plik


ÿþROZCIGANIE I ZCISKANIE OSIOWE Pojcia podstawowe. Zasada de Saint  Venanta Prt obci|ony siBami podBu|nymi (dziaBajcymi wzdBu| osi prta) nazywamy prtem rozciganym, gdy| siBa podBu|na jest dodatnia (N = + P, P > 0), a wic wtedy, gdy wskutek dziaBania siBy podBu|nej nastpi wydBu|enie prta. Natomiast ze [ciskaniem mamy do czynienia w przypadku przeciwnym, czyli N = - P, przy której nastpi skrócenie prta. W przypadku rozcigania ([ciskania) realizowany jest jednokierunkowy (jednoosiowy, pBaski) stan napr|enia w ka|dym punkcie prta, w zwizku z czym w takim przypadku wystpuj tylko napr|enia normalne Ã. Sposób obci|enia prta ma istotny wpByw na rozkBad napr|eD normalnych Ã. Na rysunku (5.1) pokazano trzy przypadki obci|enia prta siB [ciskajc P. Rys. 5.1 W pierwszym przypadku siBa P przekazywana jest poprzez idealnie sztywn pBytk o przekroju równym przekrojowi prta. W drugim przypadku ta sama siBa P dziaBa poprzez idealnie sztywn pBytk o przekroju mniejszym od przekroju prta, natomiast w trzecim siBa P (o tej samej warto[ci) dziaBa poprzez idealnie sztywn kulk realizujc obci|enie punktowe. Rzeczywisty rozkBad napr|eD w ka|dym z prtów pokazano na rysunku 5.1. Napr|enia w bliskiej odlegBo[ci od miejsca przyBo|enia siBy znacznie ró|ni si od siebie. Natomiast w odlegBo[ci znacznie przekraczajcej wymiary poprzeczne prta, (L > 1,5d), napr|enia maj warto[ci staBe. Zasad t mo|emy sformuBowa w nastpujcy sposób: je|eli na pewien niewielki obszar ciaBa jednorodnego bdcego w równowadze dziaBaj kolejno rozmaicie rozmieszczone ale statycznie równowa|ne obci|enia, to w odlegBo[ci od obszaru przewy|szajcej wyraznie jego rozmiary, powstaj praktycznie jednakowe stany napr|enia i odksztaBcenia. Powy|sze twierdzenie nazywamy zasad de Saint  Venanta. Podstawowe wiadomo[ci z rozcigania i [ciskania Na prosty prt o staBym przekroju (rys. 5.2) dziaBa ukBad siB, lub jedna siBa P, która w ka|dym przekroju wywoBuje siB rozcigajc N = P. Rys. 5.2. W dowolnym, prostopadBym do osi prta przekroju poprzecznym A, prta obci|onego siB P (rozcigajc lub [ciskajc) panuje wg zasady de Saint  Venanta napr|enie równomiernie rozBo|one na caBym przekroju i zakBadamy, |e bd to wyBcznie napr|enia normalne Ã. UkBad siB elementarnych ÃdA musi si równowa|y z siB P (N), std mo|emy napisa warunek równowagi: ÃdA = P A CaBkujc powy|sze wyra|enie otrzymamy: P à = A (5.1) Obliczone wg (12.1) napr|enie powinno speBnia warunek wytrzymaBo[ci: P à = A d" k (5.2) przy czym: k = kr tj. dopuszczalne napr|enie na rozciganie, (kc  dopuszczalne napr|enie na [ciskanie). Wzorem (5.1) mo|na si posBugiwa w trojaki sposób: - je|eli jest dana siBa P oraz k, to mo|emy obliczy przekrój A, P A e" k - je[li dany jest przekrój A oraz k, to mo|emy obliczy siB P, jak mo|na obci|y rozpatrywany prt P d" A ·k - je|eli dana jest siBa P oraz przekrój A, to mo|emy sprawdzi , czy powstaBe napr|enia nie przekraczaj warto[ci dopuszczalnej; P à = A d" k Podany wzór (5.2) nie uwzgldnia wpBywu ci|aru wBasnego prta, który nie w ka|dym