Charakterystyki geometryczne


Charakterystyki geometryczne
figur płaskich
dr hab. inż. Tadeusz Chyży
Katedra Mechaniki Konstrukcji
Charakterystyki geometryczne figur płaskich
Wielkości geometryczne charakteryzujące
przekrój pod względem wytrzymałościowym to:
pole przekroju (A), (ang. cross section),
momenty statyczne przekroju (S), (ang. first
moments of area),
momenty bezwładności przekroju (I ), (ang.
second moments of area)
2
Charakterystyki geometryczne figur płaskich
Pole przekroju (figury
płaskiej) określa się
wzorami:
A =
dA = dydz
S
Jest to wielkość zawsze
dodatnia
3
Charakterystyki geometryczne figur płaskich
Momenty statyczne
przekroju (figury
płaskiej) względem
dowolnej osi leżącej w
płaszczyznie tego
przekroju określa się
wzorami:
Sy = zdA, Sz = ydA

A A
Są to wielkości
addytywne, o
wartościach dodatnich
lub ujemnych
4
Charakterystyki geometryczne figur płaskich
Momenty statyczne są potrzebne do obliczania
współrzędnych środków geometrycznych (środków
ciężkości) przekrojów:
ydA zdA

Sy
Sz
A A
ey = = , ez = =
A A A A
Wniosek: moment statyczny względem dowolnej osi
centralnej (przechodzącej przez środek geometryczny
przekroju, np. yc, zc lub każda oś symetrii przekroju)
jest równy zeru.
5
Charakterystyki geometryczne figur płaskich
6
W przypadku przekrojów złożonych z prostych figur
geometrycznych, ze względu na addytywność momentów
statycznych, można zastosować wzory uproszczone
(sumowanie zamiast całkowania):
i=n i=n
Sy = yi Ai
z Ai, Sz =
i
i=1 i=1
i=n i=n
yi Ai
z Ai
i
Ponadto:
i=1 i=1
ey = , ez =
i=n i=n
Ai Ai

i=1 i=1
6
Charakterystyki geometryczne figur płaskich
7
Charakterystyki geometryczne figur płaskich
Biegunowy moment
bezwładności przekroju
(I0) (moment
bezwładności przekroju
względem punktu)
oblicza się ze wzoru:
2
I0 =
r dA
A
8
Charakterystyki geometryczne figur płaskich
9
Momenty bezwładności przekroju względem osi (Iy , Iz)
(momenty osiowe) są zdefiniowane przez poniższe
wzory:
I = z2dA, I = y2dA
y z

A A
Momenty bezwładności są wielkościami addytywnymi,
mającymi zawsze wartości dodatnie;
 addytywnymi , tzn. np. Iy=Iy1+Iy2+...
Promieniem bezwładności nazywa się wielkość
zdefiniowaną następująco:
Iy
Iz
i = , i =
y z
A A
9
Charakterystyki geometryczne figur płaskich
10
Odśrodkowy moment bezwładności przekroju (Iyz)
względem układu osi yz (moment zboczenia, moment
dewiacji) wyraża się wzorem:
Iyz = yzdA

A
Momenty odśrodkowe są wielkościami addytywnymi,
przyjmującymi wartości dodatnie lub ujemne.
Układ osi yz, w którym moment odśrodkowy równa się
zeru nazywa się układem osi głównych; aby Iyz=0
wystarczy, że jedna z osi jest osią symetrii przekroju,
Układ osi głównych o początku w środku
geometrycznym przekroju to układ głównych centralnych
osi bezwładności
10
Charakterystyki geometryczne figur płaskich
W przypadku równoległego przesunięcia układu osi do
obliczania momentów bezwładności stosuje się twierdzenie
Steinera. Wyraża się ono wzorami:
2 2
I = I + Aez , I = I + Aey ,
y yc z zc
a dla momentów
odśrodkowych:
I = I + Aezey
yz yczc
11
Charakterystyki geometryczne figur płaskich
12
Gdy występuje obrót układu odniesienia wokół
jego początku o kąt a...
12
Charakterystyki geometryczne figur płaskich
13
... wówczas słuszne są następujące zależności:
I = I cos2 a + I sin2 a - I sin 2a
yą y z yz
Iz = Iy sin2 a + Iz cos2 a + Iyz sin 2a
ą
I - I
y z
Iy zą = Iyz cos 2a + sin 2a
ą
2
13
Charakterystyki geometryczne figur płaskich
Dla układu osi obróconych o kąt a względem osi
głównych yg, zg powyższe równania można też zapisać w
następującej formie:
Iy + Iz Iy - Iz
g g g g
I = + cos 2a
yą
2 2
Iy + Iz Iy - Iz
g g g g
Iz = - cos 2a
ą
2 2
I - I
yg zg
I = sin 2a
yązą
2
14
Charakterystyki geometryczne figur płaskich
15
Wniosek: przy obrocie układu odniesienia zawsze
słuszne są zależności:
Iy + Iz = Iy + Iz = I0
ą ą g g
Wzory można przedstawić graficznie za
pomocą tzw. koła Mohra.
15
Charakterystyki geometryczne figur płaskich
Koło Mohra
pozwala odczytać
wartości
momentów Iy, Iz i
Iyz dla układu
obróconego o
dowolny kąt a
względem układu
głównego, albo
wartości ekstre-
malne momentów
16
Charakterystyki geometryczne figur płaskich
17
2
I + I I - I
ć
y z y z
2
Imaks = Iy = + + Iyz

g
Momenty
2 2
Ł ł
główne można
2
teraz wyrazić
I + I I - I
ć
y z y z
2
wzorami, które
Imin = I = - + I
zg yz
jednocześnie 2 2
Ł ł
określają
2I
położenie osi
yz
oraz: tg2a0 =
głównych
I - I
y z
Wniosek: momenty bezwładności względem osi głównych
mają wartości ekstremalne
17
Charakterystyki geometryczne figur płaskich
18
Wartości charakterystyk
geometrycznych dla
najprostszych
przekrojów: prostokąt
h bh3
ez = , I =
y
2 3
bh3 hb3
Iy = , Iz =
c c
12 12
18
Charakterystyki geometryczne figur płaskich
Wartości charakterystyk
geometrycznych dla
najprostszych
przekrojów: trójkąt
h bh3
ez = , I =
y
3 12
bh3 hb3
I = , I =
yc zc
36 48
19
Charakterystyki geometryczne figur płaskich
Wartości charakterystyk
geometrycznych dla
najprostszych
przekrojów: koło
pd4 pr4
I0 = =
32 2
pd4 pr4
Iy = Iz = =
c c
64 4
20
Charakterystyki geometryczne figur płaskich
Wartości charakterystyk
geometrycznych dla
najprostszych
przekrojów: półkole
ć
1 pr4 pr4
I = I = =
y zc
2 4 8
Ł ł
2
4 r pr4 pr2 4 r
ć
ez = Iy = - @ 0,11r4

c
3 p 8 2 3 p
Ł ł
21
Charakterystyki geometryczne figur płaskich
22
Charakterystyki geometryczne figur płaskich
23
Charakterystyki geometryczne figur płaskich
24
Charakterystyki geometryczne figur płaskich
25


Wyszukiwarka