WM

Z8/9. ANALIZA STANU NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA – ZADANIE 9

1

Z8/9. ANALIZA STANU NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA – ZADANIE 9

Z8/9.1. Zadanie 9

W punkcie A znajdującym się w przekroju α - α ramy wspornikowej na rysunku Z8/9.1 wyznaczyć naprężenia i kierunek główny. Oba stany naprężenia przedstawić graficznie na bokach elementarnego kwadratu. Następnie określić stan odkształcenia w układzie ZX oraz w układzie osi głównych. Przyjąć stałe materiałowe: E = 205 GPa, ν = 0,3. Na koniec określić naprężenie zredukowane według hipotez: H-M-H

i Treski. Przekrój pręta oraz położenie punktu A przedstawia rysunek Z8/9.2. Wymiary ramy wspornikowej są podane w metrach natomiast wymiary przekroju w centymetrach.

2,0

10,0 kN

/m

3,0

8,0 kN

1,0

α

α

Z=Z =Z

0

gl

1,0

[m]

Rys. Z8/9.1. Rama wspornikowa

Z8/9.2. Wyznaczenie sił przekrojowych

Chcąc wyznaczyć naprężenia główne w przekroju α - α należy w pierwszej kolejności wyznaczyć wartości i zwroty sił przekrojowych czyli siły normalnej, siły poprzecznej i momentu zginającego. Siła normalna jest dodatnia jeżeli rozciąga pręt. Siłę poprzeczną dodatnią przyjmiemy tak aby kręciła ona odciętą częścią ramy zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Moment zginający dodatni przyjmiemy tak aby rozciągał

on dolną część przekroju blachownicowego (współrzędne z są tam dodatnie). Ponieważ rama jest wspornikowa do wyznaczenia sił przekrojowych nie będą nam potrzebne reakcje w utwierdzeniu. Rysunek Z8/9.3

przedstawia założone dodatnie zwroty sił przekrojowych.

Siły przekrojowe będziemy wyznaczać dla dolnej części ramy na rysunku Z8/9.3. Jeżeli jakaś siła czynna ma zwrot zgodny z założonym zwrotem siły przekrojowej to będziemy ją zapisywać z minusem.

Z kolei jeżeli jakaś siła czynna ma zwrot przeciwny do założonego zwrotu siły przekrojowej to będziemy ją zapisywać z plusem. Siła normalna wynosi

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z8/9. ANALIZA STANU NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA – ZADANIE 9

2

10,0

5,0

5,0

2,0

,08

14,0

A

Y=Y =Y

0

gl

24,0

1,0

14,0

[cm]

2,0

Z=Z =Z

0

gl

Rys. Z8/9.2. Blachownica dwuteowa

2,0

10,0 kN

/m

3,0

,0 kN8

X

N

M

1,0

T

T

Z=Z =Z

Z=Z =Z

0

gl

0

gl

M

1,0

N

[m]

X

Rys. Z8/9.3. Przyjęte zwroty sił przekrojowych

N =−10,0 kN .

(Z8/9.1)

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z8/9. ANALIZA STANU NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA – ZADANIE 9

3

Siła poprzeczna wynosi

T =−8,0⋅3,0=−24,0 kN .

(Z8/9.2)

Moment zginający wynosi

1

M =8,0⋅3,0⋅1,0 ⋅3,0−10,0⋅2,0=40,0 kNm .

(Z8/9.3)

2

Rysunek Z8/9.4 przedstawia prawidłowe wartości i zwroty sił przekrojowych w przekroju α - α.

2,0

10,0 kN

/m

,03

kN

8,0

X

10,0 kN

40,0 kNm

,01

24,0 kN

24,0 kN

Z=Z =Z

Z=Z =Z

0

gl

0

gl

,01

40,0 kNm

10,0 kN

[m]

X

Rys. Z8/9.4. Prawidłowe wartości i zwroty sił przekrojowych w przekroju α - α

Z8/9.3. Charakterystyki geometryczne przekroju blachownicowego Chcąc wyznaczyć naprężenia główne będą nam potrzebne: pole powierzchni przekroju oraz moment bezwładności przekroju blachownicowego względem głównej osi Y=Y0=Ygl. Pole powierzchni zgodnie z ry-sunkiem Z8/9.2 wynosi

A=2⋅10,0⋅2,024,0⋅1,0=64,0 cm 2 .

(Z8/9.4)

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z8/9. ANALIZA STANU NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA – ZADANIE 9

4

Moment bezwładności względem osi głównej Y=Y0=Ygl wynosi 10,0

9,0

J

⋅28,03

⋅24,03

= J =

−

=7925 cm 4 .

