WM

Z8/10. ANALIZA STANU NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA – ZADANIE 10

1

Z8/10. ANALIZA STANU NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA – ZADANIE

10

Z8/10.1. Zadanie 10

W punkcie A znajdującym się w przekroju α - α ramy wspornikowej na rysunku Z8/10.1 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 Z8/10.2. Wymiary ramy wspornikowej są podane w metrach natomiast wymiary przekroju w centymetrach.

1,0

α

α

Z=Z =Z

0

gl

1,0

/m

3,0

9,0 kN

15,0 kN

2,0

[m]

Rys. Z8/10.1. Rama wspornikowa

12,0

3,0

6,0

A

24,0

2,0

[cm]

Rys. Z8/10.2. Blachownica teowa

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z8/10. ANALIZA STANU NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA – ZADANIE 10

2

Z8/10.2. 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 Z8/10.3 przedstawia założone dodatnie zwroty sił przekrojowych.

X

N

M

1,0

T

T

Z=Z =Z

Z=Z =Z

0

gl

0

gl

M

1,0

N

X

/m

3,0

9,0 kN

15,0 kN

2,0

[m]

Rys. Z8/10.3. Przyjęte zwroty sił przekrojowych Siły przekrojowe będziemy wyznaczać dla dolnej części ramy na rysunku Z8/10.3. 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

N =15,0 ,0 kN .

(Z8/10.1)

Siła poprzeczna wynosi

T =−9,0⋅3,0=−27,0 kN .

(Z8/10.2)

Moment zginający wynosi

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z8/10. ANALIZA STANU NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA – ZADANIE 10

3

1

M =−9,0⋅3,0⋅1,0 ⋅3,015,0⋅2,0=−37,5 kNm .

(Z8/10.3)

2

Rysunek Z8/10.4 przedstawia prawidłowe wartości i zwroty sił przekrojowych w przekroju α - α.

X

15,0 kN

37,5 kNm

,01

27,0 kN

27,0 kN

Z=Z =Z

Z=Z =Z

0

gl

0

gl

,0

37,5 kNm

1

15,0 kN

X

/m

,03

9,0 kN

15,0 kN

2,0

[m]

Rys. Z8/10.4. Prawidłowe wartości i zwroty sił przekrojowych w przekroju α – α

Z8/10.3. 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. Ale najpierw musimy wyznaczyć położenie środka ciężkości przekroju teowego. W tym celu obieramy początkowy układ współ-

rzędnych przedstawiony na rysunku Z8/10.5. Ponieważ przekrój teowy posiada jedną oś symetrii oś ZP po-czątkowego układu będzie się z nią pokrywała. Na rysunku tym zaznaczone są także współrzędne środków ciężkości poszczególnych figur składowych. Współrzędne te wynoszą 3,0

z =

=1,5 cm ,

(Z8/10.4)

P1

2

24,0

z =3,0

=15,0 cm .

(Z8/10.5)

P2

2

Zgodnie ze wzorem (6.14) współrzędna z środka ciężkości przekroju teowego w początkowych układzie współrzędnych wynosi

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z8/10. ANALIZA STANU NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA – ZADANIE 10

4

12,0

6,0

6,0

3,0

YP

sc1

1,5

15,0

24,0

sc2

2,0

[cm]

Z=Z =Z =Z

P

0

gl

Rys. Z8/10.5. Środki ciężkości figur składowych 12,0

6,0

6,0

3,0

sc1

9,214

7,714 Y=Y =Y

0

gl

5,786

24,0

sc2

17,79

2,0

[cm]

Z=Z =Z

0

gl

Rys. Z8/10.6. Położenie środka ciężkości przekroju teowego 12,0⋅3,0⋅1,524,0⋅2,0⋅15,0

z =

=9,214 cm .

(Z8/10.6)

C

12,0⋅3,024,0⋅2,0

Położenie środka ciężkości przekroju teowego przedstawia rysunek Z8/10.6. Pole powierzchni tego przekroju wynosi

A=12,0⋅3,0 24,0⋅2,0 =84,0 cm 2 .

