WYZNACZANIE PRZEMIESZCZEŃ – rama 1 – obciążenie siłami – 10.02.09

OBLICZENIE PRZEMIESZCZEŃ W RAMIE PŁASKIEJ

M=15,00 kNm

1

DANE WYJŚCIOWE DO OBLICZEŃ

P=20,00kN

2

1

D

x

Dana jest rama jak na rysunku.

/m

C

B

Zaprojektować wstępnie przekroje prętów i

Nk

10 EI

0

k

CB

=

2

m

obliczyć zaznaczone przemieszczenia.

,0

0

5

m

3

,0

100 EI

Sprawdzić jakim błędem obarcza obliczenia

=q

α sinα=0.6

3

k

CB

=

cosα =0.8

1

3

pominięcie odkształceń podłużnych i

(6 m)

postaciowych.

A

4,00m

2,00m

4,00m

W obliczeniach potraktować dane

y

wartości obciążenia siłami jako

charakterystyczne, przyjąć średni

współczynnik obciążenia γ

=

f =

2

.

1 , wytrzymałość obliczeniową stali f

MPa

d

215

, współczynnik

sprężystości podłużnej E = 20 G

5 Pa i współczynnik sprężystości postaciowej G = 8 G

0 Pa .

2

SZUKANE

Szukane są przemieszczenia:

1

F



M ⋅ M

S 1 S

2

F



M ⋅ M

S 2 S

s ⋅

F 

s ⋅

F 

∆

dx

,

∆

dx

.

2 F = ∫

+∑

s

1 F = ∫

+∑

s









EI

k

EI

k

s 

s



s



s



s

s

Dla określenia błędów wynikających z pominięcia członów uwzględniających odkształcenia podłużne i postaciowe należy obliczyć pominięte człony:

1

F

1

F

κ

2

F

2

F

κ

∆

N ⋅ N

⋅ V V

( N , V )

, ∆

( N , V )

.

2 F

= ∫

dx + ∫

⋅

dx

1 F

∫ N ⋅

=

N

dx + ∫ ⋅ V ⋅ V dx

EA

GA

EA

GA

Jak widać z powyższych wzorów, aby obliczyć szukane przemieszczenia i określić błędy popełnione przy ich wyznaczeniu należy rozwiązać ramę od obciążenia danego F (

F

M , F

S ,

F

N ,

F

V ),

od obciążenia P = 1 przyłożonego w miejscu i kierunku 1 (

1

M , 1

S ,

1

N , 1

V )

1

oraz od obciążenia P = 1 przyłożonego w miejscu i kierunku 2 (

2

M , 2

S ,

2

N , 2

V ).

2

3

ROZWIĄZANIE RAMY OD DANEGO OBCIĄŻENIA F = (M, P, Q) M=15,00 kNm

P=20,00kN

Uwaga: Liniami przerywanymi wzdłuż

C

D

B

x

osi prętów wyróżniono włókna do

/mN

k

k

znakowania momentów zginających.

k0

2

1

,0

E

m0

5

,0

=

3

q

α sinα=0.6

cosα =0.8

V

B

HA

A

4,00m

2,00m

4,00m

V

A y

Wyznaczenie reakcji podpór.

∑ M

⇒

A = − VB ⋅10 m + P ⋅ 6 m + M + q ⋅ 3 m ⋅ 3 m / 2 = 0

− V

⇒

V = 15 7

.

k

5 N ,

B ⋅10 m + 20 kN ⋅ 6 m + 15 kNm + 5 kN / m ⋅ 3 m ⋅ 3 m / 2 = 0

B

∑ Y = − V

⇒ − V

⇒

V =

2

.

4

k

5 N ,

A − 15 7

. 5 kN + 20 kN = 0

A − VB + P = 0

A

∑ X = H

⇒

H

⇒

H

= 1

− 5 0

. 0 kN .

A + 5 kN / m ⋅ 3 m = 0

A + q ⋅ 3 m = 0

A

Kontrola

∑ M

B = − H A ⋅ 3 m + V A ⋅10 m − P ⋅ 4 m + M − q ⋅ 3 m ⋅ 3 m / 2 =

= 1

( 5 ⋅ 3 + 4.25 ⋅10 − 20 ⋅ 4 + 15 − 5 ⋅ 3 ⋅ 3 / 2) kNm = 0

Obliczenie wartości rzędnych charakterystycznych sił przekrojowych.

