background image

MECHANIKA    TEORETYCZNA

Wykładowca: 

Prof. dr hab. inż. 

KRZYSZTOF WILDE

Kontakt:  

krzysztof.wilde@gmail.com

(dla starostów grup)

Materiały przygotowano z wykorzystaniem  prac i materiałów  Prof. J. Przewłóckiego (PG, PWSZ

Elbląg), a także materiałów Prof. J. Górskiego i dr. M. Skowronka (PG)

1

Kratownica drewniana

Kratownica żelbetowa

Bixby Bridge in Big Sur, California

Konstrukcji dachu hali „Olivia”

Kratownica stalowa

78,54 m

4,0 m

pas dolny

(2 C 220p)

pas górny 

(2 dwuteownik 450)

słupki

stężenia

cięgna 
sprężając

background image

Kratownicą nazywamy konstrukcję złożona z prostoliniowych 

prętów połączonych ze sobą za pomocą przegubów. 

Dla uproszczenia na rysunkach konstrukcji 
kratownic 

pomijamy

oznaczanie kółkami 

węzłów kratownic

.

KRATOWNICE

pas górny

pas dolny

słupek

krzyżulec

Kratownica wspornikowa

kratownica trójprzegubowa

kratownica swobodnie podparta

kratownica ciągła-przegubowa

TYPY KRATOWNIC

Najczęściej stosowane kształty kratownic

Kratownice trójkątne i trapezowe 
znajdują zastosowanie głównie 
jako wiązary dachowe. 

Kratownice o pasach parabolicznych używane 
są głównie jako konstrukcje mostów

Kratownice o pasach równoległych są 
najczęściej używane w budownictwie 
przemysłowym i mostach.

background image

Podpora przegubowo-nieprzesuwna kratownicy

Podpora przegubowo-przesuwna kratownicy

Podpory kratownic

1. Osie prętów kratownicy schodzących się w węźle przecinają  się 
w jednym punkcie – środku przegubu.

ZAŁOŻENIA do wyznaczania sił wewnętrznych:

2. Ciężar własny konstrukcji, zazwyczaj niewielki w porównaniu z obciążeniem 

użytkowym, zastępuje się siłami skupionymi przyłożonymi w węzłach.

ZAŁOŻENIA do wyznaczania sił wewnętrznych:

Ciężar własny 

3. Obciążenie zewnętrzne działające na kratownice przykładane jest

wyłącznie w węzłach, w postaci sił skupionych.

Ciężar własny 

Obciążenia zewnętrzne

Przeguby kratownicy nie są idealnymi przegubami pozbawionymi tarcia. 
W rzeczywistości obroty prętów nie muszą dokonywać się idealnie 
względem teoretycznego miejsca przegubu (np. połączenia na gwoździe 
lub nity z zastosowaniem blach węzłowych).

Przegub czy połączenie sztywne?

background image

W rzeczywistości nie spełnione są 
warunki obciążenia w formie sił 
skupionych. Jednak, w większości 
przypadków ciężar własny prętów 
kratownicy sprowadza sie do jednej siły, 
której kierunek przechodzi przez przegub.

Sztywność połączeń węzłowych powoduje powstanie w prętach 
dodatkowych sił (tnących i momentów). 

Przegub kratownicy drewnianej

Dodatowe siły są 

jednak 

drugorzędne

i  

powodują powstanie niewielkich różnic w 
porównaniu z siłami obliczonymi przy 
założeniu idealnych przegubów.

Przegub czy połączenie sztywne?

Założenia

dotyczące

obliczania

kratownic

umożliwiają

szybkie

i

wystarczająco dokładne

obliczenie

sił w konstrukcjach kratownicowych.

A

B

S

3

S

1

S

2

A

W

1

W=W

1

B

S

4

W

2

W=W

2

N=W

W

Momenty zginające w przegubach z definicji są równe zeru
- Gdyby w przegubach działały siły poprzeczne, to pręt nie byłby w         

równowadze.  W prętach kratowych siły tnące są równe zeru

- W  pręcie kratowym mogą wystąpić jedynie siły równoległe do osi pręta. 

Równowaga pręta kratownicy

P

x

= 0, 

P

y

= 0, 

M

A

= 0

x

y

Siły rozciągające w prętach określa sie jako dodatnie, siły 
ściskające oznaczamy jako ujemne. 

W pręcie kratowym występują tylko siły normalne.

W każdym węźle kratownicy występuje zbieżny układ sił, który musi spełniać 
warunki równowagi: 

P

x

= 0, 

P

y

= 0. 

