Przykład 5.2. Kratownica trzykrotnie statycznie niewyznaczalna Polecenie: korzystając z metody sił wyznaczyć siły w prętach poniższej kratownicy. Przyjąć sztywność ściskania dla słupków i krzyżulców równą EA, a dla prętów pasa dolnego i górnego 2 EA.

P

2 l

2 l

3 P

l

l

l

l

l

l

Rozwiązanie

zadania

rozpoczynamy

od

obliczenia

stopnia

statycznej

niewyznaczalności układu. W przypadku płaskiej kratownicy z węzłami przegubowymi n = r + p − 2 · w

gdzie:

r - liczba składowych reakcji podpór

p - liczba prętów kratownicy

w - liczba węzłów kratownicy.

W rozpatrywanym układzie stopień statycznej niewyznaczalności wynosi n = 4 + 27 − 2 · 14 = 3

Pomimo iż rozważana kratownica jest statycznie niewyznaczalna, to siły w czterech słupkach można wyznaczyć z równań równowagi.

P

G 1

G 2 = G 1

G 4

G 5 = G 4

3 P

S=3 P

3 P

D 2

D

D 4

D

3 = D 2

5 = D 4

3 P

Uwzględniając ponadto jednakową sztywność ściskania dla prętów pasa dolnego i górnego oraz równości: G = G , G = G , D = D , D = D możemy rozwiązać 1

2

4

5

2

3

4

5

przedstawiona poniżej kratownicę o mniejszej ilości prętów.

P

2 l

2 l

3 P

l

l

l

l

l

l

Układ jest trzykrotnie statycznie niewyznaczalny. Tworzymy układ podstawowy statycznie wyznaczalny przez usunięcie trzech nadliczbowych więzów. Musi to być układ geometrycznie niezmienny. Istnieje wiele takich schematów. Poniżej podano dwa przykłady.

X

X

2

3

X 1

Układy

geometrycznie

niezmienne

X 1

X

2

X

3

Rozpatrywana kratownica jest układem zewnętrznie statycznie niewyznaczalnym.

Można, więc przyjąć jako jedną z trzech nadliczbowych reakcję podporową o kierunku pionowym. Po usunięciu nadliczbowych więzów należy sprawdzić, czy otrzymany układ jest geometrycznie niezmienny. Układ geometrycznie zmienny nie może być układem podstawowym. Jako układ podstawowy przyjmiemy drugi spośród powyższych, geometrycznie niezmiennych układów.

Poniżej pokazany jest układ geometrycznie zmienny otrzymany po usunięciu trzech więzów w rozpatrywanej, trzykrotnie statycznie niewyznaczalnej kratownicy.

2

X

1

Układ

geometrycznie

X

2

zmienny

X

3

Siły w prętach nie zależą od przyjętego układu podstawowego. Wybór tego układu jest jednak istotny, ponieważ od niego zależy, czy rozwiązanie zadania będzie mniej lub bardziej pracochłonne. Poniższy rysunek przedstawia przyjęty do obliczeń układ podstawowy. W tak przyjętym układzie podstawowym siły w prętach wyznaczone w stanie X = 1 możemy 1

wykorzystać również w stanie

X = 1 ze względu na symetryczną budowę układu 2

podstawowego (składowa pozioma reakcji na podporze nieprzesuwnej jest równa zero w stanach X = ,

1 X = ,

1 X = 1).

1

2

3

X

X

1

2

X

3

Pzed przystąpieniem do obliczeń ponumerujemy pręty i węzły.

Oznaczenie prętów

Oznaczenie węzłów

W1

2

11

W

W

8

12

3

15

2

W3

W

5

4

9

4

17

1

19

6 10

13 16

A

C

B

5

7

14

18

W

W

6

7

Wyznaczamy siły w prętach wywołane przez jednostkowe siły nadliczbowe i obciążenie zewnętrzne w układzie podstawowym.

