background image

MECHANIKA BUDOWLI

Architektura sem. II letni

Warunki równowagi: REAKCJE

dr inż. Marek BARTOSZEK

KTKB   p.126 WB

marek.bartoszek@polsl.pl

http://kateko.rb.polsl.pl/

22 marzec 2011

Za wszystkie uwagi odnośnie poniższych wykładów z góry dziękuję.

 Jeśli ktoś chciałby wykorzystać te materiały to proszę o kontakt.

www.rb.polsl.pl

background image

22.03.11

dr inż. Marek Bartoszek

2

Siły działające na konstrukcję

siły czynne i bierne czyli przyczyny i skutki

Siły czynne

czyli 

obciążenia

 działające na 

konstrukcję 

Siły bierne

są to 

reakcje

 oraz 

siły 

wewnętrzne

 powstające na 

skutek działania obciążeń 

reakcje

 pojawiają się m.in. w 

podporach podtrzymujących 
konstrukcję 

wyznacza się je metodami 

mechaniki budowli

background image

22.03.11

dr inż. Marek Bartoszek

3

Równowaga statyczna konstrukcji

Statyka

 budowli

zajmuje się konstrukcjami, na które 

– zgodnie z I zasadą 

dynamiki Newtona – 

działają zrównoważone układy sił 

(lub 

nie działają żadne siły);

takie obiekty pozostają w spoczynku – są 

statyczne

 

(lub 

poruszają się ruchem jednostajnym prostoliniowym) .

Budowla

 – t

o przedmiot inżynierskiej działalności człowieka 

na 

stale związany z podłożem

 (gruntem lub nawet inną budowlą) .

Związanie z podłożem

 

unieruchamia budowlę

 odróżniając ją 

od 

mechanizmów

 (Budownictwo nie Wydział Mechaniczny) .

Skoro 

budowla jest nieruchoma to oznacza, że siły na nią działające 

są w równowadze statycznej

, tzn.: 

obciążenia zewnętrzne jako siły 

czynne są w równowadze z reakcjami podpór, czyli siłami biernymi.

background image

22.03.11

dr inż. Marek Bartoszek

4

Warunki równowagi statycznej

Rozróżniamy dwa typy warunków równowagi 

statycznej sił:

Suma rzutów sił na jakiś kierunek, np. oś 
OX

„blokująca” możliwość przesuwu ustroju 

w danym kierunku. W 2D układa się sumy 
rzutów na dwa (np prostopadłe) kierunki.

Suma momentów sił względem jakiegoś 
punktu, np. punktu A 

zapewniająca brak możliwości obrotu 

elementu względem tego punktu.

P

y

=

0

M

A

=

0

A

x

y

P

x

=

0

P

y

=

0

background image

22.03.11

dr inż. Marek Bartoszek

5

Warunki równowagi statycznej

Wyznaczanie reakcje podpór

1 element – 3 niewiadome

background image

22.03.11

dr inż. Marek Bartoszek

6

Warunki równowagi statycznej

Wyznaczanie reakcji podpór

P ≈ 2.32 kN

L

P

r=3

H

M

V

A

B

C

Obciążony słup, 

zamocowany w  

fundamencie i podłożu

Schemat 

statyczny z 

reakcjami

St. swobody : 1x3=3 st.sw.

Więzy:                

r=3

 w.zewn.

Równa liczba więzów i stopni 

swobody więc można ułożyć 

tyle niezależnych równań 
równowagi statycznej ile jest 

reakcji

 podpór. Taki ustrój 

nazywamy 

statycznie 

wyznaczalnym

.

Utwierdzenie w p. A całkowicie 

unieruchamia słup więc jest 
on też 

geometrycznie 

niezmienny

.

background image

22.03.11

dr inż. Marek Bartoszek

7

Równowaga w pionie – rzuty sił na OY

                     

(nieruchome

 – statyczne w pionie)

                                               

V

 = 

P

Równowaga pozioma – rzuty sił na OX

                  

(nieruchome

 – statyczne w poziomie)

                                               

H

 = 0

Równowaga momentów względem p. A

                               

(

brak obrotu wokół p. A)

                                               

M

 = 0

Warunki równowagi statycznej

Równoważenie geometryczne

L

P

r=3

H

M

V

A

B

C

M

A

=

0

x

y

P

y

=

0

P

x

=

0

P

V

H

P

H

M

V

A

background image

22.03.11

dr inż. Marek Bartoszek

8

Warunki równowagi statycznej

Wyznaczanie reakcji podpór analitycznie

L

P

r=3

H

M

V

A

B

C

St. swobody : 1x3=3 st. swobody.

