background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymałość  Materiałów.  Nośność sprężysto-plastycznych ustrojów 
prętowych 

 

253 

19. NOŚNOŚĆ   SPRĘŻYSTO-PLASTYCZNYCH  USTROJÓW  PRĘTOWYCH 
19.1. Idealizacja wykresu rozci
ągania 

Wykres rozciągania stali miękkiej, otrzymany ze statycznej próby rozciągania, daje obraz 
rzeczywistego zachowania się tego materiału przy osiowym rozciąganiu. Nieregularny i 
skomplikowany kształt tego wykresu sprawia, że w zastosowaniach aproksymuje się go 
odcinkowo możliwie dobrze przybliżającymi, prostymi funkcjami analitycznymi. Tej 
idealizacji  dokonuje się w zależności od charakteru rzeczywistego wykresu i konkretnego 
zastosowania. Najczęściej stosowane aproksymacje pokazane są na rys.19.1.  
 

 
 
 

 
 
 
 
 

Rys. 19.1 

Model materiału liniowo sprężystego (ciało Hooke’a) stosowany jest w zagadnieniach, w 
których nie dopuszczamy wystąpienia odkształceń plastycznych. Takie ciało było 
przedmiotem naszych dotychczasowych rozważań. 
Model materiału idealnie sztywno plastycznego (ciało de Saint-Venanta) używany jest w 
zagadnieniach technologicznej plastyczności, jak np. walcowanie lub przeciąganie, czyli w 
procesach w których odkształcenia plastyczne są dominujące i  sprężyste mogą być 
pominięte.   
Model ciała idealnie sprężysto-plastycznego (ciało Prandtla) stosowany jest do opisu 
zachowania się materiału, w którym występuje wyraźna platforma płynięcia i w 
zagadnieniach, w których  dopuszczamy umiarkowane odkształcenia plastyczne. 
Stosowane też bywają bardziej skomplikowane modele materiału uwzględniające np. 
wzmocnienie plastyczne czy nieliniowe odkształcenia sprężyste.  
 
19.2. Zginanie prętów z materiału sprężysto-plastycznego. 
 
Rozważać będziemy zginanie poprzeczne prętów pryzmatycznych wykonanych z materiału o 
jednakowych własnościach na rozciąganie i ściskanie (materiał izonomiczny), opisanych 
modelem ciała idealnie sprężysto-plastycznego, którego wykres zależności 

ε

σ

−  wraz z 

równaniami dla jednoosiowego stanu naprężenia pokazany jest na rys. 19.2. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 19.2 

σ

 

 

R

H

 

 

ε

 

 

materiał  
liniowo  spr
ężysty 

R

e

 

 

ε

 

 

σ

 

 

materiał sztywno       
plastyczny

 

R

e

 

 

ε

 

 

σ

 

 

materiał sprężysto- 
plastyczny

 

ε

σ

E

=

    dla

     

pl

pl

ε

ε

ε

<

<

 

e

R

=

σ

     dla 

   

pl

ε

ε

 

e

R

=

σ

   dla

     

pl

ε

ε

 

e

R

pl

ε

σ

 

 

ε

 

 

pl

ε

e

R

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymałość  Materiałów.  Nośność sprężysto-plastycznych ustrojów 
prętowych 

 

254 

 
Analizy zachowania się takich prętów dokonamy przyjmując następujące założenia:   
•  spełniona jest zasada płaskich przekrojów, 
•  obciążenie i przekrój poprzeczny belki spełnia warunki poprzecznego zginania, 
•  pomijalny jest wpływ  sił poprzecznych na osiągnięcie stanu plastycznego.  
Zaczniemy od analizy wybranego przekroju pręta, pokazanego na rys. 19.3, w którym 
moment zginający, działający w jego płaszczyźnie symetrii, pręta jest równy M  (dla 
uproszczenia zapisu opuszczony został dolny indeks). W zależności od wartości tego 
momentu zginającego mogą wystąpić następujące stany mechaniczne tego przekroju i 
odpowiadające im rozkłady naprężeń normalnych (patrz  rys. 19.3): 
1- stan sprężysty, 
2- graniczny stan sprężysty, 
3- stan sprężysto-plastyczny (częściowe uplastycznienie przekroju), 
4- graniczny stan plastyczny (pełne uplastycznienie przekroju). 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 19.3 

Przy niewielkiej wartości momentu zginającego w przekroju występuje stan sprężysty, 
rozkład naprężeń normalnych jest liniowy, zerują się one na osi Y (osi obojętnej), a ich 
największa wartość jest mniejsza od granicy plastyczności

e

R

Zwiększaniu wartości momentu zginającego odpowiadać będzie wzrost odkształceń 
liniowych (zarówno tych dodatnich, jak i ujemnych) i stowarzyszony z tym wzrost naprężeń 

normalnych. Przy pewnej wartości   – nazywanej granicznym momentem sprężystym 
punkty najbardziej oddalone od osi obojętnej zostaną uplastycznione, wystąpią w nich 
naprężenia o wartości równej 

e

R

, i stan ten nazywamy granicznym stanem sprężystym.  

Dalsze zwiększaniu momentu zginającego powoduje dalszy wzrost odkształceń i naprężeń, 
ale naprężenia mogą się zwiększać tylko w tych punktach, gdzie były one mniejsze od granicy 
plastyczności 

e

R

.  W tym stanie nazywanym stanem sprężysto-plastycznym w przekroju 

poprzecznym wystąpią obszary sprężyste, jak i uplastycznione.  
Stan końcowy, w którym we wszystkich punktach przekroju naprężenia są równe granicy 

plastyczności, nazywamy granicznym stanem plastycznym, a moment zginający  , przy 
którym ten stan się realizuje nazywamy - granicznym momentem plastycznym. Przekrój jest 
wówczas w pełni uplastyczniony i zgodnie z przyjętym modelem fizycznym materiału 
odkształcenia liniowe mogą wzrastać w nim nieograniczenie. 
Zajmiemy się wpierw granicznym stanem sprężystym. 

e

x

R

=

σ

e

x

R

=

σ

e

x

R

=

σ

e

x

R

<

σ

e

x

R

<

σ

Y

pl 

M

 

e

x

R

<

σ

e

x

R

=

σ

e

x

R

=

σ

e

x

R

=

σ

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymałość  Materiałów.  Nośność sprężysto-plastycznych ustrojów 
prętowych 

 

255 

Zależności określające w stanie sprężystym rozkład naprężeń normalnych, krzywiznę osi 
belki i jej przemieszczenia są znane z poprzednich rozważań. Oś obojętna sprężystego 
zginania to główna centralna ,oś bezwładności przekroju poprzecznego, równoległa do 

wektora momenty zginającego. Wartość granicznego momentu sprężystego  , tj. momentu 
zginającego, który powoduje uplastycznienie skrajnego punktu (lub punktów) przekroju 
poprzecznego, wyznaczymy z zależności: 

spr

e

spr

e

x

W

R

M

W

M

R

max

=

=

=

σ

(19.1) 

gdzie: 

z

max

J

W

W

y

y

spr

=

=

 to wskaźnik wytrzymałości względem osi obojętnej sprężystego 

zginania. 
Przejdźmy teraz do granicznego stanu plastycznego. 
Oznaczmy przez 

1

A

 uplastycznioną rozciąganą część przekroju, a przez 

2

A

 uplastycznioną 

ś

ciskaną część przekroju (rys. 19.4). Rozdziela je oś obojętna zginania plastycznego, której 

położenie nie jest, na razie, znane. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 19.4 

 

 Chcemy wyznaczyć położenie osi obojętnej tego zginania i wartość granicznego momentu 

plastycznego 

M

, tj. momentu zginającego, który powoduje całkowite uplastycznienie 

przekroju poprzecznego. 
Do dyspozycji mamy dwa równania równoważności układów sił wewnętrznych i 
zewnętrznych. 

