background image

 

Wyznaczanie naprężeń stycznych  
wywołanych siłą tnącą 

9

 
 
 
 
 

Wprowadzenie 

Naprężenia styczne wywołane siłą tnącą wyznaczamy w oparciu o wzór Żurawskiego

 

)

(z

b

I

S

T

τ

y

y

z

z

=

 

gdzie: 

z

 – 

siła tnąca (styczna do przekroju), 

y

S

  – moment statyczny względem głównej osi bezwładności 

y,  

części pola przekroju poprzecznego, odciętej linią przechodzącą  
przez punkt dla którego liczymy naprężenia styczne,  

y

I

 – 

moment 

bezwładności przekroju poprzecznego,  

względem głównej osi bezwładności 

y

)

(z

b

 –  szerokość przekroju poprzecznego na poziomie punktu,  

dla którego liczymy naprężenia styczne. 

 
Przykład 
Dla dowolnego przekroju pokazanego na rys. 9.1, chcemy policzyć naprężenia styczne 
w punkcie M, wywołane siłą tnącą 

z

.  Środek ciężkości rozpatrywanego przekroju 

znajduje się w punkcie SC. Osie y i z są głównymi osiami bezwładności przekroju. 
Dla tychże osi wyznaczamy momenty bezwładności przekroju (w naszym przypadku 
jedynie moment 

y

I

). Przez interesujący nas punkt prowadzimy równolegle do osi y 

linię prostą, która odcina część pola przekroju poprzecznego. Moment statyczny odcię-
tego fragmentu, którego pole powierzchni jest równe A

M

, a środek ciężkości znajduje 

się w punkcie C, wynosi 

 

C

M

M

z

A

S

y

=

 

gdzie 

C

z

 jest odległością środka ciężkości odciętej części przekroju poprzecznego od 

głównej osi bezwładności.  
 
Na poziomie punktu M szerokość przekroju poprzecznego jest równa 

)

(z

b

, a zatem 

zależność na naprężenia styczne przyjmie postać 

 

)

(

M

M

z

b

I

S

T

τ

y

y

z

z

=

 

background image

9. Obliczanie naprężeń stycznych wywołanych siłą tnącą 

9.2

 

 

Naprężenia o tej wartości występują w każdym
punkcie przekroju poprzecznego leżącym na
poziomie punktu M.  
 
Maksymalne wartości naprężeń stycznych wy-
stępować  będą zawsze w warstwie leżącej  na
poziomie  środka ciężkości przekroju –  odcięte 
części pola przekroju  (górna i dolna)  są sobie
równe i osiągają wartości ekstremalne. 

Rys. 9.1.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

9. Obliczanie naprężeń stycznych wywołanych siłą tnącą 

9.3

 

 

Zadanie 9.1. 

 

Dla przekroju teowego (rys. 9.2) obciążonego siłą tnącą

kN

 

10

=

z

T

 wyznaczyć rozkład naprężeń stycznych 

z

τ

Wymiary przekroju podano w [mm]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Rozwiązanie 

™

 

Wyznaczamy środek ciężkości rozpatrywanego przekroju.
W tym celu obliczymy statyczny moment względem pod-
stawy teownika Przekrój składa się z dwu prostokątów
o polach powierzchni 

1

A

 i 

2

A

 (rys. 9.3). Moment statyczny

jest równy 

3

2

2

1

1

mm

 

000

40

25

50

10

55

10

50

=

+

=

=

+

=

z

A

z

A

S

 

Współrzędna środka ciężkości 

SC

 wynosi  

mm

 

40

1000

000

40

2

1

SC

=

=

+

=

A

A

S

z

 

 

™

 

Określamy główny centralny moment bezwładności 

y

W tym celu wyznaczamy główne centralne momenty bez-
władności poszczególnych prostokątów, a następnie, wy-
korzystując twierdzenie Steinera, określamy moment dla
całego przekroju 

4

2

3

2

3

2

SC

2

2

2

2

SC

1

1

1

mm

 

3

1000000

)

15

(

500

12

50

10

15

500

12

10

50

)

(

)

(

=

=

+

+

+

=

=

+

+

+

=

z

z

A

I

z

z

A

I

I

y

y

y

 

 

™

 

Wyznaczamy rozkład naprężeń stycznych. Musimy okreś-
lić wartości naprężeń w punktach A, B, C, D i E (rys. 9.4). 
 
 
 

 

 

Rys. 9.2.

 

Rys. 9.3.

Rys. 9.4.

