background image

Część 1

10. METODA SIŁ - RAMA

1

10.



10. METODA SIŁ - RAMA

Sposób   rozwiązywania   zadań   metodą   sił   przeanalizujemy   szczegółowo   na   konkretnych

przykładach liczbowych. 

Zadanie 1

Wykonać wykresy sił wewnętrznych od obciążeń rzeczywistych układu statycznie niewyznaczalnego:

P = 54 kN

q = 9 kN/m

EJ

2 EJ

4

3

3

2

4

[m]

EJ

Rys. 10.1. Układ rzeczywisty z obciążeniem zewnętrznym

Układ   jest   dwukrotnie   statycznie   niewyznaczalny.   Wybieramy   jeden   z   możliwych   układów

podstawowych.   Odrzucamy   myślowo   dwie   podpory   prętowe   (pozostawiając   jedynie   utwierdzenie)   i
zastępujemy je niewiadomymi siłami 

X

1

 i 

X

2

.

P = 54 kN

q = 9 kN/m

EJ

2 EJ

4

3

3

2

4

X

1

X

2

[m]

EJ

Rys. 10.2. Układ podstawowy z niewiadomymi siłami X

1

 i X

2

Dobra D., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybylska P., Sysak A., Wdowska A. 

AlmaMater

background image

Część 1

10. METODA SIŁ - RAMA

2

Aby   układ   ten   był   równoważny   układowi   rzeczywistemu   należy   go   uzupełnić   o   układ   równań

kanonicznych opisujących warunek identyczności kinematycznej:

{

11

X

1



12

X

2



1 P

=

21

X

1



22

X

2



2 P

=0

(10.1)

W   celu   obliczenia   przemieszczeń  

δ

ik

,   wykonujemy   wykresy   momentów   od   sił   jednostkowych

przyłożonych kolejno w miejsca niewiadomych 

X

1 

X

2

, oraz od obciążenia zewnętrznego (rys. 10.2). Wykresy

te nazwiemy kolejno 

M

1

 (rys. 10.3), 

M

2

 (rys. 10.4),  

M

P

0

 (rys. 10.5).

3

3

4

X

1

 = 1

3

3

M

1

 [m]

 [m]

Rys. 10.3. Wykres momentów od siły jednostkowej

przyłożonej w miejsce niewiadomej X

1

3

3

4

X

2

 = 1

3

3

M

2

 [m]

 [m]

Rys. 10.4. Wykres momentów od siły jednostkowej

przyłożonej w miejsce niewiadomej X

2

3

4

M

P

0

 [kN/m]

54

54

126

1

2

[m]

Rys. 10.5. Wykres momentów od  obciążenia zewnętrznego

Mając   gotowe   wykresy   momentów   możemy   przystąpić   do   obliczania   współczynników   równań

kanonicznych (10.1) przy wykorzystaniu metody Maxwella-Mohra. Uwzględniając jedynie momenty zginające
przemieszczenie obliczamy ze wzoru:

ik

=

∑∫

j

M

i

M

k

EJ

ds

(10.2)

Dobra D., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybylska P., Sysak A., Wdowska A. 

AlmaMater

background image

Część 1

10. METODA SIŁ - RAMA

3

Dla uproszczenia całkowania skorzystamy z numerycznej metody Wereszczagina – Mohra

11 

=

EJ

[

2


3

]

2 EJ

[3]=27 

m

EJ

22

=

EJ

[

2


3

]

2 EJ

⋅[]=27 

m

3

EJ

12

=

21

=−

2 EJ

[3]=−18 

m

EJ

1 P

=

2 EJ

[

126 

54

2

2
3

4

2

8

3

]

=468 

kNm

3

EJ

2 P

=

EJ

[

1

2

54 

2
3

1
3

2

]

2 EJ

[

2
3

4

2

8

126

54

2

3

]

=−540 

kNm

3

EJ

Układ równań kanonicznych przyjmuje postać:

{

27 

EJ

X

1

18 

EJ

X

468 

EJ

=

18 

EJ

X

27 

EJ

X

540 

EJ

=0

Z rozwiązania powyższego układu równań otrzymamy następujące wyniki:

{

X

=−7,2  kN

X

=15,2  kN

Warto przy tym zadaniu zastanowić się nad sensem wprowadzania niewiadomych w postaci grupy sił.

Rys. 10.6 przedstawia układ podstawowy dla tego zadania przyjęty jak poprzednio, z tą różnicą, że zamiast
niewiadomych sił 

X

1

 i 

X

2

 wprowadzono grupy sił 

Z

1

 i 

Z

2

P = 54 kN

q = 9 kN/m

EJ

2 EJ

4

3

3

2

4

Z

1

Z

2

Z

1

Z

2

[m]

Rys. 10.6. Układ podstawowy z niewiadomymi Z

i Z

2

 

Dobra D., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybylska P., Sysak A., Wdowska A. 

AlmaMater

background image

Część 1

10. METODA SIŁ - RAMA

4

Wykonajmy zatem ponownie wykresy momentów, tym razem od grup sił 

Z

1

 i 

Z

2

Wykresy te nazwiemy

kolejno 

M

1

' (rys. 10.7) i M

2

' (rys. 10.8). Tym razem układ równań kanonicznych ma postać:

{

'

11

Z

1

 '

12

Z

2

'

1 P

=0

'

21

Z

1

'

22

Z

2

'

2 P

=0

3

3

4

Z

1

 = 1

3

M

1

' [m]

Z

1

 = 1

 [m]

Rys. 10.7. Wykres momentów od sił jednostkowych

przyłożonych w miejsce niewiadomych Z

1

3

3

4

Z

2

 = 1

3

M

2

' [m]

Z

2

 = 1

3

6

 [m]

Rys. 10.8. Wykres momentów od sił jednostkowych

przyłożonych w miejsce niewiadomych Z

2

Przyglądając   się  wykresom  

M

1

'  i  M

2

'  można  zauważyć,   że  niektóre  przemieszczenia  będą   zerowe.

