background image

X L V I I I     K O N F E R E N C J A    N AU K O W A  

KOMITETU  INŻ YNIERII  LĄ DOWEJ  I  WODNEJ  PAN 

I  KOMITETU  NAUKI  PZITB 

Opole – Krynica

 

2002

 

 
 
 
 

 
 
Jan KARCZEWSKI

1

  

Henryk KRÓ L

 
 

 

PROPOPOZYCJA METODY PROJEKTOWANIA  

SPRĘ Ż YSTO-PLASTYCZNEJ BELKI SPRĘ Ż ONEJ 

 

 

1.  Wprowadzenie 

 

Dotychczas  w  sprężysto-plastycznej  analizie  belek  wstępnie  sprężonych  cięgnem  zakłada 
się,  punktową  formę  przegubó w  plastycznych.  Takie  podejś cie  może  dawać  oszacowania 
zbyt optymistyczne, a niekiedy niebezpieczne. 

W rzeczywistoś ci strefy plastyczne rozwijają się wzdłuż belki redukując sztywnoś ć w ob-

szarze częś ciowo uplastycznionym. Zjawisko to powoduje, że stan graniczny noś noś ci jest osią-
gany dużo wcześ niej niż wynika to przy założeniu punktowej formy przegubó w plastycznych. 

W pracy przedstawiono propozycję metody projektowania belek sprężonych cięgnami 

przy  założeniu  rozprzestrzeniania  się  strefy  plastycznej.  Wykorzystano  tutaj  plastyczną 
rezerwę noś noś ci w stadium eksploatacji. 

Przedmiotem  rozważań  jest  pełnoś cienna,  belka  wolnopodparta,  obciążona  siłą 

skupioną  przyłożoną  w  ś rodku  rozpiętoś ci,  sprężona  cięgnem  prostoliniowym  na  całej 
długoś ci, umieszczonym w bezpoś rednim sąsiedztwie pasa dolnego. 
 

2.  Zał

oż enia 

 

W proponowanej metodzie przyjęto następujące założenia : 

-  cięgno sprężające gwarantuje, że belka nie ulega zniszczeniu po uformowaniu się w jej 

częś ci ś rodkowej przegubu plastycznego, lecz jedynie przechodzi z układu wewnętrznie 
statycznie niewyznaczalnego w układ statycznie wyznaczalny zachowując jednocześ nie 
możliwoś ć przenoszenia dalszego przyrostu obciążenia. 

-  Zniszczenie układu konstrukcyjnego belka-cięgno następuje po transformacji przegubu 

plastycznego z chwilą, gdy oś  plastyczna belki pokryje się z osią cięgna, 

-  wykorzystanie  rezerwy  plastycznej  dopuszcza  się  wyłącznie  w  jednym  stadium  pracy 

belki. W omawianej metodzie jest to stadium eksploatacji, 

-  praktyczne  wykorzystanie  plastycznej  rezerwy  noś noś ci  przewidziano  do  chwili 

uformowania  się  przegubu  plastycznego.  Drugim  warunkiem  jaki  musi  spełniać  belka 
jest fakt nieprzekroczenia w przekroju ś rodkowym wartoś ci ugięć dopuszczalnych, 

                                                 

1

  Profesor, Politechnika Warszawska, Instytut Konstrukcji Budowlanych 

2

  Mgr inż. (doktorant), Politechnika Warszawska, Instytut Konstrukcji Budowlanych 

background image

 

200 

-  interakcja  uogó lnionych  sił  wewnętrznych  występujących  w  przekroju  belki 

modelowana jest krzywą graniczną pomiędzy momentem zginającym i siłą podłużną a 
wspó łdziałanie  siły  poprzecznej  z  tymi  siłami  uwzględnione  jest  wg.  hipotezy 
Biezuchowa  [1],  zgodnie  z  któ rą  huberowskie  naprężenia  zastępcze,  w  strefach 
uplastycznionych  przez  naprężenia  normalne  i  na  osi  obojętnej  w  stanie  sprężysto-
plastycznym są ró wne granicy plastycznoś ci (rys. 1), 

