzynkowego. 
 

32

10

*

4

12

*

6

=

=

A

667

.

530

12

10

*

4

12

12

*

6

3

3

=

=

y

J



<

<

<

<

=

6

5

;

6

5

0

;

2

)

(

z

z

z

b



<

<

=

<

<

=

+

=

6

5

;

3

108

3

3

*

6

*

6

5

0

;

58

5

.

2

*

5

*

2

5

.

5

*

1

*

6

)

(

2

2

2

2

z

z

z

z

z

z

z

S

y

1

2  2 

h

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  Poprzeczne  zginanie 

 

145 

(

)

447

.

1

014

.

0

433

.

1

600

.

126

667

.

12611

10

*

633

.

113

)

72

1296

(

3

)

116

3364

(

10

*

633

.

113

)

36

(

3

)

58

(

10

*

633

.

113

6

6

)

3

108

(

2

2

)

58

(

2

667

.

530

32

)

(

)

(

6

5

0

6

5

4

2

4

2

6

5

0

6

5

2

2

2

2

6

5

0

6

5

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

=

+

=

+

=

=

+

+

+

=

=

+

=

=

+

=

=

∫∫

dz

z

z

dz

z

z

dz

z

dz

z

dz

z

dz

z

dA

z

b

z

S

J

A

A

y

y

κ

 

Wynik oblicze

ń

 pokazuje, 

ż

e decyduj

ą

cy wpływ na wielko

ść

 

κ ma 

ś

rodnik nie półki. W 

pokazanym przykładzie udział 

ś

rodnika stanowi 1.433/1.447 =  99 %. 

 

Przykład  11.6.8.   

Obliczy

ć

    energi

ę

  spr

ęż

yst

ą

  U  dla  belki  wspornikowej  obci

ąż

onej  jak  na 

rysunku. 
 
 
 

= 1.0 kN ,  l = 0.20  m,    

 b = 

0.01 m,    h = 0.02 m,   

 E 

= 205 GPa,   

ν

=

0.3 

 
 

 
 

Rozwiązanie 

 
Policzymy  całkowit

ą

  energi

ę

  spr

ęż

yst

ą

  tej  belki  wykorzystuj

ą

c  wzór  wyra

ż

aj

ą

cy  energi

ę

 

spr

ęż

yst

ą

 poprzez siły przekrojowe: 

 

 

( )

( )

dx

GA

x

Q

dx

EJ

x

M

U

z

y

y

∑ ∫

∑∫

+

=

2

2

2

2

κ

.

 

 
M(x) = P(x-l) ;  Q(x) = P 
 

(

)

GA

l

P

EJ

l

P

dx

GA

P

dx

EJ

l

x

P

U

y

l

l

y

2

2

.

1

6

2

2

.

1

2

2

3

2

0

2

0

2

2

+

=

+

=

 

4

10

00

2

02

0

01

0

=

=

*

.

.

*

.

A

m

2

,   

8

3

10

667

0

12

02

0

01

0

=

=

*

.

.

*

.

J

y

m

4

(

)

(

)

9

9

10

846

78

3

0

1

2

10

205

1

2

*

.

.

*

E

G

=

+

=

+

=

ν

 N/m

2

 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  Poprzeczne  zginanie 

 

146 

983

0

008

0

975

0

10

000

2

10

846

78

2

200

0

10

2

1

10

667

0

10

205

6

200

0

10

4

9

6

8

9

3

6

.

.

.

*

.

*

*

.

*

.

*

*

.

*

.

*

*

*

.

*

U

=

+

=

+

=

Nm. 

Widoczny  jest  dominuj

ą

cy  wpływ  momentów  zginaj

ą

cych  w  energii  spr

ęż

ystej,  udział  sił 

poprzecznych  w  tym  przykładzie  wynosi  0.008/0.983 

≈  0.8%  i  z  reguły  jest  pomijany  w 

obliczeniach . 

