background image

WM

Z12/6. PRZEMIESZCZENIA W BELKACH – ZADANIE 6

1

Z12/6. PRZEMIESZCZENIA W BELKACH – ZADANIE 6

Z12/6.1. Zadanie 6

Dana jest belka złożona z zadania Z12/3 przedstawiona na rysunku Z12/6.1. Wykresy sił przekro-

jowych dla tej belki przedstawia rysunek Z12/6.2. Zaprojektować dwa przekroje belki będące dwuteow-
nikami walcowanymi zgodnie z rysunkiem Z12/6.1. Następnie metodą obciążeń krzywiznami wyznaczyć 
kąty obrotu w punktach B, C (z lewej i prawej strony), D i E oraz ugięcia w punktach B, C i E.

1,0

2,0

2,0

1,0

16,0 kN/m

14,0 kN

A

B

C

D

E

[m]

E∙J

Y

(1)

E∙J

Y

(2)

Rys. Z12/6.1. Belka złożona

1,0

2,0

2,0

1,0

16,0 kN/m

14,0 kN

A

B

C

D

E

[m]

37,0 kN

41,0 kN

91,0 kNm

T [kN]

41,0

9,

0

23

,0 14,0

2,563

1,438

M [kNm]

91

,0

50

,0

0,0

14

,0

0,

0

2,563

1,438

2,

531

Rys. Z12/6.2. Wykresy sił przekrojowych w belce złożonej

Z12/6.2. Przyjęcie przekrojów belki

Przekroje pręta przyjmiemy na podstawie wartości ekstremalnej momentu zginającego. Jak widać na 

rysunku Z12/6.2 ekstremalny moment dla belki AC wynosi

Dr inż. Janusz Dębiński

background image

WM

Z12/6. PRZEMIESZCZENIA W BELKACH – ZADANIE 6

2

M

Y

EXT 1

=

91,0 kNm=9100 kNcm

.

(Z12/6.1)

Wytrzymałość materiału, z którego wykonana jest belka czyli stali wynosi

R=215 MPa=21,5

kN

cm

2

.

(Z12/6.2)

Wskaźnik wytrzymałości przekroju na zginanie powinien być większy niż 

W

Y

1

9100

21,5

=

423,3 cm

3

.

(Z12/6.3)

Przyjmiemy walcowany dwuteownik 260 o wskaźniku wytrzymałości na zginanie równym

442 cm

3

(Z12/6.4)

i momencie bezwładności względem osi Y równym

J

Y

1

=

J

Ygl

1

=

5740 cm

4

.

(Z12/6.5)

Moduł Younga stali wynosi

E=205 GPa=205⋅10

6

kPa

.

(Z12/6.6)

Sztywność przekroju na zginanie dla belki AC wynosi więc

EJ

Y

1

=

205⋅10

6

5740⋅10

8

=

11770 kNm

2

.

(Z12/6.7)

Jak widać na rysunku Z12/6.2 ekstremalny moment dla belki CE wynosi

M

Y

EXT 2 

=

14,0 kNm=1400 kNcm

.

(Z12/6.8)

Wskaźnik wytrzymałości przekroju na zginanie powinien być większy niż 

W

Y

2

1400

21,5

=

65,12 cm

3

.

(Z12/6.9)

W przedziale   CE  przyjmiemy  walcowany  dwuteownik dwuteownik 140  o wskaźniku  wytrzymałości   na 
zginanie równym

Dr inż. Janusz Dębiński

background image

WM

Z12/6. PRZEMIESZCZENIA W BELKACH – ZADANIE 6

3

81,9 cm

3

(Z12/6.10)

i momencie bezwładności względem osi Y równym

J

Y

2

=

J

Ygl

2

=

573 cm

4

.

(Z12/6.11)

Sztywność przekroju na zginanie dla belki CE wynosi więc

EJ

Y

2 

=

205⋅10

6

573⋅10

8

=

1175 kNm

2

.

(Z12/6.12)

Z12/6.3. Przygotowanie wykresu momentu zginającego i obliczenie krzywizn

Rysunek Z12/6.3 przedstawia wykres momentu zginającego. Na rysunku tym zaznaczone są także 

odpowiednie sztywności na zginanie dla poszczególnych belek prostych.