3

Stan X1 = 1

1

1

2 l

1

1

2 l

HA = 0

VA = 0

RC = 0

l

l

l

l

l

l

W rozpatrywanym stanie obciążeniem są dwie jednostkowe siły o przeciwnych zwrotach, mające wspólną linię działania (układ sił równoważących się). Otrzymamy, więc wszystkie składowe reakcji podporowych zerowe. Siły S 1, S 5, S 11, S 14, S 15, S 16, S 17, S 18, S 19 są równe zero. W celu wyznaczenia pozostałych sił w prętach kratownicy należy zapisać równania równowagi dla węzłów W 1, W 2, W 3, W4, W6 oraz B.

W 1

1

S 12

S 8

1

S 8

S 12

W 3

W 4

W

S 9

2

S 3

S 3

S 9

S 4

S 10

S

S

6

13

S 4

S 6

S 10

S 13

W 6

S 7

S 7 B

W

2

2

5

2

∑ P

iy

= 0

1⋅

−

⋅ S = 0

⇒

S =

4

4

i

13

5

13

W

1

3

4

2

∑ P

ix

= 0

S +

⋅ S +

⋅1 = 0

⇒

S = −

3

4

3

i

5

13

13

W

2

2

5

6

∑ P

iy

= 0

⋅ S +

⋅ S = 0

⇒

S = −

4

6

6

i

5

5

13

W

1

1

2

6

∑ P

ix

= 0

S −

⋅ S +

⋅ S = 0

⇒

S =

7

4

6

7

i

5

5

13

Dla węzła B otrzymamy układ dwóch równań z dwiema niewiadomymi.

4

B

1

1



∑ Pix = 0

⋅ S −

⋅ S − S = 0

13

10

7

i

5

5



5

5



⇒

S

= −

S

=

B

2

2

10

13

13

13

∑ Piy = 0

⋅ S +

⋅ S = 0



13

10

i

5

5



W

2

2

5

4

∑ P

iy

= 0

⋅ S −

⋅ S = 0

⇒

S

=

12

13

12

i

5

5

13

W

1

1

2

4

∑ P

ix

= 0

−

⋅ S −

⋅ S − S = 0 ⇒

S = −

12

13

9

9

i

5

5

13

W

1

1

3

2 5

1

∑ P

ix

= 0

⋅ S −

⋅ S −1⋅

= 0 ⇒

S = −

12

8

8

i

5

5

13

13

Pozostałe równania dla węzła W 1 i W 3 spełnione są tożsamościowo.

1

1

( i )

N

1

2 5

5

i = 1, 2, …, 19

13

13

1

1

4

2

13

13

5

5

5

5

13

13

13

13

2

H

A = 0

13

RC = 0

VA = 0

Stan X2 = 1

1

1

2 l

1

1

2 l

HA = 0

VA = 0

RC = 0

l

l

l

l

l

l

5

Możemy wykorzystać symetryczną budowę układu podstawowego. Rozkład sił w prętach w stanie X = 1 jest „lustrzanym odbiciem” rozkładu sił w stanie X = 1.

2

1

1

1

( i )

N

2

5

2 5

i=1, 2, …, 19

13

13

1

2

4

13

13

1

5

5

5

5

13

13

13

13

HA = 0

2

13

V

RC = 0

A = 0

Stan X3 = 1

2 l

2 l

H A = 0

1

1

V

RC =

A =

1

2

2

l

l

l

l

l

l

Skoro składowa pozioma reakcji na podporze A jest równa zero, to rozkład sił w prętach w stanie X = 1 ma charakter symetryczny. Możemy obliczyć siły dla prętów tylko 3

jednej połowy układu. Pozostałe siły wyznaczymy korzystając z symetrii.

Wyznaczamy reakcje podporowe:

∑ P

H

ix = 0

⇒

A = 0

i

1

∑ M

R

l

l

R

iA = 0 :

− C ⋅ 6 +1⋅3 = 0

⇒

C =

i

2

1

∑ P

R

V

V

iy = 0

1 − C − A = 0

⇒

A =

i

2

Siły S 2, S 5, S 8, S 11, S 12, S 18 są równe zero. Pozostałe siły w prętach kratownicy możemy wyznaczyć z równań równowagi dla węzłów.