2

0

r

p

w

 

Kratownica jest statycznie wyznaczalna, jeżeli spełniony jest następujący
warunek:

– składowe reakcji podpór

Niewiadome: p

– liczba prętów kratownicy

Liczba równań: 2w

– liczba węzłów kratownicy

Statyczna wyznaczalność kratownic

Przykład:

Kratownica trójkątna

(dodajemy 2 pręty+węzeł)

Kratownica 

geometrycznie zmienna - mechanizm

=3, p=16, w=9        s=3+16-2·9=1  

Analiza statyczna polega na wyznaczeniu sił normalnych występujących w 
prętach. W trakcie obliczania sił normalnych w prętach kratownicy oraz reakcji 
podporowych stosuje się założenie o małych odkształceniach (zasadę 
zesztywnienia). Ugięcia kratownicy są bardzo małe w porównaniu z jej 
długością (rzędu paru procent) i można pominąć ich wpływ na reakcje oraz siły 
normalne.

Analiza kinematyczna polega na sprawdzeniu, czy sposób połączenia 
prętów kratownicy zapewnia jej geometryczną niezmienność.

background image

Metody wyznaczania sił w prętach kratownicy

• Przyjmuje się, że nieznane siły są rozciągające

tzn. na rysunkach oznacza się jako wychodzące
z węzłów. Są to siły dodatnie.

• Jeżeli siła obliczona posiada znak ” - ” oznacza

to, że pręt podlega ściskaniu.

Stosowany techniki: 

• metoda Cremony 

– metoda wykreślna (historyczna)

• metoda równoważenia węzłów  – metoda analityczna
• metoda przekrojów Rittera

– metoda analityczna

W pierwszym etapie analizy z reguły wyznacza się składowe reakcji 
podporowych 
z odpowiednich równań równowagi zapisanych dla całej 
kratownicy (tak samo jak dla ram lub belek).

D

K

S

Rozciąganie

D

K

S

D

K

S

Ściskanie

Obliczenia rozpoczyna się od węzła, w którym występują co najwyżej dwie 
nieznane siły i przechodzi się do kolejnego węzła z dwiema niewiadomymi.

H

A

A

S

1

K

1

D

1

x

y

R

A

B

D

2

K

2

S

3

x

y

R

B

E

G

1

K

1

K

2

G

2

S

2

x

y

F

G

2

S

3

x

y

D

G

1

x

y

S

1

C

D

1

D

2

x

y

S

2

D

E

F

A

C

B

G

1

K

1

K

2

G

2

S

2

S

3

S

1

D

1

D

2

Metoda równoważenia węzłów jest prosta w zastosowaniu, jednak z uwagi na 
„przechodzenie” w obliczeniach od węzła do węzła, popełnienie błędu rachunkowego na 
początku obliczeń, prowadzi do błędnego rozwiązania całości. 

1

1

0   0

0   0

x

y

P

G

P

S

1

1

0  

0  

y

x

P

K

P

D

2

2

0  

0  

y

x

P

S

P

D

2

3

0  

0  

x

y

P

K

P

S

2

0  

0  

x

y

P

G

P

k o n t r o l a

0  

0  

x

y

P

P

k ο n t r o l a

k ο n t r o l a

Metoda równoważenia węzłów

Metoda umożliwia niezależne wyznaczenie sił w dowolnych prętach kratownicy. 
Stosuje się ją wyłącznie dla przekrojów kratownic zawierających co najwyżej
trzy pręty, których kierunki nie przecinają się w jednym punkcie. 

F

G

H

J

K

A

B

D

E

C

R

A

R

B

H

A

G

HJ

K

HE

D

DE

H

J

K

E

B

G

HJ

K

HE

D

DE

R

B

R

A

H

A

G

HJ

K

HE

D

DE

F

G

H

A

C

D

E

Metoda przekrojów (Rittera)

0 ,  

0 ,  

E

H

y

M

M

P

G

HJ

K

HE

D

DE

40 kN

40 kN

80 kN

‐60

‐60

‐60

‐60

‐4

0

‐4

0

‐8

0

‐8

0

90

90

R

A

=80

R

B

=80

H

A

=0

W przypadku kratownic nie ma potrzeby wykonywania wykresów sił
wewnętrznych, gdyż siły (normalne) w każdym pręcie są stałe. 
W podsumowaniu można wykonać spis (listę) uzyskanych wyników lub
umieścić wartości sił, jak na rysunku. 

Uwaga: Znak „minus” oznacza ściskanie pręta.