0

=

∫∫

A

x

dA

σ

M

dA

z

A

x

=

∫∫

σ

Podstawiając do pierwszego równania wartości naprężeń w tym granicznym stanie dostajemy 
zależność 

(

)

2

1

2

1

0

2

1

A

A

dA

R

dA

R

A

e

A

e

=

=

+

∫∫

∫∫

(19.2) 

która dowodzi, że oś obojętna zginania plastycznego połowi przekrój poprzeczny. 
Z drugiego równania równoważności otrzymujemy wartość granicznego momentu 
plastycznego: 

e

x

R

=

σ

e

x

R

=

σ

Y

pl 

M

A

2 

A

1 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymałość  Materiałów.  Nośność sprężysto-plastycznych ustrojów 
prętowych 

 

256 

 

(

)

pl

e

A

e

A

e

W

R

M

M

dA

z

R

dA

z

R

=

=

+

∫∫

∫∫

2

1

2

1

 

(19.3) 

gdzie : 

2

1

ypl

ypl

pl

S

S

W

+

=

- plastyczny wskaźnik wytrzymałości 

(19.4) 

 

∫∫

=

1

1

1

A

ypl

dA

z

S

∫∫

=

2

2

2

A

ypl

dA

z

S

- momenty statyczne odpowiednich części przekroju 

poprzecznego względem osi obojętnej plastycznego zginania. 
Oba graniczne momenty zginające zależne są jedynie od materiału i kształtu przekroju 
poprzecznego. 
Przejdźmy teraz do analizy belek z materiału Prandtla pracujących w warunkach zginania 
poprzecznego. 
W ogólności na długości belki poszczególne jej przekroje mogą się znajdować we wszystkich 
wyżej opisanych stanach mechanicznych i zależeć to będzie od wielkości przyłożonych 
obciążeń. W pewnej analogii do wyżej wprowadzonych określeń, dotyczących momentów 
zginających możemy obciążenia przyłożone do belki podzielić na:  

  graniczne obciążenie sprężyste (graniczna nośność sprężysta) 

  graniczne obciążenie plastyczne (graniczna nośność plastyczna) 

  nośność graniczna. 

Graniczne obciążenie sprężyste     lub   - to taka wielkość obciążenia danej belki, przy 

której choć w jednym jej przekroju  wystąpi graniczny moment sprężysty  

Graniczne obciążenie plastyczne  

P

  lub   - to taka wielkość obciążenia danej belki przy 

której choć w jednym jej przekroju wystąpi graniczny moment plastyczny 

M

Nośności graniczna 

*

P

  lub 

*

q

 - to taka wielkość obciążenia danej belki przy którym traci 

ona zdolność do jego przenoszenia (belka staje się geometrycznie zmienna). 
W belkach statycznie wyznaczalnych graniczne obciążenie plastyczne jest tożsame z 
nośnością graniczną, gdyż pełne uplastycznienie  przekroju jest równoważne powstaniu w 
nim przegubu plastycznego, co czyni belkę kinematycznie zmienną. Przegub plastyczny, w 

odróżnieniu od zwykłego przegubu przenosi graniczny moment plastyczny 

M

, ale obrót 

sąsiednich przekrojów jest w nim swobodny co daje belce dodatkowy stopień swobody.  
W belkach statycznie niewyznaczalnych sytuacja jest trochę odmienna bo na ogół powstaniu 
jednego przegubu plastycznego nie czyni belki geometrycznie zmienną, a tylko obniża jej 
stopień statycznej niewyznaczalności. Stąd na w belce n-krotnie statycznie niewyznaczalnej 
maksymalna liczba przegubów plastycznych, potrzebna do zamiany belki w mechanizm 
wynosi  

n

+1. 

Nośność graniczną można otrzymać w dwojaki sposób: 

  pierwszy,  polega  na zwiększaniu obciążeń i analizie kolejnych wywołanych przez nie 

stanów konstrukcji od sprężystych aż do stanu nośności granicznej, 

  drugi,  polega na bezpośredniej analizie stanów nośności granicznej tzn. analizie  

konstrukcji w której wprowadzonych zostało tak wiele przegubów plastycznych (w ogólności 
obszarów uplastycznionych), że stała się geometrycznie zmienna i wykorzystaniu twierdzeń 
ekstremalnych teorii plastyczności. 
W teorii plastyczności występują pojęcia pól statycznie i kinematycznie dopuszczalnych w 
konstrukcji, które definiujemy następująco:  

  polem statycznie dopuszczalnym, nazywamy  pole naprężeń, które spełnia warunki  

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymałość  Materiałów.  Nośność sprężysto-plastycznych ustrojów 
prętowych 

 

257 

równowagi i jest niesprzeczne z warunkiem plastyczności  tzn. 

M

M

max

 (

e

R

σ

max

 
•  polem kinematycznie dopuszczalnym nazywamy pole przemieszcze

ń

, które jest 

niesprzeczne z istniej

ą

cymi wi

ę

zami. 

Twierdzenia ekstremalne teorii plastyczno

ś

ci mo

ż

emy sformułowa

ć

 nast

ę

puj

ą

co: 

•  twierdzenie o oszacowaniu dolnym:  
    najwi

ę

ksze spo

ś

ród statycznie dopuszczalnych obci

ąż

e

ń

 granicznych jest rzeczywist

ą

 

    no

ś

no

ś

ci

ą

 graniczn

ą

•  twierdzenie o oszacowaniu dolnym:  
    najmniejsze spo

ś

ród kinematycznie dopuszczalnych obci

ąż

e

ń

 granicznych jest rzeczywist

ą

 

    no

ś

no

ś

ci

ą

 graniczn

ą

St

ą

d wnosimy, 

ż

e wyznaczona metod

ą

 pól statycznie dopuszczalnych (podej

ś

cie statyczne) 

no

ś

no

ść

 graniczna jest oszacowaniem od dołu rzeczywistej no

ś

no

ś

ci granicznej, natomiast w 

przypadku pól kinematycznie dopuszczalnych ( podej

ś

cie kinematyczne) jest oszacowaniem 

od góry. 
Mo

ż

na wi

ę

c powiedzie

ć

ż

e rezultat otrzymany podej

ś

ciem statycznym jest bezpieczniejszy 

gdy

ż

 okre

ś

lona t

ą

 metod

ą

 no

ś

no

ść

 graniczna jest mniejsza od rzeczywistej i w istocie rzeczy 

konstrukcja mo

ż

e przenie

ść

 wi

ę

ksze obci

ąż

enie. 

Te dwa sposoby pokazane zostan

ą

 na przykładzie belki jednokrotnie statycznie 

niewyznaczalnej o prostok

ą

tnym przekroju poprzecznym b

×

 h 

=0.06 

× 0.12 m, obci

ąż

onej jak 

na rys. 19.5 i wykonanej z materiału, którego granica plastyczno

ś

ci 

225

=

e

R

 MPa. 

 
 
 
 
 
 
 

 

Rys. 19.5 

Wpierw obliczymy graniczne momenty spr

ęż

ysty i plastyczny. Poniewa

ż

 przekrój jest 

bisymetryczny wi

ę

c o

ś

 Y jest osi

ą

 oboj

ę

tn

ą

 zginania zarówno spr

ęż

ystego jak i plastycznego.  

Wska

ź

nik wytrzymało

ś

ci spr

ęż

ystego zginania wynosi: 

144

6

2

=

=

/

bh

W

spr

 cm

3

, natomiast 

wska

ź

nik wytrzymało

ś

ci plastycznego zginania jest równy: 

216

4

/

8

/

*

2

2

2

=

=

=

bh

bh

W

pl

cm

3

St

ą

d graniczny moment spr

ęż

ysty: 

32400

10

144

10

225

6

6

=

=

=

*

*

*

W

R

M

spr

e

 Nm, a 

graniczny moment plastyczny wynosi: 

48600

10

216

10

225

6

6

=

=

=

*

*

*

W

R

M

pl

e

 Nm. 