M

,

A = 0

http://www.iil.pwr.wroc.pl/zukowski

1

WYZNACZANIE PRZEMIESZCZEŃ – rama 1 – obciążenie siłami – 10.02.09

M

= V ⋅ 2 m − H ⋅1.5 m − q ⋅1.5 m ⋅1.5 m / 2 =

E

A

A

= 4.25 kN ⋅ 2 m +15 kN ⋅1.5 m − 5 kN / m ⋅1.5 m ⋅1.5 m / 2 = 25.375 kN , m

M

= V ⋅ 4 m − H ⋅ m

3

− q ⋅ m

3 ⋅ m

3 / 2 = 4.25 ⋅ 4 m + 15 kN ⋅ m

3

− 5 kN / m ⋅ m

3 ⋅ m

3 / 2 = 39.50 kNm ,

C, AC

A

A

M

= M

+ M = 39.5 kNm +15 kNm = 54.50 kNm , C, CD

C, AC

M

= V ⋅ 4 m = 15 7

.

k

5 N ⋅ 4 m = 63 0

. 0 kNm ,

M

,

B = 0

D

B

V

= V ⋅ cosα − H ⋅sinα = 4.25⋅0.8 +15⋅0.6

= 12.40

,

A, AC

A

A

(

) kN

kN

N

= V

− ⋅sinα − H ⋅ cosα = − 4.25⋅ 0.6 +15⋅ 0.8

= 9.45

,

A, AC

A

A

(

) kN

kN

V

= V ⋅ cosα − H ⋅sinα − q ⋅ m 3 ⋅ sinα = 4.25 ⋅ 0.8 + 15 ⋅ 0.6 − 5 ⋅ 3 ⋅ 0.6

= 3.40

,

C, AC

A

A

(

) kN

kN

N

= V

− ⋅ sinα − H ⋅ cosα − q ⋅ m

3 ⋅ cosα = − 4.25 ⋅ 0.6 + 15 ⋅ 0.8 − 5 ⋅ 3 ⋅ 0.8

= −2.55

,

C , AC

A

A

(

) kN

kN

V

= P − V = 20 kN −15.75 kN = 4.25 kN , V

= V

−

= −15 7

.

k

5 N ,

N

.

CB = 0

CD

B

DB

B

Rzędne środkowe momentów zginających dla przedziału CD i DB obliczono jako średnie arytmetyczne z wartości brzegowych.

M

=

+

/ 2 = 54.5 + 63 / 2 ⋅

= 58.75

,

S , CD

( M

M

C , CD

D )

(

) kNm

kNm

M

=

+

/ 2 = 63 + 0 / 2 ⋅

= 31.50

S , DB

( M M

D

B )

(

) kNm

kNm

Siła podłużna w więzi sprężystej nr 1:

S F = V

−

= 1

− 5.75 kN

1

B

Moment zginający w więzi sprężystej nr 2:

S F = M

= 39 5

. 0 kNm

2

C , AC

Wykresy sił przekrojowych

3,4

5k

2

N

-

Uwaga: Wszystkim wielko

,

ściom z tego

9

5

,

5

4

k

5

N

rozwiązania przypisujemy indeks górny F,

kN

+

NF

gdyż zostały wywołane obciążeniem

oznaczonym symbolem F)

39,5

N

0

3

N

k

,

k

k

N

4

5

5

2

m

0

5

k

,2

,2

,

N

3

7

4

4

7

,

5

90

+

k

+

N

kN

m

+

m

-

m

m

m

N

1

N

k

2

k

N

N

0

,4

N

N

0

k

k

5

0

,5

0k

k

+

k

,5

1

N

5

5

4

,7

,0

MF

3

,7

,7

5

8

3

5

6

51

VF

51

4

ROZWIĄZANIE RAMY OD OBCIĄŻENIA P1 = 1

P =1

W celu wyznaczenia przesunięcia

1

B

C

D

x

(w temacie kierunek nr 1 zaznaczony linią

k

przerywan

k

ą) niezbędne jest rozwiązanie

2

1

E

m0

ramy od obciążenia siłą jednostkową

,03

przyłożoną w miejscu i kierunku szukanego

α sinα=0.6

cosα =0.8

V

przemieszczenia.

