background image

 

Mechanika i wytrzymałość materiałów -  instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego: 

Badania zginanych belek 

oprac. dr inż. Ludomir J. JANKOWSKI, dr inż. Anna NIKODEM 

1.

 

Wprowadzenie 

W  wytrzymałości  materiałów  stan  obciążenia  materiału,  w  którym  na  materiał  działa 

moment gnącym, pochodzący od pary sił działających w płaszczyźnie przekroju wzdłużnego 

materiału,  nazywamy  zginaniem.  Efektem  kinematycznym  działania  momentu  Mg  jest 

wygięcie  pręta.  Ogólnie,  pręty  pracujące  na  zginanie  nazywane  są  belkami.  Jak  wiadomo, 

dowolny  układ  sił  można  zredukować  do  siły  wypadkowej  i  jednej  pary  sił  (momentu)  [1]. 

Przyjmijmy,  że  w  dowolnym  przekroju  poprzecznym  belki  układ  sił  można  sprowadzić  do 

jednej składowej momentu zginającego M

g

 (rys. 1a), przy czym punktem redukcji jest środek 

tego przekroju. W takim przypadku belka jest poddana czystemu zginaniu. 

 

a)

 

                                               b) 

 

 

 

 

 

Rys. 1. Schemat obciążenia przekroju belki: a) czyste zginanie, 

b)

 

zginanie z udziałem siły poprzecznej (tnącej) 

Jeśli  w  przekroju  działa  dodatkowo  siła  styczna  T  (rys.  1b),  to  belka  jest  zginana 

z udziałem sił poprzecznych. Jeśli wszystkie siły  działające na belkę (obciążenia zewnętrzne 

i reakcje) leżą w jednej płaszczyźnie (płaszczyźnie zginania), przechodzącej przez oś belki, to 

taki  przypadek  zginania  nazywany  jest  zginaniem  prostym.  Jeśli  na  skutek  działających 

obciążeń oś belki ma postać krzywej przestrzennej, to belka jest poddana zginaniu ukośnemu. 

 

Analiza naprężeń i odkształceń zginanych belek wykorzystuje następujące założenia: 

 

Obciążenia działają w płaszczyźnie symetrii belki zwanej płaszczyzną zginania

 

Płaskie  przekroje  belki,  prostopadłe  do  osi  belki  przed  jej  odkształceniem,  pozostają 

prostopadłe  do  osi  belki  odkształconej  (hipoteza  płaskich  przekrojów,  hipoteza 

M

M

background image

 

Bernoulliego)  –  obrót  przekrojów.  Hipotezę  tę,  mającą  podstawowe  znaczenie 

w teorii zginania prętów, po raz pierwszy postawił Bernoulli w 1694 roku. 

 

włókna  belki  doznają  odkształceń  na  skutek  obrotów  przekrojów,  przy  czym  nie 

występują oddziaływania poprzeczne (naciski) pomiędzy nimi – we włóknach panuje 

jednoosiowy  stan  naprężenia  (w  zależności  od  ich  położenia  -rozciąganie  lub 

ś

ciskanie). 

 

Rys.2 Wycinek dx pręta przed i po odkształceniu

 

Na  rys.  2  przedstawiono  element  pręta  przed  i  po  odkształceniu.  Weźmy  pod  uwagę 

włókno  odległe  od  warstwy  obojętnej  o  z,  długość  jego  wynosiła  pierwotnie  dx  =  ds,  po 

odkształceniu wynosi ds (1+

ε

), gdzie 

ε

 jest wydłużeniem właściwym (ρ - promień krzywizny 

warstwy obojętnej).  

Z zależności geometrycznych wynika: 

 

ρ

ρ

ε

=

+

+

ds

z

ds

)

1

(

 

(1) 

stąd: 

 

ρ

ε

z

=

 

(2) 

Siły zewnętrzne działające na  część belki po jednej stronie przekroju redukują się do  

momentu Mg

 

 

background image

 

2.

 

Wyznaczanie modułu Younga 

Rozważymy  czyste  zginanie  jednorodnego  pręta  pryzmatycznego  wywołane  przez 

moment zginający Mg. Mając na uwadze zasadę de Saint-Venanta, rozważania ograniczymy 

do przekrojów dostatecznie oddalonych od końców pręta i pominiemy ewentualne zaburzenia 

wynikające ze sposobu realizacji obciążeń.  

