You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
T R D N O S T<br />
I.Špacapan
TRDNOST<br />
Dr.I.Špacapan<br />
Zapiski predavanj<br />
FG Maribor<br />
Avgust 2008
TRDNOST 3<br />
Kazalo vsebine<br />
1. NAPETOST ................................................................................................................... 5<br />
1.1. NOTRANJE SILE IN POVPREČNI NAPETOSTNI VEKTOR..................... 5<br />
1.2. NAPETOSTNI VEKTOR V TOČKI, NAPETOSTNI VEKTOR V<br />
LOKALNEM KOORDINATNEM SISTEMU IN NAPETOSTI.................................... 10<br />
1.3. NAPETOSTNO STANJE ..................................................................................... 13<br />
1.4. FUNKCIJSKA ODVISNOST NAPETOSTI OD LEGE TOČKE IN SMERI<br />
NORMALE PRESEKA ................................................................................................... 17<br />
1.5. NAPETOSTI IN NEWTONOVI ZAKONI ........................................................ 19<br />
1.6. TRANSFORMACIJA NAPETOSTI .................................................................... 24<br />
1.6.3. EKSTREMNE STRIŽNE NAPETOSTI .................................................... 30<br />
1.6.5. TRANSFORMACIJA TRIOSNEGA (PROSTORSKEGA)<br />
NAPETOSTNEGA STANJA....................................................................................... 42<br />
1.6.6. GLAVNI KOORDINATNI SISTEM........................................................ 48<br />
1.6.7. POSTOPEK ZA IZRAČUN LASTNIH VREDNOSTI IN SMERI. .... 51<br />
1.6.8. EKSTREMNE STRIŽNE NAPETOST....................................................... 55<br />
2. SPECIFIČNE DEFORMACIJE ............................................................................... 59<br />
2.1. UVOD .................................................................................................................... 59<br />
2.2. MATEMATIČNI ZAPIS LEGE IN POMIKOV TELESA.............................. 60<br />
ZGLED 1.................................................................................................................... 64<br />
2.3. DEFORMACIJSKI TENZOR. ........................................................................... 65<br />
TENZOR MALIH SPECIFIČNIH DEFORMACIJ. ............................................... 68<br />
ZGLED 2.................................................................................................................... 69<br />
2.4. GEOMETRIJSKI POMEN ČLENOV TENZORJA (MALIH) SPECIFIČNIH<br />
DEFORMACIJ. ............................................................................................................... 70<br />
ZGLED 3.................................................................................................................... 72<br />
2.5. TRANSFORMACIJA SPECIFIČNIH DEFORMACIJ.................................... 75<br />
2.6. GLAVNE VREDNOSTI IN SMERI. ............................................................... 77<br />
2.7. IZRAČUN POMIKOV. ....................................................................................... 77<br />
2.8. NEPOSREDNA IZPELJAVA ENAČBE ZA LASTNE VREDNOSTI<br />
DEFORMACIJSKEGA TENZORJA............................................................................... 79<br />
2.9. EKSTREMNE STRIŽNE DEFORMACIJE....................................................... 80<br />
2.10. ZNAČILNOST DEFORMIRANJA .................................................................... 80<br />
3. KONSTITUTIVNE ENAČBE .................................................................................... 82<br />
3.1. PREDPOSTAVKE IN IZPELJAVA ENAČB ZA RELACIJE MED<br />
NAPETOSTMI IN SPECIFIČNIMI DEFORMACIJAMI. ....................................... 82<br />
3.2. VPLIV TEMPERATURE NA SPECIFIČNE DEFORMACIJE. .................... 90<br />
3.3. ZVEZA MED MATERIALNIMI KONSTANTAMI........................................... 91<br />
3.4. RAVNINSKO NAPETOSTNO STANJE ............................................................. 93<br />
4. POŠEVNI UPOGIB RAVNIH NOSILCEV KONSTANTNEGA PRESEKA ............ 95<br />
4.1. Inženirski pomen problema upogiba nosilcev........................ 95<br />
4.2. Opredelitev naloge pri izračunu napetosti v nosilcih<br />
ter izhodiščne predpostavke........................................................................ 95<br />
4.3. Matematično podajanje osnih pomikov točk na prečnih<br />
presekih nosilca. ............................................................................................... 100<br />
4.4. Izpeljava enačb za normalne napetosti in specifične<br />
deformacije. ........................................................................................................... 102<br />
4.5. Nevtralna os.............................................................................................. 105
TRDNOST 4<br />
4.6.Nekateri posebni primeri presekov oziroma obremenitev<br />
nosilcev, ki pa v praksi pogosto nastopajo.................................. 107<br />
4.7. Izpeljava enačbe za strižne napetosti v nosilcih<br />
konstantnega preseka. ..................................................................................... 108<br />
4.7.1. Praktični izračun statičnih momentov. .......................... 112<br />
4.7.2. TRANSFORMACIJA VZTRAJNOSTNIH MOMENTOV - STEINERJEV<br />
STAVEK. ................................................................................................................... 113<br />
Zgled 1...................................................................................................................... 122<br />
TANKO STENSKI PRESEKI, ................................................................................... 126<br />
Zgled 2...................................................................................................................... 127<br />
RAČUNSKI PRIMERI ANALIZE NAPETOSTI .......................................................... 129<br />
Zgled 1...................................................................................................................... 129<br />
Zgled 2...................................................................................................................... 135<br />
Zgled 3...................................................................................................................... 149<br />
JEDRO PRESEKA. .......................................................................................................... 152<br />
Zgled 1...................................................................................................................... 155<br />
Zgled 2...................................................................................................................... 157<br />
5. TORZIJA.................................................................................................................... 160<br />
5.1. Uvod .................................................................................................................. 160<br />
5.2.Torzija nosilcev okroglega preseka............................................. 162<br />
Zgled 1...................................................................................................................... 164<br />
5.3.Torzija enoceličnih tankostenskih nosilcev. ....................... 165<br />
Zgled 2...................................................................................................................... 168<br />
5.4. Torzija nosilcev polnega pravokotnega preseka. ............. 169<br />
Zgled 3...................................................................................................................... 170<br />
5.5.Tankostenski odprti presek konstantne debeline. ............. 171<br />
Zgled 4...................................................................................................................... 172<br />
5.6. Sestavljeni preseki............................................................................. 172<br />
Zgled 5...................................................................................................................... 174<br />
6. UPOGIBNICA............................................................................................................. 176<br />
6.1. Uvod................................................................................................................. 176<br />
6.2. Izpeljava diferencialne enačbe upogibnice ......................... 178<br />
RAČUNSKI PRIMERI ................................................................................................. 181<br />
Zgled 1...................................................................................................................... 181<br />
Zgled 2...................................................................................................................... 185<br />
Zgled 4...................................................................................................................... 191<br />
Zgled 5...................................................................................................................... 195<br />
7. UKLON......................................................................................................................... 200<br />
7.1. Uvod................................................................................................................. 200<br />
7.2. Izpeljava uklonske sile. .................................................................. 202<br />
7.3. Problem stabilnosti............................................................................. 204<br />
7.4. Uklonsko zavarovanje. ......................................................................... 205<br />
7.5. Napetosti pri uklonu. ......................................................................... 207<br />
Zgled 1...................................................................................................................... 210<br />
Zgled 2...................................................................................................................... 211
TRDNOST 5<br />
1. NAPETOST<br />
V tem poglavju bomo pojasnili, zakaj se napetosti pojavijo v<br />
notranjosti teles, podali definicijo napetostnega vektorja,<br />
napetosti in napetostnega stanja, izpeljali transformacijske<br />
enačbe za napetosti ter ugotavljali ekstremne vrednosti.<br />
1.1. NOTRANJE SILE IN POVPREČNI NAPETOSTNI VEKTOR.<br />
Notranje napetosti so odvisne od notranjih sil, zato si<br />
najprej oglejmo zakaj se le-te pojavijo v obremenjenih<br />
telesih. Opazujmo poljubno elastično ali togo telo, ki je v<br />
statičnem ravnotežju. Tedaj je tudi vsak njegov del v<br />
mirovanju oziroma v statičnem ravnotežju. Telo in obtežba sta<br />
simbolično prikazana na sliki 1.<br />
Slika 1. Shematični prikaz telesa obremenjenega s sistemom<br />
sil, ki je v ravnotežju ter namišljeni presek S, ki razdeli<br />
telo na dva dela.<br />
Z namišljenim poljubnim prerezom S telo razdelimo na dva dela,<br />
na primer na del L in D kot je prikazano na sliki. Ker je<br />
izpolnjeno ravnotežje posameznega dela telesa, morajo delovati<br />
na površino namišljenega preseka S neke sile, ki uravnotežijo<br />
zunanje sile. Na primer, na levi del telesa, označen z L,<br />
delujejo zunanje sile P1, P2 in P3, na namišljeni presek S pa<br />
sile Fi (glej sliko 2), ki jih imenujemo notranje sile in<br />
izpolnjujejo ravnotežno enačbo<br />
P 1 + P2<br />
+ P3<br />
+ ∑Fi = 0 . (1)<br />
i
TRDNOST 6<br />
Slika 2. Del telesa v ravnotežju.<br />
P2<br />
P1<br />
L<br />
P3<br />
Notranje sile »prenašajo« zunanjo obtežbo iz enega dela telesa<br />
na drugi del telesa – natančneje povedano so to sile s<br />
katerimi deluje en del telesa na drugi del preko opazovanega<br />
preseka S. Ko je rezultanta zunanjih sil, ki delujejo na levi<br />
del telesa, različna od nič morajo biti v skladu z enačbo (1)<br />
vsaj nekatere notranje sile različne od nič. Spoznali bomo še,<br />
da notranje sile nastopijo tudi tedaj, ko je rezultanta<br />
obtežnih sil nična.<br />
Ker smo namišljeni rez izbrali poljubno ugotovimo, da se<br />
notranje sile v splošnem lahko pojavijo v vseh presekih telesa<br />
in so seveda v splošnem različne. Bistvena značilnost za te<br />
sile je, da to niso koncentrirane točkovne sile in so zvezno<br />
razporejene po površini S. Zato jih podajamo kot zvezno<br />
površinsko obtežbo. Za vsak opazovani del površine ∆S (glej<br />
sliko 3) jo prikazujemo z rezultanto notranjih sil ∆F, ki naj<br />
delujejo.<br />
z<br />
x<br />
y<br />
L<br />
S<br />
∆S<br />
r=(x,y,z)<br />
S<br />
Fi<br />
n (normala)<br />
∆F (rezultanta)<br />
t (n) (r)= ∆F/∆S<br />
(napetostni vektor)<br />
Slika 3. Prikaz lokacije površine ∆S, njene normale n,<br />
rezultantne sile ∆F, ki deluje nanjo ter njenega povprečnega<br />
napetostnega vektorja t(n ) .
