WM

Z7/3. NAPRĘŻENIA W BELKACH I RAMACH PŁASKICH – ZADANIE 3

1

Z7/3. NAPRĘŻENIA W BELKACH I RAMACH PŁASKICH – ZADANIE 3

Z7/3.1. Zadanie 3

Dana jest belka złożona oraz wykresy siły poprzecznej i momentu zginającego przedstawione na rysunku Z7/3.1. Zaprojektować stalową blachownicę skrzynkową, a następnie narysować wykresy naprężeń: normalnego σX oraz naprężeń stycznych τXZ i τXY. Przyjąć wytrzymałość stali R = 215 MPa.

α

48,0 kN/m

/m

16,0 kN/m

8,0 kN

40,0 kN

A

B

D

E

C

42,0 kN

α 96,0 kN

42,0 kN

2,727

3,273

2,0

4,0

1,0

[m]

6,0

2,0

4,0

1,0

4,035

1,965

30,0

8,0

T(x) [kN]

34,0

42,0

12,54

66,0

1,875

2,125

1,419

4,581

1

6,32

8

5,31

3

66,0

M(x) [kNm]

4,4

,0

0,0

8,0

28,13

0

1,419

4,581

0,0

4,035

1,965

1,875

2,125

Rys. Z7/3.1. Wykresy sił przekrojowych w belce Z7/3.2 Zaprojektowanie przekroju blachownicy Na podstawie wykresu siły momentu zginającego przedstawionego na rysunku Z7/3.1 można stwierdzić, że ekstremalny moment wynosi

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z7/3. NAPRĘŻENIA W BELKACH I RAMACH PŁASKICH – ZADANIE 3

2

Y=Y =Y =Y

Y

01

0

gl

02

Z

Z=Z =Z

Z

01

0

gl

02

Rys. Z7/3.2. Przekrój skrzynkowy złożony z dwóch ceowników MEXT =66,0 kNm=6600 kNcm .

(Z7/3.1)

Y

Wytrzymałość stali wynosi

kN

R=215 MPa=21,5

.

(Z7/3.2)

cm 2

Wskaźnik wytrzymałości przekroju na zginanie powinien spełniać warunek 6600

W 

=307,0 cm 3 .

(Z7/3.3)

Y

21,5

W przypadku przekroju skrzynkowego możemy zacząć projektowanie od założenia, że przekrój skrzynkowy składa się z dwóch ceowników przedstawionych na rysunku Z7/3.2. Środek ciężkości tego przekroju znajduje się na przecięciu obu osi symetrii. Jak widać na rysunku Z7/3.2 wszystkie osie Y znajdują się na jednej prostej czyli współrzędne z0i środków ciężkości obu ceowników w układzie osi środkowych (głównych) całego przekroju wynoszą zero. Moment bezwładności przekroju względem osi Y=Ygl będzie więc po prostu sumą momentów bezwładności każdego z ceowników względem ich osi Y01 oraz Y02. Także wskaźnik wytrzymałości przekroju na zginanie będzie sumą wskaźników obu ceowników. Wskaźnik wytrzymałości na zginanie dla ceownika musi więc spełniać warunek 307,0

W ceownik

=153,5 cm 3 .

(Z7/3.4)

Y

2

Z tablic do projektowania konstrukcji metalowych dobieramy ceownik 200 o wymiarach przedstawionych na rysunku Z7/3.3. Wszystkie wymiary podane są w centymetrach. Wskaźnik wytrzymałości na zginanie ceownika 200 wynosi (oś X w tablicach odpowiada naszej osi Y=Ygl).

W =191 cm 3 .

(Z7/3.5)

Y

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z7/3. NAPRĘŻENIA W BELKACH I RAMACH PŁASKICH – ZADANIE 3

3

0,88

0,02

1,15

7,5

[cm]

Rys. Z7/3.3. Wymiary przekroju ceowego 200

15,0

0,9

13,2

0,9

1,2

9,7

Y=Y =Y

0

gl

sc

17,0

19,4

9,7

[cm]

1,2

Z=Z =Z

0

gl

Rys. Z7/3.4. Przekrój skrzynkowy

Przekrój belki musi być wykonany z blach jako blachownica należy więc zaokrąglić wszystkie grubości do pełnych milimetrów a szerokości do pełnych centymetrów. Przyjmiemy przekrój blachownicowy o wymiarach podanych w centymetrach przedstawiony na rysunku Z7/3.4. Środek ciężkości tego przekroju znajduje się na przecięciu obu osi symetrii. Moment bezwładności przekroju skrzynkowego względem osi Y=Ygl wynosi

15,0

13,2

J

⋅19,43

⋅17,03

= J =

−

=3722 cm 4 .