-  krzywa  plastyczna,  tj.  linia  rozgraniczająca  strefy  sprężyste  od  strefy  plastycznej 

przyjmuje (licząc do osi symetrii) kształt paraboli (rys. 2) o ogó lnym ró wnaniu: 

 

( )

n

1

n

3

n

3

2

n

2

1

n

1

a

z

a

...

z

a

z

a

z

a

z

+

+

+

+

+

=

-

-

-

-

j

                         (1) 

 

-  fragment belki, w któ rym występuje strefa odkształceń plastycznych traktuje się jako 

częś ć o zredukowanej sztywnoś ci odpowiednio do przebiegu funkcji redukujących 
moment bezwładnoś ci w tym obszarze  (rys. 3), 

-  całkowite  ugięcie  stanowi  sumę  ugięcia  od  momentu  zginającego  u(x)

m

  i  siły 

poprzecznej  u(x)

t

,  stąd  ró wnania  linii  ugięcia  w  poszczegó lnych  przedziałach  (rys. 4) 

przyjmują postać: 

 

 

 

Rys. 1. Model interakcji uogó lnionych sił wewnętrznych z uwzględnieniem hipotezy 

Biezuchowa :a) krzywa graniczna 

m

 = f(

h

); b) krzywa graniczna 

m

 = f(

q

); c) rozkład 

naprężeń normalnych i ś cinających wg hipotezy Biezuchowa 

background image

 

201 

 

 

Rys. 2. Kontur strefy uplastycznienia wg przyjętego modelu 

A, B, D, C, S – punkty charakterystyczne strefy uplastycznienia 

 

 

 

Rys. 3. Wykres funkcji momentu bezwładnoś ci w obszarze uplastycznienia 

J

r

A

 , J

r

B , J

R

D

 , J

R

C

 – wartoś ci momentu bezwładnoś ci w punktach charakterystycznych  

strefy uplastycznienia 

background image

 

202 

 

 

Rys. 4. Przedziały całkowania: KA – sprężysty, AS – sprężysto-plastyczny 

 
przedział sprężysty KA 
 

( )

2GA

x

P

EJ

x

Nec

4EJ

x

Pc

x

d

x

EJ

Ne

x

P/2

2EJ

x

Ne

12EJ

x

P

u

y

y

2

l/2

c

r

y

2

y

3

KA

k

+

+

+

+

+

-

-

=

ò

x

x

                (2) 

 
przedział sprężysto-plastyczny AS 
 

( )

( )

( )

+

+

+

+

-

=

ò

òò

x

d

x

EJ

Ne

x

P/2

x

x

d

x

EJ

Ne

x

P/2

u

l/2

c

r

x

c

r

AS

x

 

 

 

 

(3) 

(

)

( )

x

2GA

c

x

P

κ

2GA

Pc

κ

2EJ

Nec

6EJ

Pc

r

y

2

y

3

-

+

+

+

  

 

 

 

 

gdzie:  J

r

(x)  –  zredukowany  moment  bezwładnoś ci  okreś lony  odpowiednimi  funkcjami  

w zależnoś ci od zakresu uplastycznienia belki, 

 

k

 – wspó łczynnik uwzględniający kształt przekroju belki (przyjęto 

k

 = 12). 

 

3.  Ograniczenia projektowe obszaru uplastycznionego  

i przykł

ady obliczeniowe 

 
Zgodnie  z  przyjętym  kształtem  i  zasięgiem  strefy  uplastycznienia  w  belce  obciążenie 
towarzyszące  zakończeniu  stanu  sprężystego  oraz  powstaniu  przegubu  plastycznego 
przyjmuje zgodnie z rys. 5 wartoś ci: 
 

(

)

l

e

N

M

4

P

P

A

A

A

spr

-

=

=

 

(

)

l

e

N

M

4

P

s

s

s

-

=

 

               (4) 

 

background image

 

203 

gdzie:  M

A

 i N

A

 – wartoś ci momentu zginającego i siły podłużnej występujące w przekroju 

belki na zakończenie stanu sprężystego, 
M

s

  i  N

s

  –  wartoś ci  momentu  zginającego  i  siły  podłużnej  w  chwili  powstania 

przegubu plastycznego w ś rodku belki 

 

 

 

