WM

Z5/23. SIŁY PRZEKROJOWE W BELKACH I RAMACH PŁASKICH -

1

ZADANIE 23

Z5/23. SIŁY PRZEKROJOWE W BELKACH I RAMACH PŁASKICH –

ZADANIE 23

Z5/23.1. Zadanie 23

Narysować metodą ogólną wykresy sił przekrojowych dla belki prostej przedstawionej na rysunku Z5/23.1. Wymiary belki podane są w metrach.

24,0 kN

16,0 kN/m

A

C

D

B

3,0

2,0

2,0

[m]

Rys. Z5/23.1. Belka prosta

Z5/23.2. Analiza kinematyczna belki

Rysunek Z5/23.2 przedstawia belkę prostą traktowaną w analizie kinematycznej jako płaską tarczę sztywną.

A

C

D

1

2

I

3

Rys. Z5/23.2. Belka prosta jako płaska tarcza sztywna Jak widać na rysunku Z5/23.2 tarcza sztywna posiada trzy stopnie swobody. Tarcza ta jest podparta trzema prętami podporowymi 1, 2 i 3. Wszystkie te więzy odbierają razem trzy stopnie swobody. Został

więc spełniony warunek konieczny geometrycznej niezmienności (2.4). Belka może więc być układem geometrycznie niezmiennym i statycznie wyznaczalnym.

Tarcza numer I jest podparta trzema prętami podporowymi numer 1, 2 i 3, których kierunki nie przecinają się w jednym punkcie. Został więc spełniony także i warunek dostateczny geometrycznej niezmienności dla tej tarczy sztywnej. Jest więc ona geometrycznie niezmienna i statycznie wyznaczalana.

Z5/23.3. Wyznaczenie reakcji podporowych

Aby wyznaczyć wartości i zwroty reakcji podporowych musimy najpierw przyjąć ich dodatnie zwroty.

Rysunek Z5/23.3 przedstawia założone zwroty reakcji we wszystkich podporach belki.

Poziomą reakcję na podporze A wyznaczymy z równania sumy rzutów wszystkich sił działających na belkę na oś poziomą X.

 X = H =0

A

.

(Z5/23.1)

H =0,0 kN

A

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z5/23. SIŁY PRZEKROJOWE W BELKACH I RAMACH PŁASKICH -

2

ZADANIE 23

16,0 kN/m

24,0 kN

H

A

A

C

D

B

Y

V

V

A

C

[m]

X

3,0

2,0

2,0

Rys. Z5/23.3. Założone zwroty reakcji podporowych

Pionową reakcję na podporze A otrzymamy z równania sumy momentów wszystkich sił działających na belkę względem punktu C.

1

1

 M = V ⋅5,0− ⋅16,0⋅3,0⋅2,0 ⋅3,024,0⋅2,0=0

C

A

2

3

.

(Z5/23.2)

V =4,8 kN

A

Reakcja ma więc zwrot zgodny z założonym.

Pionową reakcję na podporze C otrzymamy z równania sumy momentów wszystkich sił działających na belkę względem punktu A.

1

2

 M =− V ⋅5,0 ⋅16,0⋅3,0⋅ ⋅3,024,0⋅7,0=0

A

C

2

3

.

(Z5/23.3)

V =43,2 kN

C

Reakcja ma więc zwrot zgodny z założonym.

W celu sprawdzenia obliczeń reakcji pionowych zastosujemy równanie sumy rzutów wszystkich sił

działających na belkę na oś pionową Y.

1

 Y = V  V − ⋅16,0⋅3,0−24,0=4,843,2−24,0−24,0=0 .

(Z5/23.4)

A

C

2

Możemy więc stwierdzić, że pionowe reakcje działające na belkę zostały obliczone poprawnie i znajdują się w równowadze.

Rysunek Z5/23.4 przedstawia prawidłowe wartości i zwroty reakcji we wszystkich podporach danej belki.

Z5/23.4. Funkcje sił przekrojowych w przedziale AB

Rysunek Z5/23.5 przedstawia siły działające na odciętą część belki w przedziale AB. Na rysunku tym są zaznaczone dodatnie siły przekrojowe.

W dalszej części przy wyznaczaniu postaci funkcji siły normalnej lub poprzecznej oraz momentu zginającego będziemy korzystali z następujących zasad:

•

siły, które działają zgodnie z dodatnim zwrotem siły normalnej lub poprzecznej będziemy zapisywać z minusem

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z5/23. SIŁY PRZEKROJOWE W BELKACH I RAMACH PŁASKICH -

3

ZADANIE 23

•

siły, które działają przeciwnie do dodatniego zwrotu siły normalnej lub poprzecznej będziemy zapisywać z plusem

•

siły i momenty skupione, które kręcą zgodnie z dodatnim zwrotem momentu zginającego będziemy zapisywać z minusem

•

siły i momenty skupione, które kręcą przeciwnie do dodatniego zwrotu momentu zginającego będziemy zapisywać z plusem.