Prezentacja wyników

background image

1. Jeżeli nieobciążony węzeł łączy dwa pręty o dowolnych

kierunkach, to nie wystąpią w nich siły

S

1

S

2

= 0.

x

y

S

1

S

2

S

1

=S

2

=0

Zasady wyznaczania prętów „zerowych”

2. Jeżeli w węźle nieobciążonym zbiegają się trzy pręty, z których

dwa leżą na jednej prostej, to siła w trzecim dochodzącym do 
nich pręcie jest  równa zeru (S

3

= 0). Ponadto w prętach

leżących na jednej prostej siły będą jednakowe (S

1

S

2

). 

Reguła ta dotyczy także węzła obciążonego, w którym zbiegają

się dwa pręty i jeden z nich leży wzdłuż linii działania siły.

S

1

x

y

S

2

S

3

=0

S

3

Zasady wyznaczania prętów „zerowych”

S

1

=S

2

x

y

S

1

S

2

S

3

S

4

S

1

=S

3

,  S

2

=S

4

3. Jeżeli węzeł nieobciążony łączy cztery pręty leżące parami na

dwóch prostych, to wartości sił w każdej parze są sobie równe
(S

1

S

3

S

2

S

4

). 

Reguła ta dotyczy także węzła obciążonego, w którym jedną

lub obie pary tworzą pręt i siła leżące na jednej prostej.

Zasady wyznaczania prętów „zerowych”

A

C

E

G

K

B

D

F

H

P

R

B

H

B

H

A

P

Pręty o zerowych wartościach sił, teoretycznie są zbędne. 

Na przykład, usunięcie zerowego pręta EF z kratownicy i zastąpienie dwóch
prętów CE EG jednym prętem CG, nie zmienia rozkładu sił wewnętrznych
kratownicy. Taka zmiana jednak zwiększy podatność pręta CG na
wyboczenie. 

Pręty zerowe mogą być także potrzebne dla zapewnienia stateczności
kratownicy w czasie jej konstrukcji lub z uwagi na obciążenia użytkowe.

Które pręty są „zerowe”?

A

C

E

G

K

B

D

F

H

P

P

background image

Pręty rozciąganie

Pręty ściskane

T

Krzyżulec 
ściskany

T

Krzyżulec 
rozciągany

T

Słupek 
rozciągany

T

Słupek 
ściskany

Analiza pracy prętów kratownicy

8 kN 8 kN 8 kN 8 kN 8 kN 8 kN 8 kN

Pręty 
rozciąganie

Pręty 
ściskane

Pręty 
zerowe

8 kN

8 kN 8 kN

8 kN

8 kN

8 kN 8 kN

4 m

2 m

2 m

2 m

2 m

2 m

2 m

2 m

2 m

30

30

24

24

14

-14

14

-24

-14

-30

-24

-30

-32

-32

-28

-28

-28

-28

-12

-20

-12

-20

-8

Siły w pasach kratownicy maleją wraz ze wzrostem jej wysokości.

120

120

56

M

56

96

96

[kNm]

128

T

28

20

12

20

12

4

4

[kN]

28

Porównanie belka wolnopodparta - kratownica

• Przy kształtowaniu kratownic, najmniejsze siły w prętach 

ukośnych występują przy ich nachyleniu do poziomu 45

0

-60

0

• Kratownice pozwalają na wykonanie konstrukcji o znacznych 

rozpiętościach ponieważ materiał, z którego są wykonane jest 
lepiej wykorzystany niż np. w belkach. 

• W praktycznych obliczeniach, siły w niektórych prętach 

najczęściej wyznacza się metodą równoważenia węzłów a w 
innych metodą przekrojów. W wielu przypadkach oblicza się 
jedynie siły w wybranych prętach, w których spodziewamy się 
wystąpienia wartości ekstremalnych. 

• Pręty ściskane powinny być  możliwie najkrótsze. 

Uwagi ogólne dotyczące kratownic

World Trade Center Transportation Hub,
New York City, USA

Turning Torso, Malmo, 
Szwecja

SANTIAGO CALATRAVA

background image

Katastrofy i awarie

Awaria wiaduktu 

w ciągu ul. Braci Lewoniewskich

W Gdańsku

10.10.2004r.

10.10.2004r.

Wiaduktu w ciągu ul. Braci Lewoniewskich

W Gdańsku

10.10.2004r.

Wiaduktu w ciągu ul. Braci Lewoniewskich

W Gdańsku

background image

10.10.2004r.

Wiaduktu w ciągu ul. Braci Lewoniewskich

W Gdańsku

10.10.2004r.

Koncepcja remontu wiaduktu w ciągu ul. Braci Lewoniewskich

Obliczanie etapów 

pośrednich remontu

Zdjęcie w trakcie prac 

remontowych