Rys. 5. Punkty odzwierciedlające wartoś ci obciążenia eksploatacyjnego 
powodującego  uplastycznienie  belki  zgodnie  z  krzywą  plastyczną: 
P

A

, P

B

, P

D

, P

C

, P

S

 – obciążenie odpowiadające  uplastycznieniu się  kolej-

nych punktó w charakterystycznych strefy uplastycznienia; 
P

E

,  P

F

,  P

H

  –  obciążenie  odpowiadające  uplastycznieniu  się  dowolnych 

punktó w w strefie uplastycznienia;  
P – rzeczywiste obciążenie eksploatacyjne 

 

Kierując  się  zasadą  optymalnego  wykorzystania  materiału  ustalono,  że  wynikający  z 

analizy  obszar  odkształceń  trwałych  dla  potrzeb  projektowania  powinien  być  zawężony  do 
przedziału  C-S  (rys.  6).  Przyjęto,  że  najkorzystniejsze  wykorzystanie  rezerwy  plastycznej 
może nastąpić wó wczas, gdy siła eksploatacyjna P przyjmuje wartoś ć co najmniej ró wną P

c

tj.  odpowiadającą  uplastycznieniu  się  pierwszego,  gó rnego  włó kna  przekroju  ś rodnika 
(rys. 6).  Jednocześ nie  z  przeprowadzonych  badań  wynika,  że  ugięcie  towarzyszące 
powstaniu przegubu plastycznego jest kilkakrotnie większe od dopuszczalnego. Oznacza to, 
że prawidłowo zaprojektowana belka powinna spełniać jednocześ nie dwa warunki 
 

P

c

 < P < P

s

  

  oraz       

( )

dop

p

u

u

@

   

                (5) 

 

któ re ilustruje rys. 6. 

background image

 

204 

 

 

Rys. 6. Strefa uplastyczniona przy bezpiecznym wykorzystaniu  

plastycznej rezerwy noś noś ci 

 

Opracowany  dla  proponowanej  metody  program  obliczeniowy  składa  się  z  trzech 

podstawowych  blokó w  (rys.  7).  W  bloku  głó wnym  (ś rodkowym)  wykorzystano  wcześ -
niej sporządzony program obliczeniowy [2], w któ rym obliczone są wartoś ci wszystkich 
parametró w  strefy  odkształceń  plastycznych,  niezbędnych  do  ustalania  wartoś ci  ugięć  
i uogó lnionych sił wewnętrznych w dowolnym przekroju belki.  Natomiast  bloki  pierw-
szy  i trzeci obejmują proces poszukiwania wymiaró w belki i cięgna oraz właś ciwoś ci 

 

 

Rys. 7. Uproszczony schemat blokowy programu 

START

DANE WST

Ę PNE

L    ,    P

CHARAKT. STALI

CHARAKT. STALI

KOREKTA

KOREKTA

WYZNACZENIE WST

Ę PNEJ

POWIERZCHNI PRZEKROJU

PROJEKTOWANIE WYMIAR

Ó W

PRZEKROJU BELKI I CI

Ę GNA

WYM. PRZEKROJU

BLOK G

ŁÓ WNY

KONIEC OBLICZE

Ń

WYZNACZENIE

PARAMETR

Ó W

POMOCNICZYCH

SPRAWDZENIE WARUNK

Ó W

1

2

E  ,

f y

E

,

,

fyc

TAK

NIE

P

P

c P

s

u

u

dop

p

background image

 

205 

mechanicznych  stali  spełniających  warunki  (5).  W  tab.  1  zamieszczono  wyniki 
projektowania trzech belek, przyjmując dla poró wnania jednakowe wielkoś ci takie jak: 

rozpiętoś ci – 12,0 m 

obciążenie eksploatacyjne – 350,0 kN 

właś ciwoś ci mechaniczne stali belki – E = 205,0 GPa; f

y

 = 235,0 MPa 

właś ciwoś ci mechaniczne stali cięgna – E

c

 = 195,0 GPa; f

y

 = 1070,0 MPa 

 

Tablica 1 

PROJEKTOWANE WYMIARY 

[mm] 

OBCIĄ Ż ENIE [kN] 