TRDNOST 7<br />
Rezultanta sila ∆F je odvisna tako od velikosti površine ∆S<br />
kot od njene lokacije. Lokacija ∆S je podana s krajevnim<br />
vektorjem r(x,y,z), lega (naklon oziroma smer) pa z njeno<br />
normalo n. Ker zmeraj opazujemo sile, ki delujejo na telo ali<br />
del telesa, definiramo smer normale v vsaki točki opazovane<br />
površine navzven iz dela telesa na katerega deluje opazovana<br />
sila ∆F. Taka definicija normale je v skladu z matematično<br />
definicijo, kjer je normala na površino usmerjena navzven iz<br />
volumna, ki ga površina omejuje. Lahko bi rekli, da smo z<br />
izbiro smeri normale odločili, da opazujemo sile, ki delujejo<br />
na material, ki se nahaja na nasprotni strani normale (glej<br />
sliko 4).<br />
material<br />
∆S<br />
n (normala)<br />
∆F (rezultanta)<br />
Slika 4. Normala je usmerjena iz materiala na katerega deluje<br />
opazovana sila ∆F.<br />
Na podlagi velikosti površine ∆S, njene normale n ter<br />
rezultante sile ∆F definiramo količino, ki jo imenujemo<br />
povprečni napetostni vektor. Ta je enak kvocientu rezultante<br />
in velikosti površine:<br />
∆F<br />
, = .<br />
∆S<br />
( ) ( x y,<br />
z)<br />
t n<br />
Napetostni vektor označimo z zgornjim indeksom (n), ki pove,<br />
da deluje rezultanta ∆F na ploskvico ∆S z normalo n. S<br />
koordinatami x,y in z oziroma s krajevnim vektorjem r pa<br />
podamo lokacijo ploskvice v izbranem koordinatnem sistemu. Kot<br />
pa že ime pove, je napetostni vektor vektorska količina, ker<br />
je kvocient vektorja in skalarja in leži v smeri rezultante<br />
∆F. Njegove dimenzije so N/m 2 oziroma Pa ali ustrezne večje ali<br />
manjše enote, torej dimenzije kot pri površinski obtežbi.<br />
Povprečni napetostni vektor predstavlja povprečno zvezno<br />
obtežbo na opazovani površini ∆S.<br />
Če imamo podan povprečni napetostni vektor ter velikost<br />
ploskvice na katero deluje, lahko izračunamo rezultanto<br />
notranjih sil<br />
t (n)
TRDNOST 8<br />
∆F ∆ t n<br />
= S.<br />
( ) ,<br />
ki delujejo na ploskvico ∆S.<br />
ZGLED.<br />
S silama P = 10kN osno obremenjena palica (slika Z.1) ima<br />
kvadratni presek dimenzije 2cm x 2cm. Podajmo velikost in<br />
komponente povprečnih napetostnih vektorjev (a) v prikazanem<br />
koordinatnem sistemu v preseku S1, ki je pravokotno na os<br />
palice in (b) v preseku S2, ki je nagnjen za 45°. Pri tem<br />
upoštevajmo, da je površina S1 del površine levega dela palice,<br />
površina S2 pa je del površine desnega dela palice. (c) Za<br />
drugi presek podajmo napetostni vektor še v okoli osi z<br />
zasukanem koordinatnem sistemu, kjer x2 os sovpada z normalo<br />
preseka (to je lokalni koordinatni sistem).<br />
Slika Z.1.1<br />
y<br />
P<br />
x<br />
S1<br />
Rešitev. Velikost preseka S1 = 0,0004m 2 , njegova normala pa je<br />
n1 = (1, 0, 0) (glej sliko Z.1.2).<br />
Slika Z.1.2.<br />
y<br />
(a) Iz ravnotežja levega dela sledi<br />
∆F = -P = -(-10, 0, 0)kN.<br />
P<br />
x<br />
S1<br />
S2<br />
n1<br />
∆F<br />
P
TRDNOST 9<br />
Velikost in komponente napetostnega vektorja pa so<br />
( n ) ∆F<br />
10kN<br />
1 t = = 2 = 25000kPa<br />
S1<br />
0. 0004m<br />
in<br />
( n ) ∆F<br />
( 10,,) 0 0 kN<br />
1 t = = 2 = ( 25000, 0, 0)<br />
kPa .<br />
S 0. 0004m<br />
1<br />
(b) Za presek S2 (glej sliko Z.1.3) je smerni vektor v<br />
koordinatnem sistemu x,y enak<br />
n2 = (-0.707 -0.707 0),<br />
velikost presečne ploskve pa je<br />
∆S2 = 1.414x0.0004m 2 = 0.000566 m 2 .<br />
Iz ravnotežja desnega dela palice dobimo<br />
∆F = -P = (-10, 0, 0)kN<br />
Velikost in komponente napetostnega vektorja pa so<br />
∆F<br />
= =<br />
S<br />
10kN<br />
( n<br />
t 2 )<br />
in<br />
2<br />
=<br />
2<br />
0.<br />
000566m<br />
17700kPa<br />
( ) ∆ ( −10,<br />
0,<br />
0)<br />
kN<br />
2 = =<br />
= ( −17700,<br />
0,<br />
0)<br />
kPa<br />
S<br />
2<br />
0.<br />
000566m<br />
F<br />
.<br />
t n<br />
2<br />
Pri zapisu napetostnega vektorja lahko smer normale še<br />
eksplicitno izpišemo:<br />
( 2 ) ( −0.<br />
707,<br />
−0.707<br />
0)<br />
= t<br />
= ( −17700,<br />
0,<br />
0)<br />
kPa<br />
t n<br />
y<br />
Slika Z.1.3.<br />
t (n )<br />
2<br />
x<br />
S2<br />
∆F P<br />
x2<br />
n2<br />
y2
TRDNOST 10<br />
(c) Glede na koordinatni sistem x2 y2 z2 je smerni vektor<br />
preseka S2<br />
n2 = (1 0 0).<br />
Velikost preseka in rezultantna sila, ki deluje na presek sta<br />
nespremenjeni, komponente rezultante pa so<br />
∆F = -P = (7.07 -7.07 0)kN.<br />
Velikost in komponente napetostnega vektorja so<br />
( n ) ∆F<br />
10kN<br />
t 2 = =<br />
= 17700kPa<br />
S<br />
2<br />
2 0.<br />
000566m<br />
in<br />
( ) ∆ ( 7.<br />
07,<br />
−7.<br />
07,<br />
0)<br />
kN<br />
2 = =<br />
= ( 12491,<br />
−12491,<br />
S<br />
2<br />
0.<br />
000566m<br />
F<br />
t n<br />
2<br />
0)<br />
kPa<br />
V lokalnem koordinatnemu sistemu imenujemo komponento<br />
napetostnega vektorja v smeri normale normalno komponento,<br />
ostali dve pa strižni komponenti.<br />
1.2. NAPETOSTNI VEKTOR V TOČKI, NAPETOSTNI VEKTOR V LOKALNEM<br />
KOORDINATNEM SISTEMU IN NAPETOSTI.<br />
Pri analizi konstrukcij nam v mnogih primerih povprečni<br />
napetostni vektor ne pove skoraj nič o razporeditvi sil po<br />
preseku. Tako je na primer pri čistem upogibu povprečni<br />
napetostni vektor enak 0 ker so osne sile nične (glej sliko<br />
1), čeprav so lahko sile na posamezne dele preseka izredno<br />
velike. Kako so sile razporejene po preseku nam podaja<br />
M<br />
∆S = 0<br />
N = 0<br />
Slika 1. Zgled, kjer so očitno sile po preseku ∆S različne od<br />
nič, rezultanta pa je N in je nična.<br />
napetostni vektor v točki, ki ga definiramo kot limito<br />
kvocienta za povprečni napetostni vektor<br />
.<br />
-M
t<br />
TRDNOST 11<br />
( n)<br />
=<br />
→<br />
∆F<br />
lim<br />
∆S<br />
0 ∆S<br />
.<br />
Pri limitnem procesu gre tako velikost površine ∆S kot njen<br />
obseg proti ničli – pravimo, da se površina reducira v točko<br />
kjer računamo napetostni vektor (slika 2).<br />
točka:<br />
lim∆S=0<br />
lim∆F=0<br />
∆S2<br />
∆S1<br />
t (n)<br />
Slika 2. Shematični prikaz limitiranja površine v točko,<br />
spreminjanje pripadajočih rezultantnih sil ter simbolični<br />
prikaz napetostnega vektorja v točki.<br />
Pri tem limitnem procesu se seveda z manjšanjem velikosti<br />
ploskve spreminja tako lega kot velikost rezultante. V sami<br />
točki pa je rezultanta nična, napetostni vektor pa je v točki<br />
zmeraj končen - lahko je tudi ničen. V matematiki pravimo<br />
temu, da limita obstaja! Takemu napetostnemu vektorju pravimo<br />
napetostni vektor v točki ali na kratko kar napetostni vektor.<br />
V matematiki je poznan značilni primer limite kvocienta, kjer<br />
števec in imenovalec proti nič:<br />
lim<br />
sin(x) { } = 1<br />
x<br />
x<br />
→ 0<br />
Napetostni vektor (v točki) si lahko predstavljamo kot<br />
kvocient rezultante sil, ki delujejo na zelo majhno ploskev z<br />
normalo n, in velikostjo te ploskve. Simbolično ga lahko<br />
zapišemo kot kvocient diferencialov<br />
( )<br />
t n<br />
dF<br />
( x,<br />
y,<br />
z)<br />
= .<br />
dS<br />
∆F2<br />
∆F1
TRDNOST 12<br />
Gornji formalni matematični zapis pove, da je napetostni<br />
vektor odvisen tako od lokacije točke, podane na primer s<br />
koordinatami x,y,z, kot od “smeri” ploskve dS, ki je določena<br />
z njeno normalo n (slika 3).<br />
Koordinatni<br />
sistem<br />
T1(x1,y1,z1)<br />
n2=(cosα2,cosβ2,cosγ2)<br />
T2(x2,y2,z2)<br />
t1 =t (n1) (T1)<br />
n1=(cosα1,cosβ1,cosγ1)<br />
t2=t (n2) (T2)<br />
Slika 3. Simbolični prikaz napetostnega vektorja v dveh točkah<br />
z različnima legama “ploskvic”.<br />
Napetostni vektor podan na poljubni ploskvi je v bistvu<br />
površinska obtežba, ki deluje nanjo. Običajno uporabljamo<br />
izraz površinska obtežba tedaj, ko deluje na zunanjo površino<br />
teles – če pa opazujemo »obtežbo na notranje površine«, pa<br />
govorimo o napetostnih vektorjih.<br />
Napetostni vektor v lokalnem koordinatnem sistemu. Komponente<br />
napetostnega vektorja so odvisne seveda od izbire<br />
koordinatnega sistema, ki je povsem poljuben. Nasprotno pa je<br />
lokalni koordinatni sistem v vsaki točki površine enolično<br />
določen. Matematično je definiran tako, da je x os<br />
Kartezijevega koordinatnega sistema v smeri normale na<br />
ploskev, ostali dve pa ležita v smeri tangent na površino v<br />
dani točki (slika 4). V lokalnem koordinatnem sistemu<br />
imenujemo komponente napetostnega posebna napetosti.<br />
Komponento v smeri normale imenujemo normalna napetost,<br />
ostali dve pa strižni napetosti. Praviloma rezultate<br />
preizkusov trdnosti materialov ter rezultate inženirskih<br />
analiz konstrukcij podamo glede na to kakšne normalne in<br />
strižne napetosti nastopijo v materialu. Zato te napetosti<br />
praviloma označujemo s posebnimi oznakami. Te oznake so<br />
izbrane tako, da nedvoumno razlikujemo normalne in strižne<br />
napetosti, ker je njihov vpliv na nosilnost konstrukcij<br />
bistveno različen. Pogoste enostavne oznake so σ za normalno<br />
in τ za strižni napetosti. Tako glede na sliko 4 velja enačba
TRDNOST 13<br />
t (1,0,0) = (tx, ty, tz) ≡ (σ, τy, τz).<br />
Slika 4. Komponente napetostnega vektorja v lokalnem<br />
koordinatnem sistemu.<br />
Če izberemo x-os v smeri normale, lega osi y in z ni enolična,<br />
saj lahko njuno lego v ravnini še vedno poljubno izberemo, da<br />
sta le pravokotni med seboj. Vendar pa, kot bomo kasneje<br />
spoznali, je izbira lege koordinatnih osi v tangencialni<br />
ravnini ploskve pomembna samo pri nekaterih ortotropnih<br />
materialih, ki jih v gradbeništvu redkeje srečamo. Mnogokrat<br />
pa je za inženirsko analizo pomembna samo velikost rezultante<br />
strižnih napetosti (glej sliko 4), ki je enaka<br />
τ = τ + τ<br />
2 2<br />
y z .<br />
1.3. NAPETOSTNO STANJE<br />
z<br />
τ<br />
y<br />
τz<br />
τy<br />
n<br />
Že v prejšnjih razdelkih smo spoznali, da so napetosti v isti<br />
točki vendar v različnih presekih skozi to točko različne.<br />
Zanima nas ali obstaja kakšna zveza med napetostmi v teh<br />
različnih ravninah? Taka zveza obstaja in pokazali bomo, da če<br />
poznamo napetosti v treh medseboj pravokotnih ravninah (v<br />
opazovani točki), lahko izračunamo napetosti v poljubni<br />
ravnini. Zato pravimo, da je s temi napetostmi povsem podano<br />
napetostno stanje v točki. Vrednosti za napetosti zapišemo v<br />
matriki na poseben urejen način - pomen tega zapisa pa bomo<br />
spoznali kasneje.<br />
t (n)<br />
σ<br />
x
TRDNOST 14<br />
Najprej si oglejmo, kako označujemo napetosti v poljubnem<br />
pravokotnem koordinatnem sistemu, ki delujejo na ploskve z<br />
normalami v smeri koordinatnih osi (slika 1). Pri zahtevnejši<br />
matematični analizi napetosti je namreč za matematično<br />
manipulacijo veliko prikladneje, da vse komponente označujemo<br />
samo z eno črko, vendar z dvojnimi indeksi:<br />
σxx, σxy, σxz<br />
ali pa na primer z oznakami<br />
τxx,τxy,τxz .<br />
Pri napetostnem vektorju smo zmeraj označevali tudi normalo,<br />
ki je določevala ploskev na katero učinkuje napetostni vektor<br />
– v gornjem zapisu pa že kar prvi indeks določa smer normale<br />
ploskve, drugi indeks pa smer napetosti. Tako zapišemo na<br />
primer napetostni vektor, ki deluje na ploskev z normalo v<br />
smeri x osi, komponente zapisane z enačbo<br />
t (i) =(σxx, σxy, σxz).<br />
Pri tem je komponenta z dvema enakima indeksoma, to je σxx,<br />
normalna komponenta, komponenti z dvema različnima indeksoma,<br />
σxy in σxz, pa sta strižni komponenti.<br />
Analogno je na primer napetostni vektor, ki deluje na ploskev<br />
z normalo v smeri z osi, enak<br />
t (k) =(σzx, σzy, σzz).<br />
Pri tem je σzz normalna komponenta, medtem ko sta σzx in σzy<br />
strižni komponenti (glej sliko 1).