6

W

3

W

S

2

9

S 3

S 3

S 1

S

S 10

4

S 6

S 4

S 1

S

H

6

A

A

W 6

S 7

VA

A

1

∑ P

iy

= 0

− VA + S = 0

⇒

S =

1

1

i

2

W

2

5

2

∑ P

iy

= 0

− S −

⋅ S = 0

⇒

S = −

1

4

4

i

5

4

W

1

1

2

∑ P

ix

= 0

S +

⋅ S = 0

⇒

S =

3

4

3

i

5

4

W

2

2

5

6

∑ P

iy

= 0

⋅ S +

⋅ S = 0

⇒

S =

4

6

6

i

5

5

4

W

1

1

1

6

∑ P

ix

= 0

⋅ S −

⋅ S + S = 0

⇒

S = −

6

4

7

7

i

5

5

2

W

2

2

5

3

∑ P

iy

= 0

−

⋅ S −

⋅ S = 0

⇒

S

= −

6

10

10

i

5

5

4

W

1

1

3

3

∑ P

ix

= 0

S −

⋅ S +

⋅ S − S = 0 ⇒

S =

9

6

10

3

9

i

5

5

4

( i )

N 3

i = 1, 2, …, 19

1

3

1

4

4

4

1

5

5

1

5

5

5

5

2

4

4

2

4

4

4

4

0

1

1

2

2

1

1

1

2

2

7

Stan zerowy (obciążenie zewnętrzne) P

2 l

2 l

3 P

H

= P

A

8

1

R =

V =

P

P

C

A

3

3

l

l

l

l

l

l

Wyznaczamy reakcje podporowe:

∑ P = 0

− H + P = 0

⇒

H

= P

ix

A

A

i

8

∑ M = 0 :

R ⋅ l

6 − P ⋅ l

4 − 3 P ⋅ l

4 = 0

⇒

R =

P

iA

C

C

3

i

1

∑ P = 0

V + R − 3 P = 0

⇒

V =

P

iy

A

C

A

3

i

W 1

P

S 8 S 12

3 P

S 8

W

S 12

3

W 4

S

W

9

W

5

2

S 15

S

S

3

S 3

S 9

4

S

S 4

S 10

16

S

S

3

1

S 6

S 13

S 19

S

S

1

4

S

S 6

S 10

S 13

S

S

16

17

19

P

S

5

C

S

A

S W

S

S

14

5

6

S 7

7

B

14

W 7

1

8

P

P

3

3

Siły S 2, S 11 i S 18 są równe zero. W celu wyznaczenia pozostałych sił w prętach kratownicy należy zapisać równania równowagi dla węzłów kratownicy.

∑ PA = 0

− P + ⋅ S

0

5 =

⇒

S 5 = P

ix

i

8

1

1

∑ PA = 0

P + ⋅ S = 0

⇒

S = − P

iy

3

1

1

3

i

2

5

∑ PW 2 = 0

− S −

⋅ S = 0

⇒

S =

P

iy

1

4

4

5

6

i

1

1

∑ PW 2 = 0

S +

⋅ S = 0

⇒

S = − P

ix

3

4

3

5

6

i

2

2

5

∑ PW 6 = 0

⋅ S +

⋅ S = 0

⇒

S = −

P

iy

4

6

6

5

5

6

i

1

1

4

∑ PW 6 = 0

⋅ S −

⋅ S + S − S = 0 ⇒

S =

P

ix

6

4

7

5

7

5

5

3

i

Dla węzła W 1 rozwiążemy układ dwu równań z dwiema niewiadomymi.

