WM

Z5/17. SIŁY PRZEKROJOWE W BELKACH I RAMACH PŁASKICH -

1

ZADANIE 17

Z5/17. SIŁY PRZEKROJOWE W BELKACH I RAMACH PŁASKICH –

ZADANIE 17

Z5/17.1. Zadanie 17

Narysować metodą ogólną wykresy sił przekrojowych dla belki prostej przedstawionej na rysunku Z5/17.1. Wymiary belki podane są w metrach.

16,0 kN/m

8,0 kN

A

B

C

6,0

3,0

[m]

Rys. Z5/17.1. Belka prosta

Z5/17.2. Analiza kinematyczna belki

Rysunek Z5/17.2 przedstawia belkę prostą traktowaną w analizie kinematycznej jako płaską tarczę sztywną.

A

B

C

1

2

I

3

Rys. Z5/17.2. Belka prosta jako płaska tarcza sztywna Jak widać na rysunku Z5/17.2 tarcza sztywna posiada trzy stopnie swobody. Tarcza ta jest podparta trzema prętami podporowymi 1, 2 i 3. Wszystkie te więzy odbierają razem trzy stopnie swobody. Został

więc spełniony warunek konieczny geometrycznej niezmienności (2.4). Belka może więc być układem geometrycznie niezmiennym i statycznie wyznaczalnym.

Tarcza numer I jest podparta trzema prętami podporowymi numer 1, 2 i 3, których kierunki nie przecinają się w jednym punkcie. Został więc spełniony także i warunek dostateczny geometrycznej niezmienności dla tej tarczy sztywnej. Jest więc ona geometrycznie niezmienna i statycznie wyznaczalana.

Z5/17.3. Wyznaczenie reakcji podporowych

Aby wyznaczyć wartości i zwroty reakcji podporowych musimy najpierw przyjąć ich dodatnie zwroty.

Rysunek Z5/17.3 przedstawia założone zwroty reakcji we wszystkich podporach belki.

Poziomą reakcję na podporze A wyznaczymy z równania sumy rzutów wszystkich sił działających na belkę na oś poziomą X.

 X = H =0

A

.

(Z5/17.1)

H =0,0 kN

A

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z5/17. SIŁY PRZEKROJOWE W BELKACH I RAMACH PŁASKICH -

2

ZADANIE 17

16,0 kN/m

8,0 kN

HA

A

B

C

Y

[m]

X

VA

VB

6,0

3,0

Rys. Z5/17.3. Założone zwroty reakcji podporowych

Pionową reakcję na podporze A otrzymamy z równania sumy momentów wszystkich sił działających na belkę względem punktu B.

1

1

 M = V ⋅6,0− ⋅16,0⋅6,0⋅ ⋅6,08,0⋅3,0=0

B

A

2

3

.

(Z5/17.2)

V =12,0 kN

A

Reakcja ma więc zwrot zgodny z założonym.

Pionową reakcję na podporze B otrzymamy z równania sumy momentów wszystkich sił działających na belkę względem punktu A.

1

2

 M =− V ⋅6,0 ⋅16,0⋅6,0⋅ ⋅6,08,0⋅9,0=0

A

B

2

3

.

(Z5/17.3)

V =44,0 kN

B

Reakcja ma więc zwrot zgodny z założonym.

W celu sprawdzenia obliczeń reakcji pionowych zastosujemy równanie sumy rzutów wszystkich sił

działających na belkę na oś pionową Y.

1

 Y = V  V − ⋅16,0⋅6,0−8,0=12,044,0−48,0−8,0=0 .

(Z5/17.4)

A

B

2

Możemy więc stwierdzić, że pionowe reakcje działające na belkę zostały obliczone poprawnie i znajdują się w równowadze.

Rysunek Z5/17.4 przedstawia prawidłowe wartości i zwroty reakcji we wszystkich podporach danej belki.

