11[2] polprzestrzen sprezysta


11. PÓAPRZESTRZEC SPRŻYSTA OBCIŻONA SIA SKUPION 1
11 Ł
11. PÓAPRZESTRZEC SPRŻYSTA OBCIŻONA SIA SKUPION
11.1. Zadanie Boussinesq'a
Zadanie to ma zastosowanie przy analizie rozkładu naprężeń w gruncie poniżej fundamentu.
P
x
y
R
tzr z
F
r
F
trz
Rys.11.1. Półprzestrzeń sprężysta obciążona siłą skupioną
Zakładamy występowanie osiowej symetrii naprężeń (od siły osiowej):
ąr ,ąą ,ąz ,ąrz=ązr ,ąr ą=ąą r=ąą z=ąz ą=0 (11.1)
Równania teorii sprężystości w przypadku osiowej symetrii mają postać:
a) Równania równowagi (dla wyciętego elementu}:
"ąr "ązr
(11.2)
ą ą1 śąąr-ąąźą=0
" r " z r
"ąz " ąrz
(11.3)
ą ą1 ąrz=0
" z " r r
b) Równania geometryczne:
" u
ąr= (11.4)
" r
" w
ąz= (11.5)
" z
Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M. AlmaMater
11. PÓAPRZESTRZEC SPRŻYSTA OBCIŻONA SIA SKUPION 2
u
ąą= (11.6)
r
" w " u
ąązr=ąąrz= ą (11.7)
" r " z
c) Równania fizyczne:
1
ąr= [ąr-ąśąąąąązźą] (11.8)
E
1
ąą= [ąą-ąśąąząąrźą] (11.9)
E
1
ąz= [ąz-ąśąąrąąąźą] (11.10)
E
1
ąązr=ąąrz= ąrz (11.11)
G
d) Równania fizyczne w zapisie odwrotnym:
ą
ąr=2G ąrą e (11.12)
śą źą
1-2 ą
ą
ąą=2G ąąą e (11.13)
śą źą
1-2ą
ą
ąz=2G ązą e (11.14)
śą źą
1-2 ą
ąrz=ązr=G ąąrz (11.15)
gdzie
e=ąrąąząąą (11.16)
Mamy zatem 10 równań i 10 niewiadomych ( ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , ł , u, w).
r z F rz zr r F z rz
Zadanie rozwiązujemy w przemieszczeniach tzn. szukamy dwóch funkcji przemieszczeń
u=u(r,z) i w=w(r,z).
Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M. AlmaMater
11. PÓAPRZESTRZEC SPRŻYSTA OBCIŻONA SIA SKUPION 3
Wykorzystując równania fizyczne i geometryczne w równaniach równowagi dochodzimy do dwóch
równań przemieszczeniowych
1-2 ą
"2 u 1 " u u "2 u 1 "2 w
ą - ą ą =0 (11.17)
" r2 r " r r2 2śą1-ąźą " z2 2śą1-ąźą " r " z
1-2 ą
"2 w "2 w 1 " w 1 "2 u 1 " u
ą ą ą ą =0 (11.18)
śą źą
śą źą
" z2 2śą1-ąźą " r2 r " r 2śą1-ąźą " z " r r " z
Rozwiązanie układu równań (11.17) i (11.18) podał Boussinesq'e w następującej postaci:
r2 r
uśąr , zźą= A ąB (11.19)
R3 RśąRązźą
z2 1 1
wśąr , zźą=A ą 3-4 ą ąB
śą źą
,
[ ]
R R R
(11.20)
gdzie
R= r2ąz2
ćą
Podstawiając (11.19) i (11.20) do (11.12), (11.13), (11.14), (11.15) przy wykorzystaniu równań
geometrycznych otrzymuje się składowe stanu naprężenia następującej postaci
z 3 z r2 B z3
ąr=2G A śą1-2 ąźą - ą z2-r2ą (11.21)
śą źą
{ [ ] }
R
R3 R3 R2śąRązźą2
z 1
ąą=2G A 1-2 ą ąB
śą źą (11.22)
[ ]
R3 RśąRązźą
3 z3 z z
ąz=-2G A ą 1-2 ą ąB (11.23)
śą źą
{ [ ] }
R5 R3 R3
3 r z3 r r
ąrz=ązr=-2G A ą 1-2 ą ąB (11.24)
śą źą
{ [ ] }
R5 R3 R3
Stałe A i B wyznaczamy z warunków:
1) Na dowolnej płaszczyznie z=const. wypadkowa z naprężeń  musi być równa sile P.
z
Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M. AlmaMater
11. PÓAPRZESTRZEC SPRŻYSTA OBCIŻONA SIA SKUPION 4
Wycinamy elementarny pierścień:
r
dr
Rys.11.2. Elementarny pierścień
ąz dF =2Ćą r ąz dr (11.25)
Dla całego przekroju poziomego:
"
(11.26)
2Ćą ąz rdr=-P
+"
0
z