Spróbujmy  zatem  sprawdzić  czy  nasze  spostrzeżenia  są   słuszne  i  obliczmy  ponownie  przemieszczenia  z
układu równań kanonicznych:

'

11 

=

EJ

2


3

=18 

m

EJ

'

12

=

21

=

EJ

1

2

2
3

1

2

2
3

=

'

22

=

EJ

18 

2 EJ

⋅=90 

m

3

EJ

'

1 P

=−

EJ

[

2

54 


3


3

3

]

=−72

kNm

3

EJ

'

2 P

=

72 

EJ

2 EJ

[

2

⋅12654−


4

2

8

]

=1008 

kNm

3

EJ

Po podstawieniu do równań kanonicznych otrzymujemy dwa równania z jedną niewiadomą:

{

18 

EJ

Z

1

Z

72 

EJ

=

Z

90 

EJ

Z

1008 

EJ

=0

Po rozwiązaniu  równań otrzymujemy wyniki:

Dobra D., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybylska P., Sysak A., Wdowska A. 

AlmaMater

background image

Część 1

10. METODA SIŁ - RAMA

5

{

Z

=4  kN

Z

=−11,2 kN

Wydaje się, że wyniki są różne, ale analizując rys. 10.2 i rys. 10.6 okazuje się, że niewiadome 

X

i

  są

odpowiednimi sumami zmiennych 

Z

i

:

X

1

=Z

Z

2

=4−11,2=−7,2  kN

X

2

=Z

1

Z

2

=4−−11,2=15,2  kN

czyli uzyskaliśmy takie same wyniki unikając rozwiązywania skomplikowanego układu równań.

P = 54 kN

q = 9 kN/m

EJ

2 EJ

4

3

3

2

4

7,2 kN

15,2 kN

[m]

Rys. 10.9. Stan obciążenia siłami zewnętrznymi oraz  nadliczbowymi siłami X

1  

i X

2

Po otrzymaniu wartości niewiadomych 

X

1 

X

2 

dokonujemy analizy końcowej zadania, czyli tworzymy

wykresy rzeczywistych sił wewnętrznych w układzie podstawowym, obciążonym zewnętrznie oraz przez siły
X

1

  i 

X

2

  (rys. 10.9). Wartości sił wewnętrznych możemy określić w oparciu o zasadę superpozycji. Sumując

wykresy   momentów  w   układach   podstawowych  od   obciążenia   zewnętrznego  

M

0

P

  (rys.   10.5)   i   wykresy

jednostkowe 

M

1

 (rys. 10.3), 

M

2

 (rys. 10.4) przemnożone przez rzeczywiste wartości nadliczbowych 

X

1

 i 

X

2

Podobnie możemy postąpić przy wyznaczaniu sił tnących i normalnych :

M

P

n

=M

P

O

i

=1

n

M

i

X

i

T

P

n

=T

P

i

=1

n

T

i

X

i

N

P

n

=N

P

i

1

n

N

i

X

i

(10.3)

Dobra D., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybylska P., Sysak A., Wdowska A. 

AlmaMater

background image

Część 1

10. METODA SIŁ - RAMA

6

3

4

M

P

(n)

 [kN/m]

1

2

21,6

30,4

8,4

58,8

13,2

Rys. 10.10. Wykres momentów rzeczywistych M

P

(n)

 

Ponieważ  nie  dysponujemy  wykresami  normalnych  i  tnących  ani  w  układzie  podstawowym,  ani  w

układach  od  stanów  

X

= 1  i  X

= 1,   wykresy  tych  funkcji  możemy  narysować  tradycyjnie  korzystając  z

obciążeń na rys. 10.9 lub inaczej, korzystając z wykresu momentów w układzie statycznie niewyznaczalnym
(rys. 10.10). W tym celu dzielimy układ na pojedyncze pomocnicze fragmenty i dla nich pomocą wyznaczamy
wartości sił tnących w poszczególnych przekrojach.

54 kN

15,2 kN

1

2

7,2 kN

3

21,6 kNm

8,4 kNm

α

α

β

β

30,4

8,4

γ

γ

M

p

(n)

 [kNm]

M

p

(n)

 [kNm]

21,6

q = 9 kN/m

4

13,2 kNm

58,8 kNm

δ

δ

M

P

(n)

 [kN/m]

58,8

13,2

x

Rys. 10.11. Rysunki pomocnicze do wykonania wykresu sił tnących

Dobra D., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybylska P., Sysak A., Wdowska A. 

AlmaMater

background image

Część 1

10. METODA SIŁ - RAMA

7

T

=−15,2 [kN ]

T

=38,8 [kN ]

T

=−7,2  [kN ]

T

=36 9  x

3

4

T

P

(n)

 [kN]

1

2

-7,2

38,8

36,0

-15,2

+

_

_

+

Rys. 10.12. Wykres rzeczywistych sił tnących  T

P

(n)

 

Wartości sił normalnych można wyznaczyć równoważąc węzły układu (równowaga sił w węzłach)

N

δ

38,8 kN

7,2 kN

Rys. 10.13. Równowaga sił w węźle ramy

Y

=

N

=−46  kN

3

4

N

P

(n)

 [kN]

1

2

-46,0

_

Rys. 10.14. Wykres  rzeczywistych sił normalnych  N

P

(n)

 

Dobra D., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybylska P., Sysak A., Wdowska A. 

AlmaMater

background image

Część 1

10. METODA SIŁ - RAMA

8

10.1. Sprawdzenia poprawności obliczeń

10.1.1. Sprawdzenie globalne

Sprawdzenie to polega na zbudowaniu pewnego fikcyjnego wykresu momentów  

M

S

, będącego  sumą

wszystkich wykresów jednostkowych ( 

M

1

M

2

, ..., 

M

i

):

M

S

=

i

=1

n

M

i

(10.4)

Na podstawie tak sporządzonego wykresu obliczamy współczynnik  

δ

SS  

ze wzoru: 

SS

=

M

S

EJ

ds

(10.5)

Okazuje się że wartość współczynnika 

δ

SS 

 równa jest sumie wszystkich współczynników macierzy podatności:

SS

=

i

=1

n

k

=1

n

ik

(10.6)

Można to udowodnić w następujący sposób:

SS

=

S

M

S

M

S

EJ

ds=

S

EJ

⋅M

1

M

2

...M

n

2

ds

=

S

M

M

1

EJ

ds

S

M

M

2

EJ

ds...