przypadku mo|e by pominity. Przyjmujc oznaczenia wg (rys. 5.3) czyli: L  dBugo[ prta, A  staBy przekrój, ³  ci|ar wBa[ciwy, E  moduB spr|ysto[ci podBu|nej (moduB Younga), znajdujemy: Gz A³z à = = = ³z, (5.3) A A oraz dla z = l Ãmax = ³l Rys. 5.3 WedBug (3.1): 1 1 µz = E Ãz = E ³z , czyli wydBu|enie odcinka o dBugo[ dz wynosi: 1 »z = µzdz = E ³zdz , natomiast wydBu|enie caBkowite: ³ ³l2 Gl » = E +" zdz = = E ·A , (5.4) E gdzie: G = ³lA i oznacza ci|ar prta. Ze wzoru (5.4) mo|na obliczy dBugo[ prta, przy której napr|enia wywoBane ci|arem wBasnym prta osigaj warto[ wytrzymaBo[ci materiaBu Rr. Wielko[ t nazywamy dBugo[ci zerwania. Rr lr = (5.5) ³ W przypadku gdy prt jest ponadto obci|ony siB u|ytkow Fu, mamy zgodnie z (4.2) Fu + G d" kr , A ale: G = ³lA, dlatego po przeksztaBceniach otrzymamy: Fu A = k - ³l . (5.6) r Okre[lenie zale|no[ci midzy odksztaBceniami a napr|eniami ciaB rzeczywistych (prawo Hooke a) pozwala nam na rozwizywanie ukBadów okre[lanych w mechanice jako statycznie niewyznaczalne. Brakujca liczba równaD równowagi okre[la stopieD statycznej niewyznaczalno[ci. Rozwizywanie ukBadów statycznie niewyznaczalnych (w przypadku rozcigania, [ciskania) polega na napisaniu równaD równowagi dla danego ukBadu, natomiast za brakujce równania piszemy warunki zgodno[ci odksztaBceD (musimy napisa tyle warunków zgodno[ci odksztaBceD, jaka jest krotno[ statycznej niewyznaczalno[ci). Napr|enia dopuszczalne k (Ãdop) definiujemy jako: R k (Ãdop) = n (5.7) gdzie: n  wspóBczynnik bezpieczeDstwa (pewno[ci). Ustalenie warto[ci n wspóBczynnika bezpieczeDstwa jest jednym z wa|niejszych zagadnieD w obliczeniach wytrzymaBo[ciowych. WspóBczynnik ten powinien uwzgldnia prawdopodobieDstwo zupeBnie przypadkowych odstpstw od warunków przyjtych za podstaw odliczeD. Zdarzajce si od czasu do czasu katastrofy budowlane, uszkodzenia maszyn itp. wypadki, pocigajce za sob ofiary w ludziach i straty materialne, powodowane s przewa|nie tym, |e dopuszczone zostaBy zbyt du|e napr|enia, a wic przyjto zbyt maBe warto[ci wspóBczynnika bezpieczeDstwa. Zdarzaj si jednak równie| przypadki odwrotne, kiedy wskutek przyjcia zbyt du|ych warto[ci wspóBczynnika bezpieczeDstwa projektuje si konstrukcje o przesadnych wymiarach. Powoduje to strat materiaBów konstrukcyjnych i zbdne, a czsto szkodliwe zwikszenie ci|aru projektowanej konstrukcji. Stale polepszajca si jako[ materiaBów konstrukcyjnych i coraz dokBadniejsze metody obliczeD wytrzymaBo[ciowych stwarzaj podstaw do projektowania z coraz mniejszym wspóBczynnikiem bezpieczeDstwa n, a tym samym mniejszym zu|yciem materiaBów. Na wielko[ wspóBczynnika bezpieczeDstwa ma wpByw wiele czynników, a mianowicie: - nara|enie |ycia ludzkiego w przypadku zniszczenia konstrukcji, - odpowiedzialno[ elementu konstrukcyjnego (zniszczenie elementu mo|e spowodowa zniszczenie caBej konstrukcji), - napr|enia wstpne, - niejednorodno[ materiaBu, - wpBywy przypadkowych wstrzsów, drgaD, obci|eD, - negatywny wpByw stanu powierzchni, - mo|liwo[ wystpienia