(Z7/3.6)

Y

Ygl

12

12

Ponieważ w przekroju skrzynkowym oś Y=Ygl jest osią symetrii to wskaźniki wytrzymałości dla krawędzi dolnej i górnej są równe. Wynoszą one

3722

W  g= W  d= W =

=383,7 cm 3 .

(Z7/3.7)

Y

Y

Y

9,7

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z7/3. NAPRĘŻENIA W BELKACH I RAMACH PŁASKICH – ZADANIE 3

4

Wskaźnik (Z7/3.7) jest większy niż ten wyznaczony ze wzoru (Z7/3.3). Przekrój spełnia więc warunek wytrzymałości.

Z7/3.3 Naprężenia normalne σX oraz styczne τXZ i τXY w przekroju Rysunek Z7/3.5 przedstawia siły przekrojowe działające w przekroju α - α znajdującego się w lewej części belki. Siła poprzeczna na wykresie na rysunku Z7/3.1 jest ujemna więc kręci odciętą częścią belki przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Moment zginający rozciąga górną część przekroju pręta. Moment zginający w przekroju α - α rozciąga górną część przekroju pręta jest więc on ujemny a jego wartość wynosi M =−66,0 kNm=−6600 kNcm .

(Z7/3.8)

Y

Wartość bezwzględna siły poprzecznej wynosi

∣ T Z∣=66,0 kN .

(Z7/3.9)

Rysunek Z7/3.6 przedstawia przekrój skrzynkowy z działającymi siłami przekrojowymi. Na rysunku tym zaznaczone są również punkty, w których będziemy wyznaczać wartości naprężeń normalnych i stycznych.

66,0 kNm

66,0 kN

X

Z=Z =Z

0

gl

Rys. Z7/3.5. Siły przekrojowe w przekroju α - α

Funkcja naprężeń normalnych σX będzie miała postać

−6600

 =

⋅ z=−1,773⋅ z .

(Z7/3.10)

X

3722

Naprężenie normalne w punkcie 1 wynosi

kN

1= 9,7 =−1,773⋅9,7 =−17,20

=−172,0 MPa .

X

X

(Z7/3.11)

cm 2

Naprężenie normalne w punkcie 2 wynosi

kN

2= 8,5 =−1,773⋅

=−150,7 MPa .

X

X

8,5 =−15,07

(Z7/3.12)

cm 2

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z7/3. NAPRĘŻENIA W BELKACH I RAMACH PŁASKICH – ZADANIE 3

5

15,0

0,9

13,2

0,9

5

1,2

4

66,0 kN

Y=Y =Y

66,0 kNm

0

gl

3

sc

17,0

19,4

N=0,0 kN

2 6

7

[cm]

1

1,2

Z=Z =Z

0

gl

Rys. Z7/3.6. Przekrój skrzynkowy obciążony siłami przekrojowymi Naprężenie normalne w punkcie 3 wynosi

kN

3= 0,0 =−1,773⋅0,0 =0,0

=0,0 MPa .

X

X

(Z7/3.13)

cm 2

Naprężenie normalne w punkcie 4 wynosi

kN

4= −8,5=−1,773⋅−8,5=15,07

=150,7 MPa .

X

X

(Z7/3.14)

cm 2

Naprężenie normalne w punkcie 5 wynosi

kN

5= −9,7=−1,773⋅−9,7=17,12

=172,0 MPa .

X

X

(Z7/3.15)

cm 2

Rysunek Z7/3.11 przedstawia wykres naprężeń normalnych na wysokości przekroju skrzynkowego.

Naprężenie styczne τXZ w punkcie 1 wynosi zero, ponieważ jest to punkt znajdujący się na krawędzi dolnej przekroju.

W punkcie 2 będziemy mieli dwie wartości naprężenia stycznego τXZ, ponieważ w tym punkcie szerokość przekroju skrzynkowego zmienia się skokowo. Rysunek Z7/3.7 przedstawia część przekroju pręta znajdującą się poniżej punktu 2. Jest to jak widać cała półka dolna. Wartość bezwzględna naprężenia stycznego τXZ w punkcie numer 2 w półce dolnej dla całej szerokości półki zgodnie z (7.20) wynosi

∣

66,0⋅15,0⋅1,2⋅9,1

kN

2p∣=

=0,1936

=1,936 MPa .