11770 kNm

2

1175 kNm

2

1,0

2,0

2,0

1,0

16,0 kN/m

14,0 kN

A

B

C

D

E

[m]

37,0 kN

41,0 kN

91,0 kNm

M [kNm]

91

,0

50

,0

0,0

14

,0

0,0

2,563

1,438

2,5

31

Rys. Z12/6.3. Wykres momentu zginającego oraz sztywności przekrojów belki na zginanie

Na belce mamy dwa przedziały, w których działa obciążenie ciągłe równomiernie rozłożone czyli BC 

i   CD.  W  przedziałach   tych   łączymy  rzędne   wykresu   na   początku   i   końcu   przedziału   linią   prostą   oraz 
dodajemy parabolę jak dla belki swobodnie podpartej z takim samym obciążeniem ciągłym równomiernie 
rozłożonym i takiej samej długości jak dany przedział. Rzędna w środku paraboli w przedziale BC wynosi

16,0⋅2,0

2

8

=

8,0 kNm

.

(Z12/6.13)

Dr inż. Janusz Dębiński

background image

WM

Z12/6. PRZEMIESZCZENIA W BELKACH – ZADANIE 6

4

Rzędna w środku paraboli w przedziale CD wynosi

16,0⋅2,0

2

8

=

8,0 kNm

.

(Z12/6.14)

Podział   obciążenia   ciągłego   równomiernie   rozłożonego   musiał   być   taki,   jak   przedstawiony   powyżej, 
ponieważ w przegubie C następuje zmiana sztywności przekroju na zginanie. Rysunek Z12/6.4 przedstawia 
tak przerobiony wykres momentu zginającego.

M [kNm]

91

,0

50

,0

0,

0

14

,0

0,

0

8,

0

M [kNm]

8,

0

0,0

0,0

0,0

1,0

1,0

1,0

1,0

11770 kNm

2

1175 kNm

2

1,0

2,0

2,0

1,0

16,0 kN/m

14,0 kN

A

B

C

D

E

[m]

37,0 kN

41,0 kN

91,0 kNm

Rys. Z12/6.4. Przerobiony wykres momentów zginających w belce

Jak   widać   na   rysunku   Z12/6.4   w   przedziale  AB   mamy  wykres   trapezowy,   który   dla   ułatwienia 

obliczeń możemy przerobić na dwa wykresy liniowe. Przedstawia to rysunek Z12/6.5. Rysunek ten jest już 
ostatecznym wykresem momentów zginających, które posłużą nam do metody obciążeń krzywiznami.

Krzywizna w punkcie A wynosi

91,0

11770

=

7,732⋅10

3

1

m

.

(Z12/6.15)

Krzywizna w punkcie B wynosi

Dr inż. Janusz Dębiński

background image

WM

Z12/6. PRZEMIESZCZENIA W BELKACH – ZADANIE 6

5

M [kNm]

91

,0

50

,0

0,0

14

,0

0,0

8,

0

M [kNm]

8,0

0,0

0,

0

0,

0

1,0

1,0

1,0

1,0

0,0

M [kNm]

0,0

11770 kNm

2

1175 kNm

2

1,0

2,0

2,0

1,0

16,0 kN/m

14,0 kN

A

B

C

D

E

[m]

37,0 kN

41,0 kN

91,0 kNm

Rys. Z12/6.5. Ostatecznie przerobiony wykres momentów zginających w belce

50,0

11770

=

4,248⋅10

3

1

m

.

(Z12/6.16)

Krzywizna w środku paraboli w przedziale BC wynosi

8,0

11770

=

0,6797⋅10

3

1

m

.

(Z12/6.17)

Krzywizna w punkcie D wynosi

14,0

1175

=

11,91⋅10

3

1

m

.

(Z12/6.18)

Dr inż. Janusz Dębiński

background image

WM

Z12/6. PRZEMIESZCZENIA W BELKACH – ZADANIE 6

6

Krzywizna w środku paraboli w przedziale CD wynosi

8,0

1175

=

6,809⋅10

3

1

m

.