korozji, - bardziej zBo|ony ksztaBt, - zmniejszona kontrola jako[ci, PrzykBad Obliczy i porówna warto[ci jednostkowej sztywno[ci rozcigania dwóch prtów przedstawionych na rys. 5.13. Prty wykonane s z tego samego materiaBu o module Younga d E. Iloraz [rednic jest równy ± = D = 0,8. Do jakiej warto[ci ± jednostkowe sztywno[ci rozcigania obu prtów bd jednakowe. Rys. 5.13 Rozwizanie: Jednostkow sztywno[ rozcigania okre[la si jako warto[ siBy potrzebnej do wywoBania jednostkowego zwikszenia lub zmniejszenia dBugo[ci prta czyli: P c = ”l (1) Poniewa| zgodnie z prawem Hooke a: P ·l ”l = E ·A , wic: E ·A c = . l WydBu|enie prta o zmiennej [rednicy wynosi: Pl Pl 2 2 ”l1 = + 1 1 E 4 Àd2 E 4 ÀD2 2l(D2 + d2) ”l1 = P (2) ÀEd2D2 . Podstawiajc zale|no[ (2) do (1) otrzymamy: ÀEd2D2 c1 = 2l(D + d2) 2 ÀEd2 . c1 = 2l(1 + ±2 ) Analogicznie, dla prta o przekroju pier[cieniowym wydBu|enie wynosi: Pl , ”l2 = 1 ÀE 4 (D2 - d2) czyli: ÀE(D2 - d2) , ”l2 = 4l ÀED2(1 - ±2) . ”l2 = 4l Dla ± = 0,8 iloraz jednostkowych sztywno[ci wynosi: c1 ÀEd2 ·4l 2±2 2 ·0,64 c2 = 2l(1 + ±2) ·ÀED2(1 - ±2) = 1 - ±4 = 1 - 0,41 c1 c2 = 2,17. Jednostkowe sztywno[ci rozcigania bd miaBy jednakowe warto[ci, je|eli: c1 2±2 c2 = 1 - ±4 = 1 Po rozwizaniu równania: ±4 + 2±2  1 = 0 dochodzimy do wyniku ± = 0,643 SKRCANIE PRTÓW O PRZEKROJACH ZRODKOWO SYMETRYCZNYCH Je|eli na prt dziaBaj wzajemnie równowa|ce si pary siB le|ce w ró|nych pBaszczyznach prostopadBych do osi prta, to prt ulega skrceniu (rys. 6.1). Rys. 6.1 Wymienione pary siB nazywamy momentami skrcajcymi i oznaczamy je MSi. Moment skrcajcy w przekroju ±-± prta równy jest sumie algebraicznej momentów MSi dziaBajcych na prt po jednej stronie przekroju (rys. 6.1a), czyli: B MS± = M = M (6.1) Si Si A Ze wzgldu na potrzeb jednoznacznego okre[lenia zwrotu momentu skrcajcego wprowadzamy nastpujc umow (rys. 6.1b): moment skrcajcy uwa|a bdziemy za dodatni, je[li wektor MS ma zwrot zgodny ze zwrotem normalnej zewntrznej do przekroju; w przeciwnym przypadku moment skrcajcy uwa|a bdziemy za ujemny. Przy dziaBaniu wektora momentu skrcajcego MS, jako skBadowej wektora momentu ogólnego M równolegBej do osi prta, wystpuje odksztaBcenie które okre[lamy jako skrcanie. Zwizku pomidzy obci|eniem zewntrznym MS a wywoBanymi przez to obci|enie napr|eniami bdziemy poszukiwa poprzez obserwacj napr|eD, przy czym ograniczymy si tylko do prtów okrgBych. Nanosimy na zewntrzn powierzchni walcow prta (rys. 6.2a) siatk zBo|on z tworzcych walca i kóB, odpowiadajcych przekrojom poprzecznym. Przy obci|eniu prta walcowego momentem MS zauwa|amy, |e narysowane koBa doznaj obrotu wokóB osi prta, bez widocznych deformacji, a tworzce przyjmuj ksztaBt linii [rubowych, przy czym dBugo[ pierwotna walca nie ulega zmianie. Brak wydBu|eD i przew|eD w skrcanym wale okrgBym, równoznaczny z brakiem odksztaBceD objto[ciowych, pozwala przyj zaBo|enie, |e napr|enia à = 0, a zmiana ksztaBtu jest spowodowana wystpowaniem jedynie napr|eD stycznych Ä i to zarówno w przekrojach poprzecznych, jak i