1

1



∑ PW 1 = 0

⋅ S −

⋅ S + P = 0

ix

12

8



i

5

5

5

5



⇒

S =

P , S

= −

P

2

2

8

2

12

2

∑ PW



1

= 0

−

⋅ S −

⋅ S = 0

iy

12

8



i

5

5



2

2

2

2 5

∑ PW 3 = 0

⋅ S −

⋅ S −

⋅ S = 0

⇒

S

=

P

iy

8

6

10

10

5

5

5

3

i

1

1

1

3

∑ PW 3 = 0

⋅ S +

⋅ S −

⋅ S + S − S = 0

⇒

S = − P

ix

8

10

6

9

3

9

5

5

5

2

i

2

2

2 5

∑ PB = 0

⋅ S +

⋅ S = 0

⇒

S

= −

P

iy

10

13

13

5

5

3

i

1

1

8

∑ PB = 0

⋅ S −

⋅ S + S − S = 0

⇒

S

= P

ix

13

10

14

7

14

5

5

3

i

2

2

2

4 5

∑ PW 4 = 0

⋅ S −

⋅ S −

⋅ S − 3 P = 0

⇒

S

= −

P

iy

12

13

16

16

5

5

5

3

i

1

1

1

4

∑ PW 4 = 0

⋅ S −

⋅ S −

⋅ S − S + S = 0

⇒

S

= − P

ix

16

12

13

9

15

15

5

5

5

3

i

2

2

4 5

∑ PW 7 = 0

⋅ S +

⋅ S = 0

⇒

S

=

P

iy

16

17

17

5

5

3

i

W

1

1

7

∑ P

ix

= 0

⋅ S −

⋅ S + S − S = 0

⇒

S

= 0

17

16

18

14

18

i

5

5

9

2

8

∑ PW 5 = 0

−

⋅ S − S = 0

⇒

S

= − P

iy

17

19

19

5

3

i

Pozostałe równania równowagi dla węzła W 5 i C spełnione są tożsamościowo.

1

( i )

N 0

5

5

i = 1, 2, …, 19

2

2

3

mnożnik P

1

3

4

6

2

3

1

2 5

2 5

8

5

5

4 5

4 5

3

3

3

3

6

6

3

3

1

4

8

1

3

3

1

8

2

3

Sztywność ściskania oraz siła podłużna na całej długości każdego pręta mają stałą wartość. Uwzględniając to otrzymujemy

p

l

( i )

( i

l

i

)

p

( i )

( i

N

N

N

N ) l

p

( i )

( i

i

)

p

( i )

( i )

δ

N

N

N

N l

s

d

j

0

j

0

i

δ

s

d

j 0 = ∑ ∫

=∑

jk = ∑ ∫

j

k

=∑ j k i

1

E A

1

E A

1

E A

1

E A

i=

0

i

i

i=

i

i

i=

0

i

i

i=

i

i

Wyznaczenie współczynników przy nadliczbowych i wyrazów wolnych układu równań metody sił przeprowadzimy w tabeli.

Ze względu na symetryczną budowę układu podstawowego i taki dobór nadliczbowych, że rozkład sił podłużnych w stanie X = 1 jest „lustrzanym odbiciem”

2

rozkładu sił w stanie X = 1, a rozkład sił podłużnych w stanie X = 1 ma charakter 1

3

symetryczny otrzymamy

p

( i )

( i )

p

( i )

( i )

δ

δ

13 = ∑ N

N l

N

N l

1

3

i = 23 = ∑ 2

3

i

1

E A

1

E A

i=

i

i

i=

i

i

oraz

p

( i )

( i )

p

( i )

( i )

δ

δ

11 = ∑ N

N l

N

N l

1

1

i = 22 = ∑ 2

2

i

1

E A

1

E A

i=

i

i

i=

i

i

10

l

( i )

( i

N

( i )

( i

N 3 ⋅ N )

3

⋅ l

1

⋅ N )

1

⋅ l

i

i

i

i

( i )

( i )

( i )

( i )

E A

N

N

N

N

1

2

3

0

E A

E A

i

i

i

i

i

i

1

1

1

1.

2

0

0

−

0

2

3

2

2.

13

1

0

0

0

13

0

4

1

1

16

1

3.

1

−

0

−

13

4

6

13

16

5

5

5

5 5

5 5

4.

5

0

−

13

4

6

13

16

1

5.

0

0

0

1

0

0

2

5

5

5

5 5

5 5

6.

−

0

−

5

13

4

6

13

16

2

1

4

4

1

7.

1

0

−

13

2

3

13

4

5

5

5

20 5

8.

5

− 2

0

0

13

13

2

13

2

2

3

3

4

9

9.

1

−

−

−

13

13

4

2

13

16

5

5

5

2 5

5 5

5 5

10.