Pierwsza metoda okre

ś

lenia no

ś

no

ś

ci granicznej wymaga wyznaczenia momentów w tej 

jednokrotnie statycznie niewyznaczalnej belce. Aby to uczyni

ć

 musimy zna

ć

 reakcje, których 

wyznaczenie z samych równa

ń

 równowagi nie jest mo

ż

liwe. Gdyby

ś

my jednak znali jedn

ą

 z 

nich to pozostałe łatwo wyznaczymy z równa

ń

 równowagi. Wyznaczmy wi

ę

c warto

ść

 

momentu w utwierdzeniu 

A

M

. W tym celu zast

ą

pimy dan

ą

 belk

ę

 statycznie niewyznaczaln

ą

 

równowa

ż

n

ą

 jej wolnopodpart

ą

 belk

ą

 statycznie wyznaczaln

ą

 obci

ąż

on

ą

 prócz sił skupionych, 

momentem 

A

M

. Warto

ść

 

A

M

 wyliczymy z warunku zerowania si

ę

 k

ą

ta ugi

ę

cia na podporze 

A

 w belce wolnopodpartej. Mo

ż

emy to uczyni

ć

 korzystaj

ą

c np. z metody Mohra obliczania 

ugi

ęć

X

 

Z

 

Y

 

l

 

l

 

l

 

2 P 

Z

 

l

 = 1.0 m

 

h

 = 0.12 m

 

b

 = 0.06 m

 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  No

ś

no

ść

 spr

ęż

ysto-plastycznych ustrojów 

pr

ę

towych 

 

258 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

0

3

2

*

2

1

2

*

3

5

.

1

2

1

2

*

4

2

1

3

4

*

2

4

2

1

4

*

0

=

+

=

l

l

EJ

Pl

l

l

EJ

Pl

l

l

EJ

Pl

l

l

EJ

M

l

V

M

y

y

y

y

A

fA

fD

y

A

fA

EJ

M

Pl

V

12

16

27

2

=

Pl

l

P

M

EJ

M

Pl

V

A

y

A

A

fA

6875

.

1

16

27

0

12

16

27

2

=

=

=

=

=

ϕ

Znajomo

ść

 momentu utwierdzenia 

A

M

 

pozwala na wyznaczenie wykresu 
momentów zginaj

ą

cych w zast

ę

pczej 

statycznie wyznaczalnej belce 
wolnopodpartej, który jest równocze

ś

nie 

wykresem momentów w danej belce 
statycznie niewyznaczalnej. Wida

ć

 z 

niego, 

ż

e najwi

ę

kszy co do bezwzgl

ę

dnej 

warto

ś

ci moment zginaj

ą

cy wyst

ę

puje w 

utwierdzeniu, wi

ę

c graniczne obci

ąż

enie 

spr

ęż

yste obliczymy z zale

ż

no

ś

ci: 

 

19200

6875

.

1

=

=

P

l

P

M

N. 

Zwi

ę

kszanie  warto

ść

 sił powoduje rozwój obszarów uplastycznionych i skutkuje 

pojawieniem si

ę

 pierwszego granicznego momentu plastycznego. Wyst

ą

pi on  w utwierdzeniu 

bo tam jest najwi

ę

kszy moment zginaj

ą

cy w tej belce. Zatem graniczne obci

ąż

enie plastyczne 

b

ę

dzie miało warto

ść

28800

6875

.

1

=

=

P

l

P

M

N. 

 
 
 
 
 

M

=1.6875 Pl 

l

 

l

 

l

 

2 P 

M

 

1.6875

 P

l

 

1.57812

 P

l

1.15625

 P

l

belka rzeczywista 

belka fikcyjna 

M

A

 /

E

J

y

 

Pl/EJ

l

 

l

 

l

 

A

 

D

 

M

l

 

l

 

l

 

2 P 

P

 

1.5

P

M

A

 

1.5Pl/EJ

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  No

ś

no

ść

 spr

ęż

ysto-plastycznych ustrojów 

pr

ę

towych 

 

259 

 
Pełne uplastycznienie przekroju w 
utwierdzeniu nie zamienia tej belki w 
mechanizm, powoduje jedynie wyst

ą

pienie w 

utwierdzeniu przegubu plastycznego czyni

ą

belk

ę

 statycznie wyznaczaln

ą

  obci

ąż

on

ą

 

siłami skupionymi i granicznym momentem 

plastycznym  . Wykres momentów 
zginaj

ą

cych w tym stanie mechanicznym 

belki pokazuje rysunek obok. 
 

 

 
Belka stanie si

ę

 kinematycznie zmienna gdy w wyniku dalszego zwi

ę

kszenia sił 

obci

ąż

aj

ą

cych pojawi si

ę

 drugi przegub plastyczny i wyst

ą

pi on w przekroju  C

 

gdy zostanie 

on całkowicie uplastyczniony. No

ś

no

ś

ci graniczn

ą

 tej belki wyznaczymy z zale

ż

no

ś

ci: 

 

30375

8

5

4

2

*

=

=

=

l

M

P

M

l

P

M

N. 

Przejdziemy teraz do wyznaczenia no

ś

no

ś

ci granicznej danej belki wykorzystuj

ą

c twierdzenia 

ekstremalne teorii plastyczno

ś

ci. 

Wpierw wyznaczymy jej no

ś

no

ść

 graniczn

ą

 metod

ą

 pól kinematycznie dopuszczalnych 

(podej

ś

cie kinematyczne), a nast

ę

pnie metod

ą

 pól statycznie dopuszczalnych (podej

ś

cie 

statyczne). 

Metoda pól kinematycznie dopuszczalnych – podejście kinematyczne. 

W tym podej

ś

ciu rozwa

ż

amy konstrukcj

ę

 w stanie granicznym z odpowiedni

ą

 liczb

ą

 

przegubów plastycznych czyni

ą

c

ą

 j

ą

 geometrycznie zmienn

ą

. Nast

ę

pnie do takiej konstrukcji 

stosujemy zasad

ę

 prac wirtualnych mówi

ą

c

ą

ż

e: suma prac wirtualnych sił zewn

ę

trznych

 

jest

 

równa sumie prac wirtualnych sił wewn

ę

trznych.

 

Z równania prac wirtualnych wi

ążą

cych 

zadane obci

ąż

enie zewn

ę

trzne i graniczne momenty plastyczne w przegubach plastycznych 

jako siły wewn

ę

trzne wyznaczamy no

ś

no

ść

 graniczn

ą

 belki. Pewnym problemem tego 

podej

ś

cia jest konieczno

ść

 okre

ś

lenia a priori poło

ż

enia przegubów plastycznych Dobr

ą

 

wskazówk

ą

 do okre

ś

lenia miejsca ich wyst

ę

powania jest wykres momentów zginaj

ą

cych w 

stanie spr

ęż

ystym, gdy

ż

 przeguby b

ę

d

ą

 w miejscach ekstremalnych warto

ś

ci lub załamania 

tych wykresów. Ale w ogólno

ś

ci, zwłaszcza w wielokrotnie statycznie niewyznaczalnej i 

nieprostej w swej geometrii konstrukcji nie jest łatwo okre

ś

li

ć

 poło

ż

enie przegubów 

odpowiadaj

ą

ce rzeczywistemu stanowi granicznemu. St

ą

d konieczno

ść

 rozwa

ż

enia kilku 

schematów zniszczenia i wyznaczenia dla ka

ż

dego odpowiadaj

ą

cej mu no

ś

no

ś

ci granicznej. 

Najmniejsz

ą

 z nich uznajemy za no

ś

no

ść

 graniczn

ą

 i jak ju

ż

 wspomniano wy

ż

ej mo

ż

na 

dowie

ść

ż

e jest to górne oszacowanie rzeczywistej no

ś

no

ś

ci granicznej konstrukcji. 