11.7. Belki zespolone  

11.7.1. Naprężenia normalne w belkach zespolonych 

 

W  konstrukcjach  budowlanych  bardzo  cz

ę

sto  spotykamy  si

ę

  z  ustrojami  pr

ę

towymi 

wykonanymi z materiałów o ró

ż

nych własno

ś

ciach fizycznych, współpracuj

ą

cymi ze sob

ą

 na 

powierzchni  styku  w  sposób  ci

ą

gły.  Takie  konstrukcje  nazywa

ć

  b

ę

dziemy  belkami 

zespolonymi, a typowe ich przykłady jak belka 

ż

elbetowa czy obetonowana belka drewniana 

pokazane s

ą

 na rys. 11.9. 

 
 
 
 
 
 
 

Rys. 11.9 

 

Wyznaczymy  zale

ż

no

ś

ci  podaj

ą

ce  rozkład  napr

ęż

e

ń

  normalnych  w  belkach  zespolonych 

zginanych poprzecznie. 
Przy ich wyprowadzaniu przyjmiemy, 

ż

e: 

•  spełniona jest zasada płaskich przekrojów Bernoulie’go 
•  materiały składowe belki s

ą

 liniowo spr

ęż

yste i ró

ż

ni

ą

 si

ę

 jedynie stałymi materiałowymi 

•  obci

ąż

enie i przekrój poprzeczny belki spełnia warunki poprzecznego zginania. 

Rozwa

ż

my  przekrój  belki  zespolonej  pokazany  na  rys.  11.10,  w  którym  moment  zginaj

ą

cy 

jest równy 

( )

x

M

y

. O

ś

 Z jest osi

ą

 symetrii przekroju, a włókna le

żą

ce na płaszczy

ź

nie (X, Y

nie  zmieniaj

ą

  swej  długo

ś

ci  po  przyło

ż

eniu  obci

ąż

enia  wi

ę

c  o

ś

  Y  jest  osi

ą

  oboj

ę

tn

ą

.  Jej 

poło

ż

enie, na razie nie znane, wzgl

ę

dem włókien dolnych  okre

ś

la współrz

ę

dna  z

0

 . 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 11.10 

 
Zało

ż

enie  płaskich  przekrojów  pozwala  zapisa

ć

  równanie  geometryczne  okre

ś

laj

ą

ce 

odkształcenia liniowe dowolnych włókien w postaci:  

M

y

(x) 

x

 

z

A 

„i-ty” materiał 

Y

0 

i

x

σ

 drewno

 

 beton

 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  Poprzeczne  zginanie 

 

147 

( )

z

x

a

x

=

ε

 

gdzie:  z  -  współrz

ę

dna  włókien  mierzona  od  osi  oboj

ę

tnej  Y  (osi  zginania),  

 

( )

x

a

 - krzywizna osi belki. 

Liniowo spr

ęż

yste fizyczne własno

ś

ci  „i-tego” materiału powoduj

ą

ż

e napr

ęż

enia normalne 

w nim wynosz

ą

( )

z

x

a

E

E

i

x

i

i

x

=

=

ε

σ

(11.9) 

Te  napr

ęż

enia  musz

ą

  spełnia

ć

  równania  równowa

ż

no

ś

ci  odpowiednich  układów  sił 

wewn

ę

trznych i zewn

ę

trznych: 

 

0

=

∫∫

A

x

dA

σ

( )

x

M

dA

z

y

A

x

=

∫∫

σ

Podstawiaj

ą

c do pierwszego z nich (11.9) po kolejnych przekształceniach : 

( )

0

0

0

1

0

1

1

=

=

=

∫∫

∫∫

∑ ∫∫

=

=

=

k

i

A

i

i

k

i

A

i

i

k

i

A

i

i

x

i

i

i

dA

z

E

E

dA

z

x

a

E

dA

σ

otrzymujemy równanie do wyznaczenia osi oboj

ę

tnej Y : 

 

( )

0

1

0

=

=

k

i

i

y

i

z

S

n

(11.10) 

gdzie: k - ilo

ść

 materiałów składowych belki,  

         

0

E

E

n

i

i

=

, a 

0

E

to moduł Younga materiału przyj

ę

tego za porównawczy, 

         

( )

∫∫

=

i

A

i

i

y

dA

z

z

S

0

moment  statyczny  wzgl

ę

dem  osi  Y  pola  przekroju  zajmowanego           

przez „i-ty” materiał. 