S

M

M

n

EJ

ds

S

M

M

1

EJ

ds

S

M

M

2

EJ

ds...

S

M

M

n

EJ

ds

S

M

n

M

1

EJ

ds

S

M

n

M

2

EJ

ds...

S

M

n

M

n

EJ

ds=

=

11 



12 

...

nn

=

i

=1

n

k

=1

n

ik

W   ten  sposób   otrzymaliśmy  możliwość   sprawdzenia  poprawności  wyliczeń  wszystkich  uzyskanych

współczynników 

δ

ik

 (z pominięciem 

Δ

iP

). Jeżeli powyższa równość jest spełniona przeprowadzone dotychczas

obliczenia są prawidłowe. Jeżeli nie, to lokalizujemy błąd sprawdzeniem lokalnym. 

10.1.2. Sprawdzenie lokalne

Sprawdzenie to, zwane także wierszowym lub kolumnowym, polega na zlokalizowaniu   błędu, przez

odrębne rozpatrywanie elementów danego wiersza macierzy podatności (lub danej kolumny, bo macierz ta jest
symetryczna). Sumowania  te wyrażone są wzorem:

Dobra D., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybylska P., Sysak A., Wdowska A. 

AlmaMater

background image

Część 1

10. METODA SIŁ - RAMA

9

is

=

S

M

i

M

S

EJ

ds

=

k

=1

n

ik

(10.7)

Gdzie 

to numer wykresu jednostkowego (dla X

= 1) oraz numer sprawdzanego wiersza macierzy.

Sprawdzenie poprawności wartości obliczeń wyrazów wolnych 

Δ

iP 

 przeprowadza się wzorem:

SP

=

S

M

S

M

P

0

EJ

ds

=

i

=1

n

iP

(10.8)

Dowód na skuteczność  zależności (10.7) i (10.8) jest analogiczny jak dla sprawdzenia globalnego.
Po zlokalizowaniu i poprawieniu błędu przystępujemy do dalszej analizy wyników. 

10.1.3. Sprawdzenie wartości niewiadomych sił

Sprawdzenie   to   polega   na   podstawieniu   wyznaczonych   wielkości  

X

k

  do   równań   kanonicznych   i

stwierdzeniu, czy układ równań jest  spełniony.

10.1.4. Sprawdzenie statyczne

To   sprawdzenie   mówi   nam,   czy   przy   wyznaczonych   siłach   wewnętrznych   spełnione   są   warunki

statycznej równowagi (

ΣX=0ΣY=0ΣM=0). Polega ono na wykazaniu, że spełnione są równania równowagi

dla całości układu jak również dla wybranych jego części. Warto zaznaczyć, że sprawdzenie to nie bada
poprawności  wyliczonych  

X

k

,  a   jedynie  sprawdza   poprawność  wykresów  sił  wewnętrznych  od    obciążeń

zewnętrznych i nadliczbowych (niekoniecznie prawidłowych).

10.1.5. Sprawdzenie kinematyczne

Sprawdzenie to jest najważniejsze, gdyż tak naprawdę to dopiero ono mówi nam czy uzyskane wyniki

są prawidłowe. Polega  ono na wykazaniu, że dla wybranych punktów (na ogół punktów,  które nie doznają
przemieszczeń w układzie statycznie niewyznaczalnym) przemieszczenia są równe wartościom rzeczywiście
tam występującym.

Zagadnienie   wyznaczania   przemieszczeń   w   układach   statycznie   niewyznaczalnych   wydaje   się

stosunkowo złożone, gdyż zgodnie z uniwersalną zasadą pracy wirtualnej w celu określenia przemieszczenia,
należy   znaleźć   wykresy   sił   wewnętrznych   w   układzie   statycznie   niewyznaczalnym   zarówno   dla   stanu
rzeczywistego  jak i wirtualnego.

⋅

j

=

∑∫

S

M

P

n

M

n

EJ

ds

Żeby  uzyskać   wykres   momentów  od   obciążeń  zewnętrznych  trzeba   było  rozwiązać   układ   równań

kanonicznych.

Dobra D., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybylska P., Sysak A., Wdowska A. 

AlmaMater

background image

Część 1

10. METODA SIŁ - RAMA

10

k

=1

n

ik

X

k



iP

=0

(10.9)

Podobnie w celu stworzenia wykresu momentów wirtualnych w układzie statycznie niewyznaczalnym

musimy najpierw wyznaczyć reakcje nadliczbowe: 

k

=1

n

ik

X

k



iP

=0

iP

Obliczamy   mnożąc   wykres   ze   stanu  

X

1

  i   wykres   momentów  od  obciążenia   wirtualnego  w

układzie podstawowym.

10.2. Twierdzenia redukcyjne

 

W   celu   obliczenia   dowolnego   przemieszczenia   w   układzie   statycznie   niewyznaczalnym   należy

wykorzystać zasadę prac wirtualnych  wprowadzając do równania funkcje sił wewnętrznych, wynikających z
obciążenia wirtualnego oraz z obciążenia rzeczywistego. Jednak można jedną z tych funkcji (wirtualną lub
rzeczywistą) wyznaczyć stosując dowolny układ podstawowy (statycznie wyznaczalny).

⋅

n

=

∑∫

S

M

P

n

M

n

EJ

ds=

∑∫

S

M

P

n

M

0

EJ

ds=

∑∫

S

M

P

0

M

n

EJ

ds

(10.10)

Zadanie 2

Wyznaczyć   przemieszczenie   pionowe   punktu   znajdującego   się   w   miejscu   przyłożenia   siły  

P

(rys. 10.1) stosując trzy różne układy podstawowe (statycznie wyznaczalne) dla obciążenia wirtualnego.

a) Przy   wykorzystaniu   zależności  (10.10)   do  rozwiąznia   potrzebne  nam  będą     dwa   wykresy:  wcześniej

sporządzony wykres momentów rzeczywistych  

M

P

(n)

  z rys. 10.10, oraz wykres momentów w przyjętym

układzie podstawowym obciążonym siłą wirtualną (po kierunku poszukiwanego przemieszczenia).