 

background image

9. Obliczanie naprężeń stycznych wywołanych siłą tnącą 

9.4

 

 

™

 

Punkt A (rys. 9.5) 
Przez punkt A prowadzimy prostą. Jak widać nie od-
cina ona żadnej części pola przekroju, a zatem mo-
ment statyczny 

A

y

 będzie równy zero. Naprężenia dla

punktu A wynoszą 

0

A

=

z

τ

 

Podobna sytuacja wystąpi w przypadku punktu E –
stąd wniosek, że w skrajnych warstwach przekroju
poprzecznego naprężenia styczne przyjmują wartość
zerową. 
 

™

 

Punkt B (rys. 9.6) 
Prosta poprowadzona przez punkt B odcina prostokąt
o wymiarach 

mm

 

10

50 ×

. Jego moment statyczny 

B

y

S

jest równy  

3

B

mm

 

7500

15

10

50

=

=

y

S

 

Szerokość przekroju poprzecznego na poziomie punk-
tu B wynosi 

mm

 

50

)

( =

z

b

 

Wyznaczamy naprężenia styczne 

B

z

τ

 

MPa

 

5

,

4

50

3

1000000

7500

10000

)

(

B

B

=

=

=

z

b

I

S

T

τ

y

y

z

z

 

Rozkład naprężeń pomiędzy punktami A i B wyzna-
czymy w oparciu o rysunek 9.7. Prosta poprowa-
dzona przez dowolny punkt M, oddalony od osi y
o wartość 

M

z

, odcina prostokąt, którego szerokość  b

jest stała, równa 50 mm, a wysokość h wynosi 

M

20 z

h

=

 

Odległość środka ciężkości odciętej części (punkt K)
od osi y jest równa  

2

20

M

K

z

z

+

=

 

Zatem moment statyczny odciętej części możemy za-
pisać w sposób następujący 

)

400

(

25

2

20

)

20

(

50

2

M

M

M

K

M

z

z

z

z

h

b

S

y

=

+

=

=

 

Ogólna zależność na naprężenia styczne dla odcinka
AB ma postać 

200

)

(400

3

50

3

1000000

)

(400

25

10000

)

(

2

M

2

M

M

AB

z

z

z

b

I

S

T

τ

y

y

z

z

=

=

=

 

Rys. 9.5.

Rys. 9.6.

Rys. 9.7.

 

background image

9. Obliczanie naprężeń stycznych wywołanych siłą tnącą 

9.5

 

 

Wyprowadzona zależność jest parabolą 

[MPa]

  

6

200

3

2

M

AB

+

=

z

τ

z

 

Dokonajmy sprawdzenia powyższej zależności.  
Dla punktu A: 

mm

 

20

A

=

z

 

0

6

20

200

3

6

200

3

2

2

A

A

=

+

=

+

=

z

τ

z

 

Dla punktu B: 

mm

 

10

B

=

z

 

MPa

 

5

,

4

6

10

200

3

6

200

3

2

2

B

B

=

+

=

+

=

z

τ

z

 

 

™

 

Punkt C (rys. 9.8) 
W przypadku punktu C sytuacja wygląda podobnie
jak w punkcie B (

B

C

y

y

S

=

) – zmienia się jedynie szero-

kość przekroju poprzecznego  

mm

 

10

)

( =

z

b

 

Naprężenia styczne 

C

z

τ

 są równe  

MPa

 

5

,

22

10

3

1000000

7500

10000

)

(

C

C

=

=

=

z

b

I

S

T

τ

y

y

z

z

 

 

™

 

Punkt D (rys. 9.9) 
Moment statyczny odciętej części przekroju jest równy 

3

D

mm

 

8000

5

10

10

15

10

50

=

+

=

y

S

 

a szerokość przekroju poprzecznego  

mm

 

10

)

( =

z

b

 

Naprężenia styczne 

D

z

τ  wynoszą  

MPa

 

24

10

3

1000000

8000

10000

)

(

D

max

D

=

=

=

=

z

b

I

S

T

τ

τ

y

y

z

z

z

 

Rys. 9.8.

Rys. 9.9.

Podobnie  jak w przypadku odcinka
AB, również na odcinku DE rozkład
naprężeń jest opisany parabolą.  
Jej równanie ma postać 

[MPa]

  

24

200

3

2

CE

+

=

z

τ

z

 

 

™

 

Wynik końcowy przedstawiono  
na rysunku 9.10.  

Rys. 9.10.

 

background image

9. Obliczanie naprężeń stycznych wywołanych siłą tnącą 

9.6

 

 

Zadanie 9.2.  