 
Podstawiaj

ą

c  do  drugiego  równania  równowa

ż

no

ś

ci  wzór  (11.9)  i  wykonuj

ą

c  szereg 

przekształce

ń

 : 

( )

( )

( )

( )

( )

x

M

dA

z

E

E

x

a

x

M

dA

z

x

a

E

x

M

dA

z

y

k

i

A

i

i

y

k

i

A

i

i

y

k

i

A

i

i

x

i

i

i

=

=

=

∫∫

∫∫

∑∫∫

=

=

=

1

2

0

1

2

1

σ

otrzymujemy równanie do wyznaczenia krzywizny osi belki: 

 

( )

( )

yw

y

J

E

x

M

x

a

0

=

 

(11.11) 

gdzie: 

∑ ∫∫

=

=

k

i

i

A

i

yw

dA

z

n

J

i

1

2

- tzw. wa

ż

onym moment bezwładno

ś

ci. 

(11.12) 

Podstawiaj

ą

c (11.11) do (11.9) otrzymujemy wzór podaj

ą

cy rozkład napr

ęż

e

ń

 normalnych w 

przekroju poprzecznym zginanej belce zespolonej: 
 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  Poprzeczne  zginanie 

 

148 

( )

z

J

x

M

n

yw

y

i

i

x

=

σ

(11.13)   

 

 

11.7.2. Przykłady  

Przykład  11.7.2.1.

 Wyznaczy

ć

 rozkład napr

ęż

e

ń

 normalnych na podporze B zespolonej belki 

drewniano-betonowej,  pokazanej  na  rysunku,  przyjmuj

ą

c, 

ż

e  moduł  Younga  betonu  E

b

  jest 

czterokrotnie wi

ę

kszy od modułu Younga drewna E

d

 
 
 
 
 
 
 
 

Rozwiązanie 

 

Jako  materiał  porównawczy  przyjmiemy 
drewno,  st

ą

d  wielko

ś

ci  dotycz

ą

ce  betonu, 

przy  zało

ż

onym  stosunku  E

b

/E

d

 

,  b

ę

d

ą

 

mno

ż

one przez  4. 

Poło

ż

enie osi oboj

ę

tnej: 

=

=

2

1

0

0

i

i

y

i

;

)

z

(

S

n

 

 

 

(

)

(

)

(

)

[

]

60

18

0

16

20

10

18

36

18

4

16

20

10

0

0

0

0

.

z

z

*

*

z

*

*

z

*

*

=

=

+

cm. 

Wa

ż

ony moment bezwładno

ś

ci wzgl

ę

dem osi oboj

ę

tnej Y

+

+

=

=

=

2

2

1

3

6

2

20

10

12

20

10

.

*

*

*

J

n

J

i

i

y

i

yw

 

274813

6

2

20

10

12

20

10

6

0

36

18

12

36

18

4

2

3

2

3

=





+

+

+

.

*

*

*

.

*

*

*

cm

4

Warto

ś

ci napr

ęż

e

ń

 normalnych obliczamy ze wzoru: 

z

J

M

n

yw

y

i

i

x

=

σ

 

i wynosz

ą

 one w betonie: 

 

507

0

174

0

10

274813

10

2

4

8

3

.

.

*

*

górne

b

x

=

=

σ

MPa,  

(

)

541

0

186

0

10

274813

10

2

4

8

3

.

.

*

*

e

ln

do

b

x

=

=

σ

MPa. 

1 kN 

2 m 

4 m 

6 cm 

20 cm 

10 cm

10  4 

 E

4*E

d

 

z

= 18.6 

10 

10 

20 

17.4  

Y

wymiary w  

cm 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  Poprzeczne  zginanie 

 

149 

 
w drewnie: 
 

054

0

074

0

10

274813

10

2

8

3

.