Kinematycznie dopuszczalne schematy zniszczenia. 
Schemat pierwszy. 
Zakładamy, 

ż

e obci

ąż

enie spowoduje pełne uplastycznienie przekroju w utwierdzeniu i 

punkcie B (tzn. powstanie przegubów plastycznych), bo tam s

ą

 lokalne ekstrema funkcji 

momentów w stanie spr

ęż

ystym (załamania wykresu momentów). Z odpowiadaj

ą

cego 

przyj

ę

temu schematowi zniszczenia planu przemieszcze

ń

 przygotowanych wynikaj

ą

 

wyra

ż

enia na prac

ę

 wirtualn

ą

 sił zewn

ę

trznych i wewn

ę

trznych. 

 
 

M

l

 

l

 

l

 

2 P 

M

 

M

2

2

M

P

4

2

M

P

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  No

ś

no

ść

 spr

ęż

ysto-plastycznych ustrojów 

pr

ę

towych 

 

260 

 

Praca wirtualna sił zewn

ę

trznych: 

P

P

L

z

+

=

1

2

.

 

Praca wirtualna sił wewn

ę

trznych: 

θ

M

L

w

3

=

.

 

Poniewa

ż

θ

*

2l

=

,  

θ

*

1

l

=

,   

to zasady prac wirtualnych 

θ

θ

θ

M

l

P

l

P

L

L

w

z

3

2

*

*

2

=

+

=

 

l

M

P

4

3

1

=

 

 

Schemat drugi

Tym razem zakładamy, 

ż

e pełne uplastycznienie przekroju wyst

ą

pi w utwierdzeniu i punkcie 

C

 (tzn. powstanie przegubów plastycznych). Z odpowiadaj

ą

cego temu schematowi 

zniszczenia planu przemieszcze

ń

 przygotowanych wynikaj

ą

 wyra

ż

enia na prac

ę

 wirtualn

ą

 sił 

zewn

ę

trznych i wewn

ę

trznych. 

 

          

1

2

+

=

P

P

L

z

,    

1

2

θ

θ

M

M

L

w

+

=

          

1

1

*

,

*

2

θ

θ

l

l

=

=

,   

1

*

*

3

θ

θ

l

l

=

 

         

w

z

L

L

=

          

θ

θ

θ

θ

M

M

l

P

l

P

3

2

3

*

*

2

2

*

+

=

+

        

l

M

P

8

5

2

=

 

Za no

ś

no

ść

 graniczn

ą

 uznajemy mniejsz

ą

 z tych dwóch sił,  

zatem 

30375

8

5

=

=

l

M

P

N, i jak wy

ż

ej zostało powiedziane rzeczywista no

ś

no

ść

 

graniczna nie jest wi

ę

ksza od tej warto

ś

ci.  

Metoda pól statycznie dopuszczalnych – podejście statyczne. 

Potrzebujemy zało

ż

y

ć

 (przypu

ś

ci

ć

)

 

statycznie dopuszczalne schematy zniszczenia. Tak jak 

poprzednio pewnym problemem tego podej

ś

cia jest konieczno

ść

 okre

ś

lenia a priori poło

ż

enia 

przegubów plastycznych. I, jak poprzednio b

ę

dziemy je zakłada

ć

 w miejscach ekstremalnych 

warto

ś

ci lub załamania wykresów momentów w stanie spr

ęż

ystym. Dla ka

ż

dego, zało

ż

onego 

statycznie dopuszczalnego pola wyznaczymy odpowiadaj

ą

c

ą

 mu no

ś

no

ść

 graniczn

ą

Najwi

ę

ksz

ą

 z nich uznajemy za no

ś

no

ść

 graniczn

ą

 i jak ju

ż

 wspomniano wy

ż

ej mo

ż

na 

dowie

ść

ż

e jest to dolne oszacowanie rzeczywistej no

ś

no

ś

ci granicznej konstrukcji. 

 
 
 
 
 
 
Schemat pierwszy. 
Zakładamy, 

ż

e obci

ąż

enie spowoduje pełne uplastycznienie przekroju w utwierdzeniu i 

punkcie B (tzn. powstanie przegubów plastycznych), bo tam s

ą

 lokalne ekstrema funkcji 

momentów w stanie spr

ęż

ystym (załamania wykresu momentów).  

θ

 

θ

 

 

2 P 

M

M

M

θ

θ

 

 

2 P 

M

M

M

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  No

ś

no

ść

 spr

ęż

ysto-plastycznych ustrojów 

pr

ę

towych 

 

261 

 

Nale

ż

y teraz obliczy

ć

 warto

ś

ci wszystkich sił 

działaj

ą

cych na konstrukcj

ę

, które musz

ą

 spełnia

ć

 

warunki równowagi. 
Z warunków równowagi otrzymujemy: 

l

M

V

M

l

V

M

A

A

L

B

=

=

=

0

*

2

2

*

0

=

=

0

*

2

2

*

0

M

l

P

l

V

M

D

P

B

 

l

M

P

V

D

2

+

=

l

M

P

P

V

V

Y

D

A

4

3

0

*

3

0

1

=

=

+

=

l

M

V

D

4

5

=

 

Wykres momentów pokazuje, 

ż

e zało

ż

one pole nie jest statycznie dopuszczalne gdy

ż

 w 

punkcie C  moment zginaj

ą

cy 

M

M

>

4

5

i nie spełniony jest warunek plastyczno

ś

ci. 

Schemat drugi. 
Zakładamy, 

ż

e obci

ąż

enie spowoduje pełne uplastycznienie przekroju w utwierdzeniu i 

punkcie C.  

 

 
Warunki równowagi daj

ą

 nast

ę

puj

ą

ce warto

ś

ci sił 

działaj

ą

cych na konstrukcje przy tym zało

ż

onym 

schemacie zniszczenia: 

=

=

0

*

*

2

3

*

0

P

l

M

l

V

M

A

L

C

 

(

)

l

l

P

M

V

A

3

2

+

=

l

M

V

M

l

V

M

D

D

P

C

=

=

=

0

*

0

l

M

P

P

V

V

Y

D

A

8

5

0

*

3

0

2

=

=

+

=

 

l

M

V

A

8

7

=

 

Odpowiadaj

ą

cy b

ę

d

ą

cym w równowadze siłom działaj

ą

cym na belk

ę

 wykres momentów 

pokazuje, 

ż

e w konstrukcji spełniony jest warunek plastyczno

ś

ci. A wi

ę

c zało

ż

one pole 

napr

ęż

e

ń

 jest statycznie dopuszczalne, i mo

ż

emy przyj

ąć

ż

e no

ś

no

ść

 graniczna rozwa

ż

anej 

belki wynosi:

30375

8

5

2

=

=

=

l

M

P

P

N, i jak wy

ż

ej zostało powiedziane rzeczywista 

no

ś

no

ść

 graniczna nie jest mniejsza od tej warto

ś

ci. 

Poniewa

ż

 z podej

ś

cia kinematycznego otrzymali

ś

my taki sam wynik wi

ę

30375

8

5

=

=

l

M

P

N, jest rzeczywist

ą

 no

ś

no

ś

ci

ą

 graniczn

ą

 rozwa

ż

anej konstrukcji. 

 

 

 

M

M

 

M

l

 

l

 

l

 

M

M

V

V

M

4

M

M

2

M

M

 

2l

 

l

 

l

 

M

V

V

M

4

3M

M

2

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  No

ś

no

ść

 spr

ęż

ysto-plastycznych ustrojów 

pr

ę

towych 

 

262 

19.2.1. Przykłady 
Przykład 19.2.1.1.

 Dla podanej belki o 

przekroju prostok

ą

tnym  bxh = 0.02x0.06 m 

wyznaczy

ć

 graniczne obci

ąż

enie spr

ęż

yste 

q

,  graniczne obci

ąż

enie plastyczne 

q

 oraz 

no

ś

no

ść

 graniczn

ą

  

*

q

 je

ś

li  

granica plastyczno

ś

ci  

300

=

e

R

MPa.