(Z12/6.19)

Rysunek Z12/6.6 przedstawia wykres krzywizn w belce.

7,

73

2

4,

24

8

0,0

11

,9

1

0,

0

0,6

79

7

6,8

09

0,

0

0,

0

0,

0

1,0

1,0

1,0

1,0

0,

0

0,

0

⋅

10

3

[

1

m

]

11770 kNm

2

1175 kNm

2

1,0

2,0

2,0

1,0

16,0 kN/m

14,0 kN

A

B

C

D

E

[m]

37,0 kN

41,0 kN

91,0 kNm

⋅

10

3

[

1

m

]

⋅

10

3

[

1

m

]

Rys. Z12/6.6. Wykres krzywizn w belce

Z12/6.4. Belka fikcyjna

Belka fikcyjna musi spełniać warunki brzegowe zadania. Zgodnie z tabelą 12.2 utwierdzenie A prze-

chodzi w wolny koniec. Przegub rzeczywisty C przechodzi w podporę przegubową, podpora przegubowo-
przesuwna  D przechodzi  w przegub rzeczywisty natomiast wolny koniec E przechodzi w utwierdzenie. 
Pierwsze przybliżenie belki fikcyjnej przedstawia rysunek Z12/6.7. 

Jak widać belka fikcyjna składa się z dwóch tarcz sztywnych, które posiadają sześć stopni swobody. 

Utwierdzenie E odbiera trzy natomiast przegub rzeczywisty D odbiera dwa stopnie swobody. Razem te pod-
pory  odbierają   pięć   stopni   swobody.   Pozostaje   nam  jeden   stopień   swobody  czyli   podpora   przegubowa 
C musi być podporą przegubowo-przesuwną. Rysunek Z12/6.8 przedstawia ostateczną postać belki fikcyj-
nej.

Dr inż. Janusz Dębiński

background image

WM

Z12/6. PRZEMIESZCZENIA W BELKACH – ZADANIE 6

7

1,0

2,0

2,0

1,0

A

B

C

D

E

[m]

1,0

2,0

2,0

1,0

A

B

C

D

E

[m]

Rys. Z12/6.7. Pierwsze przybliżenie belki fikcyjnej

1,0

2,0

2,0

1,0

A

B

C

D

E

[m]

Rys. Z12/6.8. Ostateczna postać belki fikcyjnej

Z12/6.5. Obciążenie fikcyjne

Korzystając z wykresu krzywizn na belce przedstawionych na rysunku Z12/6.6 otrzymamy wtórne 

obciążenie belki fikcyjnej. Obciążenie to przedstawia rysunek Z12/6.9.

7,7

32

4,248

11,91

0,6797

6,809

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

2,0

2,0

1,0

A

B

C

D

E

[m]

q

*

10

3

[

1

m

]

Rys.Z12/6.9. Obciążenie wtórne belki fikcyjnej

Wtórne   obciążenie   ciągłe   przedstawione   na   rysunku   Z12/6.9   możemy   sprowadzić   do   wtórnych   sił 
wypadkowych. Siła wypadkowa z pierwszego obciążenia trójkątnego do góry w przedziale AB wynosi

1
2

4,248⋅10

3

1,0=2,124⋅10

3

(Z12/6.20)

Dr inż. Janusz Dębiński

background image

WM

Z12/6. PRZEMIESZCZENIA W BELKACH – ZADANIE 6

8

i znajduje się ona w odległości

1,0

3

=

0,3333 m

(Z12/6.21)

od punktu B. Wtórna siła wypadkowa z drugiego obciążenia trójkątnego do góry w przedziale AB wynosi

1
2

7,732⋅10

3

1,0=3,866⋅10

3

(Z12/6.22)

i znajduje się ona w odległości

1,0

3

=

0,3333 m

(Z12/6.23)

od punktu A. Wtórna siła wypadkowa z obciążenia trójkątnego do góry w przedziale BC wynosi

1
2

4,248⋅10

3

2,0=4,248⋅10

3

(Z12/6.24)

i znajduje się ona w odległości

2,0

3

=

0,6667 m

(Z12/6.25)

od punktu B. Wtórna siła wypadkowa z obciążenia parabolicznego w dół w przedziale BC wynosi