.

*

*

górne

d

x

=

=

σ

 MPa, 

(

)

092

0

126

0

10

274813

10

2

8

3

.

.

*

*

e

ln

do

d

x

=

=

σ

MPa. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Przykład  11.7.2.2

.  Wyznaczy

ć

  poło

ż

enie  osi  oboj

ę

tnej  i  wa

ż

ony  moment  bezwładno

ś

ci 

zespolonej belki drewniano-stalowej pokazanej na rysunku je

ś

li moduł Younga stali E

s

 = 205 

GPa a moduł Younga drewna E

d

 = 10 GPa. 

 

Rozwiązanie

 

Jako  materiał  porównawczy  przyjmiemy 
drewno  st

ą

d  wielko

ś

ci  dotycz

ą

ce  stali  b

ę

d

ą

 

mno

ż

one przez  20.5. 

 

Poło

ż

enie osi oboj

ę

tnej: 

=

=

2

1

0

0

i

i
y

i

;

)

z

(

S

n

 

 

 

+

+

+

)

z

.

(

*

*

.

)

z

.

(

*

*

.

)

z

.

(

*

*

0

0

0

25

1

10

5

2

75

23

10

5

2

5

27

20

5

 

78

13

0

5

12

25

1

5

20

2

0

0

.

z

)

z

.

(

*

*

*

.

*

=

=

+

cm. 

Wa

ż

ony moment bezwładno

ś

ci wzgl

ę

dem osi oboj

ę

tnej: 

+

+

+

+

+

=

=

=

12

5

2

10

97

9

10

5

2

12

5

2

10

72

13

20

5

12

5

20

3

2

3

2

2

1

3

.

*

.

*

*

.

.

*

.

*

*

*

J

n

J

i

i

y

i

yw

 

614

194

28

1

20

1

12

20

1

5

20

2

53

12

10

5

2

2

3

2

.

.

*

*

*

.

*

.

*

*

.

=



+

+

+

cm

4

 
 
 

0.507 

0.541 

0.092

0.054 

σ 

x

  

MPa

 

10.0 

1.0 

1.0 

z

=13.78  

Y

5.0 

2.5 

2.5 

20.0  

wymiary w 

cm

 

20.0  

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  Poprzeczne  zginanie 

 

150 

 

Przykład 11.7.2.3

. Wyznaczy

ć

 warto

ś

ci 

napr

ęż

e

ń

 normalnych w przekroju poprzecznym 

zginanej momentem 

30

=

y

M

kNm  belki 

ż

elbetowej o przekroju prostok

ą

tnym 20x40 cm i 

zbrojeniu 4 

Ø

 12 mm (A

s

 = 4.52 cm

2

) jak na 

rysunku, przy zało

ż

eniu, 

ż

e beton nie przenosi 

napr

ęż

e

ń

 rozci

ą

gaj

ą

cych. Moduł Younga betonu 

E

b

 = 30 GPa, stali E

s

 = 205 GPa  

 

 

 

Rozwiązanie 

Przy rozwi

ą

zaniu zadania przyjmiemy, 

ż

e spełniona jest zasada płaskich przekrojów, oba 

materiały składowe tj. beton i stal pracuj

ą

 w zakresie liniowo spr

ęż

ystym oraz 

ż

e rozkład 

napr

ęż

e

ń

 normalnych w stali ze wzgl

ę

du na mał

ą

 

ś

rednic

ę

 pr

ę

tów jest stały. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Niewiadomymi w zadaniu s

ą

: warto

ś

ci napr

ęż

e

ń

 normalnych w betonie 

xb

σ

, stali 

zbrojeniowej 

xs

σ

oraz poło

ż

enie osi oboj

ę

tnej (zasi

ę

g strefy 

ś

ciskanej) 

0

z

Do dyspozycji mamy dwa równania równowa

ż

no

ś

ci układów sił wewn

ę

trznych i 

zewn

ę

trznych (wynikaj

ą

cych z równa

ń

 równowagi) i warunek geometryczny w postaci 

zało

ż

onej hipotezy płaskich przekrojów. 