3

4

M

P

(n)

 [kN/m]

1

2

21,6

30,4

8,4

58,8

13,2

[m]

EJ

2 EJ

1

3

2

4

1

 

[m]

2

 

2

 

0

[m]

M

1

Przemieszczenie wyznaczamy korzystając z twierdzenia redukcyjnego:

Dobra D., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybylska P., Sysak A., Wdowska A. 

AlmaMater

background image

Część 1

10. METODA SIŁ - RAMA

11

⋅

P

n

=

∑∫

S

M

P

n

M

0

EJ

ds

P

n

=

EJ

[

1
2

3

3

30,4 

3

8,4 

2

3

3

30,4 

]

=

19,33

3

EJ

b) Obliczamy przemieszczenie po przyjęciu innego układu podstawowego dla obciążenia wirtualnego

EJ

2 EJ

1

3

2

4

[m]

3

4

M

P

(n)

 [kN/m]

1

2

21,6

30,4

8,4

58,8

13,2

[m]

1

1

 

4

 

1

0

[m]

M

Przemieszczenie wyznaczone ze wzoru (10.10) ma wartość :

⋅

P

n

=

∑∫

S

M

P

n

M

0

EJ

ds

P

n

=

EJ

[

1
2

3

8,4 

3

30,4 

2

3

21,6 

]

=

19,33

3

EJ

c) Na koniec sprawdzamy rachunki dla jeszcze innego układu podstawowego:

3

4

1

2

1

1

3

4

M

P

(n)

 [kN/m]

1

2

21,6

30,4

8,4

58,8

13,2

[m]

2 EJ

EJ

[m]

0

[m]

1

M

Wartość przemieszczenia wyznaczamy mnożąc i całkując powyższe wykresy :

⋅

P

n

=

∑∫

S

M

P

n

M

0

EJ

ds

P

n

=

1

EJ

[

1

2


3

8,4 


3

30,4 

]

2 EJ

[

2

⋅58,813,2⋅


3

4

2

8

]

=

19,33

3

EJ

Dobra D., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybylska P., Sysak A., Wdowska A. 

AlmaMater

background image

Część 1

10. METODA SIŁ - RAMA

12

We wszystkich przypadkach otrzymaliśmy identyczne wartości przemieszczeń co dowodzi, że układ

podstawowy może być przyjęty dowolnie.

10.2.1. Dowód pierwszego twierdzenia redukcyjnego

Dowód   twierdzenia  przytoczymy   uwzględniając   w   obliczeniach   przemieszczeń   jedynie   wpływ

momentów zginających. Spróbujemy dowieść prawdziwości twierdzenia:

∑∫

S

M

P

n

M

n

EJ

ds=

∑∫

S

M

P

n

M

0

EJ

ds

(10.11)

Zgodnie z zasadą superpozycji można zapisać, że :

M

P

n

=M

P

0

 X

M

1

 X

M

... X

n

M

n

M

n

=M

0

 X

M

1

 X

M

... X

n

M

n

(10

.12)

Funkcje  M

p

n

 

i  M

n

 podstawiamy do wyrażenia pod pierwszą całką:

M

P

n

M

n

=M

P

0

 X

M

1

 X

M

... X

n

M

n

⋅M

0

 X

M

1

 X

M

... X

n

M

n

=

=M

⋅M

P

0

 X

M

1

 X

M

... X

n

M

n



 X

⋅M

P

0

M

1

 X

M

1

2

 X

M

M

... X

n

M

n

M

1



 X

⋅M

P

0

M

2

 X

M

M

2

 X

M

M

... X

n

M

n

M

2

...

 X

n

⋅M

P

0

M

n

 X

M

M

n

 X

M

M

n

...M

n

X

n

(10.13)

Biorąc   pod  uwagę,  że  całka  z  iloczynu  momentów  podzielonego  prze  sztywność  jest  odpowiednim

przemieszczeniem :

11 

=

S

M

1

EJ

ds

22 

=

S

M

2

EJ

ds

nn

=

S

M

n

EJ

ds

(10.14)

12

=

21 

=

S

M

M

2

EJ

ds

1 n

=

n1

=

S

M

M

n

EJ

ds

2 n

=

n2

=

S

M

M

n

EJ

ds

(10.15)

Dobra D., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybylska P., Sysak A., Wdowska A. 

AlmaMater

background image

Część 1

10. METODA SIŁ - RAMA

13

1 P

=

S

M

M

P

0

EJ

ds

2 P

=

S

M

M

P

0

EJ

ds

nP

=

S

M

n

M

P

0

EJ

ds

(10.16)

Wykorzystując to we wzorze (10.13) zapiszemy:

⋅

j

=

S

M

P

n

M

n

EJ

dsX

⋅ X

⋅

11 

 X

⋅

12 

.. X

n

⋅

1 n



1 P



 X

⋅ X

⋅

21 

 X

⋅

22 

... X

n

⋅

2 n



2 P



 X

n

⋅ X

⋅

n1

 X

⋅

n2

... X

n

⋅

nn



nP



S

M

0

M

P

n

EJ

ds

(10.17)

Na   mocy   równań   kanonicznych   metody   sił,   wartości   w   nawiasach   są   równe   zeru.  Ostatecznie

twierdzenie (10.11) zostało udowodnione.

⋅

j

=

S

M

n

M

n

EJ

ds=

S

M

P

n

M

0

EJ

ds

(10.18)

10.2.2. Dowód drugiego twierdzenia redukcyjnego

W   celu   obliczenia   dowolnego  przemieszczenia   w  układzie  statycznie  niewyznaczalnym,   wystarczy

rozwiązać układ ten od obciążenia wirtualnego, zaś rzeczywisty stan obciążeń określić dla dowolnego układu
podstawowego statycznie wyznaczalnego.