B

HA

A

4,00m

2,00m

4,00m

VA

Wyznaczenie reakcji podpór.

y

∑ M

⇒ V

,

B =

4

.

0 0

A = − VB ⋅10 m + 1⋅ 4 m = 0

∑ Y = − V

⇒ V

,

A =

6

.

0 0

A − VB + P = 0

1

∑ X = H = 0

⇒ H

.

A = 0

A

Kontrola

∑ M

.

B = − H A ⋅ 3 m + V A ⋅10 m − P ⋅ 6 m =(−0 ⋅ 3 +

6

.

0 ⋅10 −1⋅ )

6 m = 0

1

http://www.iil.pwr.wroc.pl/zukowski

2

WYZNACZANIE PRZEMIESZCZEŃ – rama 1 – obciążenie siłami – 10.02.09

Obliczenie wartości rzędnych charakterystycznych sił przekrojowych.

M

,

M

= V ⋅ 4 m − H ⋅ m

3

= 2.40 m ,

A = 0

C

A

A

M

= V ⋅ 4 m = 6

.

1 0 m ,

M

,

B = 0

D

B

V

V

H

,

N

V

H

,

AC = −

A ⋅ sin α −

A ⋅ cosα = −0.36

AC =

A ⋅ cosα −

A ⋅ sin α = 0.48

V

V

,

N

.

CB = 0

CB = − B =

0

− .40

M

= M

=

+

/ 2 = 0 + 2.4 / 2 ⋅

= 1.20 ,

E

S , AC

( M M

A

C )

(

) m

m

M

=

+

/ 2 = 2.4 + 1.6 / 2 ⋅

= 2.00 ,

S , CD

( M

M

C

D )

(

) m

m

M

=

+

/ 2 = 1.6 + 0 / 2 ⋅

= 0.80

S , DB

( M

M

D

B )

(

) m

m

Siła podłużna w więzi sprężystej nr 1:

1

S = − V

B =

0

− .40

1

Moment zginający w więzi sprężystej nr 2:

S 1 = M = 2.40 m

2

C

Wykresy sił przekrojowych.

0,3

Uwaga: Wszystkim wielkościom z tego rozwiązania 6

przypisujemy indeks górny 1, gdyż zostały wywołane N1

-

obciążeniem oznaczonym numerem 1

0,48

0,

2

3

,

6

40m

-

1,

+

2

0

0

0

0

m

0

+

m

m

0

,

,4

4

,4

,4

+

m

0

8

0

0

V1

0

m

0

,8

0

,6

0

,0

,4

1

2

2

M1

5

ROZWIĄZANIE RAMY OD

OBCIĄŻENIA P

P =M=1

2 = 1

2

C

D

B

x

W celu wyznaczenia kąta obrotu (w

k

k

2

1

temacie kierunek nr 2 zaznaczony łukiem z

E

m0

linii przerywanej) niezb

,0

ędne jest

α sinα=0.6

3

rozwiązanie ramy od obciążenia

cosα =0.8

VB

H

jednostkowym momentem przyło

A

A

żonym w

4,00m

2,00m

4,00m

miejscu szukanego kąta obrotu

VA

y

Wyznaczenie reakcji podpór.

∑ M

⇒ V = 1

.

0 0 / m ,

A = − VB ⋅10 m + 1 = 0

B

∑ Y = − V

V

⇒ V =

1

.

0

− 0 / m ,

A −

= 0

B

A

∑ X = H = 0

⇒ H

.

A = 0

A

Kontrola

∑ M

B = − H A ⋅ 3 m + VA ⋅10 m + P = − 0 ⋅ 3 −

1

.

0 ⋅10 +1 = 0

2

Obliczenie wartości rzędnych charakterystycznych sił przekrojowych.

M

,

M

,

C = V A ⋅ 4 m − H A ⋅ 3 m = −0.40

A = 0

M

,

M

,

B = 0

D = VB ⋅ 4 m − 1 = −

6

.