2
3

0,6797⋅10

3

2,0=0,9063⋅10

3

(Z12/6.26)

i znajduje się ona w odległości

2,0

2

=

1,0 m

(Z12/6.27)

od punktu B czyli znajduje się w środku przedziału BC. Wtórna siła wypadkowa z obciążenia trójkątnego do 
góry w przedziale CD wynosi

1
2

11,91⋅10

3

2,0=11,91⋅10

3

(Z12/6.28)

Dr inż. Janusz Dębiński

background image

WM

Z12/6. PRZEMIESZCZENIA W BELKACH – ZADANIE 6

9

i znajduje się ona w odległości

2,0

3

=

0,6667 m

(Z12/6.29)

od punktu D. Wtórna siła wypadkowa z obciążenia parabolicznego w dół w przedziale CD wynosi

2
3

6,809⋅10

3

2,0=9,079⋅10

3

(Z12/6.30)

i znajduje się ona w odległości

2,0

2

=

1,0 m

(Z12/6.31)

od punktu D czyli znajduje się w środku przedziału CD. Wtórna siła wypadkowa z obciążenia trójkątnego 
do góry w przedziale DE wynosi

1
2

11,91⋅10

3

1,0=5,955⋅10

3

(Z12/6.32)

i znajduje się ona w odległości

1,0

3

=

0,3333 m

(Z12/6.33)

od   punktu   D.   Rysunek   Z12/6.10   przedstawia   wypadkowe   z   poszczególnych   części   obciążenia   ciągłego 
działające na belkę fikcyjną.

3,

866

2,1

24

11

,9

1

0,9

06

3

9,0

79

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

2,0

2,0

1,0

A

B

C

D

E

[m]

4,

248

5,9

55

1,333

1,333

0,6667

0,6667

0,6667

0,6667

0,3333

0,3333

0,6667

0,3333

W

*

∙10

-3

 [-]

Rys. Z12/6.10. Wypadkowe z części obciążenia ciągłego.

Dr inż. Janusz Dębiński

background image

WM

Z12/6. PRZEMIESZCZENIA W BELKACH – ZADANIE 6

10

Z12/6.6. Wyznaczenie reakcji wtórnych

Rysunek   Z12/6.11   przedstawia   przyjęte   zwroty   reakcji   wtórnych   w   belce   fikcyjnej.   Pominiemy 

wszystkie reakcje poziome, ponieważ na belce fikcyjnej nie działa żadna siła pozioma.

3,

86

6

2,124

11,91

0,

90

63

9,

07

9

1,0

1,0

1,0

1,0

A

B

C

D

4,248

1,333

1,333

0,6667

0,6667

0,6667

0,3333

0,6667

0,3333

1,0

2,0

2,0

1,0

D

E

[m]

5,

95

5

0,6667

0,3333

M

E

*

V

E

*

V

D

*

V

D

*

V

C

*

W

*

∙10

-3

 [-]

Rys. Z12/6.11. Przyjęte zwroty reakcji wtórnych

Wtórną reakcję V

C

*

  wyznaczymy z równania sumy momentów wszystkich sił  wtórnych działających na 

belkę AD względem punktu D

M

D

AD *

=

V

C

*

2,03,866⋅10

3

4,6672,124⋅10

3

4,3334,248⋅10

3

3,333

11,91⋅10

3

0,6667−0,9063⋅10

3

3,0−9,079⋅10

3

1,0=0

V

C

*

=−

18,77⋅10

3

.

(Z12/6.34)

Reakcja   ma  więc   zwrot   przeciwny  do   założonego.  Wtórną   reakcję  V

D

*

  wyznaczymy  z  równania   sumy 

momentów wszystkich sił wtórnych działających na belkę AD względem punktu C

M

C

AD *

=−

V

D

*

2,03,866⋅10

3

2,6672,124⋅10

3

2,3334,248⋅10

3

1,333

11,91⋅10

3

1,333−0,9063⋅10

3

1,09,079⋅10

3

1,0=0

V

D

*

=

6,613⋅10

3

.