5

−

−

13

13

4

3

13

16

11.

13

0

1

0

0

0

0

5

5

5

5 5

12.

5

− 2

0

−

0

13

13

2

13

5

5

5

2 5

5 5

5 5

13.

5

−

−

−

13

13

4

3

13

16

2

1

8

1

14.

1

0

−

0

2

3

4

13

4

1

4

1

15.

1

−

−

0

0

13

4

3

16

5

5

4 5

5 5

16.

5

0

−

−

0

13

4

3

16

5

5

4 5

5 5

17.

5

0

−

0

13

4

3

16

1

18.

0

0

0

0

0

0

2

1

8

1

19.

2

0

0

−

0

2

3

2

11

( i )

( i

N

( i )

( i

N

( i )

( i

N

( i )

( i

N

( i )

( i

N 3 ⋅ N )

0

⋅ l

2

⋅ N )

0

⋅ l

1

⋅ N )

0

⋅ l

1

⋅ N )

3

⋅ l

1

⋅ N )

2

⋅ l

i

i

i

i

i

i

E A

E A

E A

E A

E A

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

1

1.

0

0

0

0

−

3

2.

0

0

0

0

0

1

2

1

3.

0

−

0

−

13

3 13

24

5 5

5 5

5 5

4.

0

−

0

−

4 13

6 13

24

5.

0

0

0

0

0

5 5

5 5

5 5

6.

0

−

0

−

24

4 13

6 13

1

8

2

7.

0

−

0

−

3

13

3 13

10 5

5 5

5 5

8.

−

0

−

0

13

13

2 13

4

3

3

3

9

9.

−

−

13

2 13

13

13

8

5 5

5 5

10 5

10 5

5 5

10.

−

−

−

13

4 13

3 13

3 13

6

11.

0

0

0

0

0

10 5

5 5

5 5

12.

−

0

−

0

13

2 13

13

5 5

5 5

10 5

10 5

5 5

13.

−

−

−

13

4 13

3 13

3 13

6

16

4

14.

0

0

0

−

3

3 13

16

1

15.

−

0

0

0

3

3 13

20 5

5 5

16.

0

0

0

−

3 13

3

20 5

5 5

17.

0

0

0

−

3 13

3

18.

0

0

0

0

0

8

19.

0

0

0

0

−

3

12

p

N ( i) N ( i) l

l

1

1

i

δ = δ = ∑

= 131

, 9194

11

22

i 1

=

E A

EA

i

i

p

N ( i) N ( i) l

l

3

3

i

δ = ∑

= 3

,

6 8013

33

i 1

=

E A

EA

i

i

p

N ( i) N ( i) l

l

1

2

i

δ = δ = ∑

= − 8

,

4 5246

12

21

i 1

=

E A

EA

i

i

p

N ( i) N ( i) l

l

1

3

i

δ = δ = δ = δ = ∑

= − 5

,

2 2116

13

31

23

32

i 1

=

E A

EA

i

i

p

N ( i) N ( i) l

l

1

0

i

δ = ∑

= − 9

,

5 9562

10

i 1

=

E A

EA

i

i

p

N ( i) N ( i) l

l

2

0

i

δ = ∑

= 20 8

, 4523

20

i 1

=

E A

EA

i

i

p

N ( i) N ( i) l

l

3

0

i

δ = ∑

= −14 8

, 8525

30

i 1

=

E A

EA

i

i

Układ równań metody sił ma postać

l

l

l

Pl

131

, 9194 ⋅

⋅ X − 4 8 , 5246 ⋅

⋅ X − 2 5

, 2116

⋅ X − 5 9

, 9562 ⋅

= 0

1

2

3

EA

EA

EA

EA

−

l

l

l

Pl

4 8

, 5246 ⋅

⋅ X −131 , 9194 ⋅

⋅ X − 2 5

, 2116

⋅ X + 20 8 , 4523⋅

= 0

1

2

3

EA

EA

EA

EA

−

l

l

l

Pl

2 5

, 2116 ⋅

⋅ X − 2 5

, 2116 ⋅

⋅ X + 6 3 , 8013

⋅ X −14 8 , 8525 ⋅

= 0

1

2

3

EA

EA

EA

EA

Rozwiązanie powyższego układu równań jest następujące X = 0 , 50067 P

X = −0 , 98682 P

X = 2 , 14096 P .

