MO

Z4/13. SIŁY PRZEKROJOWE W BELKACH I RAMACH PŁASKICH – ZADANIE 13

1

Z4/13. SIŁY PRZEKROJOWE W BELKACH I RAMACH PŁASKICH –

ZADANIE 13

Z4/13.1. Zadanie 13

Narysować metodą ogólną wykresy sił przekrojowych dla belki prostej przedstawionej na rysunku Z4/13.1. Wymiary belki podane są w metrach.

27,0 kN/m

18,0 kN

A

C

D

B

6,0

2,0

2,0

[m]

Rys. Z4/13.1. Belka prosta

Z4/13.2. Analiza kinematyczna belki

Rysunek Z4/13.2 przedstawia belkę prostą traktowaną w analizie kinematycznej jako płaską tarczę sztywną.

A

C

D

I

1

2

3

Rys. Z4/13.2. Belka prosta jako płaska tarcza sztywna Tarcza sztywna na rysunku Z4/13.2 posiada trzy stopnie swobody. Jest ona podparta trzema prętami podporowymi 1, 2 i 3. Wszystkie te więzy odbierają razem także trzy stopnie swobody. Został więc spełniony warunek konieczny geometrycznej niezmienności (1.4). 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 warunek dostateczny geometrycznej niezmienności dla tej tarczy sztywnej. Jest więc ona geometrycznie niezmienna i statycznie wyznaczalana.

Z4/13.3. Wyznaczenie reakcji podporowych

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

Rysunek Z4/13.3 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

.

(Z4/13.1)

H =0,0 kN

A

Dr inż. Janusz Dębiński

Zaoczni

MO

Z4/13. SIŁY PRZEKROJOWE W BELKACH I RAMACH PŁASKICH – ZADANIE 13

2

27,0 kN/m

18,0 kN

HA A

C

D

Y

B

X

VA

VC

6,0

2,0

2,0

[m]

Rys. Z4/13.3. Założone zwroty reakcji podporowych

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

1

 M = V ⋅8,0−27,0⋅6,0⋅2,0 ⋅6,018,0⋅2,0=0

C

A

2

.

(Z4/13.2)

V =96,75 kN

A

Reakcja ma więc zwrot zgodny z założonym.

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

1

 M =− V ⋅8,027,0⋅6,0⋅ ⋅6,018,0⋅10,0=0

A

C

2

.

(Z4/13.3)

V =83,25 kN

C

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.

 Y = V  V −27,0⋅6,0−18,0=96,7583,25−162,0−18,0=0

A

C

.

(Z4/13.4)

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

Rysunek Z4/13.4 przedstawia prawidłowe wartości i zwroty reakcji we wszystkich podporach danej belki.

27,0 kN/m

18,0 kN

A

C

D

B

83,25 kN

96,75 kN

6,0

2,0

2,0

[m]

Rys. Z4/13.4. Prawidłowe wartości i zwroty reakcji we wszystkich podporach belki prostej Dr inż. Janusz Dębiński

Zaoczni

MO

Z4/13. SIŁY PRZEKROJOWE W BELKACH I RAMACH PŁASKICH – ZADANIE 13

3

Z4/13.4. Funkcje sił przekrojowych w przedziale AB

Rysunek Z4/13.5 przedstawia siły działające na odciętą część belki w przedziale AB. Na rysunku tym są zaznaczone dodatnie siły przekrojowe.

27,0 kN/m

A

N(x)

X

T(x)

M(x)

96,75 kN

x

Rys. Z4/13.5. Siły działające w przedziale AB

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

•

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

•

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.

Funkcja obciążenia ciągłego równomiernie rozłożonego prostopadłego do osi belki będzie miała postać

kN

q  x=27, 0

.

(Z4/13.5)

m

Jak widać na rysunku Z4/13.5 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

T  x=96,75−27,0⋅ x .

(Z4/13.6)

Siła poprzeczna jest funkcją liniową i aby ją jednoznacznie narysować należy wyznaczyć jej wartości na obu końcach przedziału. Wartości te wynoszą

T 0,0 =96,75 kN

.

(Z4/13.7)

T 6,0 =96,75−27,0⋅6,0=−65,25 kN

Siła poprzeczna ma na obu końcach przedziału AB wartości różnych znaków. Będzie ona miała więc miejsce zerowe w tym przedziale. Znajduje się ono

Dr inż. Janusz Dębiński

Zaoczni

MO

Z4/13. SIŁY PRZEKROJOWE W BELKACH I RAMACH PŁASKICH – ZADANIE 13

4

96,75−27,0⋅ x =0

0

(Z4/13.8)

x =3,583 m

0

od początku przedziału AB czyli od punktu A.

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

x

M  x=96,75⋅ x−27,0⋅ x⋅ =−13,5⋅ x 296,75⋅ x .

(Z4/13.9)

2

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

M  0,0=0,0 kNm

M  3,583=−13,5⋅3,583296,75⋅3,583=173,3 kNm .