Dla przekroju dwuteowego (rys. 9.11) obciążonego 
siłą tnącą kN

 

42

=

z

T

 wyznaczyć rozkład naprę-

żeń stycznych 

z

τ . Wymiary w [mm]. 

 
 
 
 
 
 
Rozwiązanie 

™

 

Wyznaczamy  środek ciężkości rozpatrywanego
przekroju (rys. 9.12). Moment statyczny względem
podstawy jest równy 

3

3

3

2

2

1

1

mm

 

00

2436

5

10

72

40

60

18

82

24

100

=

=

+

+

=

=

+

+

=

z

A

z

A

z

A

S

 

Współrzędna środka ciężkości 

SC

 wynosi  

mm

 

58

4200

43600

2

3

2

1

SC

=

=

+

+

=

A

A

A

S

z

 

™

 

Określamy główny centralny moment  
bezwładności przekroju 

y

 

Rys. 9.11.

 

Rys. 9.12.

4

2

3

2

3

2

3

2

SC

3

3

3

2

SC

2

2

2

2

SC

1

1

1

mm

 

4200000

)

53

(

720

12

10

72

)

18

(

1080

12

60

18

24

2400

12

24

100

)

(

)

(

)

(

=

=

+

+

+

+

+

=

=

+

+

+

+

+

=

z

z

A

I

z

z

A

I

z

z

A

I

I

y

y

y

y

 

 

™

 

Określamy wartości naprężeń w punktach A, B, C, D, E,
F i G (rys. 9.13). W skrajnych warstwach, tj. dla punk-
tów A i G, naprężenia są równe 

0

G

A

=

=

z

z

τ

τ

 

 

Rys. 9.13.

 
 

background image

9. Obliczanie naprężeń stycznych wywołanych siłą tnącą 

9.7

 

 

™

 

Punkty B i C (rys. 9.14) 
Moment statyczny części odciętej wynosi  

3

C

B

mm

 

57600

24

24

100

=

=

=

y

y

S

S

 

Szerokość przekroju jest równa  

mm

 

100

)

(

=

z

b

  

dla  punktu  B 

mm

 

18

)

( =

z

b

  

dla punktu C 

Wyznaczamy naprężenia styczne 

MPa

 

76

,

5

100

4200000

57600

42000

)

(

B

B

=

=

=

z

b

I

S

T

τ

y

y

z

z

 

MPa

 

32

18

4200000

57600

42000

)

(

C

C

=

=

=

z

b

I

S

T

τ

y

y

z

z

 

 

™

 

Punkt D (rys. 9.15) 
Moment statyczny części odciętej wynosi  

3

D

mm

 

58896

6

12

18

24

24

100

=

+

=

y

S

 

Szerokość przekroju jest równa  

mm

 

18

)

( =

z

b

 

Wyznaczamy naprężenia styczne 

MPa

 

72

,

32

18

4200000

58896

42000

)

(

D

max

D

=

=

=

=

z

b

I

S

T

τ

τ

y

y

z

z

z

 

 

™

 

Punkt E i F (rys. 9.16) 
Moment statyczny części odciętej wynosi  

3

F

E

mm

 

38160

53

10

72

=

=

=

y

y

S

S

 

Szerokość przekroju jest równa  

mm

 

18

)

( =

z

b

  

dla punktu E 

mm

 

72

)

( =

z

b

  

dla punktu F 

Wyznaczamy naprężenia styczne 

MPa

 

2

,

21

18

4200000

38160

42000

)

(

E

E

=

=

=

z

b

I

S

T

τ

y

y

z

z

 

MPa

 

3

,

5

72

4200000

38160

42000

)

(

F

F

=

=

=

z

b

I

S

T

τ

y

y

z

z

 

Rys. 9.14.

Rys. 9.15.

Rys. 9.16.

 

™

 

Rozwiązanie końcowe przedstawiono 
na rysunku 9.17. 

Rys. 9.17.

 

background image

9. Obliczanie naprężeń stycznych wywołanych siłą tnącą 

9.8

 

 

Zadanie 9.3.  

Przekrój ceownik o wymiarach jak na rysunku 9.18
obciążony jest siłami tnącymi 

kN

 

10

=

=

z

y

T

T

Wyznaczyć rozkłady naprężeń stycznych 

y

τ  i 

z

τ 

Wymiary przekroju w [mm]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Rozwiązanie 

™

 

Wyznaczamy  środek ciężkości rozpatrywanego
przekroju (rys. 9.19). Moment statyczny względem
podstawy jest równy 

3

3

3

2

2

1

1

mm

 

00

375

5

10

50

35

50

10

35

50

10

=

=

+

+

=

=

+

+

=

z

A

z

A

z

A

S

 

Współrzędna środka ciężkości 

SC

 wynosi  

mm

 

25

1500

37500

3

2

1

SC

=

=

+

+

=

A

A

A

S

z

 

™

 

Określamy główne centralne momenty  
bezwładności przekroju 

y

 oraz 

z

 

Rys. 9.18.