(Z8/9.5)

Y

Ygl

12

12

Z8/9.4. Wyznaczenie naprężeń głównych w punkcie A

Aby wyznaczyć naprężenia główne w punkcie A musimy w pierwszej kolejności wyznaczyć naprę-

żenie normalne σX oraz naprężenie styczne τXZ w punkcie A. Rysunek Z8/9.5 przedstawia siły przekrojowe dla przekroju pręta znajdującego się w dolnej części ramy wspornikowej. Jeżeli przyjmiemy, że dolna część przekroju pręta to prawa część pręta pionowego, wtedy oś X będzie zwrócona w „prawo”. Na podstawie rysunku Z8/9.5 możemy odczytać, że siła normalna w przekroju pręta jest ściskająca czyli wynosi N =−10,0 kN .

(Z8/9.6)

Siła poprzeczna posiada zwrot przeciwny do zwrot osi Z=Z0=Zgl a jej wartość bezwzględna wynosi

∣ T Z∣=24,0 kN .

(Z8/9.7)

Moment zginający rozciąga dolną część przekroju pręta więc wynosi on M =40,0 kNm=4000 kNcm .

(Z8/9.8)

Y

Rysunek Z8/9.6 przedstawia położenie punktu A w układzie osi głównych przekroju blachownicowego.

Naprężenie normalne σX zgodnie z (7.8) wynosi w punkcie A

−10,0

4000

kN

 A=



⋅−6,0 =−3,185

=−31,85 MPa .

X

(Z8/9.9)

64,0

7925

cm 2

X

10,0 kN

40,0 kNm

24,0 kN

Z=Z =Z

0

gl

1,0

[m]

Rys. Z8/9.5. Siły przekrojowe w przekroju pręta

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z8/9. ANALIZA STANU NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA – ZADANIE 9

5

10,0

5,0

5,0

2,0

,08

14,0

A

Y=Y =Y

,06

0

gl

24,0

1,0

14,0

[cm]

2,0

Z=Z =Z

0

gl

Rys. Z8/9.6. Położenie punktu A w przekroju blachownicowym 10,0

,02

sc1

8,0

sc2

6,0

14,0

13,0

A

9,0

6,0

4,0

Y=Y =Y

2

0

gl

14,0

1,0

[cm]

Z=Z =Z

,0

0

gl

2

Rys. Z8/9.7. Część przekroju blachownicowego znajdująca się powyżej punktu A Rysunek Z8/9.7 przedstawia wymiary i położenie środków ciężkości figur składowych części przekroju znajdującej się powyżej punktu A. Wartość bezwzględna naprężenia stycznego τXY zgodnie z (7.20) wynosi

∣

24,0⋅10,0⋅2,0⋅13,06,0⋅1,0⋅9,0 

kN

 A∣=

=0,9509

=9,509 MPa .

(Z8/9.10)

XZ

1,0⋅7925

cm 2

Ponieważ siła poprzeczna TZ posiada zwrot przeciwny do zwrotu osi Z=Z0=Zgl to i naprężenie styczne τXZ

ma taki sam zwrot czyli jest ujemne.

 A=−9,509 MPa .

(Z8/9.11)

XZ

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z8/9. ANALIZA STANU NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA – ZADANIE 9

6

X

31,85 MPa

9,509 MPa

aP

aP

9 M

,509

9,509 M

Z

9,509 MPa

31,85 MPa

Rys. Z8/9.8. Graficzna prezentacja stanu naprężenia w punkcie A Rysunek Z8/9.8 przedstawia elementarny kwadrat z zaznaczonymi naprężeniami w punkcie A. Tensor naprężenia w punkcie A ma postać

 A=[−31,85 0 −9,509

0

0

0

] .

(Z8/9.12)

−9,509 0

0

Tangens podwójnego kąta nachylenia osi głównych zgodnie z (8.9) wynosi 2⋅−9,509

tg2⋅ =

=−0,5971 .

(Z8/9.13)

gl

0,0 −−31,85

Kąt nachylenia osi głównych wynosi

 =−15,42 o .

(Z8/9.14)

gl

Ujemny kąt nachylenia osi głównych oznacza, że obrót układu współrzędnych nastąpi od osi X do osi Z.

Naprężenia główne zgodnie z (8.10) i (8.11) wynoszą

0,0−31,85 0,0−−31,85

 A=



⋅cos2⋅−15,42 o 

Zgl

2

2

,

(Z8/9.15)

−9,509 ⋅sin2⋅−15,42 o =2,623 MPa

0,0−31,85

0,0−−31,85

 A =

−

⋅cos  2⋅−15,42 o

Xgl

2

2

.