(Z7/3.16)

XZ

15,0⋅3722

cm 2

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z7/3. NAPRĘŻENIA W BELKACH I RAMACH PŁASKICH – ZADANIE 3

6

15,0

0,9

13,2

0,9

1,2

,79

Y=Y =Y

0

gl

sc

17,0

19,4

,1

,7

9

9

sc

2

1

[cm]

Z=Z =Z

1,2

0

gl

Rys. Z7/3.7. Część przekroju pręta znajdująca się poniżej punktu 2

15,0

0,9

13,2

0,9

1,2

9,7

Y=Y =Y

0

gl

3

sc

17,0

19,4

sc2 9,1

8,5

4,25

sc2

9,7

sc1

[cm]

1,2

Z=Z =Z

0

gl

Rys. Z7/3.8. Część przekroju pręta znajdująca się poniżej punktu 3

Wartość bezwzględna naprężenia stycznego τXZ w punkcie numer 2 w środniku dla grubości środnika zgodnie z (7.20) wynosi

∣

66,0⋅15,0⋅1,2⋅9,1

kN

2s∣=

=1,614

=16,14 MPa .

(Z7/3.17)

XZ

2⋅0,9⋅3722

cm 2

Rysunek Z7/3.10 przedstawia część przekroju pręta znajdującą się poniżej punktu 3. Wartość bezwzględna naprężenia stycznego τXZ w punkcie numer 3 zgodnie z (7.20) wynosi

∣

66,0⋅15,0⋅1,2⋅9,12⋅8,5⋅0,9⋅4,25

kN

3∣=

=2,254

=22,54 MPa .

(Z7/3.18)

XZ

2⋅0,9⋅3722

cm 2

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z7/3. NAPRĘŻENIA W BELKACH I RAMACH PŁASKICH – ZADANIE 3

7

Ponieważ w przekroju skrzynkowym oś Y=Ygl jest jedną z osi symetrii to wykres naprężeń stycznych τXZ

będzie względem tej osi symetryczny. Rysunek Z7/3.11 przedstawia symetryczny wykres naprężeń stycznych τXZ w przekroju skrzynkowym. Ponieważ siła poprzeczna działa do góry czyli jej zwrot jest przeciwny do dodatniego zwrotu osi Z=Zgl więc naprężenia styczne τXZ w przekroju pręta będą ujemne.

15,0

0,9

13,2

0,9

1,2

,79

Y=Y =Y

0

gl

sc

17,0

19,4

,7

9,1

6,6

9

sc3

6

[cm]

1,2

Z=Z =Z

0

gl

Rys. Z7/3.9. Część półki

66,0 kN

Y=Y =Y

0

gl

sc

Z=Z =Z

0

gl

Rys. Z7/3.10. Model przepływu wody w celu ustalenia znaków naprężeń stycznych τ XY

Rysunek Z7/3.9 przedstawia część półki mierzoną od osi Z=Zgl do punktu numer 6. Wartość bezwzględna naprężenia stycznego τXY w tym punkcie, zgodnie z (7.23), wynosi

∣

66,0⋅6,6⋅1,2⋅9,1

kN

6∣=

=1,065

=10,65 MPa .

(Z7/3.19)

XY

1,2⋅3722

cm 2

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z7/3. NAPRĘŻENIA W BELKACH I RAMACH PŁASKICH – ZADANIE 3

8

Ponieważ punkt 7 znajduje się na Z=Zgl to naprężenie styczne τXY będzie w tym punkcie wynosiło zero.

Znaki naprężeń stycznych ustalimy na podstawie przepływu wody w systemie rurek w kształcie przekroju skrzynkowego. Przepływ ten przedstawiony jest na rysunku Z7/3.10. Rysunek Z7/3.11 przedstawia wykres naprężeń stycznych τXY.

15,0

0,9

13,2

0,9

10,65

[MPa]

τ

,0

XY

,2

10,65

0

1

σ

τ

X

172,0

XZ

0,0

150,7

1,936 / 16,14

66,0 kN

Y=Y =Y

0

gl

66,0 kNm

sc

7,01

19,4

0,0

22,54

N=0,0 kN

150,7

1,936 / 16,14

[cm]

172,0

0,0

,2

Z=Z =Z

1

[MPa]

[MPa]

0

gl

10,65

[MPa]

τ

5

XY

0,0

10,6

Rys. Z7/3.11. Wykresy naprężeń normalnych i stycznych w przekroju skrzynkowym Dr inż. Janusz Dębiński

Document Outline

  • Z7/3.1. Zadanie 3
  • Z7/3.2 Zaprojektowanie przekroju blachownicy
  • Z7/3.3 Naprężenia normalne sX oraz styczne tXZ i tXY w przekroju