(Z4/13.10)

M  6,0=−13,5⋅6,0296,75⋅6,0=94,5 kNm

Oś X układu współrzędnych jest skierowana w prawo, zastosujemy więc różniczkowe równania równowagi (4.20) i (4.21). Równania te mają postać

dT  x =−27,0=− q x ,

(Z4/13.11)

dx

dM  x =96,75−27,0⋅ x= T  x .

(Z4/13.12)

dx

Jak więc widać oba różniczkowe równania równowagi zostały spełnione.

Wykresy funkcji siły poprzecznej i momentu zginającego w przedziale AB przedstawia rysunek Z4/13.8. Są to także i ostateczne wykresy tych sił przekrojowych.

Z4/13.5. Funkcje sił przekrojowych w przedziale BC

Rysunek Z4/13.6 przedstawia siły działające na odciętą część belki w przedziale BC. Na rysunku tym są zaznaczone dodatnie siły przekrojowe.

18,0 kN

N(x)

C

D

X

T(x)

M(x)

83,25 kN

x

2,0

[m]

Rys. Z4/13.6. Siły działające w przedziale BC

Dr inż. Janusz Dębiński

Zaoczni

MO

Z4/13. SIŁY PRZEKROJOWE W BELKACH I RAMACH PŁASKICH – ZADANIE 13

5

Funkcja obciążenia ciągłego równomiernie rozłożonego prostopadłego do osi belki będzie zerowa.

Jak widać na rysunku Z4/13.6 funkcja siły normalnej w tym przedziale jest równa także zero. Siła poprzeczna ma postać

T  x=18,0−83,25=−65,25 kN .

(Z4/13.13)

Moment zginający w przedziale BC będzie miał postać

M  x=83,25⋅ x−18,0⋅ x2,0=65,25⋅ x−36,0 .

(Z4/13.14)

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

M 0,0 =−36,0 kNm

.

(Z4/13.15)

M  2,0=65,25⋅2,0−36,0=94,5 kNm

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 (4.29) i (4.30). Zastosujemy tylko równanie drugie. Ma ono postać dM  x =65,25=− T  x .

(Z4/13.16)

dx

Jak więc widać różniczkowe równanie równowagi zostało spełnione.

Wykresy funkcji siły poprzecznej i momentu zginającego w przedziale BC przedstawia rysunek Z4/13.8. Są to także i ostateczne wykresy tych sił przekrojowych.

Z4/13.6. Funkcje sił przekrojowych w przedziale CD

Rysunek Z4/13.7 przedstawia siły działające na odciętą część belki w przedziale CD. Na rysunku tym są zaznaczone dodatnie siły przekrojowe.

M(x)

18,0 kN

T(x)

X

D

N(x)

x

Rys. Z4/13.7. Siły działające w przedziale CD

Funkcja obciążenia ciągłego równomiernie rozłożonego prostopadłego do osi belki będzie zerowa.

Jak widać na rysunku Z4/13.7 funkcja siły normalnej w tym przedziale jest równa także zero. Siła poprzeczna ma postać

Dr inż. Janusz Dębiński

Zaoczni

MO

Z4/13. SIŁY PRZEKROJOWE W BELKACH I RAMACH PŁASKICH – ZADANIE 13

6

27,0 kN/m

18,0 kN

A

C

D

B

83,25 kN

96,75 kN

6,0

2,0

2,0

[m]

,7596

18,0

T(x) [kN]

3,583

2,417

65,25

0

M(x) [kNm]

0,

94,5

36,0

0,0

3,317

3,583

2,417

Rys. Z4/13.8. Wykresy funkcji siły poprzecznej i momentu zginającego w belce prostej T  x=18,0 kN .

(Z4/13.17)

Moment zginający w przedziale CD będzie miał postać

M  x=−18,0⋅ x .

(Z4/13.18)

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

.

(Z4/13.19)

M  2,0=−18,0⋅2,0=−36,0 kNm

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 (4.29) i (4.30). Zastosujemy tylko równanie drugie. Ma ono postać dM  x =−18,0=− T  x .

(Z4/13.20)

dx

Dr inż. Janusz Dębiński

Zaoczni

MO

Z4/13. SIŁY PRZEKROJOWE W BELKACH I RAMACH PŁASKICH – ZADANIE 13

7

Jak więc widać różniczkowe równanie równowagi zostało spełnione.

Wykresy funkcji siły poprzecznej i momentu zginającego w przedziale BC przedstawia rysunek Z4/13.8.

Z4/13.7. Wykresy sił przekrojowych

Rysunek Z4/13.8 przedstawia ostateczne wykresy funkcji siły poprzecznej oraz momentu zginającego w belce złożonej.

Dr inż. Janusz Dębiński

Zaoczni

Document Outline

  • Z4/13.1. Zadanie 13
  • Z4/13.2. Analiza kinematyczna belki
  • Z4/13.3. Wyznaczenie reakcji podporowych
  • Z4/13.4. Funkcje sił przekrojowych w przedziale AB
  • Z4/13.5. Funkcje sił przekrojowych w przedziale BC
  • Z4/13.6. Funkcje sił przekrojowych w przedziale CD
  • Z4/13.7. Wykresy sił przekrojowych