(Z8/10.7)

Współrzędna z01 półki wynosi

z =1,5−9,214=−7,714 cm .

(Z8/10.8)

01

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z8/10. ANALIZA STANU NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA – ZADANIE 10

5

Współrzędna z02 środnika wynosi

z =15,0−9,214=5,786 cm .

(Z8/10.9)

02

Moment bezwładności względem osi głównej Y=Y0=Ygl wynosi 12,0

2,0

J

⋅3,03

⋅24,03

= J =

−7,714 2⋅12,0⋅3,0

5,7862⋅2,0⋅24,0

Y

Ygl

12

12

.

(Z8/10.10)

=6080 cm 4

Z8/10.4. 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 Z8/10.5 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 Z8/10.7 możemy odczytać, że siła normalna w przekroju pręta jest rozciągająca czyli wynosi N =15,0 kN .

(Z8/10.11)

X

15,0 kN

37,5 kNm

27,0 kN

Z=Z =Z

0

gl

1,0

/m

3,0

,0 kN9

15,0 kN

2,0

[m]

Rys. Z8/10.7. Siły przekrojowe w przekroju pręta Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z8/10. ANALIZA STANU NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA – ZADANIE 10

6

12,0

,0

6,0

6,0

3

4

6,0

9,21

A

Y=Y =Y

0

gl

3,214

4,02

9

17,7

2,0

[cm]

Z=Z =Z

0

gl

Rys. Z8/10.8. Położenie punktu A w przekroju blachownicowym Siła poprzeczna posiada zwrot przeciwny do zwrotu osi Z=Z0=Zgl a jej wartość bezwzględna wynosi

∣ T Z∣=27,0 kN .

(Z8/10.12)

Moment zginający rozciąga górną część przekroju pręta więc wynosi on M =−37,5 kNm=−3750 kNcm .

(Z8/10.13)

Y

Rysunek Z8/10.8 przedstawia położenie punktu A w układzie osi głównych przekroju blachownicowego.

Naprężenie normalne σX zgodnie z (7.8) wynosi w punkcie A 15,0 −3750

kN

 A=



⋅−3,214 =2,161

=21,61 MPa .

X

(Z8/10.14)

84,0

6080

cm 2

Rysunek Z8/10.9 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

∣

27,0⋅12,0⋅3,0⋅7,7143,0⋅2,0⋅4,714

kN

 A∣=

=0,6794

=6,794 MPa .

(Z8/10.15)

XZ

2,0⋅6080

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=−6,794 MPa .

(Z8/10.16)

XZ

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z8/10. ANALIZA STANU NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA – ZADANIE 10

7

12,0

6,0

6,0

3,0

sc1

,0

4

sc

6

2

9,214

,71

A

7

,03

Y=Y =Y

4

4

0

gl

,71

,21

4

3

24,0

17,79

2,0

[cm]

Z=Z =Z

0

gl

Rys. Z8/10.9. Część przekroju blachownicowego znajdująca się powyżej punktu A a

X

P

21,61 M

6,794 MPa

aP

aP

4 M

6,794 M

,796

Z

6,794 MPa

aP

21,61 M

Rys. Z8/10.10. Graficzna prezentacja stanu naprężenia w punkcie A Rysunek Z8/10.10 przedstawia elementarny kwadrat z zaznaczonymi naprężeniami w punkcie A. Tensor naprężenia w punkcie A ma postać

 A=[ 21,61 0 −6,794

0

0

0

] .

(Z8/10.17)

−6,794 0

0

Tangens podwójnego kąta nachylenia osi głównych zgodnie z (8.9) wynosi 2⋅−6,794

tg 2⋅ =

=0,6288 .

(Z8/10.18)

gl

0,0−21,61

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z8/10. ANALIZA STANU NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA – ZADANIE 10

8

Kąt nachylenia osi głównych wynosi

 =16,08 o .