Rys.11.3. Rozkład naprężeń 
z
2) Na płaszczyznie z=0 nie działają żadne siły za wyjątkiem punktu przyłożenia siły P (oznacza to, że
naprężenia na tej płaszczyxnie są równe zero).
ąz=0 - tożsamość
(11.27)
ąrz=ązr=0 stąd śą1-2 ąźą AąB=0
Otrzymujemy:
P P
A= B=-śą1-2 ąźą (11.28)
4 ĆąG 4 ĆąG
Funkcje przemieszczeń u(r,z); w(r,z) przyjmą ostatecznie postać:
P r2 r
uśąr , zźą= -śą1-2ąźą (11.29)
[ ]
4 ĆąG RśąRązźą
R3
2śą1-ąźą
P z2
w śąr , zźą= ą (11.30)
[ ]
4 ĆąG R
R2
Natomiast funkcje składowych stanu naprężenia będą postaci:
Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M. AlmaMater
11. PÓAPRZESTRZEC SPRŻYSTA OBCIŻONA SIA SKUPION 5
śą1-2 ąźą
P 3 z r2
ąr= - (11.31)
[ ]
2Ćą RśąRązźą
R5
P z 1
ąą= 1-2ą -
śą źą (11.32)
[ ]
2Ćą
R3 RśąRązźą
-3 P z3
ąz= (11.33)
2Ćą
R5
-3 P r z2
ąrz=ązr= (11.34)
2Ćą
R5
Rozwiązania te obowiązują dla całej półprzestrzeni za wyjątkiem małego otoczenia punktu
przyłozenia siły. W punkcie tym rozwiązanie jest osobliwe. Naprężenia i przemieszczenia przyjmują
wartości nieskończenie duże.
Przemieszczenia punktów płaszczyzny ograniczającej półprzestrzeń z=0 będą postaci (korzystamy ze
wzorów (11.29) i (11.30)):
-śą1-2 ąźąśą1ąąźą
uśąr ,0źą= P (11.35)
2Ćą Er
1-ą P
w śąr ,0źą= (11.36)
Ćą Er
Stan naprężenia w punktach znajdujących się na osi (O,z) (r=0):
P
O
z
Rys.11.4. Zbiór punktów leżących na osi (O,z)
1-2ą
P
ąr=ąą= (11.37)
2Ćą 2 z
Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M. AlmaMater
11. PÓAPRZESTRZEC SPRŻYSTA OBCIŻONA SIA SKUPION 6
-P 3
ąz=
(11.38)
2Ćą
z2
ąrz=ązr=0 (11.39)
Wykażemy następującą osobliwość rozkładu naprężeń w półprzestrzeni sprężystej obciążonej siłą
skupioną. Całkowite naprężenie w dowolnym punkcie poziomej płaszczyzny, tzn. wypadkowa z naprężeń
 ,  wynosi:
z rz
(11.40)
p= ą2ąą2
ćą
z rz
3 P z6 z4 r2 3 P z6 z4 r2
(11.41)
p= ą = ą
2Ćą
R10 R10 2Ćą R2 R6 R6
ćą ćą
P
ą
R
p
z
d
z
trz
r
Rys.11.5. Wypadkowa p z naprężeń  , 
z rz
z
=cos ą (11.42)
R
r
=sin ą (11.43)
R
R
=cos ą (11.44)
d
3 P
p= cos6 ąącos4 ą sin2 ą
ćą (11.45)
2Ćą R2
Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M. AlmaMater
11. PÓAPRZESTRZEC SPRŻYSTA OBCIŻONA SIA SKUPION 7
3 P cos2ą
p= (11.46)
2Ćą R2
Naprężenie wypadkowe p skierowane jest do początku układu
3 P z3
ąz
#" #"= 2Ćą
R5 = z
=cos ą (11.47)
p
3 P z2 R
2Ćą
R2 R2
Jeżeli wyobrazimy sobie kulę o dowolnej średnicy d styczna do płaszczyzny ograniczającej
półprzestrzeń w punkcie zero, to na wszystkich poziomych polach elementarnych na powierzchni tej kuli
całkowite naprężenia będą jednakowe i równe
3 P
p=
R2 (11.48)
2Ćą
cos2 ą
Mając rozwiązanie problemu półprzestrzeni obciążonej siłą skupioną możemy przez zastosowanie
zasady superpozycji wyznaczyć przemieszczenia i naprężenia od dowolnego obciążenia rozłożonego na
półprzestrzeni.
Przykładowo napiszemy wzór na ugięcia pionowe półrzestrzeni od dowolnego obciążeniapionowego
q(,)
P śą1-ą2źą
(11.49)
wz=0=
Ćą Er
y
S  powierzchnia,
d
na którą działa
obciążenie q(,)