TRDNOST 15<br />
Ravnina<br />
y-z osi<br />
x<br />
i<br />
z<br />
k<br />
j<br />
σzx<br />
σzz<br />
t (k) (σzx,σzy,σzz)<br />
Slika 2. Shematični prikaz komponent napetostnega vektorja na<br />
ravnino x,y ter njegovih komponent označenih z dvema<br />
indeksoma.<br />
Na sliki 1 so prikazane vse tri ravnine, ki so pravokotne na<br />
osi koordinatnega sistema x, y in z ter komponente napetostnih<br />
vektorjev za vsako ravnino. Normale teh ravnin so v smeri<br />
koordinatnih osi zato se lokalni koordinatni sistemi teh<br />
ravnin skladajo s koordinatnim sistemom x,y,z.<br />
Točka,<br />
kjer<br />
opazujemo<br />
napetosti<br />
x<br />
σyx<br />
i<br />
z<br />
σyz<br />
σzz<br />
σzx<br />
σxz<br />
σxx<br />
σzy<br />
σxy<br />
σzy<br />
Ravnina<br />
y-z osi<br />
Slika 2. Shematični prikaz ravnin in napetosti s katerimi je<br />
podano napetostno stanje v točki. Zaradi preglednosti niso<br />
narisane v isti točki!<br />
k<br />
σyy<br />
Vsako komponento napetostnega vektorja (napetost) smo označili<br />
z dvema indeksoma. Prvi indeks označuje smer normale ploskve<br />
na katero deluje napetost, drugi pa smer napetosti. Z<br />
omenjenimi oznakami zapišemo napetosti v matriki, kjer so v<br />
prvi vrstici komponente napetostnega vektorja, ki deluje na<br />
j<br />
y<br />
y
TRDNOST 16<br />
ploskev z normalo v x-smeri, torej komponente vektorja t (i) , v<br />
drugi in tretji vrstici pa komponente napetostnih vektorjev<br />
t (j) in t (k) , ki delujeta na ploskvici z normalo v y oziroma z<br />
smeri:<br />
⎧t<br />
⎪<br />
⎨t<br />
⎪<br />
⎩t<br />
( i)<br />
( j)<br />
( k)<br />
⎫<br />
⎪<br />
⎬ ≡<br />
⎪<br />
⎭<br />
[ σ ]<br />
ij<br />
⎡σ<br />
⎢<br />
≡ ⎢σ<br />
⎢<br />
⎣σ<br />
xx<br />
yx<br />
zx<br />
σ<br />
σ<br />
σ<br />
xy<br />
yy<br />
zy<br />
σ<br />
σ<br />
σ<br />
xz<br />
yz<br />
zz<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥ .<br />
⎥<br />
⎦<br />
Komponente te matrike se pri spremembi koordinatnega sistema<br />
transformirajo tako kot tenzor, zato jo imenujemo napetostni<br />
tenzor in z njim je povsem podano napetostno stanje v točki.<br />
Kasneje bomo še dokazali, da je napetostni tenzor simetričen,<br />
zato je vseeno, če napetostne vektorje zapišemo po vrsticah<br />
ali po stolpcih.<br />
Diagonalni elementi predstavljajo normalne napetosti,<br />
izvendiagonalni pa strižne. Zaradi enostavnosti zapisa<br />
dostikrat označujemo normalne napetosti samo z enim indeksom:<br />
⎧t<br />
⎪<br />
⎨t<br />
⎪<br />
⎩t<br />
( i)<br />
( j)<br />
( k)<br />
⎫<br />
⎪<br />
⎬ ≡<br />
⎪<br />
⎭<br />
[ σ ]<br />
ij<br />
⎡ σ<br />
⎢<br />
≡ ⎢σ<br />
⎢<br />
⎣σ<br />
x<br />
yx<br />
zx<br />
σ<br />
σ<br />
σ<br />
xy<br />
y<br />
zy<br />
σ<br />
σ<br />
σ<br />
xz<br />
yz<br />
z<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
Kadar je v vsaki ravnini vsaj ena napetost različna od nič<br />
pravimo, da imamo splošno tridimenzionalno ali prostorsko<br />
napetostno stanje. V mnogih inženirskih konstrukcijah pa so<br />
napetosti v eni ravnini nične, na primer v stenah, ali celo v<br />
dveh ravninah, na primer pri palicah, nične. Tedaj imenujemo<br />
taka napetostna stanja ravninsko ali dvodimenzionalno oziroma<br />
linearno ali enodimenzionalno napetostno stanje. Primer<br />
tenzorjev za dvodimenzionalno napetostno stanje v ravnini y-z<br />
je<br />
⎧t<br />
⎪<br />
⎨t<br />
⎪<br />
⎩t<br />
( i)<br />
( j)<br />
( k)<br />
⎫<br />
⎪<br />
⎬ ≡<br />
⎪<br />
⎭<br />
[ σ ]<br />
ij<br />
⎡0<br />
⎢<br />
≡ ⎢0<br />
⎢<br />
⎣0<br />
σ<br />
σ<br />
0<br />
y<br />
zy<br />
0 ⎤<br />
⎥<br />
σ yz ⎥<br />
σ ⎥<br />
z ⎦<br />
in za enodimenzionalno napetostno stanje v ravnini z je<br />
⎧t<br />
⎪<br />
⎨t<br />
⎪<br />
⎩t<br />
( i)<br />
( j)<br />
( k)<br />
⎫<br />
⎪<br />
⎬ ≡<br />
⎪<br />
⎭<br />
[ σ ]<br />
ij<br />
⎡0<br />
≡<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎢⎣<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0 ⎤<br />
0<br />
⎥<br />
⎥<br />
σ ⎥ z ⎦<br />
Kako pa pri napetostih označujemo kateri ravnini pripadajo pa<br />
bomo spoznali v naslednjem podpoglavju.
TRDNOST 17<br />
Glede na prve oznake zapišimo napetostni vektor še po<br />
komponentah kjer indeksa 1 in 2 označujeta dve medseboj<br />
pravokotni smeri, ki ležita v ravnini preseka.<br />
Poglejmo si, kako z dvojnimi indeksi natančno opredelimo na<br />
katero ploskev in v kateri smeri deluje napetost.<br />
1.4. FUNKCIJSKA ODVISNOST NAPETOSTI OD LEGE TOČKE IN SMERI<br />
NORMALE PRESEKA<br />
Doslej smo opazovali samo napetostno stanje v eni sami točki.<br />
V splošnem je seveda napetostno stanje od točke do točke<br />
različno.<br />
Če lego točk podamo s krajevnim vektorjem r=r(x,y,z), v vsaki<br />
točki pa podamo še normalo n=(cosα,cosβ,cosγ) “pripadajoče<br />
ploskvice”, predstavljajo napetostni vektorji kar zvezno<br />
površinsko obremenitev podano kot vektorsko funkcijo p<br />
spremenljivk x,y,z ter smernih kosinusov normale<br />
( )<br />
t n<br />
( r)<br />
= p(<br />
x,<br />
y,<br />
z;<br />
cosα,<br />
cosβ,<br />
cos γ)<br />
.<br />
Če r določa neko poljubno (ukrivljeno) površino, tedaj<br />
prestavlja p njeno površinsko razporejeno obtežbo.<br />
Na sliki 1 je za zgled simbolično narisan graf poteka<br />
vrednosti normalne napetosti v ravnini, ki ima normalo v smeri<br />
x.<br />
ploskev<br />
x=konst<br />
y<br />
ploskev<br />
σ x(x=konst,y,z;n=(1,0,0)) ≡p x<br />
Slika 1. Z grafom prikazan potek normalne napetosti.<br />
x
TRDNOST 18<br />
Če imamo podan napetostni vektor na neki površini izračunamo<br />
rezultantno silo na tej površini z obratno operacijo kot smo<br />
iz rezultantnih sil izračunavali napetosti, to je z<br />
integriranjem napetosti po tej površini:<br />
dF<br />
( n)<br />
F = ∫ ( ) dS ≡ ∫ t dS .<br />
dS<br />
S<br />
S<br />
Za nadaljnja izvajanja je posebno pomemben primer, ko se lega<br />
normale ne spreminja in je v smeri ene izmed koordinatnih osi<br />
globalnega koordinatnega sistema. Tedaj izračunamo napetost v<br />
poljubni točki T2 iz podane napetosti in njenih odvodov v neki<br />
točki T1 s Taylorjevo vrsto (glej sliko 2, kjer je prikazana<br />
samo strižna komponenta).<br />
x<br />
z<br />
y<br />
n1<br />
T1(x1,y1,z1)<br />
n1<br />
σzy(T1)<br />
T2<br />
σzy(T2)=σzy(T1)+∆σzy<br />
∆r=(∆x,∆y,∆z)<br />
Slika 2. Razlika v napetostih med dvema točkama in presekoma z<br />
enako normalo.<br />
σij(x1<br />
+<br />
∆x, y1<br />
+ ∆y, z1<br />
+ ∆z)<br />
= σij(x1,<br />
y1,<br />
z1)<br />
+ ∆σij<br />
⎧∂σij<br />
∂σij<br />
∂σij<br />
⎫<br />
= σij(x1,<br />
y1,<br />
z1)<br />
+ ⎨ ∆x + ∆y + ∆z⎬<br />
x y z x1,<br />
y1,<br />
z1<br />
⎩ ∂ ∂ ∂ ⎭<br />
2<br />
1 ⎧ ∂ ∂ ∂ ⎫<br />
+ ⎨∆x<br />
+ ∆y + ∆z ⎬ .σij(x1,<br />
y1,<br />
z1)<br />
+ ...<br />
2! ⎩ ∂x<br />
∂y<br />
∂z<br />
⎭
TRDNOST 19<br />
1.5. NAPETOSTI IN NEWTONOVI ZAKONI<br />
Zakon o akciji in reakciji. Za vsako poljubno prerezno ploskev<br />
kontinuuma (slika 1) velja zaradi Newtonovega zakona o akciji<br />
in reakciji, da so napetosti na nasprotnih licih prereza<br />
nasprotno enake. Zato velja za napetostni vektor enačba<br />
t (n) = -t (−n) .<br />
Za napetosti, ki so njegove komponente, velja seveda enako.<br />
Zato si zapomnimo: ko so v izbranem koordinatnem sistemu<br />
napetosti na “licu” preseka z negativno normalo usmerjene v<br />
negativnih smereh koordinatnih osi, so napetosti na preseku s<br />
pozitivno normalo pozitivne (usmerjene v pozitivnih smereh<br />
izbranega koordinatnega sistema). To simbolično zapišemo z<br />
enačbo<br />
σ (n) ij = -σ (−n) ij, i,j=x,y,z.<br />
slika a<br />
S<br />
n<br />
t (-n)<br />
t (n)<br />
slika b<br />
Slika 1. Na sliki a je prikazana poljubna ploskev v<br />
kontinuumu, na sliki b pa napetostna vektorja na tej ploskvi,<br />
ki je zaradi preglednosti za vsako normalo narisana ločeno.<br />
-n
TRDNOST 20<br />
x<br />
z<br />
y<br />
n =(0,1,0)<br />
σyx<br />
σyz<br />
σy<br />
σyz<br />
isti presek – levo in desno “ lice”<br />
σy<br />
n =(0,-1,0)<br />
Slika 2. Na sliki je prikazana nasprotna enakost napetosti na<br />
ploskvi z normalo v pozitivni in z normalo v negativni smeri<br />
y-osi.<br />
Za zgled si poglejmo presek z normalo usmerjeno v pozitivni<br />
smeri y osi prikazanega koordinatnega sistema, ki je torej<br />
lokalni koordinatni sistem za levo “lice” preseka (slika 2),<br />
pozitivne napetosti pa so v pozitivnih smereh koordinatnih<br />
osi. Tedaj so za drugo lice preseka, ki ima normalo v<br />
negativni smeri, napetosti obratno usmerjene, torej v<br />
negativni smeri koordinatnih osi. Očitno je tudi, da pozitivna<br />
normalna napetost material “vleče”, negativna pa tlači, ne<br />
glede na to na katerem licu preseka opazujemo to napetost!<br />
Ravnotežne enačbe. Za telo, ki je v mirovanju velja, da je<br />
tudi vsak njegov del v ravnotežju. Poglejmo si diferencialno<br />
majhen volumski element - majhno kocko nekega poljubnega<br />
kontinuuma v ravnotežju, ki ima stranske ploskve vzporedno z<br />
izbranim koordinatnim sistemom. Na vse njene ploskvice<br />
delujejo napetosti (na sliki so zaradi preglednosti narisane<br />
komponente napetosti samo v ravnini x-y), v notranjosti pa še<br />
volumska sila f podana na enoto volumna (specifična teža).<br />
σyx
TRDNOST 21<br />
z<br />
y<br />
σx<br />
σxy<br />
x<br />
σy+∆σy<br />
σzx+∆σzx<br />
σyx<br />
∆x<br />
fy<br />
σzy+∆σzy<br />
σy<br />
fx<br />
σyx+∆σyx<br />
σxy+∆σxy<br />
σx+∆σx<br />
Slika 3. Napetosti in volumske sile, ki delujejo na majhno<br />
kocko v kontinuumu. Zaradi preglednosti so narisane samo na<br />
vidnih ploskvah in samo komponente v ravnini x,y.<br />
Rezultantne sile, ki delujejo na posamezne ploskvice so enake<br />
produktu napetosti na tej ploskvici ter velikosti ploskvice,<br />
volumske sile pa produktu specifičnih sil in volumna kocke. Za<br />
translatorno ravnotežje mora biti vsota vseh sil enaka nič.<br />
Za smer x dobimo ravnotežno enačbo<br />
(σx+∆σx).∆y.∆z - σx.∆y.∆z + (σyx+∆σyx).∆x.∆z + σyx.∆x.∆z<br />
+ (σzx+∆σzx).∆x.∆y - σzx.∆x.∆y + fx.∆x.∆y.∆z= 0<br />
Spremembe napetosti izrazimo s Taylorjevo vrsto<br />
∂σ x<br />
2<br />
∆σ x = σ x + ∆x+ O1(<br />
∆ )<br />
∂x<br />
∂σ yx<br />
2<br />
∆σ yx = σ yx + ∆y+ O2(<br />
∆ )<br />
∂y<br />
∂σ zx<br />
2<br />
∆σ zx = σ zx + ∆z+ O3(<br />
∆ ),<br />
∂z<br />
kjer smo z O(∆ 2 ) označili majhne količine drugega reda.<br />
Vstavimo jih v ravnotežno enačbo in okrajšamo nasprotne člene.<br />
Dobimo enačbo<br />
∆y
TRDNOST 22<br />
∂σ ∂σ x yx ∂σ zx<br />
( + + + fx). ∆∆∆ x y z+ O(<br />
∆) =<br />
∂x<br />
∂y<br />
∂z<br />
4<br />
0<br />
Enačbo še okrajšamo z volumnom elementa, to je z ∆x∆y∆z, in<br />
izvedemo limitni proces<br />
lim ∆ → 0<br />
tako, da se volumen kocke skrči v točko. Če so vsi odvodi<br />
napetosti zvezni, dobimo sledečo enačbo za ravnotežje v točki<br />
in v smeri x:<br />
∂σ ∂σ x yx ∂σ zx<br />
+ + + fx<br />
= 0.<br />
∂x<br />
∂y<br />
∂z<br />
Imenujemo jo ravnotežno enačbo za napetosti, kjer so zaradi<br />
limitnega procesa seveda vsi odvodi v (isti) točki. Enačba nam<br />
pove, da je za kontinuum, ki je v translatornem ravnotežju v<br />
smeri x, vsota parcialnih odvodov napetosti ter specifične<br />
volumske sile v smeri x enaka nič! Analogno dobimo iz enačb<br />
ravnotežja v y in z smeri še dve enačbi:<br />
∂σ xy ∂σ y ∂σ zy<br />
+ + + fy<br />
∂x<br />
∂y<br />
∂z<br />
= 0, y-smer<br />
∂σ ∂σ<br />
xz yz ∂σ z<br />
+ + + fz<br />
∂x<br />
∂y<br />
∂z<br />
= 0 , z-smer<br />
Gornje tri enačbe morajo izpolnjevati napetosti, ko je<br />
kontinuum v translatornem ravnotežju.<br />
Z dogovorom o oznaki sumacij ter odvajanju, ki ga je predlagal<br />
Einstein (sumacijski dogovor), lahko vse tri enačbe zapišemo v<br />
kompaktni obliki<br />
σki,k + fi = 0, i,k=x,y,z.<br />
ZGLED.<br />
Preverimo, ali napetosti v obešeni palici zadoščajo<br />
ravnotežnim enačbam?