24,0 kN

16,0 kN/m

A

C

D

B

4,8 kN

43,2 kN

[m]

3,0

2,0

2,0

Rys. Z5/23.4. Prawidłowe wartości i zwroty reakcji we wszystkich podporach belki prostej q(x)

A

N(x)

X

T(x)

M(x)

4,8 kN

x

Rys. Z5/23.5. Siły działające w przedziale AB

Funkcja obciążenia ciągłego trójkątnego prostopadłego do osi belki będzie miała, zgodnie ze wzorem (5.3), postać

16,0

16

q x=

⋅ x =

⋅ x .

(Z5/23.5)

3,0

3

Jak widać na rysunku Z5/23.5 funkcja siły normalnej jest równa zero. Siłę poprzeczną wyznaczymy z równania sumy rzutów wszystkich sił działających na odciętą część belki na kierunek tej siły. Funkcja ta ma postać

1

1 16

8

T  x=4,8− ⋅ q x⋅ x=4,8− ⋅ ⋅ x⋅ x=4,8− ⋅ x 2 .

(Z5/23.6)

2

2 3

3

Funkcja siły poprzecznej jest funkcją kwadratową i aby ją jednoznacznie narysować musimy wyznaczyć jej wartości w trzech punktach. Wartości tej funkcji na końcach przedziału wynoszą T 0,0=4,8 kN

8

.

(Z5/23.7)

T 3,0=4,8− ⋅3,02=−19,2 kN

3

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z5/23. SIŁY PRZEKROJOWE W BELKACH I RAMACH PŁASKICH -

4

ZADANIE 23

Siła poprzeczna ma na obu końcach przedziału wartości różnych znaków. Będzie ona miała więc w przedziale AB miejsce zerowe, które znajduje się w odległości 8

4,8− ⋅ x 2=0

3 0

(Z5/23.8)

x =1,342 m

0

od początku przedziału czyli od punktu A. Współczynnik przy x2 jest ujemny więc parabola siły poprzecznej będzie miała „brzuszek” do góry. Ekstremum tego wykresu znajduje się w punkcie A, w którym obciążenie trójkątne ma wartość zero.

Moment zginający wyznaczymy z równania sumy momentów wszystkich sił działających na odciętą część belki względem punktu, w którym wyznaczamy moment zginający.

1

1

1 16

1

M  x =4,8⋅ x− ⋅ q x⋅ x⋅ ⋅ x=4,8⋅ x− ⋅ ⋅ x⋅ x⋅ ⋅ x 2

3

2 3

3

.

(Z5/23.9)

8

M  x =− ⋅ x 34,8⋅ x

9

Funkcja momentu zginającego jest wielomianem trzeciego stopnia i aby ją jednoznacznie narysować potrzebujemy jej wartości w czterech punktach. Wartości tej funkcji na końcach przedziału oraz w miejscu ekstremum wynoszą

M 0,0 =0,0 kNm

8

M 1,342=− ⋅1,34234,8⋅1,342=4,293 kNm

9

.

(Z5/23.10)

8

M 3,0 =− ⋅3,034,8⋅3,0=−9,6 kNm

9

Jak wiadomo ujemne momenty zginające rozciągają górną część przekroju pręta i będziemy je odkładać na górze, dodatnie zaś na dole. Czwartym punktem funkcji będzie fakt, że „brzuszek” jej musi być skierowany w stronę obciążenia trójkątnego czyli w dół.

Oś X układu współrzędnych jest skierowana w prawo, zastosujemy więc różniczkowe równania równowagi (5.22) i (5.23). Pierwsze z nich ma postać

dT  x

16

=−

⋅ x=− q  x  .

(Z5/23.11)

dx

3

Drugie ma postać

dM  x

8

=4,8− ⋅ x 2= T  x .

(Z5/23.12)

dx

3

Jak więc widać oba różniczkowe równania równowagi zostały spełnione.

Wykresy funkcji siły poprzecznej i momentu zginającego w przedziale AB przedstawia rysunek Z5/23.8. Są to także i ostateczne wykresy tych sił przekrojowych.

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z5/23. SIŁY PRZEKROJOWE W BELKACH I RAMACH PŁASKICH -

5

ZADANIE 23

Z5/23.5. Funkcje sił przekrojowych w przedziale BC

Rysunek Z5/23.6 przedstawia siły działające na odciętą część belki w przedziale BC. Na rysunku tym są zaznaczone dodatnie siły przekrojowe.