⋅

j

=

S

M

P

n

M

n

EJ

ds=

S

M

P

M

n

EJ

ds

(10.19)

Warto zaznaczyć,  że dzięki twierdzenia redukcyjnemu w rozważanym układzie można przeprowadzić

bardzo   dużo   sprawdzeń   kinematycznych,   gdyż   możemy  przyjąć   wiele  różnych  układów   podstawowych.
Reasumując,   kontrole   kinematyczną   najlepiej   przeprowadzać   stosując   inny   układ   podstawowy   niż
wykorzystywany przy liczeniu  niewiadomych, ponieważ efektem tego sprawdzenia byłoby tylko wykazanie
poprawności równania kanonicznego.

Uwzględniając   w   obliczeniach   przemieszczeń   jedynie  wpływ   momentów  zginających   udowodnimy

twierdzenie redukcyjne w postaci:

⋅

j

=

S

M

P

n

M

n

EJ

ds=

S

M

P

M

n

EJ

ds

Dobra D., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybylska P., Sysak A., Wdowska A. 

AlmaMater

background image

Część 1

10. METODA SIŁ - RAMA

14

Zgodnie z zasadą superpozycji  moment w układzie statycznie niewyznaczalnym jest równy:

M

P

n

=M

P

0

 X

M

1

 X

M

... X

n

M

n

M

n

=M

0

 X

M

1

 X

M

... X

n

M

n

Funkcje  M

P

n  

i  M

n

 podstawiamy do wyrażenia podcałkowego:

M

P

n

M

n

=M

P

0

 X

M

1

 X

M

... X

n

M

n

⋅M

P

0

 X

M

1

 X

M

... . X

n

M

n

=

=M

p

0

⋅M

0

 X

M

1

 X

M

.... X

n

M

n



 X

⋅M

0

M

1

 X

M

1

2

 X

M

M

.... X

n

M

n

M

1



 X

⋅M

0

M

2

 X

M

M

2

 X

M

M

.... X

n

M

n

M

2

...

 X

n

⋅M

0

M

n

 X

M

M

n

 X

M

M

n

...M

n

X

n

(10.20)

Biorąc pod uwagę wyrażenia (10.14), (10.15), (10.16) oraz (10.20) otrzymamy :

⋅

j

=

S

M

P

n

M

n

EJ

ds

X

⋅ X

⋅

11 

 X

⋅

12 

.. X

n

⋅

1 n



1 P



 X

⋅ X

⋅

21 

 X

⋅

22 

... X

n

⋅

2 n



2 P



 X

n

⋅ X

⋅

n1

 X

⋅

n2

... X

n

⋅

nn



nP



S

M

P

0

M

n

EJ

ds

(10.21)

Na mocy równań kanonicznych metody sił, wartości w nawiasach są równe zeru. 
Po ich wyeliminowaniu otrzymujemy twierdzenie redukcyjne:

⋅

j

=

S

M

P

n

M

n

EJ

ds=

S

M

P

0

M

n

EJ

ds

Zadanie 3

Dokonać sprawdzenia obliczeń układu statycznie niewyznaczalnego z rys. 10.1

Obliczone wcześniej przemieszczenia (współczynniki macierzy podatności) mają wartość:

1 1

=

18 

EJ

1 2

=

2 1

=

2 2

=

90 

EJ

1  P

=−

72 

EJ

2  P

=

1008 

EJ

Dobra D., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybylska P., Sysak A., Wdowska A. 

AlmaMater

background image

Część 1

10. METODA SIŁ - RAMA

15

a) Sprawdzenie globalne

Sumujemy wykresy 

Z

1 

Z

2

 aby otrzymać wykres 

M

s.

3

3

4

Z

1

 = 1

3

M

1

' [m]

Z

1

 = 1

3

3

4

Z

2

 = 1

3

M

2

' [m]

Z

2

 = 1

3

6

3

4

M

s

 [m]

1

2

6

6

[m]

[m]

[m]

Rys. 10.17. Zestawienie wykresów momentów od stanu Z

1

 i Z

2

 

Przy wykorzystaniu wzoru (10.5) otrzymujemy wartość współczynnika 

δ

SS

.

SS

=

EJ


3

2 EJ

⋅=

108 

EJ

Aby sprawdzić nasze obliczenia według (10.6) musimy znaleźć jeszcze drugą stronę równania:

i

=1

n

k

=1

n

ik

=

1 1



1 2



2 1



2 2

=

18

0090

EJ

=

108 

EJ

 

Sprawdzenie globalne jest spełnione ponieważ :

SS

=

i

=1

n

k

=1

n

ik

108 

EJ

=

108 

EJ

b) Sprawdzenia lokalne

3

3

4

Z

1

 = 1

3

M

1

' [m]

Z

1

 = 1

3

4

M

s

 [m]

1

2

6

6

 [m]

 [m]

Rys. 10.18. Wykres momentów w stanie M'

1

 i M

s

Dobra D., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybylska P., Sysak A., Wdowska A. 

AlmaMater

background image

Część 1

10. METODA SIŁ - RAMA

16

Dla rozważanego przykładu suma współczynników pierwszego wiersza macierzy podatności wynosi:

k

=1

n

1 k

=

1 1



1 2

=

18

0

EJ

=

18 

EJ

Aby sprawdzić obliczenia musimy znaleźć jeszcze wartość współczynnika 

δ

1S

. W tym celu należy przemnożyć

wykresy 

M

1

' i M

S

.

1 S

=

S

M

M

S

EJ

ds

=

EJ

[

2

3

6  

]

=

18 

EJ

Ponieważ:

iS

=

18 

EJ

=

k

=1

1 k

=

18 

EJ

Równanie (10.7) jest spełnione dla wiersza pierwszego.

W celu sprawdzenia kolumny wyrazów wolnych, zgodnie ze wzorem (10.8) obliczamy sumę:

k

=1

n

k P

=

1  P



2  P

=−

72 

1008

EJ

=

936 

EJ

A następnie współczynnik 

Δ

SP

 na podstawie wykresów:

3

4

M

P

 [kN/m]

54

54

126

1

2

3

4

M

s

 [m]

1

2

6

6

 [m]

 [m]

Rys. 10.19. Wykres momentów w stanie P i M

s

SP

=

S

M

S

M

P

EJ

ds

=

2 EJ

[

54 

126

2

3

4

2

8

6

]

=

936 

EJ

Równanie (10.8) jest spełnione ponieważ:

SP

=

S

M

S

M

P

EJ

ds

=

i

=1

n

iP

936 

EJ

=

936 

EJ

Dobra D., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybylska P., Sysak A., Wdowska A. 

