background image

KRATOWNICE 

Obliczanie sił w prętach kratownicy z zasady prac wirtualnych 

 
Zadanie 1.  

Korzystając z zasady prac wirtualnych wyznacz siłę w pręcie kratownicy nr 2, 4, 9. 

 

kN

kN

kN

kN

A

B

C

D

E

F

G

H

1

2

3

6

7

8

9

10

11

12

13

4

5

 

 

Rys. 1

 

 

 

1.

 

Obliczenie siły w pręcie nr 

 

Usuwamy  pręt  nr  2  i  jego  działanie  zastępujemy  układem  dwóch  sił  przeciwnych    zaczepionych 
w węzłach które łączył pręt (węzeł A i C) o kierunku tego pręta (Rys. 2). Po usunięciu pręta powstał 
układ złożony z dwóch tarcz połączonych przegubem w punkcie B. 

A

B

D

E

F

G

H

I

II

C

N

2

N

2

 

Rys. 2 

 

Dla powyższego układu należy narysować plan przesunięć wirtualnych. Analizę układu rozpoczynamy 
od  tarczy  nr  I.  Tarcza  ta  posiada  dwie  podpory  przegubowo  przesuwne,  które  zezwalają  jedynie  na 
obrót  tarczy  wokół  punktu  C.  Zakładamy  więc,  że  tarcza  może  doznać  obrotu  wokół  tego  punktu 
i przyjmujemy w punkcie C środek chwilowego obrotu tarczy O

I

. Następnie przyjmujemy obrót wokół 

punktu O

I   

jako zgodny z ruchem wskazówek zegara i rysujemy plan przesunięć wirtualnych tarczy I 

background image

(Rys. 3).  Przesunięcia poziome punktów B, C, D, E wynoszą 0δ, podobnie jak przesunięcia pionowe 
punktów C i G.

 

A

B

O

I

D

E

F

G

H

I

II

  δ

  δ

  δ

  δ

  δ

  δ

  δ

 

 

Rys. 3 

 

Wyznaczone  zostały  przesunięcia  wirtualne  wszystkich  punktów  tarczy  I;  niewiadome  jest  jeszcze 
przesunięcie punktu A należącego do tarczy II. Przesunięcie poziome punktu A wynosi 0δ, z uwagi na 
przyłożoną w tym punkcie podporę blokującą przesuw poziomy, a przesunięcie pionowe wyznaczamy 
z rzutu na kierunek BA (korzystamy z twierdzenia o rzutach):  

δ

δ

=

=

Ay

By

v

v

 

Punkty A  i  B należące do tarczy II mają przesunięcia poziome 0δ,  a pionowe 1 δ – tarcza II doznaje 
translacji pionowej. 

 

Na rysunku 4 został przedstawiony plan przesunięć wirtualnych całego układu i zaznaczono wszystkie 
działające na układ siły: 

A

B

O

I

D

E

F

G

H

I

II

  δ

  δ

  δ

  δ

  δ

  δ

  δ

  δ

2/2 N

2

kN

kN

kN

kN

 2/2 N

2

  

2/2 N

2

 

2/2 N

2

 

Rys. 4 

 

Z zasady prac wirtualnych obliczamy siłę N

2

δ

δ

δ

δ

=

0

2

2

]

[

2

]

[

2

2

N

kN

kN

 

 

 

]

[

2

4

2

kN

N

=

 

background image

 
2.

 

Obliczenie siły w pręcie nr 

 

Usuwamy  pręt  nr  4  i  jego  działanie  zastępujemy  układem  dwóch  sił  przeciwnych    zaczepionych 
w węzłach które łączył pręt (węzeł C i D) o kierunku tego pręta (Rys. 5). Po usunięciu pręta powstał 
układ złożony z dwóch tarcz połączonych przegubem w punkcie H. 