Z5/17.4. Funkcje sił przekrojowych w przedziale AB

Rysunek Z5/17.5 przedstawia siły działające na odciętą część belki w przedziale AB. Na rysunku tym są zaznaczone dodatnie siły przekrojowe.

W dalszej części przy wyznaczaniu postaci funkcji siły normalnej lub poprzecznej oraz momentu zginającego będziemy korzystali z następujących zasad:

•

siły, które działają zgodnie z dodatnim zwrotem siły normalnej lub poprzecznej będziemy zapisywać z minusem

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z5/17. SIŁY PRZEKROJOWE W BELKACH I RAMACH PŁASKICH -

3

ZADANIE 17

•

siły, które działają przeciwnie do dodatniego zwrotu siły normalnej lub poprzecznej będziemy zapisywać z plusem

•

siły i momenty skupione, które kręcą zgodnie z dodatnim zwrotem momentu zginającego będziemy zapisywać z minusem

•

siły i momenty skupione, które kręcą przeciwnie do dodatniego zwrotu momentu zginającego będziemy zapisywać z plusem.

16,0 kN/m

8,0 kN

A

B

C

[m]

12,0 kN

44,0 kN

6,0

3,0

Rys. Z5/17.4. Prawidłowe wartości i zwroty reakcji we wszystkich podporach belki prostej q(x)

A

N(x)

X

T(x)

M(x)

12,0 kN

x

Rys. Z5/17.5. Siły działające w przedziale AB

Funkcja obciążenia ciągłego trójkątnego prostopadłego do osi belki będzie miała, zgodnie ze wzorem (5.3), postać

16,0

8

q  x=

⋅ x = ⋅ x .

(Z5/17.5)

6,0

3

Jak widać na rysunku Z5/17.5 funkcja siły normalnej jest równa zero. Siłę poprzeczną wyznaczymy z równania sumy rzutów wszystkich sił działających na odciętą część belki na kierunek tej siły. Funkcja ta ma postać

1

1 8

4

T  x=12,0− ⋅ q  x⋅ x=12,0− ⋅ ⋅ x⋅ x=12,0− ⋅ x 2 .

(Z5/17.6)

2

2 3

3

Funkcja siły poprzecznej jest funkcją kwadratową i aby ją jednoznacznie narysować musimy wyznaczyć jej wartości w trzech punktach. Wartości tej funkcji na końcach przedziału wynoszą T 0,0=12,0 kN

4

.

(Z5/17.7)

T 6,0=12,0− ⋅6,02=−36,0 kN

3

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z5/17. SIŁY PRZEKROJOWE W BELKACH I RAMACH PŁASKICH -

4

ZADANIE 17

Siła poprzeczna ma na obu końcach przedziału wartości różnych znaków. Będzie ona miała więc w przedziale AB miejsce zerowe, które znajduje się w odległości 4

12,0− ⋅ x 2=0

3 0

(Z5/17.8)

x =3,0 m

0

od początku przedziału czyli od punktu A. Współczynnik przy x2 jest ujemny więc parabola siły poprzecznej będzie miała „brzuszek” do góry. Ekstremum tego wykresu znajduje się w punkcie A, w którym obciążenie trójkątne ma wartość zero.

Moment zginający wyznaczymy z równania sumy momentów wszystkich sił działających na odciętą część belki względem punktu, w którym wyznaczamy moment zginający.

1

1

1 8

1

4

M  x=12,0⋅ x− ⋅ q x⋅ x⋅ ⋅ x=12,0⋅ x− ⋅ ⋅ x⋅ x⋅ ⋅ x=12,0⋅ x− ⋅ x 3 .

(Z5/17.9)

2

3

2 3

3

9

Funkcja momentu zginającego jest wielomianem trzeciego stopnia i aby ją jednoznacznie narysować potrzebujemy jej wartości w czterech punktach. Wartości tej funkcji na końcach przedziału oraz w miejscu ekstremum wynoszą

M 0,0 =0,0 kNm

4

M 3,0 =12,0⋅3,0− ⋅3,03=24,0 kNm

9

.