AlmaMater

background image

Część 1

10. METODA SIŁ - RAMA

17

c) Sprawdzenie wartości niewiadomych sił

Aby  upewnić  się,  że  układ  równań  został  poprawnie  rozwiązany  należy  wartości  niewiadomych  

X

i

podstawić do równań:

{

18 

EJ

4

0

EJ

⋅−11,2−

72

EJ

=

EJ

90 

EJ

⋅−11,2

1008 

EJ

=0

{

=

=0

Wartości nadliczbowych spełniają układ równań.

d) Sprawdzenie statyczne

Dysponując wszystkimi siłami wewnętrznymi odcinamy myślowo ramę od podpór i przykładamy siły

przypodporowe (reakcje).

P = 54 kN

q = 9 kN/m

3

2

4

7,2 kN

15,2 kN

1

46 kN

36 kN

58,8 kNm

K

[m]

Rys. 10.20. Rama “zawieszona” na wewnętrznych siłach przypodporowych

Obciążenie zewnętrzne wraz z reakcjami musi spełniać równania równowagi.

X :

36=0

0=

Y :

7,2 5415,2 46=0

0=

M :

58,8 7,2 54 15,2 3=0

0=0

e) Sprawdzenie kinematyczne

Skorzystamy  z   twierdzenia   redukcyjnego  i   obliczymy  przemieszczenie  mnożąc   rzeczywisty   wykres

momentów 

M

P

(n)

 przez wykres wirtualny utworzony w nowym układzie podstawowym.

Dobra D., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybylska P., Sysak A., Wdowska A. 

AlmaMater

background image

Część 1

10. METODA SIŁ - RAMA

18

Żeby  dokonać  sprawdzenia  musimy  policzyć  znane  przemieszczenie.  W  układzie  podstawowym  na

rys. 10.21 znamy przemieszczenie pionowe i kąt obrotu przekroju w dolnej podporze. W rzeczywistości jest
tam   utwierdzenie,   tak   więc   wszystkie   przemieszczenia   są   równe   zero.   Liczymy   kąt   obrotu   przekroju
(przykładamy wirtualny moment):

3

4

M

P

(n)

 [kN/m]

1

2

21,6

30,4

8,4

58,8

13,2

EJ

2 EJ

1

3

2

4

1 [-]

1

[m]

[m]

0

[m]

M

1

 

0,5

0,5

1

 

Rys. 10.21. Wykresy momentów zginających od: obciążenia rzeczywistego w układzie rzeczywistym (statycznie

niewyznaczalnym) oraz od jedynkowej siły w innym układzie podstawowym

Uwzględniając tylko wpływ momentów otrzymujemy:

⋅=

EJ

[

2

21,6 


2


8,4 

3





30,4 

3

2

3

3


30,4 

3

3

]

2 EJ

[

2

58,8 

2

13,2 


4

2

8

1

]

=

EJ

=0  rad

Wynik jest poprawny.

10.3. Metoda sił dla innych typów obciążeń

Podstawową różnicą pomiędzy obliczaniem układów statycznie wyznaczalnych a niewyznaczalnych jest

to,   że   w   tych   drugich   obciążenia   takie   jak:   temperatura,   osiadanie   czy   błąd   montażu   wywołują   obok
przemieszczeń  konstrukcji  także  siły   wewnętrzne.   Dlatego  obciążenia   te   należy  uwzględnić  w   wyrazach
wolnych w równaniach kanonicznych, tzn. 

δ

ik

 pozostaje bez zmian, natomiast w zależności od obciążenia 

Δ

iP

zastępuje się następującymi wielkościami:

10.3.1. Wpływ temperatury

i t

=

t

⋅t

h

M

i

ds

N

i

⋅

t

t

ds

(10.22)

gdzie :

α

t

- współczynnik rozszerzalności termicznej,

Δt - różnica temperatur,

Dobra D., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybylska P., Sysak A., Wdowska A. 

AlmaMater

background image

Część 1

10. METODA SIŁ - RAMA

19

t

o

- równomierne ogrzanie,

- wysokość przekroju,

M

i

 N

i

- wykresy sił wewnętrznych dla stanu 

X

i

 =1,

α

t

Δ

t

t

o

są takie same jak dla układów statycznie wyznaczalnych.

Równanie kanoniczne przyjmie postać:

k

=1

n

ik

X

k



it

=0

(10.23)

10.3.2. Wpływ osiadania podpór

i

=−

i

R

i

⋅

i

i

M

i

⋅

i

(10.24)

gdzie:

Δ

i

-  przemieszczenie liniowe podpory,

φ

i

-  przemieszczenie kątowe podpory,

R

 i 

M

i

  -  reakcje po kierunkach przemieszczanych podpór.

Równanie kanoniczne przyjmie postać:

k

=1

n

ik

X

k



i

=0

(10.25)

10.3.3. Wpływ błędów montażu

i m

=

i

B

i m

b

i m

(10.26)

gdzie:

b

im

-  błąd w wymiarze elementu (np. pręt zbyt długi),

B

im

-  siła wewnętrzna po kierunku błędnego wymiaru (np. siła normalna).

Równanie kanoniczne przyjmie postać:

k

=1

n

ik

X

k



i m

=0

(10.27)

Uwaga!

Gdy   wpływem  zewnętrznym   jest   temperatura,   osiadanie   podpór   lub   błędy   montażu   zadanie   jest

rozwiązywalne tylko przy znanym 

EJEAGA. Wyrazy wolne Δ

it

Δ

Δ

im

 nie są wyrażone przez sztywność

dlatego też nie można pominąć sztywności we współczynnikach 

δ

ik

.

Dobra D., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybylska P., Sysak A., Wdowska A. 