Więzy:                

r=3

 w. zewnętrznych.

Liczba więzów i stopni swobody zgodne!

3 nieznane reakcje więzów

 zapewniają 

równowagę statyczną sił co do:

przesuwu w poziomie – wzdłuż OX

przesuwu w pionie – wzdłuż OY

Obrotu np. względem punktu A 

M

A

=

0

x

y

P

y

=

0

P

x

=

0

background image

22.03.11

dr inż. Marek Bartoszek

9

Warunki równowagi statycznej

Wyznaczanie reakcji podpór

Warunek równowagi ze względu na 

przesuw w poziomie:

Aby ustrój był w równowadze w poziomie 

reakcja 

H=0

.

Warunek równowagi ze względu na obrót 

względem punktu A:

Aby ustrój nie obracał się moment 

podporowy 

M=0

.

P

x

=

0:

M

A

=

0 :

=0

H∗0∗0=P∗0

L

P

r=3

H

M

V

A

B

C

x

y

background image

22.03.11

dr inż. Marek Bartoszek

10

Warunki równowagi statycznej

Wyznaczanie reakcji podpór

Warunek równowagi ze względu na 

przesuw w pionie:

Aby ustrój był w równowadze w pionie 

reakcja 

V=P

.

P

y

=

:

− P=0

H i M zerują się więc mamy 

równowagę 

dwóch sił

 P i V, która zachodzi gdy 

zgodnie z II. zasadą statyki dwie siły

:

leżą na jednej linii,

są równe co do wartości,

są przeciwnie skierowane.

L

P

r=3

H

M

V

A

B

C

x

y

background image

22.03.11

dr inż. Marek Bartoszek

11

Warunki równowagi statycznej

Wyznaczanie reakcji podpór

L

P

r=3

H

M

V

A

B

C

Można użyć innych 3 war. równ.

 W 2D dla 

całego ustroju niezależne są tylko 3

, np.:

sumy rzutów sił tylko na 2 dowolne 

kierunki

 oraz sumę momentów :

lub 2 sumy momentów oraz sumę rzutów 

sił na jakiś jeden kierunek

lub 3 

warunki sumy momentów

 

względem

 

dowolnych 

trzech punktów

 

ale nie 

leżących na jednej prostej

.

O wyborze decyduje prostota rozwiązania.

P

=

0 ∑ P

=

0 ∑ M

C

=

0

M

A

=

0 ∑ M

C

=

0 ∑ P

y

=

0

x

y

M

A

=

0 ∑ M

B

=

0 ∑ M

C

=

0

ξ

η

background image

22.03.11

dr inż. Marek Bartoszek

12

Warunki równowagi statycznej

Wyznaczanie reakcje podpór

2 elementy – 4 niewiadome

background image

22.03.11

dr inż. Marek Bartoszek

13

Warunki równowagi statycznej

Wyznaczanie reakcji podpór

Schemat statyczny ramy 

statycznie 

wyznaczalnej

 i 

geom. niezmiennej

W=3*e-(

2*p

+

r

)=3*2-(

2*1

+

4

)=0

Warunek konieczny 

statycznej 

wyznaczalności

 spełniony: 

zgodna liczba więzów i stopni swobody

.

Słup AB

 jest 

sztywno 

zamocowany

 w podporze 

A

 

więc jest 

geom. niezmienny

Element BCD

 jest oparty na 

nieruchomym słupie 
(

przegub B -

 

2 więzy

) a 

możliwość obrotu wokół 

p. B

 

blokuje trzeci więz 

podporze przesuwnej

 

D

 

=>

 

 element 

geom. niezmienny

.