UGIĘ CIE [mm] 

s

h

 

1

d

 

1

t

 

2

d

 

2

t

 

3

t

 

spr

P

 

c

P

 

-

P

 

s

P

 

dop

u

 

÷÷

÷

ø

ö

çç

ç

è

æ

-

p

u

 

R

 

910  300  18  98 

2383,5  3027,4  3609,4  3835,6 

48 

47,91 

1,9 

840  254  22  91 

2208,6  2561,8  3612,3  3718,0 

48 

48,15 

-3,1 

880  268  20  116  8 

2542,5  3251,1  3615,6  3938,3 

48 

47,59 

8,5 

 

Odmienne  natomiast  przyjęto  smukłoś ci  ś rodnika.  Zakładając  jego  gruboś ć  ró wną 

7 mm założono dla pierwszej belki 

l

 = 130, dla drugiej 

l

 = 120 oraz dla trzeciej 

l

 = 110. 

Przy czym w przypadku belki trzeciej z uwagi na brak możliwoś ci spełnienia obu warunkó w 
(5) przyjęto gruboś ć ś rodnika ró wną  8 mm. 

Wykonując poró wnania uzyskanych wartoś ci otrzymano zależnoś ci: 

-  ró żnica  pomiędzy  obciążeniem  odpowiadającym  ugięciu  dopuszczalnemu  a 

obciążeniem  maksymalnym  dla  fazy  sprężystej  wynosi  kolejno:  51,4  %,  63,6%, 
42,2%. 

-  ró żnica  pomiędzy  wytrzymałoś cią  obliczeniową  a  naprężeniami  w  pasie  dolnym 

belki, liczonymi  wg. stosowanych dla fazy  sprężystej  wzoró w [3]  wynosi  kolejno: 
14,4%, 32,2%, 8%. 

-  mniejsza  smukłoś ć  ś rodnika  przy  stałej  jego  gruboś ci  pozwala  na  lepsze 

wykorzystanie odkształceń trwałych. 

 

5. Wnioski koń cowe 

 

*  

Wydaje  się  możliwe  praktyczne  zastosowanie  metody  projektowania  belek 
sprężonych  cięgnami  z  wykorzystaniem  odkształceń  trwałych  w  stadium 
eksploatacji.  Po  wykonaniu  prac  związanych  z  wdrażaniem  dodatkowych  badań 
należy przystąpić do opracowania szczegó łowej metody projektowania. 

*  

W  ostatecznej  wersji  metody  poza  innymi,  należy  uwzględnić  wpływ  zjawisk 
reologicznych  stali  na  noś noś ć  i  odkształcalnoś ć  belki.  Będzie  to  możliwe  po 
opracowaniu  tzw.  map  Frosta-Ashby’ego  okreś lających  właś ciwoś ci  mechaniczne 
gatunkó w  stali  produkowanych  w  Polsce,  pracujących  w  warunkach  wysokich 
naprężeń.  Wydaje  się  niezbędne  opracowanie  optymalnych  dla  danej  belki 
charakterystyk geometrycznych i mechanicznych. 

 

Literatura 

 

[1] BIEZUCHOW  N.  J.,  K  teorii  płasticzieskowo  rasczieta  na  izgib,  Westi.  Inż .  i  Techn

1936.10. 

background image

 

206 

[2] KRÓ L H., Modelowanie stalowej belki spręż onej cięgnem z wykorzystaniem plastycznych 

właś ciwoś ci stali. Rozprawa doktorska, Warszawa 2001, Biblioteka P.W. 

[3] BOGUCKI W., Budownictwo stalowe, cz.1, str. 343

¸

357, Arkady, Warszawa 1976. 

 
 

PROPOSED METHOD OF DESIGNING IN ELASTIC-PLASTIC 

PHASE OF PRESTRESSED BEAMS 

 

Summary 

 
The paper deal with proposed method of designing of prestressed bean with utilising plastic 
reserve of load carrying capacity in phase of exploitation. 

The  plastic  zone  spreading  along  longitudinal  axis  the  beam  was  taken  into 

consideration. The special numerical program to enable obtain exemplary results was worked 
out. The numerical examples are presented too.