TRDNOST 23<br />
slika Z.1.<br />
L<br />
x<br />
L-x<br />
x-os<br />
n<br />
Sx<br />
xy-os<br />
Označimo gostoto palice z ρ. Volumska sila teže fx = ρg deluje<br />
samo v smeri x. Normalno napetost v poljubnem preseku Sx, ki je<br />
za x oddaljen od koordinatnega začetka (podpore), dobimo iz<br />
teže preostalega dela palice (glej sliko Z.1). Njegova dolžina<br />
je L-x in teža G = ρgSx(L-x). Napetost je enaka σx(x) = G/Sx =<br />
ρg(L-x). Vse ostale napetosti so nične, zato sta ravnotežni<br />
enačbi v y in z smeri identično izpolnjeni. Za x smer pa je<br />
tedaj ravnotežna enačba glasi:<br />
∂σ<br />
∂x<br />
x<br />
+ f = 0 .<br />
x<br />
Če vanjo vstavimo izraz za normalno napetost<br />
σ x<br />
∂<br />
∂x<br />
∂<br />
=<br />
∂x<br />
ρg(L - x)<br />
= -ρρg<br />
ter za volumsko silo<br />
fx=ρg<br />
dobimo<br />
ρg(-1)+ ρg = 0<br />
kar pomeni, da napetost σx(x) in sila teže v palici<br />
izpolnjujeta ravnotežno enačbo.<br />
-o-<br />
Poleg enačbe translatornega ravnotežja mora biti izpolnjena še<br />
enačba za momentno ravnotežje za vsak njen volumski element.<br />
Za smer z, na primer, je vsota vseh momentov, ki delujejo na<br />
volumski element, enaka nič. Kot vemo, lahko točko za izračun<br />
momentov sil poljubno izberemo. Če momente za neskončno majhno<br />
kocko (glej sliko 3) računamo glede na levi spodnji rob in
TRDNOST 24<br />
zanemarimo diferencialno male količine četrtega reda, O(∆ 4 ),<br />
odpade vpliv volumskih sil, normalnih napetosti in razlik<br />
napetosti ∆σij. Tako ostane samo še vpliv strižnih napetosti σxy<br />
in σyx in momentna enačba glasi:<br />
σxy.∆y∆z.∆x - σyx.∆x∆z.∆y = 0.<br />
Po krajšanju dobimo enakost strižnih napetosti<br />
σxy = σyx.<br />
Analogno dobimo še za ostali dve momentni ravnotežni enačbi:<br />
σxz = σzx,<br />
σzy = σyz.<br />
Te enačbe povedo, da so v kontinuumu v ravnotežju strižne<br />
napetosti z enako kombinacijo indeksov enake. Zato je<br />
napetostni tenzor simetričen. Strižni napetosti v točki v<br />
poljubnih dveh medseboj pravokotnih presekih sta enaki, njuna<br />
vektorja pa sta zmeraj obrnjena tako, da se začetka ali konca<br />
puščic stikata (slika 4)!<br />
σik<br />
σki=σik<br />
Slika 4. Enakost strižnih napetosti v medseboj pravokotnih<br />
ravninah.<br />
1.6. TRANSFORMACIJA NAPETOSTI<br />
Mnogokrat se srečamo s problemom, da so za analizo konstrukcij<br />
pomembne napetosti v določenih ravninah vendar pa imamo<br />
napetosti oziroma napetostno stanje podano (izmerjeno ali<br />
izračunano) v nekih drugih ravninah. Postopek s katerim<br />
izračunamo napetosti v teh drugih ravninah je transformacija<br />
napetosti. Temu pravimo tudi, da napetosti transformiramo iz<br />
enega v drugi koordinatni sistem. Zaradi lažjega razumevanja<br />
bomo najprej izpeljali transformacijske enačbe za napetosti za<br />
ravninsko napetostno stanje z uporabo enostavnejše matematike,
TRDNOST 25<br />
kasneje pa še za prostorsko ali triosno napetostno stanje z<br />
uporabo teorije vektorske in matrične algebre.<br />
1.6.1. TRANSFORMACIJA RAVNINSKEGA NAPETOSTNEGA STANJA.<br />
Obravnavali bomo zvezo med napetostmi podanimi v koordinatnem<br />
sistemu x,y,z (slika 1.a) in napetostmi v isti točki v<br />
koordinatnem sistemu x',y',z' (slika 1.b), v smeri z osi pa<br />
nastopa samo normalna napetost in jo zato imenujemo glavna<br />
napetost. Oba koordinatna sistema imata enako z os. Tedaj se<br />
koordinatni sistem x,y,z transformira v x',y',z' z ravninsko<br />
transformacijo, pri tem se samo zarotirana okoli z osi, σz pa<br />
se pri tem seveda ne spremeni. Transformacijske enačbe, ki jih<br />
bomo izpeljali veljajo seveda tudi za čista ravninska<br />
napetostna stanja kjer je σz=0.<br />
z-os je<br />
glavna<br />
os<br />
y-os<br />
σ y<br />
σ z<br />
τyx<br />
σ x<br />
x-os<br />
rotacija<br />
koordinatnega<br />
sistema<br />
y’os<br />
σ y’<br />
σ z’=σ z<br />
z=z’os<br />
τ yx’<br />
Slika a Slika b<br />
x’os<br />
Slika 1a in b. Shematični prikaz ravninske transformacije<br />
napetosti iz koordinatnega sistema x,y,z (slika a) v<br />
koordinatni sistem x',y',z' (slika b), kjer sta z in z' osi<br />
enaki, v smeri z pa nastopa samo normalna napetost. Oba<br />
koordinatna sistema sta zaradi preglednosti narisana ločeno,<br />
napetosti pa so v isti točki in delujejo na ravnine pravokotno<br />
na osi koordinatnih sistemov.<br />
Imejmo podane napetosti v točki v dveh ortogonalnih ravninah<br />
(slika 2), ki sta v smereh osi x,y koordinatnega sistema.<br />
Lahko si zamišljamo, da smo iz stene z debelino 1, ki leži v<br />
ravnini x-y izrezali diferencialno majhen pravokotni<br />
trikotniški element za katerega poznamo napetosti na<br />
"katetnih" ploskvah. Računamo napetosti na hipotenuzni<br />
ploskvi, ki leži v smeri x’ osi koordinatnega sistema x’,y’,<br />
ki je za kot α zasukan glede na koordinatni sistem x,y. Vse<br />
napetosti v smeri z oziroma z’ osi pa so nične, ostale pa se s<br />
koordinato z naj ne spreminjajo.<br />
σ x’
TRDNOST 26<br />
α<br />
Slika 2. Napetosti, ki delujejo na diferencialno majhen<br />
trikotniški element s katetnima ploskvama v smereh x,y osi ter<br />
normalo hipotenuzne ploskve v smeri x’ osi.<br />
Za izpeljavo transformacijskih enačb bomo izhajali iz enačbe<br />
ravnotežja, ki velja za sile, ki so produkt napetosti in<br />
pripadajoče ploskve. Vse sile, ki delujejo na “diferencialni<br />
trikotnik” so si v ravnotežju. Normalno napetost na hipotenuzo<br />
lahko izračunamo iz ravnotežja sil v smeri x’. Tako dobimo<br />
enačbo<br />
σx’.ds - σx.dy.cosα - σy.dx.sinα - τxy.(dx.cosα+dy.sinα) = 0,<br />
kjer smo že upoštevali enakost strižnih napetosti. Volumske<br />
sile so diferencialno male količine višjega reda in so<br />
zanemarljive. Delimo enačbo z ds in upoštevajmo, da velja<br />
dx/ds = sinα in dy/ds = cosα,<br />
pa po preureditvi dobimo transformacijsko enačbo. Ta nam<br />
podaja za normalno napetost σx´ (zaradi enostavnosti zapisa jo<br />
označimo s σx') v koordinatnem sistemu x’y’ izračunano iz<br />
napetosti v sistemu x,y:<br />
σx' = σx.cos 2 α + σy.sin 2 α + τxy.sin2α<br />
Analogno dobimo iz ravnotežja v smeri y’ še strižno napetost v<br />
ravnini ds:
TRDNOST 27<br />
τxy' = -1/2.(σx-σy)sin2α + τxy.cos2α<br />
Za izračun normalne napetosti v smeri y’ pa moramo opazovati<br />
ravnotežje na trikotniku s hipotenuzno ravnino z normalo v<br />
smeri y’ osi (slika 3).<br />
n2<br />
y’<br />
σy’<br />
τyx<br />
τyx’<br />
σy<br />
Slika 3. Trikotniški element za izračun napetosti σ'y.<br />
Ravnotežna enačba v smeri y’ osi nam da napetost<br />
σy' = σy.cos 2 α + σx.sin 2 α - τxy.sin2α<br />
Te tri enačbe so transformacijske enačbe za ravninske<br />
napetosti.<br />
1.6.2. EKSTREMNE NORMALNE NAPETOSTI IN NJIHOVE SMERI ZA<br />
RAVNINSKO NAPETOSTNO STANJE.<br />
Lego koordinatnega sistema, kjer normalne napetosti zavzamejo<br />
ekstremne vrednosti dobimo z odvajanjem transformacijskih<br />
enačb za normalne napetosti po kotu α. Za prvo normalno<br />
napetost dobimo<br />
∂σxx<br />
'<br />
=<br />
∂α<br />
oziroma<br />
y<br />
α<br />
τxy<br />
∂ 2<br />
2<br />
( σxx<br />
. cos α + σyy.<br />
sin α + τxy.<br />
sin2α)<br />
= 0<br />
∂α<br />
− σ .. 2 cosα. sinα+ σ .. 2 cosα. sinα + τ . 2. cos2 α = 0.<br />
xx yy xy<br />
σx<br />
x<br />
x’
TRDNOST 28<br />
Z rešitvijo te enačbe pa je lega koordinatnega sistema, kjer<br />
nastopajo ekstremne normalne napetosti, določena s kotom α, ki<br />
izpolnjuje enačbo<br />
tan2α m<br />
oziroma<br />
2. τ xy<br />
=<br />
σ − σ<br />
xx yy<br />
τ<br />
α m =<br />
σ σ<br />
1<br />
2 arctan<br />
2.<br />
xy<br />
−<br />
xx yy<br />
π<br />
± n ,<br />
2<br />
kjer smo upoštevali, da je tangens periodična funkcija in ima<br />
zato več rešitev. Če označimo z α0 njeno glavno vrednost,<br />
dobimo enačbo<br />
α<br />
m<br />
= α<br />
0<br />
π<br />
1 2.τxy<br />
± n , n = 1,2,..., α0<br />
= (arctan ) . .<br />
2<br />
2 σ − σ<br />
xx<br />
Ta kot vstavimo v transformacijsko enačbo, vendar to naredimo<br />
posredno tako, da trigonometrične funkcije izrazimo najprej s<br />
tangensi dvojnih kotov, le-te pa z napetostmi. Samo za n=0 in<br />
1 so vrednosti αm različne, nato pa se ponavljajo. Zato<br />
upoštevajmo te razlike samo s predznakom ustrezne funkcije:<br />
2.cos<br />
= 1±<br />
= 1±<br />
= 1<br />
±<br />
2<br />
α<br />
m<br />
1+<br />
tan<br />
(σ<br />
= 1+<br />
cos(2α<br />
x<br />
1<br />
σ<br />
x<br />
x<br />
2<br />
1<br />
− σ<br />
2α<br />
y<br />
)<br />
2<br />
0<br />
2.τ xy<br />
1+<br />
(<br />
σ − σ<br />
y<br />
− σ<br />
y<br />
)<br />
2<br />
0<br />
+ 4.τ<br />
+ n.π )<br />
2<br />
xy<br />
Podobno dobimo še<br />
σ − σ<br />
= 1±<br />
cos2α<br />
2.sin 2 x y<br />
α m = 1m<br />
2 2<br />
( σx − σy) + 4.<br />
τxy<br />
in<br />
0<br />
yy<br />
⎧+<br />
za n = 0<br />
⎨<br />
⎩-<br />
za n = 1
TRDNOST 29<br />
sin2α<br />
m<br />
=±<br />
2.<br />
τ<br />
x − y<br />
xy<br />
2<br />
+ 4<br />
2<br />
xy<br />
( σ σ ) . τ<br />
.<br />
S substitucijo gornjih enačb v transformacijsko enačbo dobimo<br />
1 σx<br />
− σy<br />
1<br />
σxx 'ekst<br />
= σx<br />
( 1±<br />
) + σy<br />
( 1m<br />
2<br />
2<br />
( σ − σ ) + 4.<br />
τ<br />
2<br />
± τ<br />
xy<br />
( σ<br />