0 0

V

= V ⋅ cosα − H ⋅sinα = −0.08/ m , N

= V

− ⋅sinα − H ⋅cosα = 0.06/ m ,

AC

A

A

AC

A

A

V

= V

−

= −0.10 / m

N

.

CB =

CB

B

,

0

M

M

M

M

,

E =

S AC =

A +

C

= −

= −

,

(

)/ 2 (0 0.4)/ 2 0.20

http://www.iil.pwr.wroc.pl/zukowski

3

WYZNACZANIE PRZEMIESZCZEŃ – rama 1 – obciążenie siłami – 10.02.09

M

M

M

,

S CD =

C +

D

= −

−

= −

,

(

)/ 2 ( 0.4 0.6)/ 2 0.50

M

M

M

S DB =

D +

B

= −

−

= −

,

(

)/ 2 ( 0.6 )1/ 2 0.80

Siła podłużna w więzi sprężystej nr 1:

S 2 = V

−

= −0.10 / m

1

B

Moment zginający w więzi sprężystej nr 2:

0,06

2

S = M

/m

C =

0

− .40

2

Wykresy sił przekrojowych

0,0

+

6

Uwaga: Wszystkim wielkościom z tego

/m

N2

rozwiązania przypisujemy indeks górny 2, gdyż

zostały wywołane obciążeniem oznaczonym

numerem 2

0

0

,

0

0

0

0

,0

8

0

,8

/

,6

1

m

0

,5

0

,

,4

0

4

0

0

0

-

-

-

0,2

-

0

/m

/m

/m

0

0

0

,1

,1

,1

M2

0

0

V2

0

6

PROJEKTOWANIE WSTĘPNE PRZEKROJÓW PRĘTÓW

Pręt AC

Potrzebny wskaźnik wytrzymałości na zginanie

max M ⋅γ f

39 5

. kNm ⋅ 2

.

1

3

3

W ≥

=

= 0

.

0 002205 m = 202 5

. cm

2

fd

215000 kN / m

Przyjęto I 220 ⇒

3

W = 278.18 cm ,

4

I = 3060 cm ,

2

A = 39.6 cm

2

4

2

EI

= 205000000 kN / m ⋅ 0.00003060 m = 6273 kNm AC

EA

= 205000000 kN / m 2 ⋅ 0.00396 m 2 = 811800 kN

AC

GA

= 80000000 kN / m 2 ⋅ 0.00396 m 2 = 316800 kN

AC

Pole powierzchni środnika

2

Aw

= ( h − 2 ⋅ t ) ⋅ t = (22 cm − 2 ⋅ 2

.

1 2 cm) ⋅ 8

.

0 1 cm = 15 8

. 4 cm

AC

f

w

κ

AC = 39.6

2

cm /15.84

2

cm = 2.50

max M ⋅ γ f

63 kNm ⋅ 2

.

1

Pr

3

ęt CB

3

W ≥

=

= 0

.

0 003516 m = 351 6

. cm

2

f d

215000 kN / m

Przyjęto I 240 ⇒

3

W = 354 cm ,

4

I = 4250 cm ,

2

A = 46.1 cm

2

4

2

EI

= 205000000 kN / m ⋅ 0.00004250 m = 8712.5 kNm CB

EA

= 205000000 kN / m 2 ⋅ 0.0046 m 1 2 = 945050 kN

CB

GA

= 80000000 kN / m 2 ⋅ 0.0046 m

1 2 = 368800 kN

AC

2

Aw

= ( h − 2 ⋅ t ) ⋅ t = (24 cm − 2 ⋅ 3

.

1 1 cm) ⋅ 8

.

0 7 cm = 18 6

. 0 cm

CB

f

w

κ

CB = 46.1

2

cm /18.60

2

cm = 2.48

Sztywności więzi sprężystych

100 ⋅ EI

2

8712.5 kNm

kN

Sztywność więzi sprężystej translacyjnej wynosi k

=

CB =100 ⋅

= 4034

1 =

3

(6 m)

3

(6 m)

m

http://www.iil.pwr.wroc.pl/zukowski

4

WYZNACZANIE PRZEMIESZCZEŃ – rama 1 – obciążenie siłami – 10.02.09

10 ⋅ EI

8712.5 kNm 2

Sztywność więzi sprężystej rotacyjnej wynosi

k

CB =10 ⋅

= 29042 kNm .

