background image

Dariusz Sobala, dr inż.   Materiał dydaktyczny 

P

P

r

r

a

a

k

k

t

t

y

y

c

c

z

z

n

n

a

a

 

 

m

m

e

e

t

t

o

o

d

d

a

a

 

 

w

w

y

y

z

z

n

n

a

a

c

c

z

z

a

a

n

n

i

i

a

a

 

 

o

o

d

d

k

k

s

s

z

z

t

t

a

a

ł

ł

c

c

e

e

ń

ń

/

/

n

n

a

a

p

p

r

r

ę

ę

ż

ż

e

e

ń

ń

 

 

t

t

e

e

r

r

m

m

i

i

c

c

z

z

n

n

y

y

c

c

h

h

 

 

w

w

 

 

d

d

o

o

w

w

o

o

l

l

n

n

y

y

m

m

 

 

p

p

r

r

z

z

e

e

k

k

r

r

o

o

j

j

u

u

 

 

p

p

r

r

z

z

y

y

 

 

d

d

o

o

w

w

o

o

l

l

n

n

y

y

m

m

 

 

r

r

o

o

z

z

k

k

ł

ł

a

a

d

d

z

z

i

i

e

e

 

 

t

t

e

e

m

m

p

p

e

e

r

r

a

a

t

t

u

u

r

r

y

y

 

 

n

n

a

a

 

 

j

j

e

e

g

g

o

o

 

 

w

w

y

y

s

s

o

o

k

k

o

o

ś

ś

c

c

i

i

/

/

s

s

z

z

e

e

r

r

o

o

k

k

o

o

ś

ś

c

c

i

i

 

 

W najogólniejszym przypadku na przekrój poprzeczny elementu działa rozkład nieliniowy 
temperatury. Przy zachowaniu założenia płaskich przekrojów odkształcenia termiczne mogą 
występować w postaci wydłużenia, skrócenia lub/i obrotu przekroju. Każdy rozkład 
nieliniowy temperatury można rozłożyć na składowe: stałą, liniowo zmienną po 
wysokości/szerokości przekroju oraz składową nieliniową po wysokości/szerokości 
przekroju. Każdą z ww. składowych można poddać odrębnej analizie, a obliczone wielkości 
odpowiednio zsumować. Poniżej przedstawiono wygodną procedurę wyznaczania 
odkształceń/naprężeń termicznych w dowolnym przekroju, który poddany jest oddziaływaniu 
dowolnego rozkładu temperatury. Ze względu na jej praktyczny charakter przedstawiono 
procedurę obliczeń dla rozkładu po wysokości przekroju,. Analogiczny tok postępowania 
można zastosować w poprzek przekroju znając kształt występującego tam rozkładu 
temperatury i charakterystykę elementu w tym kierunku. 

Z

Y

b(z)

b(z)

z

0

H

z

X

Z

z

0

 

Rys.  1. Schemat przekroju poprzecznego i widok z boku elementu 

Gdyby włókna przekroju nie były ze sobą powiązane, każde z nich odkształciłoby się 
swobodnie zgodnie z (1.1)  
 

X

Z

T(z)

 

X

Z

z

ε

s

(z)

 

Rys.  2. Rozkład temperatury T(z) na wysokości przekroju i jego odkształcenia swobodne 

ε

s

(z) 

background image

Dariusz Sobala, dr inż.   Materiał dydaktyczny 

(1.1) 

)

(

)

(

)

(

z

T

z

z

s

=

α

ε

 

gdzie 

ε

s

(z) – odkształcenie swobodne włókna przekroju o współrzędnej z

α

(z) – współczynnik rozszerzalności termicznej włókna o współrzędnej z;  

T(z) – temperatura włókna o współrzędnej z lub jej przyrost w stosunku do stanu 

początkowego (rozkład temperatury po wysokości); 

 z – współrzędna (odległość) rozpatrywanego włókna od osi X w kierunku osi Z, która 

zmienia się od wartości -z

0

 do H

z

-z

0

H

z

 – wysokość przekroju wzdłuż osi Z (Rys.  1) 

(1.2) 

)

(

)

(

)

(

z

E

z

z

P

s

=

ε

 

gdzie   E(z) – moduł sprężystości dla włókna przekroju o współrzędnej z

P(z) – uogólniona zastępcza siła zewnętrzna przywracająca rzeczywisty 

kształt/wymiary elementu i powodująca powstanie naprężeń w przekroju. 