Pod  wpływem  momentu  zginającego  (wektor  Mg  leży  w  płaszczyźnie  przekroju), 

część włókien pręta jest ściskana, a pozostała część rozciągana, dlatego zginanie belki można 

sprowadzić do jednoczesnego jej rozciągania i ściskania. Włókna ściskane ulegają skróceniu, 

a  rozciągane  wydłużeniu.  Granicę  obu  części  pręta  stanowi  warstwa  utworzona  z  tzw. 

włókien obojętnych, których odkształcenia liniowe (wydłużenia lub skrócenia względne) są 

równe  zeru.  Powyżej  tej  powierzchni  siły  deformujące  mają  kierunek  rozciągający  warstwy 

górne, poniżej powodują ściskanie warstw dolnych. Siły występują parami i tworzą moment  

Mg zginający względem linii neutralnej.  

 

 

 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

Rys. 3 

Schemat zginania czteropunktowego 

Siły zewnętrzne działające na  część belki po jednej stronie przekroju redukują się do 

momentu Mg. Uwzględniając wewnętrzne siły elementarne 

σ

 dA tworzące przestrzenny układ 

sił równoległych, możemy dla odciętej części belki napisać następujące warunki równowagi: 

 

l

M

g

 = -Pa 

 

 

 

l

 

background image

 

 

=

0

x

P

 

0

=

A

dA

σ

 

(3) 

 

=

0

z

M

 

0

=

A

dAy

σ

 

(4) 

 

=

0

y

M

 

0

=

g

A

M

z

dA

σ

 

(5) 

W zakresie odkształceń liniowo-sprężystych (a więc w zakresie obowiązywania prawa 

Hooke’a) odkształcenia włókien belki są wprost proporcjonalne do naprężenia (6). 

 

E

g

σ

ε

=

 

 (6) 

gdzie: E – moduł sprężystości podłużnej (Younga) 

Wyrażając w równaniu (6) 

ε

 przez 

σ

, otrzymamy wzór: 

 

z

E

ρ

σ

=

 

 (7) 

Relacja (8) ustala prawo rozkładu naprężeń w przekroju – ich wielkości są proporcjonalne do 

odległości od osi obojętnej przekroju. Wielkość  

σ

 wstawiamy do równań (3), (4) i (5). 

 

0

=

A

dA

z

E

ρ

 

(8) 

 

0

=

A

ydA

z

E

ρ

 

(9) 

 

g

A

M

dA

z

E

=

2

ρ

 

(10) 

 

Spełnienie  równania  (8)  pociąga  za  sobą  warunek,  iż  moment  statyczny  przekroju 

względem  osi  obojętnej  y  jest  równy  zeru,  stąd  wniosek,  że  oś  obojętna  przekroju  musi 

przechodzić przez jego środek ciężkości. 

Spełnienie równania (9) pociąga za sobą warunek , że moment dewiacji względem osi 

prostokątnych przekroju, z których jedna jest osią obojętną i ma kierunek wektora momentu 

gnącego, jest równy zeru|, stąd wniosek, że założenie mówiące o zgodności kierunku wektora 

momentu  gnącego  i  osi  obojętnej  przekroju  będzie  spełnione  tylko  wówczas,  gdy  kierunek 

wektora momentu gnącego będzie się pokrywał z kierunkiem jednej z głównych (centralnych) 

osi bezwładności przekroju.  

Czystemu  zginaniu  (M

g

 = const)  prostej  belki,  o  stałym  przekroju  poprzecznym 

towarzyszy ugięcie, któremu odpowiada krzywizna osi określona wzorem, dlatego też można 

wyprowadzić  zależność  pomiędzy  momentem  zginającym  i  modułem  sprężystości  materiału 

belki.  

background image

 

Równanie  (10)  pozwoli  ustalić  związki  między  krzywizną 

ρ

1

i  naprężeniami  a  momentem 

gnącym. Uwzględniwszy, że 

=

A

y

I

dA

z

2

, otrzymamy: 

 

y

g

EI

M

=

ρ

1

   

(11) 

Wzór ten określa odkształcenie pręta, wyrażające się w zakrzywieniu jego osi. Wielkość EI

nazywamy  sztywnością  na  zginanie.  Wstawiając,  na  podstawie  równania  (7) 

z

E

=

σ

ρ

1

otrzymujemy:  

 

y

g

I

z

M

=

σ

   

(12) 

Z wzoru (11) wynika, że linia ugięcia jest częścią okręgu o promieniu ρ. Ponadto, przy 

znajomości  wielkości  M

g

  i  I

z

  (moment  bezwładności  przekroju)  oraz  dokonując  pomiaru 

krzywizny 1/ρ, można wyznaczyć wartość modułu Younga materiału belki.  