L

P

r=3

H

A

M

V

A

B

C

D

H

D

r=1

p=1

L/2

L/2

e2

e1

α

x

y

background image

22.03.11

dr inż. Marek Bartoszek

14

Warunki równowagi statycznej

Wyznaczanie reakcji podpór

Schemat statyczny ramy 

statycznie 

wyznaczalnej

 i 

geom. niezmiennej

Ustrój ma 

4 nieznane reakcje

 

więzów zewn., które można 

wyznaczyć

 z 

war

unków 

rów

nowagi 

statycznej

.

Dla

 

całej konstrukcji są zawsze 

tylko 3 niezależne warunki 

równowagi. 

Skąd czwarty?

Przegub

 umożliwia obrót 

jednego elementu względem 
drugiego. Jeśli ustrój ma być 
w równowadze statycznej, to 

nie może dojść do obrotu!

Stąd 

dodatkowy warunek sumy 

momentów dla części ustroju 
względem

 

przegubu B

.

L

P

r=3

H

A

M

V

A

B

C

D

H

D

r=1

p=1

L/2

L/2

e2

e1

α

x

y

background image

22.03.11

dr inż. Marek Bartoszek

15

Warunki równowagi statycznej

Wyznaczanie reakcji podpór

Schemat statyczny ramy 

statycznie 

wyznaczalnej

 i 

geom. niezmiennej

Jak ułożyć

 warunek sumy 

momentów dla części ustroju 

względem

 

przegubu B 

?

Przegub musi dzielić ustrój na 

dwie, oddzielne części.

Zapisujemy warunek sumy 

momentów względem punktu 
B ale 

bierzemy pod uwagę 

tylko siły po jednej ze stron 
od przegubu

 - np.:

(od strony A)

(od strony C)

L

P

r=3

H

A

M

V

A

B

C

D

H

D

r=1

p=1

r

α

L/2

L/2

e2

e1

4 reakcje 
nieznane

x

y

M

B

A

=

0 :

H

A

L−∗0−=0

M

B

C

=

0 :

H

D

L−P∗r=0

background image

22.03.11

dr inż. Marek Bartoszek

16

Warunki równowagi statycznej

Wyznaczanie reakcji podpór

Schemat statyczny ramy 

statycznie 

wyznaczalnej

 i 

geom. niezmiennej

Mamy do wyboru dwa warunki:

wybierzmy drugi, w którym 

mamy tylko 1 nieznaną 
reakcję 

H

D

Pierwszy warunek można 

później będzie użyć np. do 
wyznaczenia 

M

, ale wtedy 

nie będzie można już użyć 
3-go war-ku sumy 

momentów 

dla całej ramy 

wzgl.

 

p. B

 !

L

P

r=3

H

A

M

V

A

B

C

D

H

D

r=1

p=1

r

α

L/2

L/2

e2

e1

4 reakcje 
nieznane

x

y

M

B

A

=

0 :

H

A

L−∗0−=0

M

B

C

=

0 :

H

D

L−P∗r=0

background image

22.03.11

dr inż. Marek Bartoszek

17

Warunki równowagi statycznej

Wyznaczanie reakcji podpór

Schemat statyczny ramy 

statycznie 

wyznaczalnej

 i 

geom. niezmiennej

W wybranym warunku sumy M 

występuje odległość punktu 

B

 od siły 

P

 – promień r

 

:

Możemy obliczyć „r” albo 

rozłożyć siłę P na 

składowe

 

P

x

 i P

y

 korzystając z 

I zasady 

statyki (zas.równoległoboku):

Dowolne dwie siły 

przechodzące przez jeden 

punkt są składowymi ich 

wypadkowej

 działającej na 

ten sam punkt, będącej 

sumą 

ich wektorów

 (wektorową)

.

L

P

r=3

H

A

M

V

A

B

C

D

H

D

P

y

P

x

r=1

p=1

r

L/2

L/2

e2

e1

α

4 reakcje 
nieznane

x

y

M

B

C

=

0 :

H

D

L−P∗

r

=

0

background image

22.03.11

dr inż. Marek Bartoszek

18

Warunki równowagi statycznej

Wyznaczanie reakcji podpór

Schemat statyczny ramy 

statycznie 

wyznaczalnej

 i 

geom. niezmiennej

Równanie

 można więc zapisać w 

alternatywnej postaci :

Podstawiając 

P

y

 lub r otrzymamy 

to samo równanie:

Teraz należy ułożyć brakujące  

trzy równania, aby oprócz 

H

D

 

wyznaczyć także pozostałe 

niewiadome: 

H

A

, M, V

.