AlmaMater

background image

Część 1

10. METODA SIŁ - RAMA

20

Zadanie 4

Obliczyć siły wewnętrzne w analizowanej ramie, wywołane działaniem temperatury (pominiemy wpływ

równomiernego ogrzania) oraz osiadaniem podpór.

EJ

2 EJ

3

4

0,01 rad

0,015 [m]

-5 

o

C

35 

o

C

25 

o

C

3

[m]

Rys. 10.22. Układ  rzeczywisty obciążony temperaturą i osiadaniem podpór

Do obliczeń przyjmujemy układ podstawowy, który daje prostszą postać macierzy podatności:

EJ

2 EJ

3

3

4

Z

1

Z

2

Z

1

Z

2

-5 

o

C

25 

o

C

35 

o

C

0,015 [m]

0,01 rad

Rys. 10.23. Układ podstawowy z niewiadomymi Z

1

 i Z

2

 

W zadaniu przyjęto:

współczynnik rozszerzalności termicznej jak dla stali:

t

=1,2 10

5

˚ C

ramę wykonaną z profili stalowych

rygiel ramy I200 
słup ramy 2 I200
o następujących parametrach:

Dobra D., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybylska P., Sysak A., Wdowska A. 

AlmaMater

background image

Część 1

10. METODA SIŁ - RAMA

21

E

=206,01  GPa=206,01 10

kN

m

2

J

x

=2140 10

8

m

E

=4408,614  kNm

2

Ponieważ układ podstawowy przyjęto jak w poprzednim zadaniu możemy skorzystać z wykonanych

wcześniej wykresów:

3

3

4

Z

1

 = 1

3

M

1

' [m]

Z

1

 = 1

3

3

4

Z

2

 = 1

3

M

2

' [m]

Z

2

 = 1

3

6

[m]

[m]

Rys. 10.24. Wykresy momentów zginających w układzie podstawowym pochodzące kolejno od: siły jedynkowej

przyłożonej w miejsce niewiadomej Z

1

 i siły jedynkowej przyłożonej w miejsce niewiadomej Z

2

i wcześniej obliczonych wartości niektórych współczynników:

11 

=

EJ

2


3

=18 

m

EJ

12

=

21

=

EJ

1

2

2

3

1

2

2
3

=

22

=

EJ

18 

2 EJ

⋅=90 

m

3

EJ

a) Obciążenie teperaturą

W układzie równań kanonicznych:

{

11

Z

1



12

Z

2



1 t

=0

21

Z

1



22

Z

2



2 t

=0

brakuje jeszcze wyrazów wolnych. Obliczamy je według wzoru (10.22) pomijając wpływ 

t

0

.

1 t

=

1,2 

10

5

0,20

3

40 

3

30 

=0,0189  m

2 t

=

1,2 

10

5

0,20

3

40 

3

3010 

=0,0171  m

Jeżeli cały układ równań pomnożymy przez 

EJ współczynniki δ

ik

 będą liczbami, a wyrazy wolne będą miały

wartość:

Dobra D., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybylska P., Sysak A., Wdowska A. 

AlmaMater

background image

Część 1

10. METODA SIŁ - RAMA

22

E

J⋅

1 t

=0,0189 4408,614 =83,232  kNm

E

J⋅

2 t

=0,0171 4408,614 =75,387  kNm

3

Układ równań kanonicznych przyjmie więc postać:

{

18

Z

83,323 =

90 

Z

75,387 =0

Z powyższego układu rownań otrzymano wyniki:

{

Z

=−4, 629  kN

Z

=−0,838  kN

W miejscu usuniętych podpór działają odpowiednie sumy sił 

Z

i

:

Z

1

Z

2

=−5,467  kN

Z

1

Z

2

=−3,791  kN

Aby uzyskać wykres momentów od temperatury obciążamy ramę tylko siłami nadliczbowymi 

Z

i

.

3

4

M

t

(n)

 [kNm]

3

5,467 kN

3,791 kN

16,401

11,373

5,028

[m]

Rys. 10.25. Wykresy momentów zginających  od temperatury w układzie rzeczywistym (statycznie niewyznaczalnym)

Kontrolę kinematyczną przeprowadzimy mnożąc wykres rzeczywisty 

M

t

(n)

 przez wykres wiryualny  M

0

.

Dobra D., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybylska P., Sysak A., Wdowska A. 

AlmaMater

background image

Część 1

10. METODA SIŁ - RAMA

23

EJ

2 EJ

1

3

2

4

1 [-]

1

[m]

0

[m]

M

0,5

0,5

1

 

1

 

Rys. 10.26. Wykresy momentów zginających od: jedynkowej siły wirtualnej w innym układzie podstawowym

Licząc wartość przemieszczenia należy pamiętać o wpływie temperatury (wpływ 

t

0

 pominięto):

⋅=

t

⋅ t

h

M

0

ds

∑∫

M

t

n

M

0

EJ

ds

(10.28)

Wykres momentów 

M

t

(n)

 jest poprawny jeśli przemieszczenie bedzie zerowe.

⋅=

2

2

EJ

3

16,401 

1,2 

10

5

40

0,20 

2

2

EJ

3

11,373 

1,2 

10

5

30

0,20 

5,028 

2 EJ

1,2 

10

5

10

0,20

=0,000001  0  rad

Wykresy sił tnących i normalnych również wykonujemy tylko od sił 

Z

i

.

3

4

T

t

(n)

 [kN]

3

-5,467

_

+

3,791

Rys. 10.27. Wykres rzeczywistych sił tnących T

t

(n)

Dobra D., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybylska P., Sysak A., Wdowska A. 

AlmaMater

background image

Część 1

10. METODA SIŁ - RAMA

24

3

4

N

t

(n)

 [kN]

3

-9,258

_

Rys. 10.28. Wykres rzeczywistych sił normalnych N

t

(n)

Warto   zwrócić   uwagę,   że  wykresy  momentów  zginających  odłożone  są   po  stronie  zimniejszej,   co

wynika z istnienia (działania) dodatkowych więzów. W układach statycznie wyznaczalnych zawsze rozciągane
były włókna cieplejsze.

b) Obciążenie osiadaniem podpór

Podobnie  jak  w  przypadku  temperatury   do  rozwiązania   układu  równań  brakuje  wartości  wyrazów

wolnych 

Δ

. Obliczamy je na podstawie pracy reakcji w stanach jednostkowych.

