background image

ZGINANIE SPRĘŻYSTO-PLASTYCZNE 1 

 

ZGINANIE BELEK Z MATERIAŁU SPRĘŻYSTO-PLASTYCZNEGO  

W ZAKRESIE SPRĘŻYSTO-PLASTYCZNYM 

 

 

1. MATERIAŁ SPRĘŻYSTO-PLASTYCZNY 
 
 
 
 
 

materiał idealnie 

materiał idealnie 

materiał idealnie  

mat. ideal. spręż. z liniowym 

 sprężysty sprężysto-plastyczny sztywno-plastyczny umocnieniem 

plastycznym 

 

2. ZAŁOŻENIA 

 
1. Materiał idealnie sprężysto-plastyczny (mat. Prandtla) o jednakowych własnościach na 

rozciąganie i na ściskanie 

 
 
 
 
 
 
2. Obowiązuje zasada zesztywnienia 
3. Obowiązuje hipoteza płaskich przekrojów (hip. Bernouli’ego) 
4. Wpływ sił poprzecznych na osiągnięcie stanu plastycznego jest pomijany 
5.  Zginanie zachodzi jedynie w głównych płaszczyznach bezwładności 

3. ROZKŁAD NAPRĘŻEŃ NORMALNYCH W PRZEKROJU ZGINANYM 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

1.  Stan liniowo sprężysty 
2.  Graniczny stan sprężysty (max. naprężenie normalne w co najmniej jednym punkcie 

przekroju osiąga wartość równą granicy plastyczności R

e

  ; moment zginający 

M M

= ) 

3.  Stan jednostronnie sprężysto-plastyczny 
4.  Stan dwustronnie sprężysto-plastyczny 

5.  Graniczny stan plastyczny

 (naprężenie normalne w całym przekroju osiąga wartość równą 

granicy plastyczności R

e

 ) - w uplastycznionym przekroju powstaje tzw. przegub plastyczny, 

który różni się od "zwykłego" przegubu tym, że przenosi moment równy tzw. granicznemu 

momentowi plastycznemu przekroju

 

M) 

ε 

σ 

R

e

 

ε

σ

R

e

ε

σ

R

ε

σ 

R

e

 

ε 

σ 

- R

e

ε

pl

 

ε

pl

 

d

g

 

d

d

 

y

c

 

y

o

 

σ

x

e

R

<

σ

x

e

R

max

=

R

e

R

e

R

e

R

e

 

R

e

R

e

 

R

e

σ

x

e

R

<

σ

x

e

R

<

σ

x

e

R

<

 

d

d

g

d

>

 

1

 

2

3

4

5

4

 

background image

ZGINANIE SPRĘŻYSTO-PLASTYCZNE 2 

4. GRANICZNA NOŚNOŚĆ SPRĘŻYSTA PRZEKROJU

 

(

graniczny moment sprężysty

 

M

) 

 

Granicznym momentem sprężystym

 

M

 

(graniczną nośnością sprężystą przekroju) nazywamy 

moment zginający o takiej wartości, która jest wystarczająca do uplastycznienia przekroju w co 
najmniej jednym punkcie (naprężenie normalne 

σ

x

 jest równe granicy plastyczności R

e

 

 

σ

x

e

R

=

 

σ

x

yc

M

I

z

=

 

 

R

M

I

z

e

yc

=

max

 

 

M R

I

z

e

yc

=

max

 

 

M R W

e

spr

=

 

 

 

5. GRANICZNA NOŚNOŚĆ PLASTYCZNA PRZEKROJU

 

(

granicz. moment plastycz.

 

M

) 

 

Granicznym momentem plastycznym  M

 

(graniczną nośnością plastyczną przekroju) 

nazywamy moment zginający o takiej wartości, która jest wystarczająca do uplastycznienia 
całego przekroju (naprężenie normalne 

σ

w każdym punkcie przekroju jest równe granicy 

plastyczności R

e

 ) 

 

 
 
 
 
 
 
 

• 

równania równowagi 

( )

N x

dA

x

A

=

=

∫∫

σ

0  (1) 

 

( )

M x

z dA

x

A

=

=

∫∫

σ

0  (2) 

Ad. (1) 

+

=

R A

R A

e

e

1

2

0  

A

1

 + A

2

 = A 

warunek określający położenie osi obojętnej 

A

A

A

1

2

1 2

=

=

 

Ad. (2) 

( )

( )