A

B

D

E

F

G

H

I

II

C

N

4

N

4

 

Rys. 5 

 

Analizę układu rozpoczynamy od tarczy nr I. Tarcza ta posiada dwie podpory przegubowo przesuwne, 
które  zezwalają  jedynie  na  obrót  tarczy  wokół  punktu,  powstałego  na  przecięciu  się  prostych 
prostopadłych do dozwolonych przesuwów w punkcie A i G. Zakładamy więc, że tarcza może doznać 
obrotu wokół tego punktu i przyjmujemy obrót wokół punktu O

I  

jako przeciwny do ruchu wskazówek 

zegara.  Rysujemy  plan  przesunięć  wirtualnych  tarczy  I  (Rys.  6).    Przesunięcie  poziome  punktu  A 
wynosi 0δ, podobnie jak przesunięcia pionowe punktów C i G.

 

A

B

D

E

F

G

H

I

II

C

O

I

  δ

  δ

  δ

  δ

  δ

  δ

 

 

Rys. 6 

 

Wyznaczone  zostały  przesunięcia  wirtualne  wszystkich  punktów  tarczy  I;  niewiadome  są  jeszcze 
przesunięcie  punktów  należących  do  tarczy  II.  Poszukujemy  środka  chwilowego  obrotu  tarczy  II: 
prowadzimy prostą prostopadłą do dozwolonego przesuwu w punkcie E oraz rysujemy prostą łączącą 
środek chwilowego obrotu tarczy I (punkt O

I

 ) i przegub łączący tarcze (punkt H). Na przecięciu się 

tych dwóch prostych leży środek chwilowego obrotu tarczy II (rys. 7) 
 

background image

 

A

B

D

E

F

G

H

I

II

C

O

I

  δ

  δ

  δ

  δ

  δ

  δ

O

II

 

Rys. 7 

Znając środek chwilowego obrotu tarczy II i przesunięcie punktu H należącego do tej tarczy możemy 
wyznaczyć przesunięcia pozostałych punktów (rys. 8). 
 
Uwaga: 
Mo
żna również, bez wyznaczania środka O

II

 , określić przesunięcia wirtualne punktów D i E: 

 

Przesunięcie poziome punktu E wynosi 0δ (z uwagi na podporę przyłożoną w punkcie E) 

 

Przesunięcie pionowe punktu E wyznaczamy z rzutu na kierunek HE:  

δ

δ

δ

δ

3

)

1

,

1

(

)

,

0

(

)

1

,

1

(

)

,

2

(

=

=

Ey

Ey

v

v

o

o

 

 

Przesunięcie 

poziome 

punktu 

wyznaczamy 

rzutu 

na 

kierunek 

ED: 

δ

δ

0

0

=

=

Dx

Ex

v

v

 

 

Przesunięcie pionowe punktu D wyznaczamy z rzutu na kierunek HD: 

δ

δ

=

=

Dy

Hy

v

v

 

 

 

Na rysunku 8 został przedstawiony plan przesunięć wirtualnych całego układu i zaznaczono wszystkie 
działające na układ siły: 

A

B

D

E

F

G

H

I

II

  δ

  δ

  δ

  δ

  δ

  δ

  δ

N

4

N

4

kN

kN

kN

kN

 

Rys. 8 

background image

 

Z zasady prac wirtualnych obliczamy siłę N

4

δ

δ

δ

δ

δ

=

+

+

+

0

]

[

4

]

[

2

2

]

[

2

4

N

kN

kN

kN

 

 

 

]

[

10

4

kN

N

=

 

 
 
3.

 

Obliczenie siły w pręcie nr 

 

Usuwamy  pręt  nr  9  i  jego  działanie  zastępujemy  układem  dwóch  sił  przeciwnych    zaczepionych 
w węzłach które łączył pręt (węzeł C i H) o kierunku tego pręta (Rys. 9). Po usunięciu pręta powstał 
układ złożony z czterech tarcz połączonych przegubami w punkcie C, D, G, H. 