podBu|nych. Rys. 6.2a,b,c,d RozkBadu napr|eD w dowolnym przekroju poprzecznym nie mo|na ustali jedynie na podstawie obserwacji powierzchni skrcanego waBu. Musimy przyj pewne hipotezy obliczeniowe (które znalazBy potwierdzenie w do[wiadczeniach), a mianowicie: - napr|enia styczne Ä zwikszaj si proporcjonalnie do odlegBo[ci od osi waBu, poczynajc od zera w jego [rodku do warto[ci maksymalnych we wBóknach skrajnych; - napr|enia te s styczne do odpowiednich okrgów, czyli s prostopadBe do odpowiednich promieni; - siBy styczne elementarne ÄdA w przekroju tworz ukBad, który redukuje si do wypadkowej pary siB, równowa|nej momentowi skrcajcemu MS. Przyjmujc powy|sze zaBo|enia i uwzgldniajc pokazane na rys. (6.2b,c,d) zale|no[ci geometryczne, a mianowicie; ³dx = rdÅ, znajdujemy dÅ ³ = r dx , (6.2) a zgodnie z rys. (6.2d) w odlegBo[ci Á od osi prta dÅ ³Á = Á dx (6.3) wedBug (3.4): Ä ³ = G zatem dÅ ÄÁ = GÁ dx (6.4) Ostatnie zaBo|enie wyra|a zale|no[ ÄÁdA Á = MS, (6.5) A w której dA oznacza element powierzchni przekroju A. Podstawiajc w równaniu (6.5) zale|no[ (6.4) otrzymamy: dÅ dÅ M = GÁ2 ·dx dA = dx G Á2dA A A Uwzgldniajc, |e: Á2dA = Jo A jest biegunowym momentem bezwBadno[ci przekroju, a zgodnie z (6.4) GdÅ Ä = ÁÁ , dx znajdujemy dÅ Jo , MS = dx G ·Jo = ÄÁ· (6.6) Á czyli MS ÄÁ = ·Á (6.7) Jo Najwiksze napr|enia wystpi na obwodzie i wynosz: MS Ämax = ·r (6.8) Jo Oznaczajc wskaznik wytrzymaBo[ci na skrcanie Jo = Wo (6.9) r mo|emy wzór (6.8) przedstawi nastpujco: M Ämax = WS (6.10) o Z równania (6.6) mo|na znalez kt obrotu przekrojów, przypadajcy na jednostk dBugo[ci midzy dwoma przekrojami dÅ MS dx = G ·Jo (6.11) Zale|no[ na dBugo[ci l (6.11) mo|na wyrazi wzorem ogólnym: MS Å = G ·Jo dx (6.12) l W przypadku, gdy na caBej dBugo[ci l, MS = const i G ·Jo = const to otrzymamy: MSl Å = G ·J (6.13) o lub po podstawieniu (6.8) Ämaxl Å = G ·r (6.14) Obliczony w mierze Bukowej kt obrotu przekrojów mo|na wyrazi w mierze ktowej 180 MSl Å = · G ·J (6.15) À o Zgodnie ze wzorem (6.8) najwiksze napr|enia Ä wystpuj w waBach na ich obwodzie, natomiast w [rodku spadaj do zera. Wynika std, |e wytrzymaBo[ waBu jest wykorzystywana na jego obwodzie. W celu lepszego wykorzystania materiaBu wprowadza si waBy wydr|one, które s znacznie l|ejsze od waBów peBnych. Jednocze[nie przy zachowaniu jednakowej wytrzymaBo[ci na skrcanie waBy wydr|one, z uwagi na wiksz [rednic s sztywniejsze od waBów peBnych. Pomimo zwikszonego kosztu produkcji zysk ekonomiczny stosowania waBów wydr|onych jest oczywisty. Podsumowujc, mo|emy wic stwierdzi, |e zarówno w przekrojach poprzecznych, jak i podBu|nych prta skrcanego o przekroju [rodkowo symetrycznym istniej jedynie napr|enia styczne Ä, natomiast napr|enia normalne à s równe zero. Podstawowe zale|no[ci dla prtów koBowo-symetrycznych peBnych oraz pier[cieniowych, podane zostaBy w tablicy 6.1. Tablica 6.1 Lp. Nazwa, rysunek Zale|no[ci przekrój koBowy Àr4 Àd4 Jo = = H" 0,1 ·d4 2 32 1 J Àd3 Wo = do = H" 0,2 ·d3 16 2 przekrój À À pier[cieniowy Jo = 2 (r24  