x<br />
2.<br />
τ<br />
− σ<br />
y<br />
x<br />
xy<br />
)<br />
2<br />
y<br />
+ 4.<br />
τ<br />
2 xy<br />
2 xy<br />
( σ<br />
x<br />
σ<br />
x<br />
− σ<br />
− σ<br />
y<br />
)<br />
2<br />
y<br />
+ 4.<br />
τ<br />
Rešitvi za ekstremni normalni napetosti sta dve in pripadata<br />
kotoma α0 in α0 + 90 0 . Praviloma jih označujemo z indeksoma 1<br />
in 2 (ali I in II), po dogovoru pa je večja vrednost označena<br />
z indeksom 1. Po ureditvi gornje enačbe dobimo enostavnejši<br />
obrazec<br />
1<br />
σx − σy<br />
σ12 , = ( σx + σy)<br />
± ( )<br />
2 2<br />
2 2<br />
+ τxy<br />
Ti ekstremni normalni napetosti imenujemo glavni napetosti,<br />
pripadajoči smeri pa imenujemo glavni smeri. Pomembno je, da<br />
si zapomnimo, da sta medsebojno pravokotni saj sta določeni s<br />
kotoma α0 in α0 + 90 0 . Koordinatni sistem z osmi v teh smereh<br />
imenujemo glavni koordinatni sistem.<br />
Glavni koordinatni sistem se odlikuje tudi po tem, da so v<br />
njem strižne napetosti nične. Če namreč αm vstavimo v<br />
transformacijsko enačbo za strižne napetosti, vidimo da so lete<br />
nične. Dokaz: v transformacijski enačbi<br />
τ’xy = -(1/2).(σx-σy)sin2αm + τxy.cos2αm<br />
izrazimo sinusno funkcijo z napetostmi<br />
2. τxy<br />
sin2αm = tan2αm. cos2 αm<br />
= .cos2α<br />
m<br />
σx − σy<br />
in po krajšanju dobimo<br />
τ’xy(αm)=0.<br />
2 xy<br />
)
TRDNOST 30<br />
Velja pa tudi obratno V koordinatnem sistemu, kjer so strižne<br />
napetosti nične, so normalne ekstremne. To hitro ugotovimo z<br />
rešitvijo enačbe<br />
τ’xy = -(1/2).(σx-σy)sin2αm + τxy.cos2αm = 0,<br />
ki nam da tangens kotov glavnih smeri<br />
sin2αm /cos2αm ≡ tan2αm = 2τxy/(σx-σy)<br />
Tako lahko glavni koordinatni sistem definiramo tudi tako, da<br />
rečemo, da je to sistem, kjer so strižne napetosti nične.<br />
To je potrebni in zadostni pogoj za glavni sistem.<br />
1.6.3. EKSTREMNE STRIŽNE NAPETOSTI<br />
Smeri teh napetosti dobimo z odvajanjem transformacijske<br />
enačbe na kot α:<br />
∂τ xy<br />
′<br />
∂α<br />
=<br />
∂<br />
∂α<br />
⎡ 1<br />
⎢−<br />
( σ<br />
⎣ 2<br />
xx<br />
− σ<br />
yy<br />
). sin2α<br />
+ τ<br />
xy<br />
⎤<br />
. cos2α⎥<br />
= 0 .<br />
⎦<br />
Rešitev za kot α, kjer nastopijo ekstremi, dobimo z delitvijo<br />
gornje enačbe s cos2α in nato s preureditvijo:<br />
cot2α m,<br />
oziroma<br />
τ<br />
τ =<br />
σ σ<br />
−<br />
−<br />
2. xy<br />
xx yy<br />
− 2.<br />
τxy<br />
π<br />
αm, τ = arctan ± n .<br />
σ − σ 2<br />
xx<br />
yy<br />
Rešitev je očitno več. S temi koti dobimo ekstremne vrednosti<br />
za strižne napetosti iz transformacijske enačbe s podobnim<br />
pretvarjanjem trigonometričnih funkcij kot pri izračunu<br />
ekstremnih normalnih napetosti. Končni rezultat pa je<br />
σ − σ<br />
2<br />
= τ xy ,<br />
2<br />
x y 2<br />
τ(α m, τ ) ± ( ) +<br />
kjer velja + za n=0 in - za n=1. Ravnine ekstremnih strižnih<br />
napetosti pa v splošnem niso proste normalnih napetosti,<br />
njihova lega pa je za 45° zasukana glede na glavni sistem, saj<br />
velja
TRDNOST 31<br />
cot2( α<br />
m, σ1<br />
= −tan2α<br />
torej<br />
cot2α<br />
+ 45°<br />
) =<br />
cot2α<br />
m, σ1<br />
α + °= α<br />
= −<br />
σ<br />
m, σ145 m, τ<br />
x<br />
2τ<br />
− σ<br />
y<br />
m, σ1<br />
m, σ1<br />
. cot90<br />
−1<br />
−1<br />
=<br />
o<br />
+ cot90<br />
cot2α<br />
= cot2α<br />
o<br />
m, τ<br />
m, σ1<br />
1.6.4. GRAFIČNA PREDSTAVITEV NAPETOSTNIH STANJ IN NJIHOVIH<br />
TRANSFORMACIJ - MOHROVI KROGI.<br />
Prostorsko in ravninsko napetostno stanje ter njihove<br />
transformacije lahko zelo nazorno prikazujemo in študiramo<br />
grafično z Mohrovimi krogi. Tak grafičen način je posebno<br />
enostaven predvsem za ravninsko napetostno stanje ter tudi za<br />
analizo v inženirski praksi pogosto nastopajočih prostorskih<br />
napetostnih stanj, kjer je imamo v eni ravnini samo normalne<br />
napetosti (glavna ravnina), zanimajo pa nas samo rotacije<br />
koordinatnega sistema okoli normale te glavne ravnine (glej<br />
sliko 1). Čisto je tedaj, ko je še normalna napetost v z smeri<br />
nična.<br />
rotacija<br />
koordinatnega<br />
sistema<br />
y-os<br />
z-os je<br />
glavna os<br />
Napetosti<br />
σx,σy in τxy<br />
x-os<br />
Slika 1. Shematični prikaz napetostnega stanja ter rotacije<br />
koordinatnega sistema, ki ga lahko tudi analiziramo z<br />
Mohrovimi krogi za ravninsko napetostno stanje.<br />
Omejimo se samo na zgoraj omenjene primere ravninskih<br />
transformacij. Zmeraj izberemo koordinatni sistem tako, da je<br />
z os glavna os in je napetostno stanje podano z napetostmi<br />
⎡σxτ<br />
⎢<br />
σ= ⎢ τ σ<br />
⎣<br />
⎢ 0 0<br />
y<br />
0<br />
0<br />
σ ≡ σ<br />
zz III<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥ .<br />
⎦<br />
⎥<br />
(1)
TRDNOST 32<br />
Napetostna stanja ter njihove transformirane vrednosti<br />
prikazujemo s točkami v koordinatnem sistemu, kjer so na<br />
abscisi normalne napetosti na ordinati pa strižne napetosti.<br />
Dokazali bomo, da vsi pari točk (σx, -τ) in (σy, τ), katerih<br />
vrednosti σx, σy in τ določajo isto napetostno stanje, vendar<br />
v različnih koordinatnih sistemih x-y, ležijo na istem krogu<br />
(slika 2). Pri tem središče kroga C zmeraj leži na abscisi,<br />
njegova oddaljenost OC od začetka koordinatnega sistema pa je<br />
enaka povprečju normalnih napetosti<br />
1<br />
2<br />
1<br />
2<br />
OC ≡ σo = ( σx + σy) = ( σI + σII),<br />
(2)<br />
Iz slike (2) je razvidno, da sta s sečiščem kroga z absciso<br />
določeni vrednosti glavnih napetosti σI in σII v ravnini x-y,<br />
saj ti sečišči določata ekstremne vrednosti normalnih<br />
napetosti, hkrati pa je strižna napetost nična, kot je to<br />
značilno za glavne napetosti! Iz slike še vidimo, da je radij<br />
kroga enak<br />
2 2<br />
r = CB + BD =<br />
in tudi<br />
⎛ σ − σ<br />
⎜<br />
⎝ 2<br />
x y<br />
2<br />
⎞<br />
⎟ 2<br />
+ τ (3a)<br />
⎠<br />
r = 0,5.(σI - σII). (3b)<br />
O<br />
τ-os<br />
σII<br />
točka (σy,τxy)<br />
točka (σx,-τxy)<br />
A<br />
E’<br />
C<br />
E<br />
r<br />
Mohrov<br />
krog<br />
2α (pozitivna rotacija)<br />
B<br />
D<br />
σI<br />
σ-os<br />
Slika 2. Mohrov krog za napetosti.<br />
Točki E in E' določata exstremne strižne napetosti in tako je<br />
radij kroga enak absolutni ekstremni strižni napetosti!
TRDNOST 33<br />
Točki (σx, -τ) in (σy, τ) ležita na nasprotnih konceh premera<br />
kroga, kjer je točka (σx, -τ) zasukana okoli središča kroga za<br />
kot 2α glede na absciso. Pri tem moramo obravnavati protiurno<br />
smer za pozitivno smer rotacije kota α.<br />
Dokažimo sedaj, da s tako grafično predstavitvijo vrednosti<br />
koordinat točk (σx, -τ) in (σy, τ) natanko odgovarjajo<br />
transformaciji napetosti iz glavnega koordinatnega sistema v<br />
sistem x-y, kjer je x-os zasukana glede na prvo glavno os, to<br />
je os I, za kot α. Pri tem pa mora biti z σI označena večja<br />
glavna napetost, torej<br />
σI > σII. (4)<br />
V transformacijskih enačbah<br />
σx = σI.cos 2 α + σII.sin 2 α (5a)<br />
τxy = -0,5.(σI-σII)sin2α (5b)<br />
nadomestimo trigonometrični funkciji enojnega kota s<br />
funkcijami dvojnega α, ki nastopa na sliki (2), torej<br />
sin 2 α = 0,5.(1-cos2α) (6a)<br />
cos 2 α = 0,5.(1+cos2α). (6b)<br />
Transformacijski enačbi preideta v obliko<br />
σx = 0,5.(σI + σII) + 0,5.(σI - σII).cos2α (7a)<br />
τxy = -0,5.(σI - σII)sin2α, (7b)<br />
ki natančno predstavlja parametrično enačbo kroga s parametrom<br />
t=2α ter radijem in lego središča podano z enačbama 2 in 3,<br />
torej<br />
σx = σo + r.cos(t) (8a)<br />
-τxy = r.sin(t). (8b)<br />
Gornja izvajanja veljajo za poljubni kot α. Tako smo dokazali,<br />
da točke (σx,-τxy), določene z normalno napetostjo σx ter<br />
strižno napetostjo z obratnim predznakom -τxy ležijo na krogu.<br />
Podobno ugotovimo še za točke (σy,τxy). S substitucijo (6)<br />
preide transformacijska enačba<br />
σy = σI.sin 2 α + σII.cos 2 α,<br />
v enačbo
TRDNOST 34<br />
σy = 0,5.(σI + σII) - 0,5.(σI - σII).cos2α.<br />
oziroma<br />
σy = r + r.cos(2α+π). (9a)<br />
Drugo transformacijsko enačbo<br />
τxy = -0,5.(σI - σII)sin2α<br />
pa lahko zapišemo kot<br />
τxy = r.sin(2α+π) (9b)<br />
Enačbi (9a in 9b) predstavljata parametrično enačbo istega<br />
kroga kot za točke (σx,-τxy). Parameter je isti, t=2α, vendar pa<br />
točke (σy,τxy) “prehitevajo” točke (σx,-τxy) za pol kroga in so<br />
tako na nasprotni strani središča kroga.<br />
Iz Mohrovega kroga pa lahko ugotovimo tudi (relativno)<br />
medsebojno lego glavnega koordinatnega sistema ter<br />
koordinatnega sistema x-y. Prvo glavno smer, smer I, postavimo<br />
v smeri pozitivne smeri osi normalnih napetosti, to je σ-os v<br />
σ-π diagramu, drugo glavno smer, to je smer II, pa v smeri osi<br />
strižnih napetosti - to je v pozitivni smeri τ osi. Pri<br />
ugotavljanju lege x-osi se spomnimo, da so obodni koti v krogu<br />
enaki polovici središčnega kroga. Zaradi tega je kot med<br />
usmerjeno daljico, ki jo dobimo s povezavo točke na abscisi<br />
(σII,0), ki jo določa manjša glavna napetost, in točke (σx,-τxy)<br />
ter pozitivno smerjo σ osi natanko enak kotu α, ki predstavlja<br />
medsebojni zasuk med koordinatnima sistemoma x-y in I-II (glej<br />
sliko 3).