(Z5/17.10)

4

M 6,0 =12,0⋅6,0− ⋅6,03=−24,0 kNm

9

Jak wiadomo ujemne momenty zginające rozciągają górną część przekroju pręta i będziemy je odkładać na górze, dodatnie zaś na dole. Czwartym punktem funkcji będzie fakt, że „brzuszek” jej musi być skierowany w stronę obciążenia trójkątnego czyli w dół.

Oś X układu współrzędnych jest skierowana w prawo, zastosujemy więc różniczkowe równania równowagi (5.22) i (5.23). Równania te mają postać

dT  x

8

=− ⋅ x =− q  x  ,

(Z5/17.11)

dx

3

dM  x

4

=12,0− ⋅ x 2= T  x  .

(Z5/17.12)

dx

3

Jak więc widać oba różniczkowe równania równowagi zostały spełnione.

Wykresy funkcji siły poprzecznej i momentu zginającego w przedziale AB przedstawia rysunek Z5/17.7. Są to także i ostateczne wykresy tych sił przekrojowych.

Z5/17.5. Funkcje sił przekrojowych w przedziale BC

Rysunek Z5/17.6 przedstawia siły działające na odciętą część belki w przedziale BC. Na rysunku tym są zaznaczone dodatnie siły przekrojowe.

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z5/17. SIŁY PRZEKROJOWE W BELKACH I RAMACH PŁASKICH -

5

ZADANIE 17

M(x)

8,0 kN

T(x)

X

C

N(x)

x

Rys. Z5/17.6. Siły działające w przedziale BC

16,0 kN/m

8,0 kN

A

B

C

[m]

12,0 kN

44,0 kN

6,0

3,0

8,0

12,0

T(x) [kN]

,036

3,0

3,0

,024

M(x) [kNm]

0,0

0,0

24,0

3,0

3,0

Rys. Z5/17.7. Wykresy funkcji siły poprzecznej i momentu zginającego w belce prostej Funkcja obciążenia ciągłego równomiernie rozłożonego prostopadłego do osi belki będzie zerowa.

Jak widać na rysunku Z5/17.6 funkcja siły normalnej w tym przedziale jest równa także zero. Siła poprzeczna ma postać

T  x=8,0 kN .

(Z5/17.13)

Moment zginający w przedziale BC będzie miał postać

M  x=−8,0⋅ x .

(Z5/17.14)

Funkcja momentu zginającego jest funkcją liniową i aby ją jednoznacznie narysować musimy wyznaczyć jej wartości w dwóch punktach. Wynoszą one

M 0,0 =0,0 kNm

.

(Z5/17.15)

M 3,0 =−8,0⋅3,0=−24,0 kNm

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z5/17. SIŁY PRZEKROJOWE W BELKACH I RAMACH PŁASKICH -

6

ZADANIE 17

Jak wiadomo ujemne momenty zginające rozciągają górną część przekroju pręta i będziemy je odkładać na górze.

Oś X układu współrzędnych jest skierowana w lewo, zastosujemy więc różniczkowe równania równowagi (5.31) i (5.32). Zastosujemy tylko równanie drugie. Ma ono postać dM  x =−8,0=− T  x .

(Z5/17.16)

dx

Jak więc widać różniczkowe równanie równowagi zostało spełnione.

Wykresy funkcji siły poprzecznej i momentu zginającego w przedziale BC przedstawia rysunek Z5/17.7. Są to także i ostateczne wykresy tych sił przekrojowych.

Dr inż. Janusz Dębiński

Document Outline

  • Z5/17.1. Zadanie 17
  • Z5/17.2. Analiza kinematyczna belki
  • Z5/17.3. Wyznaczenie reakcji podporowych
  • Z5/17.4. Funkcje sił przekrojowych w przedziale AB
  • Z5/17.5. Funkcje sił przekrojowych w przedziale BC