(Z12/6.35)

Wtórna reakcja ma więc zwrot zgodny z założonym. W celu sprawdzenia obliczeń zastosujemy równanie 
sumy rzutów wszystkich sił wtórnych na belkę AD na oś pionową Y

Y

AD *

=

V

C

*

V

D

*

3,866⋅10

3

2,124⋅10

3

4,248⋅10

3

11,91⋅10

3

0,9063⋅10

3

9,079⋅10

3

=

18,776,6133,866⋅10

3

2,124⋅10

3

4,248⋅10

3

11,91⋅10

3

0,9063⋅10

3

9,079⋅10

3

=

0,0057⋅10

3

0

.

(Z12/6.36)

Dr inż. Janusz Dębiński

background image

WM

Z12/6. PRZEMIESZCZENIA W BELKACH – ZADANIE 6

11

Wszystkie siły wtórne działające na belkę AD znajdują się w równowadze. Wtórną reakcję M

E

*

 wyznaczymy 

z równania sumy momentów wszystkich sił wtórnych działających na belkę DE względem punktu E

M

E

DE*

=−

M

E

*

V

D

*

1,05,955⋅10

3

0,6667=0

M

E

*

6,613⋅10

3

1,05,955⋅10

3

0,6667=0

M

E

*

=−

2,643⋅10

3

m

.

(Z12/6.37)

Reakcja   ma  więc   zwrot   przeciwny  do   założonego.  Wtórną   reakcję  V

E

*

  wyznaczymy  z   równania   sumy 

momentów wszystkich sił wtórnych działających na belkę DE względem punktu D

M

D

DE  *

=−

M

E

*

V

E

*

1,0−5,955⋅10

3

0,3333=0

2,643⋅10

3

V

E

*

1,0−5,955⋅10

3

0,3333=0

V

E

*

=

0,6582⋅10

3

.

(Z12/6.38)

Wtórna reakcja ma więc zwrot zgodny z założonym. W celu sprawdzenia obliczeń zastosujemy równanie 
sumy rzutów wszystkich sił wtórnych na belkę DE na oś pionową Y

Y

DE *

=−

V

D

*

V

E

*

5,955⋅10

3

=

6,613⋅10

3

0,6582⋅10

3

5,955⋅10

3

=

0,0002⋅10

3

0

.

(Z12/6.39)

Wszystkie siły wtórne działające na belkę DE znajdują się w równowadze. Rysunek Z12/6.12 przedstawia 
wszystkie belki tworzące belkę fikcyjną wraz z działającymi na nie wtórnymi wypadkowymi z obciążenia 
ciągłego oraz wtórnymi reakcjami.

3,

866

2,

12

4

11

,9

1

0,9

06

3

9,0

79

1,0

1,0

1,0

1,0

A

B

C

D

4,2

48

1,333

1,333

0,6667

0,6667

0,6667

0,3333

0,6667

0,3333

1,0

2,0

2,0

1,0

D

E

[m]

5,9

55

0,6667

0,3333

18,77

6,613

6,613

0,6582

2,643

W

*

∙10

-3

 [-]

R

*

∙10

-3

 [-]

M

*

∙10

-3

 [m]

Rys. Z12/6.12. Prawidłowe zwroty i wartości wtórnych reakcji w belce fikcyjnej

Dr inż. Janusz Dębiński

background image

WM

Z12/6. PRZEMIESZCZENIA W BELKACH – ZADANIE 6

12

Z12/6.7. Wyznaczenie kątów obrotu i ugięć

Rysunek Z12/6.13 przedstawia równowagę sił wtórnych w punkcie B. Wtórna siła poprzeczna T

B

czyli kąt obrotu w punkcie B wynosi

B

=

T

B

*

=

2,124⋅10

3

3,866⋅10

3

=

5,99⋅10

3

rad

.

(Z12/6.40)

Wtórny moment zginający M

B

*

 czyli ugięcie w punkcie B wynosi

w

B

=

M

B

*

=

2,124⋅10

3

0,33333,866⋅10

3

0,6667=3,285⋅10

3

m

.