1

2

3

Po rozwiązaniu układu równań metody sił możemy wyznaczyć siły w prętach ( i )

( i )

( i )

( i )

( i )

N

= N ⋅ X + N ⋅ X + N ⋅ X + N

1

1

2

2

3

3

0

Wartości sił w prętach kratownicy statycznie niewyznaczalnej obliczamy w ostatniej kolumnie tabeli.

13

i

( )

N i

X

( )

N i

X

( )

N i

X

( i )

(

N

N i) [ P]

0

=

3

⋅

2

⋅

1

⋅ 1 +

2 +

3 +

1

1

1.

0

−

· 0,50067+

0

· (-0,98682)+

=

0,73715

2

· 2,14096+

3

2.

1

· 0,50067+

0

· (-0,98682)+

0

· 2,14096+

0 =

0,50067

4

1

1

3.

−

· 0,50067+

0

· (-0,98682)+

· 2,14096+

− = −0,18687

13

4

6

5

5

5

4.

· 0,50067+

0

· (-0,98682)+

−

· 2,14096+

= −0,51365

13

4

6

5.

0

· 0,50067+

0

· (-0,98682)+

0

· 2,14096+

1 =

1,00000

5

5

5

6.

−

· 0,50067+

0

· (-0,98682)+

· 2,14096+

−

=

0,51365

13

4

6

2

1

4

7.

−

· 0,50067+

0

· (-0,98682)+

· 2,14096+

=

0,54058

13

2

3

5

5

5

8.

− 2

· 0,50067+

· (-0,98682)+

0

· 2,14096+

= −0,11125

13

13

2

2

2

3

3

9.

−

−

−

· 0,50067+

· (-0,98682)+

· 2,14096+

=

0,37206

13

13

4

2

5

5

5

2 5

10.

−

· 0,50067+

· (-0,98682)+

−

· 2,14096+

= −0,62490

13

13

4

3

11.

0

· 0,50067+

1

· (-0,98682)+

0

· 2,14096+

0 = −0,98082

5

5

5

12.

· 0,50067+

− 2

· (-0,98682)+

0

· 2,14096+

−

=

0,40903

13

13

2

5

5

5

2 5

13.

· 0,50067+

−

· (-0,98682)+

−

· 2,14096+

−

= −1,76876

13

13

4

3

2

1

8

14.

0

−

· 0,50067+

· (-0,98682)+

· 2,14096+

=

1,05213

13

2

3

4

1

4

15.

0

−

−

· 0,50067+

· (-0,98682)+

· 2,14096+

=

0,29003

13

4

3

5

5

4 5

16.

0

· 0,50067+

−

· (-0,98682)+

· 2,14096+

−

= −1,17631

13

4

3

5

5

4 5

17.

0

· 0,50067+

· (-0,98682)+

−

· 2,14096+

= 1,17631

13

4

3

18.

0

· 0,50067+

0

· (-0,98682)+

0

· 2,14096+

0 =

0,00000

1

− 8

19.

0

· 0,50067+

0

· (-0,98682)+

−1,59619

2

· 2,14096+

=

3

14

Otrzymane wyniki przedstawia poniższy rysunek, na którym grubości „prętów” są proporcjonalne do wyznaczonych wartości sił (w przyjętej skali).

P

Skala

0 P

3 P

3 P

HA = P

VA = 0,73715 P

RC = 1,59619 P

RB = 2,14096 P

Pręty ściskane

Pręty rozciągane

Obciążenie zewnętrzne

i reakcje podporowe

Ze względu na symetryczną budowę rozpatrywanej kratownicy powyższe zadanie można rozwiązać stosując grupowe nadliczbowe. Układ trzech równań z trzema niewiadomymi rozprzęga się wtedy na układ dwóch równań z dwiema niewiadomymi oraz jedno równanie z jedną niewiadomą.

15