background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymałość  Materiałów.  Zginanie poprzeczne  ze ściskaniem 

 

206 

18. ZGINANIE  POPRZECZNE  ZE ŚCISKANIEM 

18.1. Postawienie zagadnienia 

Przy omawianiu zagadnienia mimośrodowego ściskania bardzo mocno zostało podkreślone, 
ż

e otrzymane wzory mogą być stosowane tylko wówczas, gdy konstrukcja spełnia warunki 

pozwalające na przyjęcie zasady zesztywnienia. Teraz zajmiemy się przypadkiem, który 
pokazuje jak istotne są konsekwencje rezygnacji z przyjęcia zasady zesztywnienia i jak 
wysoce błędne byłyby wyniki obliczeń przy jej przyjęciu. Przypadek ten występuje, gdy do 
ś

ciskanego osiowo pręta pryzmatycznego przyłożone jest jeszcze obciążenie powodujące jego 

poprzeczne zginanie (rys. 18.1).  W pokazanej na poniższym rysunku belce, układ sił  

 

 

 

 

 

Rys. 18.1 

obciążających jest przyczyną jej ugięcia i łatwo zauważyć, że w konfiguracji aktualnej (po 
przyłożeniu obciążeń) równanie momentów zginających można zapisać, uwzględniając 
wpływ przemieszczeń osi belki na ich wartości, w postaci:  

 

( )

( )

( )

x

w

P

x

M

x

M

y

y

+

=

0

 

(18.1) 

gdzie: 

( )

x

M

y

0

- moment zginający w belce nieodkształcalnej. 

W przyjętym układzie odniesienia równanie różniczkowe ugiętej osi belki ma postać: 

( )

( )

y

y

EJ

x

M

dx

x

w

d

=

2

2

Podstawienie do niego funkcji momentów (18.1) daje równanie: 

( )

( )

( )

y

y

EJ

x

M

x

w

k

dx

x

w

d

0

2

2

2

=

+

 

(18.2) 

gdzie: 

y

EJ

P

=

2

(18.3)   

Rozwiązaniem niejednorodnego równania różniczkowego zwyczajnego (18.2) jest funkcja 

( )

( )

kx

B

kx

A

x

w

x

w

s

cos

sin

+

+

=

 

(18.4) 

gdzie: 

( )

x

w

s

 - całka szczególna tego równania, 

A

 oraz 

B

 - stałe całkowania zależne od             

kinematycznych warunków brzegowych belki. 

Znając funkcję 

( )

x

w

, momenty zginające i siły poprzeczne w belce wyznaczamy z 

zależności:  

( )

( )

2

2

x

d

x

w

d

EJ

x

M

y

y

=

 

w(x) 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymałość  Materiałów.  Zginanie poprzeczne  ze ściskaniem 

 

207 

( )

( )

3

3

x

d

x

w

d

EJ

x

Q

y

z

=

Wartości naprężeń normalnych dla tego przypadku w przyjętych układach odniesienia 
wynoszą: 

 

( )

z

J

x

M

A

P

y

y

x

=

σ

(18.5) 

18.2. Belka wolnopodparta obciążona siłą w środku rozpiętości 

Rozważmy, pokazaną na rys.18.2  belkę wolnopodpartą obciążoną w środku siłą 

Q

prostopadłą do jej osi i ściskającą osiowo siłą 

P.

 

 

 

 

 

Rys. 18.2 

Ze względu na symetrię belki rozpatrywać będziemy tylko jeden przedział 

2

0

l

 

Poniewa

ż

  

( )

2

0

x

Q

x

M

y

=

wi

ę

c łatwo zgadn

ąć

 i sprawdzi

ć

 przez podstawienie, 

ż

e:  

( )

P

x

Q

x

w

s

2

=

 jest całk

ą

 szczególn

ą

 równania niejednorodnego (18.2), w zwi

ą

zku z czym 

jego całka ogólna ma posta

ć

( )

kx

B

kx

A

P

x

Q

x

w

cos

sin

2

+

+

=

(18.6)   

 