Równania równowa

ż

no

ś

ci: 

s

xs

xb

s

b

s

b

A

s

xs

A

b

xb

A

x

A

b

z

N

N

N

N

dA

dA

dA

s

b

σ

σ

σ

σ

σ

=

=

=

+

=

+

=

∫∫

∫∫

∫∫

0

2

1

0

0

0

  (a) 

y

xb

y

b

y

A

x

M

z

h

b

z

M

z

h

N

M

dA

z

=

=

=

∫∫

0

1

0

0

1

3

1

2

1

3

1

σ

σ

(b) 

równanie geometryczne: 

0

1

0

z

h

z

xs

xb

=

ε

ε

(c) 

W powy

ż

szych zale

ż

no

ś

ciach  N

b

 i  N

s

 oznaczaj

ą

 wypadkow

ą

 napr

ęż

e

ń

 

ś

ciskaj

ą

cych w 

betonie i wypadkow

ą

 napr

ęż

e

ń

 rozci

ą

gaj

ą

cych w stali. 

Zało

ż

one liniowo spr

ęż

yste własno

ś

ci materiałów pozwalaj

ą

 napisa

ć

 zwi

ą

zki: 

M

xb

σ

3

0

z

N

b

 

xb

ε

xs

ε

3

0

1

z

h

h  h

1

 

z

0

 

N

s

 

X

 

40 

20 

M

wymiary w 

cm

 

3

 cm  

Z  

h  

b  

A

A

Y  

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  Poprzeczne  zginanie 

 

151 

xb

b

xb

E

ε

σ

=

,  

xs

s

xs

E

ε

σ

=

,   

które wstawione do równania (c)  daj

ą

 zale

ż

no

ść

 

 

xb

xs

z

z

h

n

σ

σ

0

0

1

=

 

(d) 

gdzie: 

b

s

E

E

n

=

Wstawienie tej zale

ż

no

ś

ci do równania (a) daje równanie kwadratowe  

0

2

2

2

1

1

0

2

0

0

0

1

0

=

+

=

h

b

A

n

z

b

A

n

z

A

z

z

h

n

b

z

s

s

s

xb

xb

σ

σ

z którego mo

ż

emy wyznaczy

ć

 poło

ż

enie osi oboj

ę

tnej w betonie: 

 

+

=

1

2

1

2

1

0

s

s

A

n

h

b

b

nA

z

(e)   

 

co z kolei dzi

ę

ki równaniom (b) i (a), pozwala wyznaczy

ć

 wyra

ż

enia okre

ś

laj

ą

ce wielko

ść

 

napr

ęż

e

ń

 normalne w betonie i stali : 

)

z

h

(

z

b

M

y

xb

3

2

0

1

0

=

σ

,              

)

z

h

(

A

M

s

y

xs

3

0

1

=

σ

(f) 

Podstawiaj

ą

c zadane wielko

ś

ci momentu zginaj

ą

cego, stałych materiałowych i wymiarów 

przekrojów betonu i stali otrzymujemy: 
 

185

0

1

10

52

4

833

6

37

0

20

0

2

1

20

0

10

52

4

833

6

2

1

2

1

2

4

4

1

0

.

*

.

*

.

.

*

.

*

.

*

.

*

.

*

A

n

h

b

b

nA

z

s

s

=



+

=

+

=

m, 

259

5

3

185

0

37

0

185

0

20

0

10

30

2

3

2

3

0

1

0

.

)

.

.

(

.

*

.

*

*

)

z

h

(

z

b

M

y

xb

=

=

=

σ

MPa, 

(

)

260

215

3

185

0

37

0

10

52

4

10

30

3

4

3

0

1

.

.

.

*

.

*

)

z

h

(

A

M

s

y

xs

=

=

=

σ

MPa.