24,0 kN

N(x)

T(x)

C

D

X

M(x)

43,2 kN

[m]

x

2,0

Rys. Z5/23.6. Siły działające w przedziale BC

Funkcja obciążenia ciągłego równomiernie rozłożonego prostopadłego do osi belki będzie zerowa.

Jak widać na rysunku Z5/23.6 funkcja siły normalnej w tym przedziale jest równa także zero. Siła poprzeczna ma postać

T  x=−43,224,0=−19,2 kN .

(Z5/23.13)

Moment zginający w przedziale BC będzie miał postać

M  x=43,2⋅ x−24,0⋅ x2,0=19,2⋅ x−48,0 .

(Z5/23.14)

Funkcja momentu zginającego jest funkcją liniową i aby ją jednoznacznie narysować musimy wyznaczyć jej wartości w dwóch punktach. Wynoszą one

M 0,0 =−48,0 kNm

.

(Z5/23.15)

M  2,0=19,2⋅2,0−48,0=−9,6 kNm

Jak wiadomo ujemne momenty zginające rozciągają górną część przekroju pręta i będziemy je odkładać na górze.

Oś X układu współrzędnych jest skierowana w lewo, zastosujemy więc różniczkowe równania równowagi (5.31) i (5.32). Zastosujemy tylko równanie drugie. Ma ono postać dM  x =19,2=− T  x .

(Z5/23.16)

dx

Jak więc widać różniczkowe równanie równowagi zostało spełnione.

Wykresy funkcji siły poprzecznej i momentu zginającego w przedziale BC przedstawia rysunek Z5/23.8. Są to także i ostateczne wykresy tych sił przekrojowych.

Z5/23.6. Funkcje sił przekrojowych w przedziale CD

Rysunek Z5/23.7 przedstawia siły działające na odciętą część belki w przedziale CD. Na rysunku tym są zaznaczone dodatnie siły przekrojowe.

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z5/23. SIŁY PRZEKROJOWE W BELKACH I RAMACH PŁASKICH -

6

ZADANIE 23

24,0 kN

N(x)

T(x)

D

X

M(x)

x

Rys. Z5/23.7. Siły działające w przedziale CD

24,0 kN

16,0 kN/m

A

C

D

B

4,8 kN

43,2 kN

[m]

3,0

2,0

2,0

24,0

4,8

T(x) [kN]

1,342

1,658

19,2

6

48,0

3

9,

4,29

0,0

M(x) [kNm]

00,

1,342

1,658

Rys. Z5/23.8. Wykresy funkcji siły poprzecznej i momentu zginającego w belce prostej Funkcja obciążenia ciągłego równomiernie rozłożonego prostopadłego do osi belki będzie zerowa.

Jak widać na rysunku Z5/23.7 funkcja siły normalnej w tym przedziale jest równa także zero. Siła poprzeczna ma postać

T  x=24,0 kN .

(Z5/23.17)

Moment zginający w przedziale CD będzie miał postać

M  x=−24,0⋅ x .

(Z5/23.18)

Funkcja momentu zginającego jest funkcją liniową i aby ją jednoznacznie narysować musimy wyznaczyć jej wartości w dwóch punktach. Wynoszą one

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z5/23. SIŁY PRZEKROJOWE W BELKACH I RAMACH PŁASKICH -

7

ZADANIE 23

M 0,0 =0,0 kNm

.

(Z5/23.19)

M  2,0=−24,0⋅2,0=−48,0 kNm

Jak wiadomo ujemne momenty zginające rozciągają górną część przekroju pręta i będziemy je odkładać na górze.

Oś X układu współrzędnych jest skierowana w lewo, zastosujemy więc różniczkowe równania równowagi (5.31) i (5.32). Zastosujemy tylko równanie drugie. Ma ono postać dM  x =−24,0=− T  x .

(Z5/23.20)

dx

Jak więc widać różniczkowe równanie równowagi zostało spełnione.

Wykresy funkcji siły poprzecznej i momentu zginającego w przedziale CD przedstawia rysunek Z5/23.8. Są to także i ostateczne wykresy tych sił przekrojowych.

Dr inż. Janusz Dębiński

Document Outline

  • Z5/23.1. Zadanie 23
  • Z5/23.2. Analiza kinematyczna belki
  • Z5/23.3. Wyznaczenie reakcji podporowych
  • Z5/23.4. Funkcje sił przekrojowych w przedziale AB
  • Z5/23.5. Funkcje sił przekrojowych w przedziale BC
  • Z5/23.6. Funkcje sił przekrojowych w przedziale CD