r14) = 32 (D4  d4) H" 0,1 · (D4  d4) À D4 - d4 D4 - d4 Wo = 16 H" 0,2 · D D 2 ÀD4 Jo = (1  ±4) H" 0,1 ·D4 (1 - ±4) 32 ÀD3 Wo = (1  ±4) H" 0,2 ·D3 (1 - ±4) 16 ZGINANIE PodziaB zginania Zginanie belek ze wzgldu na zmienno[ momentu zginajcego wzdBu| dBugo[ci belki mo|emy podzieli na: - Zginanie równomierne. Jest to takie zginanie, w którym moment zginajcy Mg = const, a siBy poprzeczne T = 0. - Zginanie nierównomierne. W tym przypadku moment zginajcy oraz siBa poprzeczna zmieniaj si wzdBu| dBugo[ci belki Mg `" const, T `" const. - Zginanie proste. Z takim przypadkiem mamy do czynienia wtedy, gdy wektor momentu zginajcego pokrywa si z jedn z gBównych, centralnych osi bezwBadno[ci przekroju. - Zginanie uko[ne. Wystpuje wtedy, gdy wektor momentu zginajcego nie pokrywa si z |adn z gBównych, centralnych osi bezwBadno[ci przekroju belki. W zwizku z powy|szym mamy do czynienia z czterema przypadkami zginania, a mianowicie: - zginanie równomierne proste, - zginanie równomierne uko[ne, - zginanie nierównomierne proste, - zginanie nierównomierne uko[ne. W niniejszym rozdziale zajmiemy si tylko przypadkiem zginania równomiernego prostego. Zginanie równomierne proste Aby uzyska wiadomo[ci o rozkBadzie napr|eD w przypadku zginania, wykonamy na bokach zginanego prta (podobnie jak w przypadku skrcania) prostoktn siatk (rys. 7.1). Obci|amy belk równowa|cymi si parami siB o momentach M w taki sposób, aby kierunki wektorów momentów pokrywaBy si z kierunkiem jednej z osi symetrii. W ka|dym przekroju wystpi wyBcznie moment gncy o staBej warto[ci Mg = M. OdksztaBcenie zginanego prta przedstawi si nam wyBcznie jako zakrzywienie linii podBu|nych siatki osi prta. Natomiast linie pionowe pozostan proste, a kontur przekroju pozostanie nadal pBaski. Na tej podstawie mo|emy przyj, |e powierzchnie przekrojów zachowuj równie| swoj pBasko[. My[lowo dzielc caB belk na podBu|ne elementy (wBókna) stwierdzimy, |e wBókna po stronie wklsBej belki ulegBy skróceniu, natomiast po stronie wypukBej ulegBy wydBu|eniu. Rys. 7.1 Z przedstawionego rozumowania wynika, |e w belce istnieje warstwa, w której wBókna nie zmieniBy swej pierwotnej dBugo[ci, jak miaBy przed odksztaBceniem. Warstw t nazywamy warstw obojtn, a jej [lad w pBaszczyznie przekroju lini lub osi obojtn. Przyjcie tzw. przekrojów pBaskich oraz istnienie warstwy obojtnej pozwala stwierdzi, |e odksztaBcenia zwikszaj swoje warto[ci wprost proporcjonalnie do odlegBo[ci rozpatrywanej warstwy od osi obojtnej. ZaBo|enie, |e w rozpatrywanym przypadku wystpuje wyBcznie moment gncy i to staBy na caBej dBugo[ci, prowadzi do wniosku, |e w poszczególnych przekrojach poprzecznych wystpi jedynie napr|enia normalne. Podobnie uzasadnione jest przyjcie, |e w przekrojach podBu|nych prta nie bdzie |adnych napr|eD, co jest równoznaczne ze stwierdzeniem, |e wBókna podBu|ne nie wywieraj na siebie |adnych siB. Teori zginania równomiernego prostego opieramy na nastpujcych zaBo|eniach: - przekrój prta pBaski przed odksztaBceniem pozostaje pBaski i po