Część równomierną odkształcenia w przekroju (wydłużenie/skrócenie) można wyznaczyć z 
zależności (1.3).  

(1.3) 

=

0

0

)

(

)

(

)

(

1

z

H

z

u

z

dz

z

b

z

z

T

A

α

ε

 

gdzie 

ε

u

 – składowa równomierna odkształcenia na wysokości przekroju; 

A – sprowadzone pole przekroju poprzecznego elementu; 

 

b(z) – szerokość przekroju na poziomie z. 

X

Z

z

0

ε

u

 

Rys. 1. Składowa równomierna odkształcenie przekroju   

Zachowanie zasady płaskich przekrojów Bernoulli’ego-Navier’a wymaga, aby przekrój płaski 
po obciążeniu pozostał nadal płaski. Ten stan osiąga poprzez przesunięcie przekroju po osi  
lub obrót przekroju wokół osi, np. osi poziomej Y. Krzywiznę (nachylenie) przekroju 

φ

y

 

można wyznaczyć na podstawie zależności (1.4) sformułowanej przez Priestley’a [Pristley, 
1978]. Odkształcenia spowodowane obrotem są równe 

ε

φ 

(z)=

φ

y

z.   

(1.4) 

=

0

0

)

(

)

(

)

(

1

z

H

z

y

y

z

dz

z

z

b

z

z

T

I

α

φ

 

gdzie  I

y 

 - sprowadzony moment bezwładności przekroju względem osi Y

background image

Dariusz Sobala, dr inż.   Materiał dydaktyczny 

X

Z

z

0

ε

φ

(z)

z

φ

z

 

Rys. 2. Obrót przekroju 

φ

 spowodowany liniowym rozkładem temperatury na wysokości przekroju 

Odkształcenie całkowite przekroju składać się  będzie z odkształcenia równomiernego oraz 
odkształcenia wywołanego obrotem (1.5). 

(1.5) 

z

z

z

y

u

u

c

+

=

+

=

φ

ε

ε

ε

ε

φ

)

(

)

(

 

X

Z

z

0

ε

c

(z)

 

Rys. 3. Odkształcenia całkowite przekroju 

ε

c

(z) 

Zatem naprężenia termiczne, do których wyznaczenia ostatecznie dążymy, pochodzić będą od 
odkształcenia wymuszonego (1.6), które stanowić będzie różnicę odkształcenia całkowitego i 
swobodnego.  

(1.6) 

)

(

)

(

)

(

z

z

z

s

c

w

ε

ε

ε

=

 

gdzie 

ε

w

(z) – odkształcenie włókna o współrzędnej  z  wymuszone więzami wewnętrznymi 

istniejącymi w przekroju 

background image

Dariusz Sobala, dr inż.   Materiał dydaktyczny 

X

Z

z

ε

w

(z)

 

Rys. 4.. Odkształcenia wymuszone w przekroju  

(1.7) 

)

(

)

(

)

(

z

z

E

z

w

T

ε

σ

=

 

gdzie  

σ

T

(z) – naprężenie w przekroju na poziomie włókna z

 

E(z) – moduł sprężystości włókna z przekroju. 

Przemieszczenie punktu leżącego na osi przekroju można wyznaczyć z zależności (1.8). 

(1.8) 

Δ

=

=

Δ

0

0

)

(

)

(

)

(

z

H

z

T

u

u

x

z

dz

z

b

z

A

L

T

L

z

L

α

ε

 

gdzie  

L

x

 – odległość przekroju od podpory stałej mierzona wzdłuż osi X

 
Dla dowolnego punktu przekroju należy wprowadzić korektę wartości przemieszczenia 
wynikającą z obrotu przekroju w postaci (1.9). 

(1.9) 

Δ

=

=

ΔΔ

0

0

)

(

)

(

)

(

z

H

z

T

y

x

u

x

y

x

z

dz

z

z

b

z

I

z

L

T

L

z

z

L

α

φ