 

 

Rozwiązanie 

Maksymalny moment zginaj

ą

cy w belce  

8

2

l

q

M

max

=

 

Spr

ęż

ysty wska

ź

nik wytrzymało

ś

ci dla przekroju prostok

ą

tnego 

6

2

h

b

W

W

y

spr

=

=

 

Plastyczny wska

ź

nik wytrzymało

ś

ci dla przekroju prostok

ą

tnego 

4

4

2

2

2

h

b

h

h

b

*

W

pl

=

=

 

Graniczny moment spr

ęż

ysty  

3600

10

300

6

10

6

2

6

6

2

=

=

=

*

*

*

*

R

W

M

e

spr

Nm. 

Graniczny moment plastyczny:   

5400

10

300

4

10

6

2

6

6

2

=

=

=

*

*

*

*

R

W

M

e

pl

Nm. 

 
Graniczne obci

ąż

enie spr

ęż

yste wyznaczymy z zale

ż

no

ś

ci: 

 

1800

4

3600

8

8

8

2

2

2

=

=

=

=

=

*

l

M

q

M

l

q

M

M

max

N/m. 

Graniczne obci

ąż

enie plastyczne wynosi: 

 

2700

4

5400

8

8

8

2

2

2

=

=

=

=

=

*

l

M

q

M

l

q

M

M

max

N/m. 

Belka jest statycznie wyznaczalna, obci

ąż

enie jej granicznym obci

ąż

eniem plastycznym 

spowoduje powstanie w jej 

ś

rodku rozpi

ę

to

ś

ci dodatkowego przegubu zmieniaj

ą

c j

ą

 w 

mechanizm i dlatego graniczne obci

ąż

enie plastyczne jest równe no

ś

no

ś

ci granicznej

 

2700

=

q

q

*

N/m. 

W belce statycznie wyznaczalnej o  przekroju prostok

ą

tnym 

5

1.

W

W

q

q

q

q

spr

pl

*

=

=

=

 i to 

dowodzi, 

ż

e obci

ąż

enie powoduj

ą

ce zniszczenie belki jest  o 50 % wi

ę

ksze od obci

ąż

enia 

które powoduje uplastycznienie włókien skrajnych w przekroju maksymalnego momentu 
zginaj

ą

cego. Łatwo mo

ż

na stwierdzi

ć

ż

e to zwi

ę

kszenie no

ś

no

ś

ci w przypadku belek 

statycznie wyznaczalnych zale

ż

e

ć

 b

ę

dzie jedynie od stosunku wska

ź

ników wytrzymało

ś

ci 

plastycznego i spr

ęż

ystego, czyli od kształtu przekroju. W przypadku belek statycznie 

niewyznaczalnych zwi

ę

kszenie no

ś

no

ś

ci belki zale

ż

e

ć

 jeszcze b

ę

dzie od stopnia jej statycznej 

niewyznaczalno

ś

ci. 

= 4 m 

Y

 

pl 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  No

ś

no

ść

 spr

ęż

ysto-plastycznych ustrojów 

pr

ę

towych 

 

263 

Przykład 19.2.1.2.

 Wyznaczy

ć

 graniczne obci

ąż

enie spr

ęż

yste, plastyczne i no

ś

no

ść

 belki, 

je

ś

li granica plastyczno

ś

ci 

345

=

e

R

MPa.

 

 
 
 
 
 
Rozwi
ązanie 

 
Maksymalny moment zginaj

ą

cy, jak pokazuje poni

ż

szy wykres wyst

ę

puje w utwierdzeniu i 

wynosi: max M = 12q. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
O

ś

 oboj

ę

tna zginania spr

ęż

ystego to o

ś

 Y 

przechodz

ą

ca  przez 

ś

rodek ci

ęż

ko

ś

ci przekroju, 

równoległa do wektora momentu zginaj

ą

cego. Jej 

poło

ż

enie wyznaczamy z warunku zerowania si

ę

 

momentu statycznego w sposób ju

ż

 wielokrotnie 

stosowany w zagadnieniach zginania.  

0

88

4

10

14

2

2

10

.

*

*

*

A

=

+

+

=

cm

0

768

2

4

10

11

14

2

19

2

10

0

.

*

*

*

*

*

*

S

y

=

+

+

=

cm

73

8

88

768

0

.

A

S

z

yo

=

=

=

cm. 

 

 

78

4582

73

7

20

12

2

10

27

2

68

12

14

8

12

18

10

2

3

2

3

3

.

.

*

*

.

*

*

*

J

y

=

+

+

+



=

cm

4

Wska

ź

nik wytrzymało

ś

ci spr

ęż

ystego zginania 

63

406

27

11

78

4582

.

.

.

z

max

J

W

W

y

y

spr

=

=

=

=

cm

3

O

ś

 oboj

ę

tn

ą

 zginania plastycznego to o

ś

 równoległa do wektora momentu zginaj

ą

cego 

dziel

ą

ca przekrój poprzeczny na dwie cz

ęś

ci o równych polach.  

M

 = 4q 

4

 q

 

4

.5

 q

 

1

2

 q

 

4 m 

6 m 

P

 = 7q 

4 m 

6 m 

M

 = 4 q 

P

 = 7 

2

 

14 

wymiary w 

cm

 

Y

4  2 

2  

14 

cm 

ζ

ζζ

ζ

11.27

 

14

 

8.73

 

Y

pl 

wymiary w 

cm

 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  No

ś

no

ść

 spr

ęż

ysto-plastycznych ustrojów 

pr

ę

towych 

 

264 

Z kształtu przekroju wida

ć

ż

e b

ę

dzie ona przechodzi

ć

 przez 

ś

rodnik i je

ś

li współrz

ę

dna 

ζ

 

wyznacza  jej poło

ż

enie to musi spełnia

ć

 warunek: 

0

12

2

2

10

88

2

1

.

*

*

=

+

=

ζ

ζ

cm. 

Wska

ź

nik wytrzymało

ś

ci plastycznego zginania: 

0

568

4

4

10

1

2

2

6

12

2

13

2

10

2

1

.

*

*

*

*

*

*

*

*

S

S

W

ypl

ypl

pl

=

+

+

+

=

+

=

cm

3

Graniczny moment spr

ęż

ysty  

29

140

10

345

10

63

406

6

6

.

*

*

*

.

R

W

M

e

spr

=

=

=

kNm. 

Graniczny moment plastyczny   

96

195

10

345

10

568

6

6

.

*

*

*

R

W

M

e

pl

=

=

=

kNm. 

 
Graniczne obci

ąż

enie spr

ęż

yste wynosi: 

69

11

12

29

140

12

12

.

.

M

q

M

q

M

M

max

=

=

=

=

=

 kN/m. 

Graniczne obci

ąż

enie plastyczne i no

ś

no

ść

 graniczna ma warto

ść

:  

33

16

12

96

195

12

12

.

.

M

q

M

q

M

M

max

=

=

=

=

=

 kN/m. 

 

Przykład 19.2.1.3

.Wyznaczy

ć

 no

ś

no

ść

 graniczn

ą

 belki jak na rys. stosuj

ą

c podej

ś

cie 

statyczne i kinematyczne.

 

 
 
 
 
 
 
 

Podejście statyczne. 

Belka jest dwukrotnie statycznie niewyznaczalna. Trzy przeguby czyni

ą

 j

ą

 kinematycznie 

zmienn

ą

. Zakładamy, 

ż

e pełne uplastycznienie przekroju wyst

ą

pi w utwierdzeniu oraz 

punktach B i D. 

 

 

Obliczamy warto

ś

ci wszystkich sił działaj

ą

cych na 

konstrukcj

ę

, które musz

ą

 spełnia

ć

 warunki 

równowagi. 
Z warunków równowagi otrzymujemy warto

ś

ci sił 

działaj

ą

cych na belk

ę

, które s

ą

 w równowadze: 

l

M

V

M

l

V

M

A

A

L

B

2

0

2

*

0

=

=

=

l

M

V

M

l

V

M

D

D

P

D

=

=

=

0

*

0

=

+

=

0

5

*

3

*

6

*

0

M

l

P

l

V

l

V

M

C

D

P

B

3

5

3

7

P

l

M

V

C

=

l

M

P

V

P

V

V

Y

D

C

A

4

5

0

0

=

=

+

=

l

M

V

C

4

=

 

2

l

 

l

 

l

 

l

 

M

 

M

M

5

.