Rys. 9.19.

4

2

3

2

3

2

3

2

SC

3

3

3

2

SC

2

2

2

2

SC

1

1

1

mm

 

512500

)

20

(

500

12

10

50

10

500

12

50

10

10

500

12

50

10

)

(

)

(

)

(

=

+

+

+

+

+

=

=

+

+

+

+

+

=

z

z

A

I

z

z

A

I

z

z

A

I

I

y

y

y

y

 

4

3

2

3

2

3

3

2

2

2

2

2

1

1

1

mm

 

512500

12

50

10

20

500

12

10

50

)

20

(

500

12

10

50

=

+

+

+

+

=

=

+

+

+

+

=

y

y

z

z

I

y

A

I

y

A

I

I

 

™

 

Określamy wartości naprężeń w punktach A, SC, B, C, D – dla siły tnącej 

z

  

oraz w punktach E, F, G, SC – dla siły tnącej 

y

T

 (rys. 9.20).  

W skrajnych warstwach naprężenia są równe zeru 

0

D

A

=

=

z

z

τ

τ

 

0

K

E

=

=

y

y

τ

τ

 

Ponadto, dla obciążenia siłą tnącą 

y

 mamy 

F

J

y

y

τ

τ =

 

G

H

y

y

τ

τ =

 

 

background image

9. Obliczanie naprężeń stycznych wywołanych siłą tnącą 

9.9

 

 

          

 

Rys. 9.20. 

™

 

Punkt SC (rys. 9.21)  
Moment statyczny części odciętej wynosi  

3

SC

mm

 

12250

)

5

,

17

35

10

(

2

=

=

y

S

 

Szerokość przekroju jest równa  

mm

 

20

10

2

)

(

=

=

z

b

 

Wyznaczamy naprężenia styczne 

MPa

 

951

,

11

20

512500

12250

10000

)

(

SC

max

SC

=

=

=

=

z

b

I

S

T

τ

τ

y

y

z

z

z

 

 

™

 

Punkty B i C (rys. 9.22)  
Moment statyczny części odciętej wynosi  

3

C

B

mm

 

10000

20

10

50

=

=

=

y

y

S

S

 

Szerokość przekroju jest równa  

mm

 

20

)

( =

z

b

  

dla punktu B 

mm

 

50

)

( =

z

b

  

dla punktu C 

Wyznaczamy naprężenia styczne 

MPa

 

756

,

9

20

512500

10000

10000

)

(

B

B

=

=

=

z

b

I

S

T

τ

y

y

z

z

 

MPa

 

902

,

3

50

512500

10000

10000

)

(

C

C

=

=

=

z

b

I

S

T

τ

y

y

z

z

 

 
 
 
 
 

Rys. 9.21.

Rys. 9.22.

 
 
 
 
 

background image

9. Obliczanie naprężeń stycznych wywołanych siłą tnącą 

9.10

 

 

™

 

Punkty F i G (rys. 9.23)  
Moment statyczny części odciętej wynosi  

3

G

F

mm

 

12000

20

60

10

=

=

=

z

z

S

S

 

Szerokość przekroju jest równa  

mm

 

60

)

(

=

y

b

  

dla punktu F 

mm

 

50

)

(

=

y

b

  

dla punktu G 

Wyznaczamy naprężenia styczne 

MPa

 

902

,

3

60

512500

12000

10000

)

(

F

F

=

=

=

y

b

I

S

T

τ

z

z

y

y

 

MPa

 

415

,

23

10

512500

12000

10000

)

(

G

G

=

=

=

y

b

I

S

T

τ

z

z

y

y

 

 

™

 

Punkt SC (rys. 9.24)  
Moment statyczny części odciętej wynosi  

3

SC

mm

 

13125

5

,

7

10

15

20

60

10

=

+

=

z

S

 

Szerokość przekroju jest równa  

mm

 

10

)

(

=

y

b

 

Wyznaczamy naprężenia styczne 

MPa

 

610

,

25

10

512500

13125

10000

)

(

SC

max

SC

=

=

=

=

y

b

I

S

T

τ

τ

z

z

y

y

y

 

 

™

 

Rozwiązanie końcowe przedstawiono na rysunku 9.25. 
 

Rys. 9.23.

Rys. 9.24.

Rys. 9.25.