M

R zdA

R zdA R S

A

R S

A

e

A

e

A

e

y

e

y

o

o

=

=

∫∫

∫∫

1

2

1

2

 

( )

( )

[

]

M R S

A

S

A

e

y

y

o

o

=

1

2

 

 lub 

( )

( )

M

R z dA

R z dA R S

A

R S

A

e

A

e

A

e

y

e

y

c

c

=

=

∫∫

∫∫

1

2

1

2

'

'

 

 

y

c

 - oś ciężkości                     

( )

( )

( )

( )

S

A

S

A

S

A

S

A

y

y

y

y

c

c

c

c

1

2

2

1

0

+

=

= −

 

( )

M

R S

A

e

y

c

= 2

1

 

M

 

M

 

y

c

 

y

o

 

z‘ 

R

e

 

R

e

 

A

1

A

2

background image

ZGINANIE SPRĘŻYSTO-PLASTYCZNE 3 

• 

plastyczny wskaźnik wytrzymałości  przekroju 

( )

( )

( )

W

S

A

S

A

S

A

pl

def

y

y

y

o

o

c

=

=

1

2

1

2

 

M R W

e

pl

=

 

• 

współczynnik kształtu 

k

M
M

W

W

pl

spr

=

=

> 1

 

6. PRZYKŁADY 
 

• 

Obliczyć współczynnik kształtu dla przekroju prostokątnego i kołowego 

 

 

 

W

b h

spr

=

2

6

 ; 

( )

W

S

A

b h h

b h

pl

yc

=

=

=

2

2

2 4

4

1

2

 

 

( )

( )

W

S

A

S

A

b h h

b h

h

b h

pl

yo

yo

=

=











=

1

2

2

2 4

2

4

4

 

 

M R

b h

e

=

2

6

 ; 

M R

b h

e

=

2

4

 

⇒ 

k

M
M

W

W

pl

spr

=

=

= 15

.  

 

 

 

W

d

spr

=

π

3

32

 

 

( )

W

S

A

d

d

d

pl

yc

=

=

=

2

2 1

2

4

4

2

3

6

1

2

3

π

π

 

 

k

W

W

pl

spr

=

=

=

32

6

17

π

.  

 

• 

Obliczyć współczynnik kształtu dla następujących przekrojów : 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

y

c

= y

o

 

z

 

b

 

h

 

A

1

 

A

2

 

y

c

= y

o

 

z

 

A

1

 

A

2

 

d

 

2  2 2 

k = 1.76

 

5 5 5 

20

k = 1.42

3 4 3 

k = 1.52

10 

k = 2.38

 

k = 1.45

12 

15

k = 2.34

background image

ZGINANIE SPRĘŻYSTO-PLASTYCZNE 4 

7. NOŚNOŚĆ GRANICZNA BELEK ZGINANYCH 
 

7.1 NOŚNOŚĆ GRANICZNA PRZEKROJU 

• 

graniczny moment sprężysty (graniczna nośność sprężysta przekroju) M 

• 

graniczny moment plastyczny  (graniczna nośność plastyczna przekroju)  M 

7.2 NOŚNOŚĆ GRANICZNA BELEK  

• 

graniczna nośność sprężysta (graniczne obciążenie sprężyste)  P - jest to taka wielkość 
obciążenia zewnętrznego (z reguły wyrażonego poprzez pewien parametr obciążenia), która 
powoduje w co najmniej jednym punkcie belki powstanie naprężenia normalnego równego 
granicy plastyczności 

• 

graniczna nośność plastyczna (graniczne obciążenie plastyczne)  P - jest to taka wielkość 
obciążenia zewnętrznego, która powoduje uplastycznienie co najmniej jednego przekroju belki 
(powstanie co najmniej jednego przegubu plastycznego) 

• 

nośność graniczna P

  - jest to taka wielkość obciążenia zewnętrznego, która powoduje 

uplastycznienie tylu przekrojów (tzn. powstanie tylu przegubów plastycznych), że belka zamienia 
się w mechanizm.  

7.2.1  Belki statycznie wyznaczalne  

• 

graniczna nośność sprężysta P  

( )

M

P

M

P

max

=

 

• 

graniczna nośność plastyczna P  

( )

M

P

M

P

max

=

 

• 

nośność graniczna P

 

do zamiany belki statycznie wyznaczalnej w mechanizm wystarcza powstanie jednego 
przegubu, a ten tworzy się już przy obciążeniu równym granicznemu obciążeniu plastycznemu. 
Tak więc w belkach statycznie wyznaczalnych graniczna nośność plastyczna i nośność 

graniczna są pojęciami tożsamymi, tzn. P

P

=  

Przykład  

Wyznaczyć graniczne obciążenie sprężyste, plastyczne i nośność graniczną belki (R

e

=300 MPa). 