odksztaBceniu, - istnieje warstwa obojtna prostopadBa do pBaszczyzny dziaBania momentu zginajcego, - w przekroju poprzecznym prta wystpuj wyBcznie napr|enia normalne, brak jest natomiast napr|eD w przekrojach podBu|nych. W przypadku zginania wygodnie jest wprowadzi umow dotyczc ukBadu wspóBrzdnych. Przyjmujemy mianowicie o[ x wzdBu| osi prta, o[ y wzdBu| krawdzi przecicia przekroju z pBaszczyzn dziaBania momentu zginajcego natomiast o[ z, wzdBu| krawdzi przecicia przekroju z warstw obojtn. Zwroty poszczególnych osi przyjmuje si nastpujco: pocztek osi x obieramy w jednym z koDców prta i nadajemy zwrot w stron drugiego koDca. Zwrot osi y przyjmujemy w stron wypukBo[ci linii ugicia, za[ zwrot osi z zgodnie z ukBadem prawoskrtnym (rys. 7.2). W tak przyjtym ukBadzie osi poBo|enie dowolnego punktu belki, np. A, mo|na okre[li wspóBrzdn x wspóln dla wszystkich punktów przekroju poprzecznego belki zawierajcego punkt A oraz wspóBrzdnymi y i z tego| punktu. Rys. 7.2 Wytnijmy z belki element prta przed odksztaBceniem (rys. 7.3a) oraz po odksztaBceniu (rys. 7.3b) Biorc pod uwag wBókno odlegBe o y od warstwy obojtnej, którego dBugo[ pierwotna (przed odksztaBceniem) wynosiBa dx = ds, a po odksztaBceniu wynosi ds(1 + µ) (gdzie µ jest odksztaBceniem wBa[ciwym), znajdujemy zale|no[ ds(1 + µ) ds = , Á + y Á a std y µ = Á , (7.1) przy czym: Á  promieD krzywizny warstwy obojtnej. Rys. 7.3a,b,c Z warunku równowagi siB zewntrznych i siB wewntrznych napr|eD znajdziemy (rys. 7.3c). £ X = ÃdA = 0 (7.2) A £ My = (ÃdA)z = 0 (7.3) A £ Mz = (ÃydA)y - Mg = 0 (7.4) A Korzystajc z prawa Hooke a (wzór 3.1) i wstawiajc do wzoru (7.1) otrzymamy: E à = Á y (7.5) Jest to wzór ustalajcy prawo rozkBadu napr|eD w przekroju, zgodnie z zaBo|eniem pBaskich przekrojów. Wykorzystujc zale|no[ (7.5) i wstawiajc j kolejno do wzorów (7.2), (7.3), (7.4), po uporzdkowaniu otrzymamy: E Á ydA = 0 (7.6) A E Á yzdA = 0 (7.7) A E Á y2dA = Mg (7.8) A Ze wzgldu na staB i ró|n od zera warto[ czynnika przed znakiem caBek z równania (7.6) wynika, |e: ydA = 0. A Oznacza to, |e moment statyczny przekroju wzgldem osi z jest równy zeru. O[ ta jest zatem osi obojtn i przechodzi przez [rodek ci|ko[ci przekroju. Z równania (7.7) wynika natomiast, |e osie y i z tworz ukBad osi gBównych przekroju, gdy| caBka: yzdA, A okre[lajca moment dewiacji, jest równa zeru. Ponadto, jak przyjto w zaBo|eniu, wektor momentu Mg pokrywa si z osi z, bdc jedn z gBównych osi bezwBadno[ci przekroju. Warunek ten odpowiada tzw. zginaniu prostemu. Uwzgldniajc w równaniu (7.8), |e: y2dA = Jz A 1 znajdziemy wzór okre[lajcy krzywizn Á osi belki odksztaBconej. 1 Mg , Á = E ·Jz (7.9) z którego wynika, |e krzywizna osi belki odksztaBconej jest proporcjonalna do momentu zginajcego Mg, a odwrotnie proporcjonalna do iloczynu EIz, zwanego sztywno[ci zginania. Chcc okre[li warto[ napr|eD normalnych zginanej belki w przypadku zginania prostego nale|y wstawi zale|no[ (7.9) do wzoru (7.5) w wyniku czego otrzymamy: Mgy à = . Jz (7.10)

Wyszukiwarka