2 =

m

3

m

3

7

OBLICZENIE SZUKANYCH PRZEMIESZCZEŃ

Przemieszczenia obliczono na podstawie wzorów zestawionych w punkcie 2

Do obliczenia całek zastosowano wzór Simpsona. W tym celu (ze względu na charakter wykresów momentów zginających) przedstawiono je w postaci sum 3 całek odpowiadających poszczególnym przedziałom, w których funkcje podcałkowe spełniają założenia umożliwiające zastosowanie wzoru Simpsona.

Szukane przesuniecie:

M 1 ⋅

F

∆

1

1

1

1

1

1

1 F = ∫

M dx =

∫ M ⋅ M F ⋅ dx +

∫ M ⋅ M F ⋅ dx +

∫ M ⋅ M F ⋅ dx +

EI

EI

EI

EI

AC AC

CD CD

DB DB

1

S

S F

S

S F

1 ⋅

1

1

2 ⋅

+

+

2

=

k

k

1

2

=

5 m

⋅

2

[0⋅0 + 4⋅25.375 kNm⋅1.2 m + 39.5 kNm⋅2.4 m]+

6 ⋅ 627 k

3 Nm

2

+

⋅[54.5⋅ 2.4 + 4 ⋅58.75⋅ 2 + 63⋅1.6]⋅ m +

6 ⋅ 8712.5

4

+

⋅[

−

⋅ −

⋅

63 ⋅1.6 + 4 ⋅ 31.5 ⋅ 0.8 + 0 ⋅ 0]

0.4 ( 15.75 kN )

2.4 m 39.5 kNm

⋅ m +

+

= 0.0758 m = 7.5 c

8 m

6 ⋅ 8712.5

4034 kN / m

29042 kNm

Szukany kąt obrotu:

M 2 ⋅ M F

∆

1

1

1

2

= ∫

dx =

∫ M 2 ⋅ M F ⋅ dx +

∫ M 2 ⋅ M F ⋅ dx +

∫ M 2 ⋅ M F ⋅ dx

F

EI

EI

EI

EI

AC AC

CD CD

DB DB

2

S

S F

S

S F

1 ⋅

2

1

2 ⋅

+

+

2

=

k

k

1

2

=

5 m

⋅

kNm

kNm

2

[0⋅0 + 4⋅25.375

⋅ (−0.2) + 39.5

⋅ (−0.4)]+

6 ⋅ 6273 kNm

+

2

⋅[54.5⋅(−0.4) + 4⋅58.75⋅(−0. )

5 + 63 ⋅ (−0.6)]+

6 ⋅ 8712.5

+

4

⋅[63⋅(−0.6) + 4⋅31.5⋅(−0. )

8 + 0 ⋅ (− )

1 ] − 0.1/ m ⋅ (−15.75 kN )

− 0.4 ⋅

+

+

39.5 kNm =

6 ⋅ 8712.5

4034 kN / m

29042 kNm

o

180

o

= −0.02233 = −0.0223 r

3 ad = 0

− .02233⋅

= 1

− .28

π

Określenie błędów, jakie popełniono obliczając przemieszczenia z pominięciem odkształceń N i N F

κ ⋅ V i V F

podłużnych ∫

⋅

dx i postaciowych ∫

⋅

dx .

EA

GA

W celu określenia błędów obliczmy pominięte człony: N 1 ⋅

F

∆

1

1

( N

1

1

)

1 F

= ∫

N dx =

∫ N ⋅ N F ⋅ dx +

∫ N ⋅ N F ⋅ dx =

EA

EA

EA

AC AC

CB CB

=

5 m

⋅ 9

[ .45 kN ⋅ (−0.36) + 4 ⋅ 3.45 kN ⋅ (−0.36) − 2.55 kN ⋅ (−0.36)] + 0 =

6 ⋅ 811800 kN

= −0.0000076 m = 0

− .00076 cm

http://www.iil.pwr.wroc.pl/zukowski

5

WYZNACZANIE PRZEMIESZCZEŃ – rama 1 – obciążenie siłami – 10.02.09

κ ⋅ V 1 ⋅ F

κ

κ

κ

∆ V

1

1

1

( )