Krzywiznę  1/ρ  można  wyznaczyć  mierząc  strzałki  ugięcia  belki  f,  jest  ona  miarą 

odkształcenia  pręta  i  jej  wartość  zależy  od  przyłożonej  siły  F,  od  rozmiarów  pręta  (jego 

długości l, wysokości h i szerokości b) oraz od rodzaju materiału (moduł Younga E). Strzałkę 

ugięcia  można  wyznaczyć  np.  czujnikami  zegarowymi,  w  miejscach  w  których  belka 

najbardziej  się  ugina,  w  punktach    pokazanych  na  rys.  3  (w  tym  przykładzie  w  celu 

wyeliminowania  wpływu  przemieszczeń  podpór  pomiar  ugięć  przeprowadzany  jest  za 

pomocą trzech czujników). 

 

Belka przedstawiona poddana jest zginaniu stałym momentem Mg = -P·a, (siła tnąca 

T=0). Część belki pomiędzy podporami poddana jest więc czystemu zginaniu.  

Na odcinku pomiarowym l

p

 strzałka ugięcia wynosi: 

 

2

3

1

2

f

f

f

f

+

=

 

(13) 

Pomiar  w  punktach  końcowych  odcinka  l

umożliwia  uniezależnienie  się  od 

przemieszczeń podpór (rys.4).  

Ponieważ, jak już wspomniano, linia ugięcia jest w tym przedziale belki łukiem okręgu, to: 

 

2

2

2

)

2

(

)

(

p

l

f

+

=

ρ

ρ

 

(14) 

background image

 

  

Rys.4 Zależności geometryczne w zginanej belce 

Promienia krzywizny określony jest zależnością: 

 

f

l

f

p

2

)

2

(

2

2

+

=

ρ

 

(15) 

Wielkość przemieszczenia jest bardzo mała, zatem 

0

2

f

)

1

2

(

<<

p

l

f

. Wzór (15) przybiera 

więc postać:  

 

f

l

p

8

2

ρ

 

(16) 

Jeżeli belka poddana jest czystemu zginaniu, to krzywizna belki określona jest wzorem: 

 

y

g

EI

M

=

ρ

1

 

(17) 

stąd: 

 

y

g

I

M

E

ρ

1

=

 

(18) 

Przekształcając wzór (18) ze względu na promień krzywizny ρ oraz uwzględniając, że 

moment  gnący  jest  ujemny  (Mg  <  0)  otrzymujemy  zależność  pozwalającą  na  wyznaczenie 

modułu Young’a w postaci: 

background image

 

 

y

g

I

M

P

E

=

 

(19) 

Przykładowo, belka o przekroju prostokątnym, szerokości b i grubości h, jest zginana 

czystym  momentem  zginającym    Mg = Pa  (rys.  2).  Moment  bezwładności  przekroju 

poprzecznego Iz, określony jest wzorem (20). 

 

12

3

bh

I

y

=

  

(20) 

Ostatecznie, moduł Younga określa wzór: 

 

f

P

bh

al

f

bh

l

Pa

E

p

p

3

2

3

2

2

3

2

3

=

=

 

(21)

  

 

 

Przebieg ćwiczenia: 

Celem  ćwiczenia  jest  zapoznanie 

studentów ze zjawiskami występującymi 

podczas  zginania  belek.  Belki  poddane 

zginaniu 

wykonano 

profili 

aluminiowych  o przekroju  kwadratowej 

rury o różnych wymiarach.  

 

 

1.

 

Pomiar wielkości geometrycznych badanych belek 

2.

 

Pomiar wartości strzałki ugięcia. Pomiar przeprowadzamy dla różnych wartości obciążeń. 

Wartości strzałki ugięcia odczytujemy wykorzystując czujnik zegarowy.  

3.

 

Wyznaczenie  wartości  modułu  Young’a  dla  różnych  układów  i  różnych  wartości 

obciążeń.  Korzystając  z  wartości  geometrycznych  badanego  układu  oraz  ze  wzoru  21 

obliczyć wartości modułów Younga.