(Z12/6.41)

3,8

66

2,

124

A

0,6667

0,6667

1,0

T

B

*

M

B

*

[m]

0,3333

0,3333

W

*

∙10

-3

 [-]

Rys. Z12/6.13. Równowaga sił wtórnych w punkcie B

3,866

2,124

0,9063

1,0

1,0

A

B

4,248

1,333

0,6667

0,6667

0,3333

0,6667

0,3333

1,0

2,0

2,0

[m]

11,91

9,079

1,0

1,0

D

1,333

0,6667

6,613

T

C

(L)*

M

C

(L)*

M

C

(P)*

T

C

(P)*

W

*

∙10

-3

 [-]

R

*

∙10

-3

 [-]

Rys. Z12/6.14. Równowaga sił wtórnych w punkcie C

Dr inż. Janusz Dębiński

background image

WM

Z12/6. PRZEMIESZCZENIA W BELKACH – ZADANIE 6

13

C

18,77

9,332

9,444

T

*

∙10

-3

 [-]

R

*

∙10

-3

 [-]

Rys. Z12/6.15. Równowaga w otoczeniu podpory C

Rysunek Z12/6.14 przedstawia równowagę sił wtórnych w punkcie C. Wtórna siła poprzeczna z lewej 

strony T

B

(L)*

 czyli kąt obrotu w punkcie C z lewej strony wynosi

C

L

=

T

C

L*

=

2,124⋅10

3

4,248⋅10

3

3,866⋅10

3

0,9063⋅10

3

=

9,332⋅10

3

rad

.

(Z12/6.42)

Wtórna siła poprzeczna z prawej strony T

B

(P)*

 czyli kąt obrotu w punkcie C z prawej strony wynosi

C

=

T

C

P*

=−

11,91⋅10

3

9,079⋅10

3

6,613⋅10

3

=−

9,444⋅10

3

rad

.

(Z12/6.43)

Rysunek   Z12/6.15   przedstawia   równowagę   sił   wtórnych   w   otoczeniu   podpory  C.   Jak   łatwo   sprawdzić 
równowaga wszystkich sił wtórnych jest zachowana. Wtórny moment zginający z lewej strony M

C

(L)*

 wynosi

M

C

L*

=

2,124⋅10

3

2,3334,248⋅10

3

1,333

3,866⋅10

3

2,667−0,9063⋅10

3

1,0=20,02⋅10

3

m

.

(Z12/6.44)

Wtórny moment zginający z prawej strony M

C

(P)*

 wynosi

M

C

*

=

11,91⋅10

3

1,333−9,079⋅10

3

1,0

6,613⋅10

3

2,0=20,02⋅10

3

m

.

(Z12/6.45)

Możemy więc zapisać, że ugięcie w punkcie C wynosi

w

C

=

20,02⋅10

3

m

.

(Z12/6.46)

D

D

6,613

6,613

T

D

(L)*

T

D

(P)*

R

*

∙10

-3

 [-]

Rys. Z12/6.16. Równowaga w otoczeniu przegubu D

Dr inż. Janusz Dębiński

background image

WM

Z12/6. PRZEMIESZCZENIA W BELKACH – ZADANIE 6

14

Rysunek Z12/6.16 przedstawia równowagę w otoczeniu przegubu D. Wtórna siła poprzeczna w prze-

gubie T

D

*

 czyli kąt obrotu w punkcie D wynosi

D

=

T

D

*

=

T

D

L*

=

T

D

*

=−

6,613⋅10

3

rad

.

(Z12/6.47)

E

0,6582

2,643

M

E

*

T

E

*

R

*

∙10

-3

 [-]

M

*

∙10

-3

 [m]

Rys. Z12/6.17. Równowaga w otoczeniu utwierdzenia E.

Rysunek Z12/6.17 przedstawia równowagę w otoczeniu utwierdzenia E. Wtórna siła poprzeczna T

E

czyli kąt obrotu w punkcie E wynosi

E

=

T

E

*

=−

0,6582⋅10

3

rad

.

(Z12/6.48)

Wtórny moment zginający M

E

*

 czyli ugięcie w punkcie E wynosi

w

E

=

M

E

*

=−

2,643⋅10

3

m

.

(Z12/6.49)

Dr inż. Janusz Dębiński


Document Outline