1 F

= ∫

V dx = AC ∫ V ⋅ V F ⋅ dx + CD ∫ V ⋅ V F ⋅ dx + DB ∫ V ⋅ V F ⋅ dx =

GA

GA

GA

GA

AC AC

CD CD

DB DB

5 m ⋅

=

2.50

⋅ 1

[ 2.4 kN ⋅ 0.48 + 4 ⋅ 7.9 kN ⋅ 0.48 + 3.4 kN ⋅ 0.4 ]

8 +

6 ⋅ 316800 kN

2.48

=

⋅[4.25 kN ⋅ 2 m ⋅ ( 0

− .4) −15.75 kN ⋅ 4 m ⋅ (−0.4)] = 0.000296 m = 0.0296 cm 316800 kN

∆ V

( , N ) =

0

.

0 296 − 0

.

0 007 c

6 m =

0

.

0 278 c

4 m

1 F

N 2 ⋅

F

∆

1

1

( N

2

2

)

2 F

= ∫

N dx =

∫ N ⋅ N F ⋅ dx +

∫ N ⋅ N F ⋅ dx =

EA

EA

EA

AC AC

CB CB

5

=

m

⋅ 9

[ .45 kN ⋅ 0.06 / m + 4 ⋅ 3.45 kN ⋅ 0.06 / m − 2.55 kN ⋅ 0.06 / m] + 0 = 0.000001 ≈ 0

6 ⋅ 811800 kN

κ ⋅ V 2 ⋅ F

κ

κ

κ

∆ V

2

2

2

( )

2 F

= ∫

V dx = AC ∫ V ⋅ V F ⋅ dx + CD ∫ V ⋅ V F ⋅ dx + DB ∫ V ⋅ V F ⋅ dx =

GA

GA

GA

GA

AC AC

CD CD

DB DB

5 m ⋅

=

2.50

⋅ 1

[ 2.4 kN ⋅ (−0.08 / m) + 4 ⋅ 7.9 kN ⋅ (−0.08 / m) + 3.4 kN ⋅ (−0.08 / m)] +

6 ⋅ 316800 kN

o

2.48

0.000238 ⋅180

o

+

⋅[4.25 kN ⋅ 2 m ⋅ ( 0

− .1/ m) −15.75 kN ⋅ 4 m ⋅ (−0.1/ m)] = 0.000238 =

= 0.0136

316800 kN

π

o

∆ V

( , N ) = 0.0136

2 F

Zestawienie wyników obliczeń:

Przesuniecie:

-wartość przybliżona (bez wpływu odkształcalności poprzecznej i podłużnej)

∆ = 5

.

7

c

8 m

1 F

-wpływ odkształcalności podłużnej

∆ ( N) = 0

.

0 007 c

6 m

1 F

-wpływ odkształcalności postaciowej

∆ V

( ) =

0

.

0 23 c

8 m

1 F

-razem wpływ odkształcalności postaciowej i podłużnej

∆ V

( , N ) =

0

.

0 278 c

4 m

1 F

-wartość dokładna

∆ + ∆ V

( , N ) =

5

.

7

c

8 m + 0

.

0 278 c

4 m =

6

.

7 0 c

8 m

1 F

1 F

0.02784

-błąd

⋅100% = 0.3 %

7

.

7.608

Widać, że błąd jest znikomy i wpływ odkształcalności podłużnej i postaciowej może być pominięty.

Kąt obrotu:

-wartość przybliżona (bez wpływu odkształcalności poprzecznej i podłużnej) o

∆ = −1.28

2 F

-wpływ odkształcalności podłużnej

∆ ( N)

F

= 0

2

-wpływ odkształcalności postaciowej

o

∆ V

( ) = 0.0136

2 F

-razem wpływ odkształcalności postaciowej i podłużnej o

∆ V

( , N ) = 0.0136

2 F

-wartość dokładna

o

∆ + ∆ V

( , N ) = −1.28 + 0.0136 = 1.2936

2 F

2 F

0.0136

-błąd

⋅100% = 1.06%

1.2936

Widać, że błąd jest nieco większy ale też pomijalny.

http://www.iil.pwr.wroc.pl/zukowski

6