0

M

M

M

M

M

2

M

M

l

 

l

 

l

 

l

 

V

V

V

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  No

ś

no

ść

 spr

ęż

ysto-plastycznych ustrojów 

pr

ę

towych 

 

265 

No

ś

no

ść

 graniczna jest nie mniejsza ni

ż

l

M

P

4

5

=

 

Podejście kinematyczne. 

Kinematycznie dopuszczalne schematy zniszczenia. 
Schemat 1. 

 

P

L

z

2

=

,  

1

2

2

θ

θ

M

M

L

w

+

=

l

θ

=

l

l

3

*

*

1

θ

θ

=

 

w

z

L

L

=

 

3

2

2

*

2

θ

θ

θ

M

M

l

P

+

=

 

l

M

P

3

4

1

=

 

 

 
Schemat 2.

 

 

 

P

L

z

=

,  

1

2

θ

θ

M

M

L

w

+

=

l

2

*

θ

=

l

l

*

2

*

1

θ

θ

=

 

w

z

L

L

=

 

θ

θ

θ

M

M

l

P

2

2

2

*

+

=

 

l

M

P

2

2

=

 

 

Schemat 3. 

 

1

2

P

P

L

z

+

=

,  

2

1

2

2

θ

θ

θ

M

M

M

L

w

+

+

=

l

*

θ

=

l

2

*

1

1

θ

=

,

l

l

3

*

*

1

θ

θ

=

l

l

*

2

*

2

1

θ

θ

=

 

w

z

L

L

=

 

3

2

3

2

2

3

2

*

*

2

θ

θ

θ

θ

θ

M

M

M

l

P

l

P

+

+

=

=

+

 

l

M

P

4

5

3

=

 

 

l

M

P

P

P

i

4

5

)

min(

3

*

=

=

=

. I jest to rzeczywista nośność graniczna belki bo takim sam rezultat 

otrzymano z podejścia statycznego.

 

 
 

Przykład 19.2.1.4. 

Wyznaczy

ć

 no

ś

no

ść

 graniczn

ą

 belki o podanej geometrii i obci

ąż

eniu 

stosuj

ą

c podej

ś

cie kinematyczne je

ś

li 

215

=

e

R

 MPa. 

 

θ

θ

 

 

l

 

l

 

l

 

l

 

M

M

M

2P 

M

M

M

θ

 

θ

θ

M

M

l

 

l

 

l

 

l

 

2P 

 

M

θ

 

θ

l

 

l

 

l

 

l

 

M

 

M

M

2P 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  No

ś

no

ść

 spr

ęż

ysto-plastycznych ustrojów 

pr

ę

towych 

 

266 

 

 

 
 
 
 
 

 

Rozwiązanie 

Kinematycznie dopuszczalne schematy zniszczenia: 
 
 

w

z

L

L

=

1

1

1

1

2

2

θ

θ

M

M

P

P

+

=

+

 

1

1

1

4

4

4

θ

θ

θ

θ

=

=

=

;

;

 

M

.

P

25

2

9

1

=

 

M

.

P

25

0

1

=

 

 

w

z

L

L

=

 

θ

M

P

3

2

2

=

 

θ

4

=

 

M

P

3

8

2

=

 

M

.

P

375

0

2

=

 

 

w

z

L

L

=

 

1

3

θ

θ

M

M

P

+

=

 

1

1

4

4

θ

θ

θ

=

=

;

 

M

P

5

4

3

=

 

M

.

P

25

1

3

=

 

 

 

w

z

L

L

=

 

θ

M

P

3

4

=

 

θ

4

=

 

M

.

P

75

0

4

=

 

 

 

M

.

P

)

P

(

min

P

i

*

25

0

1

=

=

=

 

Poło

ż

enie osi plastycznego zginania 

Jest to o

ś

 równoległa do wektora momentu zginaj

ą

cego dziel

ą

ca przekrój poprzeczny na dwie 

cz

ęś

ci o równych polach.  

2

4 m 

4 m 

4 m 

2 m 

4 m 

24 cm 

12 cm 

θ

 

M

θ

 

2P

 

P

 

M

 

schemat 

4 

M

θ

 

θ

 

M

M

 

schemat 

2 

2P 

P

 

M

θ

 

M

θ

2P

 

P

 

M

 

schemat 

3 

M

θ

θ

 

θ

 

2P 

P

 

M

M

 

schemat 

1 

24 cm 

Y

pl 

ζ =16.97 cm

 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  No

ś

no

ść

 spr

ęż

ysto-plastycznych ustrojów 

pr

ę

towych 

 

267 

Zatem jej poło

ż

enie mo

ż

na wyznaczy

ć

 z zale

ż

no

ś

ci: 

97

16

2

1

2

1

2

1

24

12

2

1

.

*

*

*

*

*

*

=

=

ζ

ζ

ζ

cm. 

 

 

Wska

ź

nik plastycznego zginania: 

83

674

3

03

7

515

3

2

1

2

03

7

12

97

16

3

1

2

97

16

2

1

2

2

2

.

.

*

.

*

.

*

.

*

.

*

W

pl

=



+

=

cm

3

No

ś

no

ść

 graniczna belki jest równa: 

11

36272

10

215

10

83

674

25

0

25

0

6

6

.

*

*

*

.

*

.

R

*

W

*

.

P

e

pl

*

=

=

=

 N. 

Przykład  19.2.1.5

Wyznaczy

ć

 no

ś

no

ść

 graniczn

ą

 belki stosuj

ą

c podej

ś

cie kinematyczne. 

 
 
 
 
 
 
 
 

Rozwiązanie 

Kinematycznie dopuszczalne schematy zniszczenia: 
 

 

θ

M

L

;

P

L

w

z

2

2

=

=

θ

M

P

2

2

=

 

θ

2

=

 

M

.

P

5

0

1

=

 

 

θ

M

L

;

P

L

w

z

2

2

=

=

θ

M

P

2

2

=

 

θ

2

=

 

M

.

P

5

0

2

=

 

 

θ

M

L

;

P

L

w

z

2

=

=

 

θ

M

P

2

=

 

θ

2

=

 

M

P

=

3

 

 

θ

M

L

;

P

P

L

w

z

2

2

=

=

 

2P 

2 m 

2 m 

2 m 

2 m 

θ

 

2P

 

M

M

 

P

 

schemat 

1 

θ

 

θ

 

θ

 

θ

 

2P

 

M

M

 

P

 

schemat 

2 

P

 

θ

 

2P

 

M

M

 

schemat 

3 

P

 

θ

 

θ

 

θ

 

2P

 

M

M

 

 

schemat 

4 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  No

ś

no

ść

 spr

ęż

ysto-plastycznych ustrojów 

pr

ę

towych 

 

268 

θ

M

P

P

2

2

=

 

θ

2

=

 

M

P

=

4

 

No

ś

no

ść

 graniczna belki wynosi: 

M

.

)

P

(

min

P

i

*

5

0

=

=

Przykład 19.2.1.6

.Wyznaczy

ć

 no

ś

no

ść

 graniczn

ą

 belki jak na rys. stosuj

ą

c podej

ś

cie 

kinematyczne.

 

 
 

Symetria konstrukcji pozwala na 
analizowanie równowa

ż

nej belki 

jednoprz

ę

słowej, utwierdzonej na 

jednym ko

ń

cu a na  drugim 

wolnopodpartej.   

 

 
 

Jedyny kinematycznie dopuszczalny schemat 
zniszczenia b

ę

dzie miał dwa przeguby, jeden w 

utwierdzeniu a drugi w prze

ś

le przy czym jego 

poło

ż

enie nie jest znane, ale mo

ż

emy je wyznaczy

ć

 z 

zasady prac wirtualnych. 