TRDNOST 35<br />
O<br />
τ os → II glavna smer<br />
y-os<br />
σII<br />
točka (σy,τxy)<br />
α obodni kot<br />
π/2 kot nad<br />
premerom<br />
x-os<br />
2α središčni kot<br />
točka (σx,-τxy)<br />
σ os → I glavna smer<br />
σI ≥ σII<br />
Slika 3. Ugotavljanje medsebojne lege glavnega sistema ter<br />
koordinatnega sistema x-y.<br />
Lego in smer y osi dobimo tako, da povežemo točki (σy,τxy) ter<br />
(σII,0) saj kot med tako konstruiranima x in y osema prestavlja<br />
obodni kot nad premerom kroga, ki je, kot vemo, enak 90°.<br />
Njena smer je od točke (σy,τxy) k točki (σII,0) saj le tako<br />
tvori z z osjo oziroma s tretjo glavno smerjo desni pravokotni<br />
koordinatni sistem.<br />
V gornjih izvajanjih smo torej dokazali, da lahko z Mohrovim<br />
krogom grafično ugotovimo velikosti napetosti kot tudi<br />
narišemo glede na koordinatni sistem relativno lego ravnin v<br />
katerih delujejo. Na sliki 4 so shematično narisane lege teh<br />
ravnin in napetosti.
TRDNOST 36<br />
σII<br />
σI<br />
σy<br />
II glavna smer<br />
y-os<br />
τxy(
TRDNOST 37<br />
σx = σI.cos 2 α + σII.sin 2 α<br />
= 2,6180.cos 2 58,284°+0,3820MPa.sin 2 58,284°=1MPa,<br />
σy = σI.sin 2 α + σII.cos 2 α<br />
= 2,6180.sin 2 58,284°+0,3820MPa.cos 2 58,284°=2MPa,<br />
τxy = -1/2.(σI-σII)sin2α<br />
=-1/2(2,6180-0,3820)MPa.sin2.58,284°=-1MPa.<br />
Točka (σx,-τxy) =(2,1)MPa leži v drugem kvadrantu, grafični<br />
prikaz pa je na sliki 5a.<br />
Slika 5.a. Kot zasuka radija za 2α je v drugem kvadrantu in s<br />
tem je točka (σx,-τxy) =(1,1)MPa tudi v drugem kvadrantu.<br />
Tretji kvadrant. Koordinatni sistem x-y zasučemo glede na I-II<br />
sistem za α=-58,284°. Lahko ga pa zasučemo za α+180°=-<br />
58,284°+180°=148,2825° v sistem x’-y’ in kot vemo, dobimo iste<br />
napetosti (glej sliko 5b):<br />
σx = σI.cos 2 α + σII.sin 2 α<br />
= 2,6180.cos 2 (-58,284°)+0,3820MPa.sin 2 (-58,284°)=1MPa,<br />
σy = σI.sin 2 α + σII.cos 2 α<br />
= 2,6180.sin 2 (-58,284°)+0,3820MPa.cos 2 (-58,284°)=2MPa,<br />
τxy = -1/2.(σI-σII)sin2α<br />
=-1/2(2,6180-0,3820)MPa.sin2(-58,284°)=1MPa.<br />
Točka (σx,-τxy) =(1,-1)MPa leži v tretjem kvadrantu, grafični<br />
prikaz pa je na sliki 5b.
TRDNOST 38<br />
Slika<br />
5.b. Kot zasuka radija za 2α je v tretjem kvadrantu in s tem<br />
je točka (σx,-τxy) =(1,1)MPa tudi v tretjem kvadrantu.<br />
Četrti kvadrant. Koordinatni sistem x-y zasučemo glede na I-II<br />
sistem za α=-31,7175° ali pa ga zasučemo za α+180°=-<br />
31,7175°+180°=148,2825° v sistem x’-y’ in kot vemo, dobimo<br />
iste napetosti (glej sliko 5c):<br />
σx = σI.cos 2 α + σII.sin 2 α<br />
= 2,6180.cos 2 (-31,7175°)+0,3820MPa.sin 2 (-31,7175°)=2MPa,<br />
σy = σI.sin 2 α + σII.cos 2 α<br />
= 2,6180.sin 2 (-31,7175°)+0,3820MPa.cos 2 (-31,7175°)=1MPa,<br />
τxy = -1/2.(σI-σII)sin2α<br />
=-1/2(2,6180-0,3820)MPa.sin2(-31,7175°)=1MPa.<br />
Točka (σx,-τxy) =(2,-1)MPa leži v četrtem kvadrantu, grafični<br />
prikaz pa je na sliki 5c.
TRDNOST 39<br />
Slika 5.c. Kot zasuka radija za 2α je v četrtem kvadrantu in s<br />
tem je točka (σx,-τxy) =(2,1)MPa tudi v četrtem kvadrantu.<br />
Grafična predstavitev transformacije napetostnega stanja iz<br />
poljubnega koordinatnega sistema x-y v glavni koordinatni<br />
sistem I-II ter v neki drugi koordinatni sistem x’-y’ za<br />
razliko od prejšnjih izvajanj zahteva samo, da najprej<br />
narišemo v σ-τ diagramu točki (σx,-τxy) in (σy,τxy), na polovici<br />
zveznice teh točk pa označimo središče kroga, ki nam ob enem<br />
da tudi radij Mohrovega kroga. Na desnem sečišču kroga z<br />
absciso dobimo večjo glavno napetost σI, na drugem pa manjšo,<br />
to je σII (glej sliko 6). Dvojni kot medsebojnega zasuka osi x<br />
in I je enak kotu med lego radija, ki ga določa točka (σx,-τxy)<br />
in pozitivno smerjo σx osi.<br />
Pri tem velja omeniti, da nam grafična rešitev da že pravilni<br />
kot med x-y ter I-II sistemom, medtem ko je pri analitični<br />
rešitvi pravilni kot treba ugotavljati s preverjanjem enačbe<br />
α<br />
I<br />
− τxy<br />
π π<br />
= Pr( atan ) ± n = αo<br />
± n<br />
σ − σ 2 2<br />
x y<br />
tako, da kot vstavimo v transformacijsko enačbo<br />
σm = σx.cos 2 αI + σy.sin 2 αI + τ.sin2αI.<br />
Tisti izmed kotov αo in αo+π/2, ki da večjo σm določa smer<br />
večje glavne napetosti. Druga smer pa je taka, da osi I in II
TRDNOST 40<br />
tvorijo desni koordinatni, torej je os II za +π/2 zasukana<br />
glede na os I.<br />
Transformirane napetosti v nekem drugem koordinatnem sistemu<br />
x’-y’, ki je za α’ zasukan glede na x-y sistem pa dobimo z<br />
rotacijo lege radija, ki jo določa središče kroga in C in<br />
točka (σx,-τxy) za kot 2α’. Pri tem seveda protiurna smer<br />
rotacije predstavlja pozitivni kot (slika 6).<br />
Slika 6. Shematični prikaz transformacij iz koordinatnega<br />
sistema I-II v sistem x-y in obratno, ter iz sistema x-y v<br />
sistem x’-y’.
TRDNOST 41<br />
1.6.4.1.Nekatera značilna napetostna stanja prikazana z<br />
Mohrovimi krogi.<br />
Enoosni nateg<br />
σI<br />
Stanje čistega striga<br />
σI<br />
Enoosni tlak<br />
II<br />
σII =-σI<br />
II<br />
II<br />
I<br />
σII =-σI<br />
I<br />
σI<br />
σI<br />
τ<br />
σII=0 σI σ<br />
σII =-σI σI σ<br />
I<br />
=<br />
τ<br />
τ =σII/2<br />
τ = σI<br />
τeks =σI<br />
σII<br />
σII<br />
σII<br />
σI =0<br />
σI<br />
σI<br />
τ<br />
α=45°<br />
σ<br />
x<br />
I
TRDNOST 42<br />
Največje strižne napetosti so pri enoosnem tlaku ( in tudi<br />
nategu) enake eni polovici tlačnih napetosti. Ker nekateri<br />
materiali zelo slabo prenašajo strige, tlake pa zelo dobro,<br />
lahko s prečno obremenitvijo strig zmanjšamo. V skrajnem<br />
primeru, ko so tlačne napetosti v obeh smereh enake dobimo<br />
stanje hidrostatičnega tlaka. V tem stanju so vse normalne<br />
napetosti enake, strižnih pa sploh ni. Mohrov krog se reducira<br />
v točko.<br />
τ<br />
σII<br />
II<br />
σI =σII<br />
σII<br />
Stanje hidrostatičnega pritiska<br />
I<br />
σI =σII<br />
σI =σII<br />
1.6.5. TRANSFORMACIJA TRIOSNEGA (PROSTORSKEGA) NAPETOSTNEGA<br />
STANJA.<br />
To transformacijo bi lahko seveda izpeljali na enak način kot<br />
za dvoosno napetostno stanje, vendar pa je na tak način<br />
potrebno precej obsežno in zato nepregledno pisanje. Zaradi<br />
kompaktnejšega zapisa, ki je tudi bolj pregleden in hkrati<br />
fizikalno bolj pomenljiv, se pravilom v literaturi uporabljata<br />
še dva zapisa količin, ki nastopajo v mehaniki kontinuumov.<br />
Prvi zapis je matrični zapis, ki pri operacijah z vektorji<br />
upošteva pravila matrične algebre, drugi način pa je indeksni<br />
zapis, ki upošteva računska pravila tenzorske algebre. Oznake<br />
in zapisi pa žal v različnih literaturah niso enotne, zato v<br />
dodatku A podajmo definicije oznak, ki jih bomo v nadaljnjem<br />
tekstu uporabljali.<br />
Izpeljimo transformacijske enačbe s pomočjo matričnega zapisa<br />
količin. Opazujmo ravnotežje sil, ki delujejo na<br />
diferencijalno majhnem tetraedru, ki smo ga navidezno izrezali<br />
iz nekega obremenjenega kontinuuma. Normale stranskih ploskev<br />
dSx, dSy, dSz so medseboj ortogonalne in naj ležijo v smereh<br />
osi koordinatnega sistema x,y,z (slika 1).<br />
Komponente napetostnega vektorja v sistemu x,y,z na poševni<br />
ploskvi dobimo iz ravnotežnih enačb v smereh osi tega sistema.<br />
Na sliki 1 so narisane samo komponente sil v y smeri.<br />
τ=0<br />
σ
TRDNOST 43<br />
σy<br />
x<br />
σyx<br />
σxy<br />
z<br />
dSy<br />
dS<br />
dSz<br />
n<br />
t (n)<br />
Slika 1. Obremenjeni tetraeder v kontinuumu. Zaradi<br />
preglednosti so narisane samo napetosti v smeri y ter<br />
napetostni vektor in njegove komponente na poševni ploskvi dS,<br />
ki določajo sile v y smeri, ki so v ravnotežju.<br />
t (n) x.dS - σxx.dSx - σyx.dSy - σzx.dSz =0<br />
t (n) y dS - σxy.dSx -σyy.dSy - σzy.dSz =0<br />
t (n) z dS -σxz.dSx - σyz.dSy - σzz.dSz =0<br />
Ker iz matematike vemo, da je normala poševne ploskvice podana<br />
z vektorjem<br />
n =(dSx, dSy, dSz)/dS ,<br />
lahko rešitve za komponente napetostnega vektorja na ravnini z<br />
normalo n zapišemo<br />
t (n) x = σxx.nx + σyx.ny + σzx.nz<br />
t (n) y = σxy.nx + σyy.ny + σzy.nz<br />
t (n) z = σxz.nx + σyz.ny + σzz.nz<br />
-***-<br />
y<br />
tz (n)<br />
ty (n)<br />
tx (n)<br />
Če napetostni vektor in vektor normale zapišemo z matrikama,<br />
po dogovoru kot enostolpčni matriki<br />
( n)<br />
⎡t<br />
⎤ ⎡ ⎤<br />
x n x<br />
( n)<br />
⎢ ( n)<br />
⎥ ⎢ ⎥<br />
t = ⎢t<br />
y ⎥ , n = ⎢n<br />
y ⎥<br />
( n)<br />
⎣<br />
⎢t<br />
⎦<br />
⎥<br />
⎣<br />
⎢<br />
⎦<br />
⎥<br />
z n z<br />
,
TRDNOST 44<br />
lahko sistem enačb za izračun napetostnega vektorja v<br />
koordinatnem sistemu x,y,z na poševni ploskvi z normalo n<br />
zapišemo v kompaktni obliki<br />
t (n) = σ.n<br />
,kjer smo napetostni tenzor zapisali z debelo črko σ in<br />
upoštevali njegovo simetričnost.<br />
Komponente tega napetostnega vektorja v koordinatnem sistemu<br />
x’,y’,z’, to je lokalni koordinatni sistem na poševno ploskev,<br />
kjer je x’ os v smeri normale (glej sliko 2)<br />
x<br />
z<br />
z’<br />
( )<br />
t’x ξ1<br />
t (n) =t ( ) ξ1 y’<br />
n=ξ1 → os x ’<br />
y<br />
( )<br />
t’y ξ1<br />
( )<br />
t’z ξ1<br />
Slika 2. Razstavitev napetostnega vektorja po komponentah v<br />
lokalnem koordinatnem sistemu x’,y’,z’. Na sliki je prikazan<br />
primer, ko je normala n na poševno ploskev dS v smeri x’ osi<br />
oziroma je enaka prvemu baznemu vektorju ξ1 lokalnega<br />
koordinatnega sistema x’,y’,z’.<br />
dobimo enostavno s transformacijo napetostnega vektorja iz<br />
sistema x,y,z v sistem x’,y’,z’ (pasivna transformacija). Če<br />
transformacijsko matriko označimo z A dobimo enačbo<br />
t’ (n) = A.t (n)<br />
,kjer je komponenta tx’ (n) =σ’x normalna napetost, ty’ (n) in tz’ (n)<br />
pa sta strižni napetosti σ’xy in =σ’xz na poševni ploskvi.