Z kinematycznych warunków brzegowych wyznaczymy stałe całkowania: 

( )

2

1

2

0

0

2

2

0

0

2

2

0

0

1

/

kl

cos

kP

Q

A

B

kl

cos

A

k

P

Q

B

l

w

/

w

/

'

=

=



=

+

=

=

=

,

 

a po ich wstawieniu do (18.6) otrzymamy funkcj

ę

 ugi

ęć

 belki: 

( )

P

x

Q

kl

P

k

kx

Q

x

w

2

2

cos

2

sin

=

(18.7)   

Maksymalne ugi

ę

cie belki wyst

ą

pi w jej 

ś

rodku rozpi

ę

to

ś

ci i ma warto

ść

=

=

=

2

3

2

2

tg

2

4

2

cos

2

2

sin

2

max

k

l

k

kl

EJ

Q

P

l

Q

kl

P

k

kl

Q

l

w

w

y

w(x)

 

Q

 

l/

2

 

l/

2

 

P

 

P

 

Q/

2

 

Q

/2

 

Z

 

X

 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  Zginanie poprzeczne  ze 

ś

ciskaniem 

 

208 

Poprzez szereg przekształce

ń

 mo

ż

emy ostatecznie zapisa

ć

( )

u

EJ

l

Q

w

y

1

3

48

max

κ

=

(18.8) 

gdzie:  

2

kl

=

,  

( )

=

3

1

tg

3

u

u

u

u

κ

Zwi

ą

zek mi

ę

dzy momentem zginaj

ą

cym i drug

ą

 pochodn

ą

 ugi

ę

cia daje:  

( )

2

cos

2

sin

kl

k

kx

Q

x

M

=

 

(18.9) 

Maksymalny moment zginaj

ą

cy wyst

ę

puje w 

ś

rodku rozpi

ę

to

ś

ci belki i ma warto

ść

( )

u

l

Q

l

M

M

2

4

2

max

κ

=

=

(18.10) 

gdzie: 

( )

u

u

u

tg

2

=

κ

 

Dokonajmy krótkiej analizy wzoru (18.8) podaj

ą

cego warto

ś

ci maksymalnego ugi

ę

cia w 

postaci iloczynu maksymalnego ugi

ę

cia w belce przy przyj

ę

ciu zasady zesztywnienia i funkcji 

( )

u

1

κ

. Je

ś

li zauwa

ż

ymy, 

ż

e argument tej funkcji mo

ż

na wyrazi

ć

 w zale

ż

no

ś

ci od warto

ś

ci 

przyło

ż

onej siły 

ś

ciskaj

ą

cej P i siły krytycznej Eulera 

E

kr

P

, gdy

ż

 

 

E

kr

y

P

P

EJ

P

l

u

kl

u

2

2

2

π

=

=

=

,   

to dla 

,

0

=

P

 

( )

1

1

=

u

κ

  i  

y

EJ

l

Q

w

48

max

3

=

,    

a dla 

,

E

kr

P

 

( )

=

u

1

κ

  i  

w

max

Otrzymany wynik pokazuje, 

ż

e w przypadku przyło

ż

enia siły krytycznej przemieszczenia 

belki b

ę

d

ą

 wzrasta

ć

 do niesko

ń

czono

ś

ci przy dowolnie małym obci

ąż

eniu poprzecznym.  

Analogiczne wnioski daje analiza wzoru na maksymalny moment zginaj

ą

cy. Ni

ż

ej pokazane 

s

ą

 warto

ś

ci funkcji 

( )

u

1

κ

 i 

( )

u

2

κ

 w zale

ż

no

ś

ci od stosunku

E

kr

P

P

 

 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  Zginanie poprzeczne  ze 

ś

ciskaniem 

 

209 

E

kr

P

P

 

0.1 

0.2 

0.3 

0.4 

0.5 

0.5 

0.7 

0.8 

0.9 

1.0 

( )

u

1

κ

  1.110 

1.248 

1.423 

1.658 

1.983 

2.479 

3.301 

4.943 

9.871 

 

( )

u

2

κ

  1.091 

1.205 

1.351 

1.545 

1.817 

2.223 

2.900 

4.253 

8.307 

 

Wyniki pokazane w tabelce mog

ą

 dowodzi

ć

ż

e przy sile 

ś

ciskaj

ą

cej o warto

ś

ci 

E

kr

P

.