1

2

θ

θ

M

M

L

w

+

=

 

+

=

a

l

a

z

dx

x

q

xdx

q

L

0

1

1

1

0

θ

θ

(

)

a

l

a

=

*

*

1

θ

θ

,

 

 

a

l

a

l

l

a

M

q

L

L

w

z

=

=

2

2

.

 

Poniewa

ż

 podej

ś

cie kinematyczne daje oszacowanie od góry, poszukujemy najmniejszego 

obci

ąż

enia q. Warunek konieczny jego istnienia daje równanie: 

(

)

l

l

a

l

la

a

a

q

586

.

0

2

2

0

2

4

0

2

2

=

=

=

+

=

St

ą

d ostatecznie otrzymujemy no

ś

no

ść

 graniczn

ą

 belki 

2

657

.

11

l

M

q

=

Przykład 19.2.1.7

.Belk

ę

 o schemacie jak na rys. nale

ż

y podeprze

ć

 dodatkowo w prz

ęś

le w 

miejscu zapewniaj

ą

cym jej najwi

ę

ksz

ą

 no

ś

no

ść

 graniczn

ą

.  

 
 
 
 

 
 

 
 
 
 
 

Wprowadzenie dodatkowej podpory C czyni 

 

l

 

l

 

l

 

q  

θ

θ

 

M

M

M

l - a

 

a

 

q  

l

 

l - a

 

a  

q  

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  No

ś

no

ść

 spr

ęż

ysto-plastycznych ustrojów 

pr

ę

towych 

 

269 

belk

ę

 dwukrotnie statycznie niewyznaczaln

ą

Kształt wykresu momentów zginaj

ą

cych w 

stanie spr

ęż

ystym sugeruje dwa 

kinematycznie dopuszczalne schematy 
zniszczenia.  

 

Schemat 1. 
 
 

No

ś

no

ść

 graniczna dla tego schematu 

zniszczenia została wyznaczona w 
poprzednim przykładzie. 
Wynosi ona : 

2

1

657

.

11

a

M

q

=

 

 
Schemat 2. 
 

W tym schemacie zniszczenia przegub 
plastyczny w prz

ęś

le AC wyst

ą

pi w 

ś

rodku 

tego prz

ę

sła. Zatem: 

θ

M

L

w

4

=

,  

=

2

/

)

(

0

2

a

l

z

xdx

q

L

θ

,

 

(

)

2

2

16

a

l

M

q

L

L

w

z

=

=

.

 

 

 
Widoczne jest 

ż

e zwi

ę

kszanie a powoduje zmniejszanie q

1

 i zwi

ę

kszanie q

2

. Przy ustalonej 

długo

ś

ci belki jej no

ś

no

ść

 graniczn

ą

 wyznaczymy z warunku równo

ś

ci: 

(

)

=

+

=

=

0

657

.

11

314

.

23

343

.

4

00

.

16

657

.

11

2

2

2

2

2

1

l

al

a

a

l

M

a

M

q

q

 

l

a

4605

.

0

=

 
Odpowiadaj

ą

ca temu poło

ż

eniu dodatkowej podpory no

ś

no

ść

 graniczna belki wynosi: 

(

)

2

2

970

.

54

4605

.

0

657

.

11

l

M

l

M

q

=

=

 

 

19.3. Nośność graniczna osiowo rozciąganych układów prętowych 

Rozwa

ż

a

ć

 b

ę

dziemy konstrukcje wykonane z pr

ę

tów prostych przegubowo poł

ą

czonych i 

obci

ąż

onych tylko w w

ę

zach w sposób powoduj

ą

cy ich osiowe rozci

ą

ganie. Pr

ę

ty wykonane 

s

ą

 z materiału o własno

ś

ciach ciała idealnie spr

ęż

ysto plastycznego (rys. 19.2). 

Poniewa

ż

 rozkład napr

ęż

e

ń

 normalnych w dowolnym przekroju poprzecznym na długo

ś

ci 

pr

ę

ta rozci

ą

ganego sił

ą

 P jest jednorodny to w przekroju i tym samym w pr

ę

cie mog

ą

 

wyst

ą

pi

ć

 tylko dwa stany mechaniczne w zale

ż

no

ś

ci od wielko

ś

ci przyło

ż

onej siły a 

mianowicie stan spr

ęż

ysty, gdy napr

ęż

enia s

ą

 w nim mniejsze od 

e

R

 i stan pełnego 

uplastycznienia, gdy równaj

ą

 si

ę

 

e

R

. Co wi

ę

cej je

ś

li napr

ęż

enia osi

ą

gn

ą

 warto

ść

 granicy 

M

θ

 

θ

 

M

q  

M

M

a  

(l–a)/2

(l–a)/2 

θ

θ

 

M

q  

M

M

l - a

 

b  

a - b 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  No

ś

no

ść

 spr

ęż

ysto-plastycznych ustrojów 

pr

ę

towych 

 

270 

plastyczno

ś

ci to pr

ę

t mo

ż

e si

ę

 wydłu

ż

a

ć

 dowolnie du

ż

o i dlatego graniczne obci

ąż

enie 

spr

ęż

yste, plastyczne i no

ś

no

ść

 graniczna s

ą

 w nim takie same i wynosz

ą

A

R

P

P

P

e

*

=

=

=

(19.5) 

Analogicznie jest w dowolnej statycznie wyznaczalnej konstrukcji kratowej z tym 

ż

e o jej 

no

ś

no

ś

ci granicznej decyduje no

ś

no

ść

 pr

ę

ta w którym wyst

ę

puj

ą

 najwi

ę

ksze napr

ęż

enia 

normalne w stanie spr

ęż

ystym.  

W kratownicach statycznie niewyznaczalnych sytuacja jest bardziej zło

ż

ona gdy

ż

 w 

zale

ż

no

ś

ci od wielko

ś

ci obci

ąż

enia wszystkie pr

ę

ty mog

ą

 by

ć

 w stanie spr

ęż

ystym  albo 

niektóre w stanie spr

ęż

ystym inne za

ś

 uplastycznione, albo wreszcie liczba uplastycznionych 

pr

ę

tów jest taka 

ż

e konstrukcja staje si

ę

 geometrycznie zmienna i nie mo

ż

e przenosi

ć

 

zadanego obci

ąż

enia. Dlatego w konstrukcjach zło

ż

onych z osiowo rozci

ą

ganych pr

ę

tów 

wykonanych z materiału idealnie spr

ęż

ysto-plastycznego mo

ż

na przyj

ąć

 okre

ś

lenia: 

•   graniczne obci

ąż

enie spr

ęż

yste (no

ś

no

ść

 spr

ęż

ysta) – to najwi

ę

ksza warto

ść

 obci

ąż

enia 

przy której we wszystkich pr

ę

tach konstrukcji wyst

ę

puje stan spr

ęż

ysty 

•   no

ś

no

ść

 graniczna – to taka wielko

ść

 obci

ąż

enia przy którym konstrukcja traci zdolno

ść

 do 

jego przenoszenia. 

 

19.3.1. Przykłady  
Przykład 19.3.1.1. 

Wyznaczy

ć

 no

ś

no

ść

 graniczn

ą

 danego układu kratowego je

ś

li przekroje 

wszystkich pr

ę

tów s

ą

 jednakowe o polu A = 2.0 cm

 a granica plastyczno

ś

ci  

225

=

e

R

MPa. 

 
 

 

0

4

1

.

l

=

 m 

0

3

2

.

l

=

 m 

6

.

0

sin

=

α

 

8

.

0

cos

=

α

 

 

 

 
Rozwi
ązanie 

Obliczenie sił w pr

ę

tach układu.  

 

Równania równowagi: 

0

sin

cos

0

2

1

=

+

=

α

α

Σ

N

N

X

 

P

N

N

Y

=

+

=

α

α

Σ

cos

sin

0

2

1

 

Siły w pr

ę

tach wynosz

ą

P

N

6

.