(Z8/9.16)

−−9,509⋅sin 2⋅−15,42 o=−34,47 MPa

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z8/9. ANALIZA STANU NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA – ZADANIE 9

7

X

Xgl

34,47 MPa

2,623 MPa

2,623 MPa Z

15,42o

34,47 MPa

Zgl

Rys. Z8/9.9. Graficzna prezentacja naprężeń głównych w punkcie A Obliczenie naprężeń głównych możemy sprawdzić zgodnie z (8.12). Naprężenia główne wyznaczone z tego wzoru wynoszą

0,0−31,85

.

 =

±

2−9,5092=

(Z8/9.17)

1

{2,623 MPa

/2

0,0−−31,85

2

2

−34,47 MPa

Jak widać naprężenia główne zostały wyznaczone poprawnie. Rysunek Z8/9.9 przedstawia naprężenia główne zaznaczone na elementarnym kwadracie. Tensor naprężenia w układzie osi głównych będzie miał

postać

 A=

gl

[−34,47 0 0

0

0

0 ] .

(Z8/9.18)

0

0 2,623

Z8/9.5. Wyznaczenie stanu odkształcenia w punkcie A Rama wspornikowa jest wykonana ze zwykłej stali budowlanej. Dla stali tej wartość współczynnika Poissona wynosi 0,3 natomiast wartość modułu Younga wynosi E=205 GPa=205000 MPa .

(Z8/9.19)

Wartość modułu Kirchhoffa wynosi więc

205

G=

=78,85 GPa=78850 MPa .

(Z8/9.20)

2⋅ 10,3

Dla tensora naprężenia (Z8/9.12) odkształcenia liniowe oraz postaciowe w układzie współrzędnych ZX

wynoszą

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z8/9. ANALIZA STANU NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA – ZADANIE 9

8

1

 =

⋅[−31,85−0,3⋅00]=−155,4⋅10−6 ,

(Z8/9.21)

X

205000

1

 =

⋅[0−0,3⋅−31,850]=46,61⋅10−6 ,

(Z8/9.22)

Y

205000

1

 =

⋅[ 0−0,3⋅−31,850 ]=46,61⋅10−6 ,

(Z8/9.23)

Z

205000

−9,509

 =

=−60,30⋅10−6 .

(Z8/9.24)

XZ

2⋅78850

Ponieważ w punkcie A działa tylko jedno naprężenie styczne pozostałe równają się zero, więc pozostałe odkształcenia postaciowe są oczywiście równe zero. Tensor odkształcenia będzie miał więc w punkcie A postać

 A=[−155,4 0 −60,30

0

46,61

0

]⋅10−6 .

(Z8/9.25)

−60,30

0

46,61

Dla tensora naprężenia w układzie osi głównych (Z8/9.18) odkształcenia główne wynoszą 1



=

⋅[−34,47−0,3⋅ 02,623]=−172,0⋅10−6 ,

(Z8/9.26)

Xgl

205000

1

 =

⋅[ 0−0,3⋅−34,472,623]=46,61⋅10−6 ,

(Z8/9.27)

Ygl

205000

1

 =

⋅[ 2,623−0,3⋅−34,470]=63,24⋅10−6 .

(Z8/9.28)

Zgl

205000

Odkształcenia postaciowe w układzie osi głównych wynoszą oczywiście zero. Tensor odkształcenia w uk-

ładzie osi głównych ma postać

 A=

gl

[−172,0 0 0

0

46,61

0 ]⋅10−6 .

(Z8/9.29)

0

0

63,24

Z8/9.6. Wyznaczenie naprężeń zredukowanych

Naprężenie zredukowane wyznaczone według hipotezy H-M-H dla stanu naprężenia w punkcie A ramy wynosi

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z8/9. ANALIZA STANU NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA – ZADANIE 9

9

 H =−31,8523⋅−9,509 2=35,86 MPa .

(Z8/9.30)

red

Naprężenie zredukowane wyznaczone według hipotezy Treski dla stanu naprężenia w punkcie A ramy wynosi

 T =−31,8524⋅−9,5092=37,10 MPa .

(Z8/9.31)

red

Jak więc widać naprężenie zredukowane według hipotezy Treski jest większe niż naprężenie to wyznaczone według hipotezy H-M-H.

Dr inż. Janusz Dębiński

Document Outline

  • Z8/9.1. Zadanie 9
  • Z8/9.2. Wyznaczenie sił przekrojowych
  • Z8/9.3. Charakterystyki geometryczne przekroju blachownicowego
  • Z8/9.4. Wyznaczenie naprężeń głównych w punkcie A
  • Z8/9.5. Wyznaczenie stanu odkształcenia w punkcie A
  • Z8/9.6. Wyznaczenie naprężeń zredukowanych