M

max

 = 4 q 

M

q R W

q

R W

e

spr

e

spr

=

=

=

4

4

 

M

q R W

q

R W

e

pl

e

pl

=

=

=

4

4

 

A = 12 + 12 = 24 cm

2

 

S

m

 = 12

×7 +12×3 = 120 cm

3

 

oś ciężkości z

c

 = 120/24 = 5 cm 

oś obojętna   A

1

 = A

2

 = 1/2 A = 12 cm

 

⇒ 

y

o

 

W

I

z

cm

spr

yc

=

=

×

+

×

+ ×

+

×

=

max

.

6 2 12 12 2

2 6 12 12 2

5

27 2

3

2

3

2

3

 

( )

W

S

A

cm

pl

yc

=

= ×

× =

2

2 12 2

48

1

3

 

 

q

kN m

= 2 04

.

/

 

q

kN m

= 3 60

.

/

 

q

q

kN m

= = 3 60

.

/

 

4 q 

1 4  2 

4 q 

2 q 

2  2 2 

A

1

 

y

o

y

c

 

m

background image

ZGINANIE SPRĘŻYSTO-PLASTYCZNE 5 

7.2.2  Belki statycznie niewyznaczalne  

• 

graniczna nośność sprężysta P  
W celu wyznaczenia granicznej nośności sprężystej  P należy po wyznaczeniu (metodami  
mechaniki budowli) wykresu momentów zginających wykorzystać warunek : 

( )

M

P

M

P

max

=

 

• 

graniczna nośność plastyczna P  

W celu wyznaczenia granicznej nośności plastycznej P należy po wyznaczeniu (metodami  
mechaniki budowli) wykresu momentów zginających wykorzystać warunek : 

( )

M

P

M

P

max

=

 

• 

nośność graniczna

 P

 

♦ metoda ścisła 

W celu wyznaczenia nośności granicznej należy po wyznaczeniu wykresu momentów 
zginających „wprowadzić” do belki przegub plastyczny (wraz z obustronnie przyłożonymi do 
niego momentami skupionymi, równymi 

M

) w przekroju maksymalnego momentu 

zginającego. Powtórnie należy wyznaczyć wykres momentów dla belki o nowym schemacie 
statycznym i nowym obciążeniu. Procedurę taką należy kontynuować aż do zamiany belki w 
mechanizm. Oznacza to, że w belce n-krotnie statyczne niewyznaczalnej maksymalna ilość 
powyższych operacji może wynosić n+1 (może też być mniejsza - zależy to od schematu i 
obciążenia). 

Obciążenie, przy którym belka zamienia się w mechanizm jest nośnością graniczną P

♦ metoda kinematyczna 

Metoda kinematyczna oparta jest na tzw. twierdzeniach ekstremalnych teorii plastyczności 
(patrz np.: Jacek Skrzypek, Plastyczność i pełzanie, PWN, Warszawa, 1987). Istota tej 
metody polega na znalezieniu i analizie wszystkich kinematycznie dopuszczalnych (tzn. 
zgodnych z więzami kinematycznymi) schematów zniszczenia belki.   

W belce n-krotnie statycznie niewyznaczalnej maksymalna liczba przegubów plastycznych, 
jaka prowadzi do zamiany belki w mechanizm wynosi „n+1”. W przypadku mechanizmu o 
tej liczbie przegubów mówimy o tzw. pełnym mechanizmie (schemacie) zniszczenia. 

W przypadku, gdy można utworzyć mechanizm obejmujący tylko część belki (co ma 
miejsce przy liczbie przegubów mniejszej niż „n+1”) mówimy o tzw. niecałkowitym 
mechanizmie (schemacie) zniszczenia.  

Stosując zasadę prac wirtualnych należy wyznaczyć obciążenia niszczące dla każdego z 
kinematycznie dopuszczalnych schematów zniszczenia. Najmniejszą z uzyskanych w ten 
sposób wartości obciążenia uznajemy za nośność graniczną P

Można wykazać, że jest to górne oszacowanie rzeczywistej nośności granicznej belki.