1

0

 

uwzgl

ę

dnienie zasady zesztywnienia mo

ż

e dawa

ć

 10% ró

ż

nice w warto

ś

ciach momentów 

zginaj

ą

cych. 

18.3. Belka wolnopodparta mimośrodowo ściskana  

Teraz przedmiotem rozwa

ż

a

ń

 b

ę

dzie belka wolnopodparta pokazana na rys. 18.3 obci

ąż

ona 

siłami 

ś

ciskaj

ą

cymi P równoległymi do jej osi zaczepionymi na mimo

ś

rodzie e.  Zasada de 

Saint Venanta pozwala na zast

ą

pienie tej belki równowa

ż

n

ą

 jej belk

ą

 obci

ąż

on

ą

 momentami 

zginaj

ą

cymi M = Pe na podporach i 

ś

ciskaj

ą

c

ą

 osiowo sił

ą

 P

 

 

 

Rys. 18.3 

W tym przypadku 

( )

e

P

x

M

y

=

0

, a całka szczególna równania niejednorodnego (18.2), równa 

si

ę

( )

e

x

w

s

=

 , wi

ę

c jego całka ogólna przyjmuje posta

ć

( )

kx

B

kx

A

e

x

w

cos

sin

+

+

=

(18.11)   

 

Stałe całkowania wyznaczone z kinematycznych warunków brzegowych s

ą

 równe: 

( )

( )

kl

sin

kl

cos

e

e

A

e

B

kl

cos

e

kl

sin

A

e

e

B

l

w

/

w

/

=

=

=

+

+

=

=

=

0

0

2

0

0

1

St

ą

d funkcja ugi

ęć

 osi belki przyjmuje posta

ć

:  

( )

(

)

(

)





+

=

=

+

+

=

+

+

=

1

sin

sin

sin

sin

cos

sin

sin

cos

sin

cos

sin

sin

cos

kl

x

l

k

kx

e

kl

kx

kl

kxl

k

kx

e

e

kx

e

kl

kx

kl

e

e

e

x

w

a równanie momentów zginaj

ą

cych przedstawia zale

ż

no

ść

( )

(

)





+

+

=

1

sin

sin

sin

kl

x

l

k

kx

Pe

Pe

x

M

y

(18.12)   

Maksymalne ugi

ę

cie belki wyst

ą

pi w 

ś

rodku jej rozpi

ę

to

ś

ci i ma warto

ść

 

e

 

e

 

w(x)

 

l

 

P

 

P

 

Z

 

X

 

M = Pe

 

w(x)

 

l

 

P

 

P

 

Z

 

X

 

M = Pe

 

background image

Adam  Bodnar:  Wytrzymało

ść

  Materiałów.  Zginanie poprzeczne  ze 

ś

ciskaniem 

 

210 

(

)

1

2

/

sec

1

2

cos

1

2

max

=





=

=

kl

e

kl

e

l

w

w

(18.13) 

st

ą

d maksymalny moment zginaj

ą

cy, który te

ż

 wyst

ą

pi w 

ś

rodku rozpi

ę

to

ś

ci, wynosi: 

2

/

sec

2

max

kl

Pe

l

M

M

y

y

=

=

(18.14) 

Poniewa

ż

 : 

E

kr

P

P

kl

2

2

π

=

,  

to przy 

,

E

kr

P

 zarówno maksymalne ugi

ę

cie jak i maksymalny moment zginaj

ą

cy w belce 

zmierzaj

ą

 do niesko

ń

czono

ś

ci przy dowolnie małym mimo

ś

rodzie e

Inaczej mówi

ą

c przyło

ż

enie do belki siły krytycznej powoduje jej zniszczenie, gdy

ż

 

praktycznie nie jest mo

ż

liwe idealnie osiowe  obci

ąż

enie pr

ę

ta.