A

B

D

E

F

G

H

I

II

C

N

9

N

9

III

IV

Rys. 9 

 

Analizę układu rozpoczynamy od tarczy nr I. Tarcza ta posiada dwie podpory przegubowo przesuwne, 
które  zezwalają  jedynie  na  obrót  tarczy  wokół  punktu,  powstałego  na  przecięciu  się  prostych 
prostopadłych do dozwolonych przesuwów w punkcie A i G. Zakładamy więc, że tarcza może doznać 
obrotu wokół tego punktu i przyjmujemy obrót wokół punktu O

I  

jako przeciwny do ruchu wskazówek 

zegara i dla takiego założenia rysujemy plan przesunięć wirtualnych tarczy I (Rys. 10). 

  

A

B

D

E

F

G

H

I

II

C

N

9

N

9

III

IV

O

I

  δ

  δ

  δ

  δ

  δ

 

Rys. 10 

 

W  kolejnym  kroku  należy  wyznaczyć  przesunięcia  wirtualne  pozostałych  punktów  układu.  
Korzystając z rzutów na prostą CD i DE możemy zapisać: 

δ

δ

δ

=

=

=

Ex

Dx

Cx

v

v

v

 

background image

Zauważamy,  że  dochodzimy  do  sprzeczności,  gdyż  w  punkcie  E  przyłożona  jest  podpora  blokująca 

przesuw poziomy, stąd wiemy, że przesunięcie poziome punktu E wynosi

δ

0

=

Ex

v

(rys. 11).  

A

B

D

E

F

G

H

I

II

C

N

9

N

9

III

IV

O

I

  δ

  δ

  δ

  δ

  δ

  δ

  δ

  0δ

 

Rys. 11 

 

Oznacza to, iż przyjęte wyjściowe założenie jest błędne. Tarcza I nie doznaje obrotu wokół punktu O

gdyż ruch ten jest zablokowany przez podporę przesuwną przyłożoną w punkcie E. Skoro tarcza I nie 
może obracać się wokół punktu O

 musi być nieruchoma, gdyż podpory przyłożone do tej tarczy nie 

zezwalają na żaden inny ruch (rys. 12). 

A

B

D

E

F

H

I

II

III

IV

I-nieruchoma

O

II

O

III

  δ

  δ

  δ

O

IV

C

G

 

Rys. 12 

 

Rozpoczynamy  od  początku  analizę  planu  przesunięć  wirtualnych  układu,  tym  razem  wychodząc  od 
założenia,  że  tarcza  I  pozostaje  nieruchoma.  Do  tarczy  III  i  tarczy  IV  należy  odpowiednio  punkt  C 
i punkt  G,  czyli  punkty  nieruchome,  wokół  których  tarcze  III  i  IV  mogą  się  obracać.  Przyjmując 

wyjściowe przesunięcie wirtualne punktu D: 

δ

=

Dy

v

 z rzutów wyznaczamy kolejne przesunięcia: 

δ

δ

δ

0

0

0

=

=

=

Ex

Dx

Cx

v

v

v

 

δ

δ

0

0

=

=

Hx

Gx

v

v

 

δ

δ

=

=

Hy

Dy

v

v

 

background image

Z rzutów na prostą HE wyznaczamy ostatnią niewiadomą: 

δ

δ

δ

δ

1

)

1

,

1

(

)

,

0

(

)

1

,

1

(

)

,

0

(

=

=

Ey

Ey

v

v

o

o

 

Ostatecznie z zasady prac wirtualnych obliczamy siłę N

9

δ

δ

δ

=

+

0

2

2

]

[

2

9

N

kN

   

 

]

[

2

2

9

kN

N

=

 

 
 
 
 
 
 
 

Zadanie 2.  

Wyznacz siły w pozostałych prętach kratownicy korzystając z zasady prac wirtualnych.  
 
 
Wyniki: 
 

A

B

C

D

E

F

G

H

4

4 2

0

2

2

10

2 2

0

0

10

4 2

4

6

[kN]

[kN]

[kN]

[kN]

[kN]

[kN]

[kN]

[kN]

[kN]

[kN]