TRDNOST 45<br />
ZGLED.<br />
V koordinatnem sistemu x,y,z (slika Z.1.)<br />
x<br />
z’<br />
a<br />
z<br />
( )<br />
t’x ξ1<br />
a<br />
t (n)<br />
y’<br />
n=ξ1→x ’<br />
Slika Z.1. Tetraeder, ki ima enake stranske robove in osnovno<br />
(poševno) ploskev, ki določa oktaedrično ravnino v prvem<br />
oktantu.<br />
je podano napetostno stanje<br />
⎡1<br />
2 2⎤<br />
σ =<br />
⎢<br />
2 3 4<br />
⎥<br />
⎢ ⎥<br />
kPa .<br />
⎢⎣<br />
2 4 5⎥⎦<br />
Izračunaj napetostni vektor v oktaedrični ravnini v prvem<br />
oktantu<br />
(a) v (globalnem) koordinatnem sistemu x,y,z ter<br />
(b) v lokalnem koordinatnem sistemu x’,y’,z’, kjer je os x’ v<br />
smeri normale na oktaedrično ravnino, z’ pa je obrnjena<br />
navzgor in leži na simetrali oktaedrične ploskve (glej sliko<br />
Z.1). Tedaj je y’ je vzporedna z ravnino y-z.<br />
Rešitev. (a) Normala je pri tej oktaedrični ravnini podana z<br />
vektorjem<br />
(1, 1, 1)<br />
n = ,<br />
3<br />
napetostni vektor pa je<br />
⎡t<br />
⎢<br />
⎢t<br />
⎢<br />
⎣t<br />
( n)<br />
x<br />
( n)<br />
y<br />
( n)<br />
z<br />
⎤ ⎡1<br />
⎥ ⎢<br />
⎥ = σn =<br />
⎢<br />
2<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎢⎣<br />
2<br />
2<br />
3<br />
4<br />
2⎤<br />
⎡1⎤<br />
4<br />
⎥<br />
kPa.<br />
⎢<br />
1<br />
⎥<br />
⎥ ⎢ ⎥<br />
5⎥⎦<br />
⎢⎣<br />
1⎥⎦<br />
⎡ 5 ⎤<br />
1 1<br />
=<br />
⎢<br />
9<br />
⎥<br />
kPa<br />
3 ⎢ ⎥ 3<br />
⎢⎣<br />
11⎥⎦<br />
(b) Transformacijska matrika iz koordinatnega sistema x,y,z v<br />
sistem x’,y’,z’ je določena s smernimi vektorji osi lokalnega<br />
y
TRDNOST 46<br />
koordinatnega sistema, ki so podani v (globalnem) koordinatnem<br />
sistemu x,y,z,<br />
ξ =<br />
1<br />
ξ 2 =<br />
n<br />
(-1, 1, 0)<br />
2<br />
(-1, -1,<br />
2)<br />
ξ 3 = .<br />
6<br />
Torej je transformacijska matrika enaka<br />
T ⎡ ⎤ ⎡ 1 1 1<br />
ξ<br />
⎤<br />
1 3 3 3<br />
⎢ T ⎥ ⎢ ⎥<br />
−1<br />
1<br />
A = ⎢ξ<br />
2 ⎥ = ⎢ 0<br />
2 ⎥ ,<br />
2<br />
⎢ T ⎥ ⎢ −1<br />
−1<br />
2 ⎥<br />
⎣ξ<br />
3 ⎦ ⎣ 6 6 6 ⎦<br />
napetostni vektor v lokalnem koordinatnem sistemu pa je<br />
(n) / ⎡t'<br />
⎤ ⎡σ<br />
⎤ ⎡ 1 1 1 ⎤<br />
x<br />
xx<br />
⎡ 5 ⎤ ⎡8,33⎤<br />
3 3 3<br />
( n)<br />
⎢ (n) ⎥ ⎢ / ⎥ ( n)<br />
⎢ ⎥<br />
−1<br />
1<br />
1<br />
t ' = t'y<br />
σ xy<br />
0 .<br />
⎢<br />
9<br />
⎥<br />
kPa<br />
⎢<br />
1,63<br />
⎥<br />
⎢ ⎥ ≡ ⎢ ⎥ = At = ⎢<br />
= kPa<br />
2 2 ⎥ ⎢ ⎥<br />
(n) /<br />
1 1 2 3 ⎢ ⎥<br />
.<br />
⎢t'<br />
⎥ ⎢<br />
z σ ⎥ ⎢ − − ⎥<br />
⎣ ⎦ ⎣<br />
⎢<br />
xz ⎦<br />
11⎥<br />
⎢0,71⎥<br />
⎣ 6 6 6 ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦<br />
-o-<br />
Transformacija napetostnega tenzorja.<br />
Napetostni tenzor v nekem koordinatnem sistemu x,y,z z<br />
ortogonalno bazo ei (i=1,2,3), imenujmo jo stara baza, je kot<br />
vemo podan z napetostnimi vektorji v treh ravninah z normalami<br />
v smeri baznih vektorjev (v smeri koordinatnih osi). Če<br />
upoštevamo njegovo simetrijo, ga zapišemo<br />
( e1<br />
) ( e2<br />
) ( e3<br />
)<br />
[ t t t ]<br />
σ = .<br />
V novem koordinatnem sistemu x’,y’,z’ z ortogonalno bazo ξi’<br />
(i=1,2,3) pa je napetostni tenzor podan z napetostnimi<br />
vektorji v treh ravninah, katerih normale so v smereh novih<br />
koordinatnih osi<br />
(ξ ) (ξ ) (ξ )<br />
[ ]<br />
σ'= t' t' t'<br />
1 2 3 .<br />
S transformacijsko enačbo podamo te napetostne vektorje v<br />
starem koordinatnem sistemu
TRDNOST 47<br />
(ξ<br />
t' i) (ξ )<br />
= A. t i , i = 1, 2, 3,<br />
le-te pa izrazimo z napetostnim tenzorjem<br />
t<br />
(ξ i )<br />
=σ .ξ , i = 1, 2, 3.<br />
i<br />
Z gornjima enačbama je izrazimo napetostni tenzor σ’, ki je v<br />
novem koordinatnem sistemu z napetostnim tenzorjem σ, ki je<br />
podan v starem koordinatnem sistemu in s transformacijsko<br />
matriko A, ki transformira koordinate iz starega v novi<br />
koordinatni sistem:<br />
[ . .ξ . .ξ . .ξ ] . . [ ξ ξ ξ ]<br />
σ'= Α σ Α σ Α σ = Α σ<br />
1 2 3 1 2 3<br />
oziroma krajše zapisano<br />
T<br />
σ' = Α. σ. Α<br />
Transformacijske enačbe v komponentnem zapisu (tenzorski<br />
notaciji) in s sumacijskim dogovorom (glej dodatek A.2)<br />
Transformacija komponent vektorjev in tenzorjev iz<br />
Kartezijevega koordinatnega sistema z bazo e1, e2 in e3 v<br />
koordinatni sistem z bazo ξ1, ξ2 in ξ3 naj bo podana z<br />
vrednostmi aij, ki so kosinusi kotov med x’i in xj osmi. Torej<br />
aik=cos(ξi,ek), i,k=1,2,3.<br />
Tedaj zapišemo transformacijo napetostnega tenzorja iz baze e1,<br />
e2 in e3 v bazo ξ1, ξ2 in ξ3 direktno iz prej izpeljanega<br />
matričnega zapisa z enačbo<br />
σ' ij ik . σkm. mj . . σ<br />
T<br />
= a a ≡ aik ajmkm<br />
,<br />
kjer so<br />
i,j,k,m = 1,2,3.<br />
Napetostni vektor na ravnino z normalo n pa zapišemo<br />
ti (n) = σij.nj<br />
in ga transformiramo v iz baze e1, e2 in e3 v bazo ξ1, ξ2 in ξ3<br />
z enačbo<br />
t’i (n) = aij. tj (n)
TRDNOST 48<br />
1.6.6. GLAVNI KOORDINATNI SISTEM.<br />
Ker se za isto napetostno stanje komponente napetosti<br />
spreminjajo z lego koordinatnega sistema, morajo doseči v<br />
nekem koordinatnem sistemu normalne napetosti ekstremne<br />
vrednosti. Za inženirsko analizo so te napetosti odločilne,<br />
zato jim dajemo, kot smo že omenili pri ravninskem napetostnem<br />
stanju, posebno ime. To so glavne napetosti, pripadajoči<br />
koordinatni sistem pa glavni koordinatni sistem. Očitno je, da<br />
glavni koordinatni sistem in napetosti ugotavljamo z iskanjem<br />
ekstremov normalnih napetosti. Ta izračun je relativno<br />
enostaven za ravninsko napetostno stanje, za prostorsko<br />
napetostno stanje pa je primernejše, da izračun lege glavnega<br />
koordinatnega sistema in napetosti formuliramo kot problem, ki<br />
je v matematiki poznam kot problem lastnih vrednosti. Pokazali<br />
bomo še, da je problem lastnih vrednosti identičen s problemom<br />
vezanih ekstremov, ki zagotavlja, da zavzamejo v lastnem<br />
koordinatnem sistemu normalne napetosti ekstremne vrednosti.<br />
x<br />
z<br />
n<br />
t (n) =λ.n=σn.n<br />
Slika 1. Ravnina, kjer je napetostni vektor kolinearen z njeno<br />
normalo.<br />
Najprej postavimo zahtevo, da iščemo tiste ravnine, kjer<br />
nastopajo samo normalne napetosti. Torej je napetostni vektor<br />
kolinearen z normalo (glej sliko 1) in to zahtevo zapišemo z<br />
enačbo<br />
( n)<br />
t = λ . n,<br />
V tej enačbi λ očitno predstavlja normalno napetost σn, strižne<br />
napetosti pa so tedaj nične!<br />
y
TRDNOST 49<br />
Če napetostni vektor izrazimo z napetostnim tenzorjem, t (n) =σn,<br />
in enačbo malo preuredimo, dobimo enačbo problema lastnih<br />
vrednosti:<br />
(σ − λI) n= 0 .<br />
Skalarje λ in vektorje n, ki izpolnjujejo gornjo enačbo<br />
imenujemo lastne vrednosti in lastne vektorje oziroma smeri<br />
napetostnega tenzorja σ, ki v enačbi predstavlja realno<br />
simetrično matriko. Za njo vemo iz matematike, da ima tri<br />
realne lastne vrednosti, ki jim pripadajo tri medseboj<br />
ortogonalne smeri (lastni vektorji). Lastne vrednosti λi so<br />
torej enake normalnim napetostim v smeri lastnih vektorjev ni.<br />
Navedimo dokaze za gornje trditve. Pokažimo, da so lastne<br />
vrednosti realne. Dopuščajmo še možnost, da so lastni vektorji<br />
kompleksni. Če enačbo<br />
σ n − λ n = 0<br />
i i i<br />
z leve pomnožimo z ni, ki ga transponiramo in mu konjugiramo<br />
njegove komponente (to imenujemo Hermitsko konjugirani vektor)<br />
in iz nje izrazimo λi , dobimo enačbo<br />
λ i<br />
= n n<br />
T<br />
i σ i<br />
.<br />
T<br />
nini Imenovalec predstavlja vsoto produktov konjugirano kompleksnih<br />
števil, ki so zmeraj realni. Podobno ugotovimo, da je za<br />
simetrični tenzor σ z realnimi komponentami tudi števec<br />
realen, zato so na podlagi gornje enačbe lastne vrednosti<br />
realne.<br />
Dokažimo še, da so lastni vektorji ortogonalni. Za vsaka<br />
poljubna dva lastna vektorja ni in nj, ki pripadata različnima<br />
lastnima vrednostima λi in λj veljata enačbi<br />