0

1

=

,   

P

N

8

.

0

2

=

.

 

 

α

 

1

3.2 m 

1.8 m 

2.4 m 

N

1 

N

2 

α

 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  No

ś

no

ść

 spr

ęż

ysto-plastycznych ustrojów 

pr

ę

towych 

 

271 

Poniewa

ż

 pola przekrojów obu pr

ę

tów s

ą

 równe wi

ę

c o no

ś

no

ś

ci układu decyduje pr

ę

t 2 . 

Przy wzrastaniu warto

ś

ci obci

ąż

enia on pierwszy ulegnie uplastycznieniu i poniewa

ż

 krata 

jest statycznie wyznaczalna ulegnie zniszczeniu.  
No

ś

no

ść

 graniczna konstrukcji wynosi: 

 

56250

8

.

0

10

*

2

*

10

*

225

8

.

0

4

6

*

*

=

=

=

P

A

R

P

e

 

N. 

 

Przykład 19.3.1.2. 

Dla stalowej konstrukcji przegubowo pr

ę

towej jak na rysunku.

 

 

w której pola przekrojów wszystkich pr

ę

tów i 

ich moduły spr

ęż

ysto

ś

ci podłu

ż

nej s

ą

 równe 

wyznaczy

ć

 potrzebne pole przekrojów 

poprzecznych pr

ę

tów oraz no

ś

no

ś

ci graniczn

ą

 

je

ś

li  = 30 kN, R = 215 MPa, R

= 235 MPa, 

 E 

= 205 GPa. 

Wyznaczy

ć

 wykres okre

ś

laj

ą

cy jak wzrasta 

pionowe przemieszczenie w

ę

zła K w zale

ż

no

ś

ci 

od wielko

ś

ci siły P

 

 

Rozwiązanie 

Obliczenie sił podłu

ż

nych w pr

ę

tach.  

 

 

Układ jest jednokrotnie statycznie niewyznaczalny, wi

ę

komplet równa

ń

 do ich wyznaczenia b

ę

dzie si

ę

 składał z 

równania równowagi i równania geometrycznego. 
 
Równanie równowagi:  

N

N

P

N

N

Y

=

+

=

+

=

2

1

2

1

2

cos

2

0

α

Σ


Równanie geometryczne:  

2

1

2

2

2

2

1

1

1

1

1

2

2

2

cos

N

N

A

E

l

N

A

E

l

N

=

=

=

α

 
St

ą

d siły podłu

ż

ne w pr

ę

tach:   

574

.

17

)

2

2

(

2

1

=

+

P

N

kN, 

787

.

8

)

2

2

(

2

=

+

P

N

kN. 

 

Potrzebny przekrój pr

ę

tów z warunku wytrzymało

ś

ci: 

4

6

3

1

1

10

*

817

.

0

10

*

215

10

*

574

.

17

)

(

max

=

=

R

N

A

R

A

N

R

A

N

m

2

.

No

ś

no

ść

 graniczn

ą

 układu wyznaczymy zwi

ę

kszaj

ą

c obci

ąż

enie i przechodz

ą

c kolejno jego 

stany od spr

ęż

ystego poprzez spr

ęż

ysto-plastyczny a

ż

 do stanu granicznej no

ś

no

ś

ci, w którym 

konstrukcja nie mo

ż

e przenie

ść

 zadanego obci

ąż

enia, przemieszczenia jej punktów s

ą

 

dowolnie du

ż

e (staje si

ę

 kinematycznie zmienna).   

α

 

α

 

N

1 

N

2 

N

2 

K

’ 

2 

1 

2.0 m 

2.0 m 

2.0 m 

1

α

 

α

 

α

 

α

 

α

 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  No

ś

no

ść

 spr

ęż

ysto-plastycznych ustrojów 

pr

ę

towych 

 

272 

Siła obci

ąż

aj

ą

ca powoduj

ą

ca pierwsze uplastycznienie w konstrukcji, które wyst

ą

pi w pr

ę

cie 

1 bo w nim w stanie spr

ęż

ystym jest najwi

ę

ksza siła podłu

ż

na, ma warto

ść

=

+

=

=

=

e

R

A

P

N

N

N

)

2

2

(

2

1

1

1

 

3

2

10

*

776

.

32

10

*

235

*

817

.

0

2

2

2

2

2

2

=

+

=

+

=

e

R

A

P

 N. 

Przy tej sile konstrukcja mo

ż

e jeszcze przenosi

ć

 obci

ąż

enie bo napr

ęż

enia w pr

ę

tach 2 s

ą

 

nadal mniejsze od granicy plastyczno

ś

ci R

e

 
 

 

Siły które wówczas wyst

ę

puj

ą

 w pr

ę

tach 2 

mo

ż

emy wyznaczy

ć

 z warunku równowagi sił 

działaj

ą

cych na w

ę

zeł 

 

2

2

cos

2

0

1

2

2

1

2

1

N

P

N

P

N

N

P

N

N

Y

=

=

+

=

+

=

α

Σ

 
Konstrukcja stanie si

ę

 kinematycznie zmienna gdy nast

ą

pi uplastycznienie pr

ę

tów 2  tzn. 

gdy: 

e

R

A

N

N

N

=

=

=

2

2

2

. Odpowiadaj

ą

ce tej warto

ś

ci siły obci

ąż

enie P

  

b

ę

dzie no

ś

no

ś

ci

ą

 

graniczn

ą

 i oznaczymy je przez 

*

P

. Wyznaczymy je z zale

ż

no

ś

ci: 

 

3

1

*

1

*

2

2

2

10

*

352

.

46

)

2

1

(

2

2

=

+

=

+

=

=

=

=

=

e

e

e

R

A

N

R

A

P

R

A

N

P

N

N

N

 N. 

Iloraz  

545

.

1

000

.

30

352

.

46

*

=

=

P

P

 

pokazuje wielko

ść

 rezerwy (54.5 %), która tkwi w analizowanej konstrukcji je

ś

li dopu

ś

cimy 

pełne jej uplastycznienie. Ale zwi

ę

kszenie obci

ąż

e

ń

 jest zwi

ą

zane ze zwi

ę

kszeniem 

przemieszcze

ń

 i pokazuje to wykres zale

ż

no

ś

ci 

 - pionowego przemieszczenia w

ę

zła K od 

wielko

ś

ci siły obci

ąż

aj

ą

cej P

 

000

.

30

=

P

 kN -  stan spr

ęż

ysty 

EA

l

N

2

2

2

2

*

2

=

=

;  

(

)

+

=

2

2

2

P

N

 

(

)

3

5

3

10

*

098

.

2

10

*

817

.

0

*

205

*

2

2

2

2

*

10

*

000

.

30

2

=

+

=

 m. 

 

776

.

32

=

P

P

kN - uplastycznienie pr

ę

ta 1 

 

+

=

=

=

2

2

;

2

*

2

2

2

2

2

P

N

EA

l

N

 

α

 

α

 

e

R

A

N

N

=

=

1

1

N

2 

N

2 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  No

ś

no

ść

 spr

ęż

ysto-plastycznych ustrojów 

pr

ę

towych 

 

273 

3

5

3

10

*

293

.

2

10

*

817

.

0

*

205

*

)

2

2

(

2

2

*

10

*

776

.

32

2

=

+

=

 m. 

 

352

.

46

*

=

P

P

 kN -  stan graniczny no

ś

no

ś

ci (uplastycznienie wszystkich pr

ę

tów) 

 

=

=

=

=

e

R

A

N

N

EA

l

N

2

2

2

2

2

;

2

*

2

 

3

5

2

10

*

585

.

4

10

*

817

.

0

*

205

2

2

*

10

*

235

*

817

.

0

2

=

=

 m. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 
 

2.293 

60

 

20

 

40

 

P

 [kN] 

352

.

46

*

=

P

4.585 

 [mm]