d
r
K

y
x
x
Rys.11.6.
Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M. AlmaMater
11. PÓAPRZESTRZEC SPRŻYSTA OBCIŻONA SIA SKUPION 8
Ugięcie w punkcie K wywołane obciążeniem elementarnym q(,)dd wynosi:
qśąą ,ąźąd ą d ąśą1-ą2źą
(11.50)
dw śą x , yźąz=0=
Ćą Er
gdzie:
(11.51)
r= śąą-xźą2ąśąą- yźą2
ćą
Przemieszczenie wywołane całym obciążeniem (w pkt.K)
1-ą2
qśą x.yźą
(11.52)
wśą x , yźą= d ą d ą
,"
Ćą E r
a
q
w
r=a
w
r=0
a
Rys.11.7.Ugięcie pod wpływem obciążenia kołowego
Przykładowo jeżeli obciążenie q jest rozłożone na polu koła o promieniu a i wypadkowa tego
obciążenia wynosi P, to po obliczeniu przemieszczeń pionowych półpłaszczyzny otrzymamy:
P
q=
(11.53)
Ćą a2
2śą1-ą2źą 2śą1-ą2źą
(11.54)
wr=0= qa= P
E Ćą E a
4śą1-ą2źą 4śą1-ą2źą P
wr=a= qa= (11.55)
Ćą E
Ćą2 E a
Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M. AlmaMater
11. PÓAPRZESTRZEC SPRŻYSTA OBCIŻONA SIA SKUPION 9
wr=0
Ćą
= =1,57 (11.56)
wr=a 2
Naprężenia na osi OZ (r=0):
z3
ąz=q -1ą
3 (11.57)
[ ]
śąa2ąz2źą2
3
2śą1ąąźą z
q z
ąr=ąą= śą-1ą2ąźąą - (11.58)
2 śą źą
[ ]
a2ąz2 a2ąz2
ćą ćą
W przypadku, gdy obciążenie przekazywane jest za pośrednictwem nieodkształcalnego kołowego
walca, to wszystkie punkty doznają jednakowych przemieszczeń.
Rozwiązanie ma postać:
P
w0
a
r
qśr
qmin=
P
2
qśr=
Ąa2
Rys.11.8.Oddziaływanie walca na podłoże
P
qśąrźą=
(11.59)
2Ćą a a2ąr2
ćą
P
qmin=
(11.60)
2Ćą a2
P śą1-ą2źą
(11.61)
w0=
2 Ea
stąd wniosek:
Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M. AlmaMater
11. PÓAPRZESTRZEC SPRŻYSTA OBCIŻONA SIA SKUPION 10
qśr Ćą aśą1-ą2źą
(11.62)
w0=
2 E
Ugięcie stempla na sprężystym podłożu jest przy zachowaniu identycznego obciążenia średniego
proporcjonalne do jego średnicy.
Zadanie:
Wyznaczyć ugięcie powierzchni ograniczającej półprzestrzeń sprężystą w punktach A i B pod
wpływem obciążenia słupem wysokiego napięcia, którego rozstaw pionowych nóg wynosi a.
a
1
2
P
P
a/2
A
x
a/2
B
P P
4
3
P P
A,B
a/2 a/2
P
A
a 2
r = l =
2
P P
B
a/2
a 5
2
Rys.11.9. Rysunek pomocniczy do zadania
Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M. AlmaMater
11. PÓAPRZESTRZEC SPRŻYSTA OBCIŻONA SIA SKUPION 11
W punkcie A:
w  przemieszczenie punktu A od obciążenia na jedną nogę:
A1
P śą1-ą2źą 2
ćą
(11.63)
wA1=
Ćą Ea
uwzględniając, że
a 2
ćą
(11.64)
r=l=
2
Całkowite przemieszczenie pkt. A wynosi:
4 2śą1-ą2źą P
ćą
(11.65)
wA=
Ćą Ea
W punkcie B:
wB=2 wB4ą2 wB1 (11.66)
śą1-ą2źą P 2śą1-ą2źą P a
, bo r= (11.67)
wB4= =
2
Ćą Er Ćą Ea
śą1-ą2źą P 2śą1-ą2źą P
a 5
ćą
wB1= = , bo (11.68)
r=
Ćą Er 2
Ćą E a 5
ćą
Całkowite ugięcie wynosi:
4śą1-ą2źąśą 5ą1źą P
ćą
wB= (11.69)
Ćą E a 5
ćą
Dla porównania
wB 1ą 5
ćą
= =1,025 (11.70)
wA
10
ćą
Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M. AlmaMater


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
F 11 Półprzewodnik akceptorowy
FCS 11 polprzewodniki 2011
Rut 11 Polprzewodniki
11 Zagadnienia brzegowej teorii sprężystościiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiid269
Wyklad 11 dynamika osrodkow sprezystych
11 (311)
ZADANIE (11)
Psychologia 27 11 2012
359 11 (2)
11
PJU zagadnienia III WLS 10 11

więcej podobnych podstron