L

P

r=3

H

A

M

V

A

B

C

D

H

D

P

y

P

x

r=1

p=1

r

L/2

L/2

e2

e1

α

4 reakcje 
nieznane

x

y

M

B

C

=

0 :

H

D

L−P∗

r

=

0

H

D

L−P

x

0−P

y

L

2

=

0

H

D

L−P∗sin ∗

L

2

=

0

background image

22.03.11

dr inż. Marek Bartoszek

19

Warunki równowagi statycznej

Wyznaczanie reakcji podpór

Schemat statyczny ramy 

statycznie 

wyznaczalnej

 i 

geom. niezmiennej

Unikając układu 4 równań z 4 

niewiadomymi szukamy 

prostych równań z jedną 
niewiadomą :

(

M

 i 

H

A

)

(

M

 i 

H

A

H

D

, P)

(

M

, P)

(

!

)

(

H

A

H

D

, P

x

)

(

?

)

(

V

, P

y

)

(

!

)

L

P

r=3

H

A

M

V

A

B

C

D

H

D

P

y

P

x

r=1

p=1

L/2

L/2

e2

e1

α

4 reakcje 
nieznane

x

y

M

B

A

=

0 :

M

B

=

0 :

M

A

=

0 :

P

x

=

0:

P

y

=

0 :

background image

22.03.11

dr inż. Marek Bartoszek

20

Warunki równowagi statycznej

Wyznaczanie reakcji podpór

Schemat statyczny ramy 

statycznie 

wyznaczalnej

 i 

geom. niezmiennej

Równania z jedną niewiadomą

i/lub najprostsze:

oraz wybrana suma momentów 

dla części ustroju:

L

P

r=3

H

A

M

V

A

B

C

D

H

D

P

y

P

x

r=1

p=1

L/2

L/2

e2

e1

α

4 reakcje 
nieznane

x

y

−P

y

=

0 ⇒ =P

y

M

A

=

0 :

P

x

=

0:

P

y

=

0 :

P

x

LP

y

L

2

=0

H

D

H

A

P

x

=

0

M

B

C

=

0 :

H

D

L−P∗sin ∗

L

2

=

0

background image

22.03.11

dr inż. Marek Bartoszek

21

Warunki równowagi statycznej

Wyznaczanie reakcji podpór

Schemat statyczny ramy 

statycznie 

wyznaczalnej

 i 

geom. niezmiennej

Wyznaczmy reakcje:

L

P

r=3

H

A

M

V

A

B

C

D

H

D

P

y

P

x

r=1

p=1

L/2

L/2

e2

e1

α

x

y

P

y

=

0 ⇒ =P

y

P

x

LP

y

L

2

=0

P∗cos∗LP∗sin ∗

L

2

=0

=−P∗L∗[cos

1
2

sin ]

H

D

H

A

P

x

=

0 ⇒

H

A

=

P

x

H

D

−P

y

=

0 ⇒ =P

y

H

D

L−P∗sin ∗

L

2

=

0 ⇒

H

D

=

P∗

1

2

sin 

background image

22.03.11

dr inż. Marek Bartoszek

22

Warunki równowagi statycznej

Wyznaczanie reakcji podpór

Schemat statyczny ramy 

statycznie 

wyznaczalnej

 i 

geom. niezmiennej

Sprawdzenie równaniami nie 

wykorzystanymi – np. :

Są one zależne od poprzed-ich.

Można też podstawić wyliczone 

reakcje do równań, z których 
je otrzymaliśmy. Jednak w  

ten sposób nie sprawdzimy 
poprawności ułożonych 

równań tylko dalsze ich 
przekształcenia.

L

P

r=3

H

A

M

V

A

B

C

D

H

D

P

y

P

x

r=1

p=1

L/2

L/2

e2

e1

α

x

y

M

B

A

=

:

H

A

L−∗0=0

background image

22.03.11

dr inż. Marek Bartoszek

23

DZIEKUJĘ ZA UWAGĘ

KONIEC wykładu


Document Outline