EJ

2 EJ

3

3

4

Z

2

Z

2

0,015 [m]

0,01 rad

EJ

2 EJ

3

3

4

Z

1

Z

1

0,015 [m]

0,01 rad

R = 2

R = 0

M = 6

M = 0

Rys. 10.29. Reakcje w podporach od stanów Z

1

 oraz Z

2

1

=−−0,015 =0,015  m

2

=−0,015 0,01=0,045  m

Cały układ równań mnożymy przez 

EJ, stąd wartości wyrazów wolnych:

E

J⋅

1

=0,015 4408,614 =66,129 [kNm

3

]

E

J⋅

2

=0,045 4408,614 =198,388  [kNm

3

]

Układ równań kanonicznych przyjmie więc postać:

Dobra D., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybylska P., Sysak A., Wdowska A. 

AlmaMater

background image

Część 1

10. METODA SIŁ - RAMA

25

{

18

Z

66,129 =

90 

Z

198,388 =0

Z powyższego układu rownań otrzymano wartości nadliczbowych sił:

{

Z

=−3,674  kN

Z

=−2,204  kN

 

A po zsumowaniu wartości nadliczbowych reakcji:

Z

1

Z

2

=−5,878  kN

Z

1

Z

2

=−1,470  kN

Obciążając   układ   podstawowy   tylko   wyliczonymi   siłami   możemy   narysować  wykres  momentów

zginających od obciążenia

 

rzeczywistego w układzie rzeczywistym (statycznie niewyznaczalnym).

3

4

M

Δ

(n)

 [kNm]

3

5,878 kN

1,470 kN

17,634

4,410

13,224

[m]

Rys. 10.30. Wykres momentów zginających od obciążenia osiadaniem podpór w układzie rzeczywistym 

Kontrola kinematyczna – sprawdzenie wykresu momentów 

M

Δ

(n)

.

Aby  wyznaczyć  dowolne  przemieszczenie  w  układzie,  którego  podpory  osiadają   trzeba   uwzględnić

pracę reakcji wirtualnych na rzeczywistych przemieszczeniach.

Dobra D., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybylska P., Sysak A., Wdowska A. 

AlmaMater

background image

Część 1

10. METODA SIŁ - RAMA

26

EJ

2 EJ

3

3

4

0,01 rad

0,015 [m]

[m]

EJ

2 EJ

1

3

2

4

1 [-]

1

[m]

0

[m]

M

1

 

0,5

0,5

1

 

Rys. 10.31. Układ rzeczywisty poddany obciążeniu osiadaniem;  wykres momentów zginających od jedynkowej siły

wirtualnej w innym układzie podstawowym

Korzystamy z wzoru:

⋅=−

R

0

⋅

∑∫

M

n

M

0

EJ

dx

(10.29)

Podstawiając wartości nadliczbowe otrzumujemy przemieszczenie o wartości bliskiej zeru co znaczy, że

sprawdzany wykres jest poprawny.

=

1

EJ

2

2


3

17,634 

2


3

4,410 

2 EJ

13,224 

0,01 

6

0,015

=−0,000001  rad 0  rad

Wykresy sił tnących i normalnych w układzie rzeczywistym powstają tylko od sił 

Z

i

.

3

4

T

Δ

(n)

 [kN]

3

-5,878

_

+

1,470

Rys. 10.32. Wykres rzeczywistych sił tnących T

Δ

(n)

Dobra D., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybylska P., Sysak A., Wdowska A. 

AlmaMater

background image

Część 1

10. METODA SIŁ - RAMA

27

3

4

N

Δ

(n)

 [kN]

3

-7,348

_

Rys.10.33. Wykres rzeczywistych sił normalnych N

Δ

(n)

10.4. Projektowanie konstrukcji metodą sił

Zaprojektować konstrukcję tzn. przyjąć przekroje elementów (np. prętów, słupków rygli ram, itp.) w

taki sposób by spełnić warunek dopuszczalności, nie przekroczyć nośności elementów lub dopuszczalnych
ugięć.

M

eks.

W

≤

dop.

f

eks.

 f

dop.

(10.30)

gdzie:

M

eks.

-  maksymalny moment zginający w elemencie,

W

-  wskaźnik wytrzymałości przekroju,

σ

dop.

-  dopuszczalne naprężenia przy zginaniu,

f

eks.

-  ekstremalne ugięcie elementu,

f

dop.

-  dopuszczalne ugięcie (przemieszczenie).

Przystępując   do  projektowania   zakładamy  pewne  przekroje  elementów.  Jeżeli  po   przeprowadzeniu

obliczeń okazuje się, że przyjęte przekroje nie spełniają naszych założeń wytrzymałościowych, ekonomicznych
bądź   innych,  to   jesteśmy  zmuszeni  zmienić  wymiary   przekroi.   Przyjmując   w  konstrukcji  inne  przekroje
musimy  ponownie  rozwiązać   układ  metodą  sił,   ponieważ  zmiana   sztywności  prętów  pociągnęła  za   sobą
zmianę  macierzy  podatności  (

δ

ik

)   oraz   wektora   wyrazów  wolnych  (

Δ

iP

)   w  równaniach   kanonicznych.  Po

dokonaniu  obliczeń  ponownie  sprawdzamy,   czy   przyjęte  do  obliczeń  przekroje  prętów   w   drugim  etapie
spełniają  narzucone kryteria.   Jeżeli  nie,  to  dokonujemy  kolejnej zmiany  przekrojów  prętów  i  powtarzamy
obliczenia, aż do skutku.

Reasumując   konstrukcję   statycznie   niewyznaczalną   projektujemy   metodą   kolejnych   przybliżeń

(iteracyjnie rozwiązując w każdym kroku układ statycznie niewyznaczalny).

Dobra D., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybylska P., Sysak A., Wdowska A. 

AlmaMater