(Z8/10.19)

gl

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

Naprężenia główne zgodnie z (8.10) i (8.11) wynoszą 0,021,61 0,0−21,61

 A=



⋅cos 2⋅16,08 o−6,794 ⋅sin 2⋅16,08 o

Zgl

2

2

,

(Z8/10.20)

 A=−1,958 MPa

Zgl

0,021,61

0,0−21,61

 A =

−

⋅cos 2⋅16,08 o−−6,794⋅sin 2⋅ 16,08 o

Xgl

2

2

.

(Z8/10.21)

 A =23,57 MPa

Xgl

Obliczenie naprężeń głównych możemy sprawdzić zgodnie z (8.12). Naprężenia główne wyznaczone z tego wzoru wynoszą

0,021,61

 =

±

.

(Z8/10.22)

1

2−6,7942={ 23,57 MPa

/2

2

0,0−21,61

2

−1,958 MPa

Jak widać naprężenia główne zostały wyznaczone poprawnie. Rysunek Z8/10.11 przedstawia naprężenia główne zaznaczone na elementarnym kwadracie. Tensor naprężenia w układzie osi głównych będzie miał

postać

 A=

gl

[23,57 0 0

0

0

0

] .

(Z8/10.23)

0

0 −1,958

X

X gl

23,57 MPa

1,958 MPa

Z gl

1,958 MPa

16,08o

23,57 MPa

Z

Rys. Z8/10.11. Graficzna prezentacja naprężeń głównych w punkcie A Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z8/10. ANALIZA STANU NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA – ZADANIE 10

9

Z8/10.5. 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 .

(Z8/10.24)

Wartość modułu Kirchhoffa wynosi więc

205

G=

=78,85 GPa=78850 MPa .

(Z8/10.25)

2⋅ 10,3

Dla tensora naprężenia (Z8/10.17) odkształcenia liniowe oraz postaciowe w układzie współrzędnych ZX

wynoszą

1

 =

⋅[ 21,61−0,3⋅ 00]=105,4⋅10−6 ,

(Z8/10.26)

X

205000

1

 =

⋅[0−0,3⋅ 21,610]=−31,62⋅10−6 ,

(Z8/10.27)

Y

205000

1

 =

⋅[ 0−0,3⋅21,610 ]=−31,62⋅10−6 ,

(Z8/10.28)

Z

205000

−6,794

 =

=−43,08⋅10−6 .

(Z8/10.29)

XZ

2⋅78850

Pozostałe odkształcenia postaciowe są oczywiście równe zero. Tensor odkształcenia będzie miał więc w punkcie A postać

 A=[ 105,4

0

−43,08

0

−31,62

0

]⋅10−6 .

(Z8/10.30)

−43,08

0

−31,62

Dla tensora naprężenia w układzie osi głównych (Z8/10.23) odkształcenia główne wynoszą 1



=

⋅[ 23,57−0,3⋅0−1,958]=117,8⋅10−6 ,

(Z8/10.31)

Xgl

205000

1

 =

⋅[ 0−0,3⋅ 23,57−1,958]=−31,63⋅10−6 ,

(Z8/10.32)

Ygl

205000

1

 =

⋅[−1,958−0,3⋅ 23,570]=−44,04⋅10−6 .

(Z8/10.33)

Zgl

205000

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z8/10. ANALIZA STANU NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA – ZADANIE 10

10

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

ładzie osi głównych ma postać

 A=

gl

[117,8 0 0

0

−31,63

0

]⋅10−6 .

(Z8/10.34)

0

0

−44,04

Z8/10.6. Wyznaczenie naprężeń zredukowanych

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

 H =21,6123⋅−6,7942=24,60 MPa .

(Z8/10.35)

red

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

 T =21,6124⋅−6,7942=25,53 MPa .

(Z8/10.36)

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

  • Z8/10.1. Zadanie 10
  • Z8/10.2. Wyznaczenie sił przekrojowych
  • Z8/10.3. Charakterystyki geometryczne przekroju blachownicowego
  • Z8/10.4. Wyznaczenie naprężeń głównych w punkcie A
  • Z8/10.5. Wyznaczenie stanu odkształcenia w punkcie A
  • Z8/10.6. Wyznaczenie naprężeń zredukowanych