σ ni − λini = 0<br />
σ nj − λ jnj = 0.<br />
Prvo enačbo z leve pomnožimo z n T i , drugo pa z -n T j , enačbi<br />
seštejemo in upoštevamo, da se skalar s transpozicijo ne<br />
spremeni,<br />
T T<br />
ninj= njni in
TRDNOST 50<br />
T<br />
njninin T<br />
σ = σ j ,<br />
dobimo enačbo<br />
( λi λj). i , λ λ<br />
T − n nj= 0 i ≠ j ⇒ ni nj=<br />
0<br />
T<br />
iz katere zaključimo, da sta ni in nj ortogonalna.<br />
Ugotovimo še, da so lastne vrednosti ekstremne normalne<br />
napetosti. V ta namen moramo poiskati ekstrem normalne<br />
komponente napetostnega vektorja (glej sliko 2)<br />
σ n<br />
( n)<br />
T<br />
= =<br />
T<br />
t n n σ n,<br />
ki je funkcija smernih kosinusov normale na ploskev<br />
σ = σ ( n , n , n ).<br />
x<br />
n n x y z<br />
z<br />
t (n)<br />
n<br />
σn.n<br />
Slika 2. Prikaz normalne komponente napetostnega vektorja.<br />
Ko upoštevamo, da smerni kosinusi niso povsem neodvisne<br />
spremenljivke, saj so vezani z enačbo<br />
2 2 2<br />
x y z x y z 1 0,<br />
N( n , n , n ) ≡ n + n + n − =<br />
dobimo problem vezanih ekstremov. Te rešimo, kot vemo iz<br />
matematike, s pomočjo Lagrangeovih multiplikatorjev.<br />
Stacionarne vrednosti σn nastopijo pri vrednostih nx, ny,in nz,<br />
ki izpolnjujejo enačbe<br />
∂<br />
( σ n ( n x , n y , n z ) − λ.<br />
N(<br />
n x , n y , n z ) ) = 0,<br />
i = x, y, z<br />
∂n<br />
i<br />
y
TRDNOST 51<br />
kjer smo z λ označili Lagrangeov multiplikator.<br />
Če izpišemo to za prvo enačbo, dobimo<br />
∂<br />
∂n<br />
=<br />
=<br />
x<br />
2(<br />
2(<br />
(<br />
[ n n n ]<br />
xx xy xz x<br />
⎢<br />
⎥<br />
[ 1 0 0]<br />
σ σ σ<br />
⎢<br />
n<br />
⎥<br />
+ [ n n n ]<br />
σ<br />
xx<br />
x<br />
n<br />
x<br />
y<br />
⎡σ<br />
xy<br />
z<br />
⎢ yx<br />
⎢<br />
⎣σ<br />
zx<br />
+ σ n<br />
y<br />
⎡σ<br />
⎢<br />
⎢σ<br />
⎢<br />
⎣σ<br />
σ<br />
σ<br />
xx<br />
yx<br />
zx<br />
yy<br />
zy<br />
+ σ<br />
xz<br />
σ<br />
σ<br />
σ<br />
σ<br />
⎤⎡n<br />
yz ⎥⎢<br />
σ ⎥<br />
zz ⎦<br />
⎢⎣<br />
n<br />
n − λ.<br />
n<br />
z<br />
xy<br />
yy<br />
zy<br />
σ<br />
σ<br />
σ<br />
y<br />
z<br />
x<br />
xz<br />
yz<br />
zz<br />
⎤<br />
⎤⎡n<br />
⎥⎢<br />
⎥⎢<br />
n<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎢⎣<br />
n<br />
x<br />
z<br />
⎥<br />
⎥⎦<br />
) = 0<br />
y<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
− λ.(<br />
n<br />
⎥⎦<br />
x<br />
y<br />
2<br />
x<br />
+ n<br />
z<br />
⎡σ<br />
⎢<br />
⎢σ<br />
⎢<br />
⎣σ<br />
2<br />
y<br />
xx<br />
yx<br />
zx<br />
+ n<br />
σ<br />
σ<br />
σ<br />
2<br />
z<br />
xy<br />
yy<br />
zy<br />
) −1<br />
) =<br />
σ<br />
σ<br />
σ<br />
xz<br />
yz<br />
zz<br />
⎤⎡1⎤<br />
⎥⎢<br />
0<br />
⎥<br />
⎥⎢<br />
⎥<br />
− λ.<br />
n<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎢⎣<br />
0⎥⎦<br />
, kjer smo upoštevali simetričnost napetostnega tenzorja.<br />
Analogno dobimo še za ostale odvode<br />
∂<br />
∂n<br />
=<br />
in<br />
y<br />
2(<br />
∂<br />
∂n<br />
=<br />
z<br />
2(<br />
(<br />
(<br />
[ n n n ]<br />
σ<br />
x<br />
yx<br />
n<br />
x<br />
y<br />
+ σ<br />
yy<br />
n<br />
[ n n n ]<br />
σ<br />
x<br />
zx<br />
n<br />
x<br />
y<br />
+ σ<br />
zy<br />
n<br />
z<br />
z<br />
y<br />
y<br />
⎡σ<br />
xx<br />
⎢<br />
⎢σ<br />
yx<br />
⎢<br />
⎣σ<br />
zx<br />
σ xy<br />
σ yy<br />
σ zy<br />
σ xz ⎤⎡n<br />
x ⎤<br />
⎥<br />
σ<br />
⎢<br />
yz n<br />
⎥<br />
⎥⎢<br />
y ⎥<br />
− λ.(<br />
n<br />
σ ⎥⎢<br />
zz ⎦⎣n<br />
⎥ z ⎦<br />
+ σ n − λ.<br />
n ) = 0<br />
⎡σ<br />
xx<br />
⎢<br />
⎢σ<br />
yx<br />
⎢<br />
⎣σ<br />
zx<br />
+ σ<br />
yz<br />
zz<br />
z<br />
σ xy<br />
σ yy<br />
σ zy<br />
σ xz ⎤⎡n<br />
⎥<br />
σ<br />
⎢<br />
yz ⎥⎢<br />
n<br />
σ ⎥⎢<br />
zz ⎦⎣n<br />
n − λ.<br />
n ) = 0<br />
z<br />
y<br />
z<br />
x<br />
y<br />
z<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
− λ.(<br />
n<br />
⎥⎦<br />
2<br />
x<br />
2<br />
x<br />
+ n<br />
+ n<br />
2<br />
y<br />
2<br />
y<br />
+ n<br />
+ n<br />
2<br />
z<br />
2<br />
z<br />
) −1<br />
) =<br />
) −1<br />
) =<br />
Vse te tri enačbe zapisane v matrični obliki so natanko enake<br />
enačbi problema lastnih vrednosti<br />
(s − λI<br />
) n = 0 .<br />
Tako je torej rešitev ekstremov normalnih napetosti hkrati<br />
tudi rešitev problema lastnih vrednosti, kjer pa smo izhajali<br />
iz zahteve, da ni strižnih napetosti (napetostni vektor je<br />
kolinearen z normalo ravnine).<br />
1.6.7. POSTOPEK ZA IZRAČUN LASTNIH VREDNOSTI IN SMERI.<br />
Enačba za lastne vektorje predstavlja homogeni sistem enačb,<br />
ki ima netrivijalno rešitev samo tedaj, ko je determinanta<br />
matrike sistema enaka nič. Izpisano je torej<br />
x<br />
)
TRDNOST 52<br />
⎡σxx<br />
− λ σxy σ ⎤<br />
xz<br />
⎢<br />
⎥<br />
det⎢<br />
σyx σyy−λ σyz<br />
⎥ = 0.<br />
⎢<br />
⎣<br />
σzx σzy σzz − λ⎥<br />
⎦<br />
Če determinanto simbolično izvrednotimo, dobimo kubični<br />
polinom za λ<br />
3 2<br />
λ − I1. λ + I2λ− I3<br />
= 0 ,<br />
ki ima seveda tri realne rešitve. Polinom se imenuje<br />
karakteristični polinom , njegovi koeficijenti pa so enaki<br />
I1 = sled(σ), vsota diagonalnih členov napetostnega tenzorja<br />
I2 = vsota determinant podmatrik diagonalnih členov<br />
napetostnega tenzorja<br />
I3 = det(σ).<br />
Povejmo, da so ti koeficienti invariantni pri transformaciji<br />
koordinatnega sistem, zato jih imenujemo invariante<br />
karakterističnega polinoma. Ta polinom rešimo z znanimi<br />
metodami, posamezne korene, lastne vrednosti, pa vstavimo v<br />
sistem enačb<br />
⎡σxx−λ<br />
σ σ ⎤<br />
i xy xz ⎡n<br />
xi ⎤<br />
⎢<br />
⎥⎢<br />
⎥<br />
⎢ σyxσyy − λiσyz ⎥⎢n<br />
yi ⎥ = 0<br />
⎢<br />
⎣<br />
σzx σzy σzz − λ ⎥<br />
⎦⎣<br />
⎢<br />
⎦<br />
⎥<br />
i nzi<br />
iz katerega izračunamo pripadajoče lastne vektorje. Ker je<br />
sistem homogen, lahko rešitev zmeraj normiramo tako, da je<br />
abs(ni)=1.<br />
ZGLED .<br />
Za napetostno stanje podano z tenzorjem<br />
⎡ 1 − 2 1 ⎤<br />
⎢<br />
⎥<br />
σ= ⎢−2<br />
−3 −1⎥Mpa<br />
⎣<br />
⎢ 1 − 1 4 ⎦<br />
⎥<br />
izračunal lego in velikost glavnih napetosti.<br />
Izračun. Konstante karakterističnega polinoma so<br />
I1 = sled(σ)= 1 -3 +4 = 2,
I 2<br />
TRDNOST 53<br />
3 1 1 1 1 2<br />
= 13 3 7 17<br />
1 4 1 4 2 3<br />
− −<br />
−<br />
+ + =− + − =−<br />
−<br />
− −<br />
I3 = det(σ)=-22,<br />
in karakteristični polinom je<br />
λ 3 -I1λ 2 +I2λ -I3 = λ 3 -2λ 2 -17λ +22 = 0<br />
Izračun lastnih vrednosti. Korene tega polinoma (lastne<br />
vrednosti) lahko izračunamo z metodo s pomožnimi količinami<br />
(Matematični priročnik, Bronštajn-Semendjajev, str 156), kjer<br />
veljajo oznake<br />
λ 3 +bλ 2 +cλ +d =0.<br />
Prvi pomožni količini q in p sta<br />
q = 2b 3 /54 - bc/6 + d/2<br />
= 2.(-2) 3 /54 - (-2).(-17)/6 + 22/2 = 5,03704<br />
p = c/3 - b 2 /9 = -17/3 - (-2) 2 /9 = -6,11111<br />
Drugi pomožni količini pa sta<br />
r = √|p| = √6,11111 = 2,47207<br />
kjer je predznak za r enak predznaku za q, in<br />
ϕ = acos (q/r 3 ) = acos (5,03704/2,47207 3 ) = 70,52336°<br />
S temi količinami so transformirani koreni<br />
y1 = -2.r.cos(ϕ/3) = -2.2,47207.cos(70,52336°/3) = -4,53380<br />
y2 =+2.r.cos(60°-ϕ/3)= 2.2,47207.cos(60°-70,52336°/3)= 3,97477<br />
y3 =+2.r.cos(60°+ϕ/3)= 2.2,47207.cos(60°+70,52336°/3)= 0,55902<br />
in nato še koreni dejanski karakterističnega polinoma, ki so<br />
enaki<br />
λ1 = y1 -b/3 = -4,53380 + 2/3 = -3,86713 MPa ≡ σIII<br />
λ2 = y2 -b/3 = 3,97477 + 2/3 = 4,64144 MPa ≡ σI<br />
λ3 = y3 -b/3 = 0,55902 + 2/3 = 1,22569 MPa ≡ σII.
TRDNOST 54<br />
Običajno korene še uredimo po velikosti in jih označimo<br />
zaporedoma rimskimi številkami, ravno tako pa tudi lastne<br />
vektorje oziroma smeri.<br />
Izračun lastnih vektorjev. Za najmanjšo lastno vrednost, λ1 =<br />
σIII = -3,86713MPa, komponente pripadajočega lastnega vektorja<br />
odgovarjajo homogenemu sistemu linearnih enačb<br />
⎡σxx<br />
− λ1σxy σxz<br />
⎢<br />
⎢ σyx σyy − λ1σyz ⎢<br />
⎣<br />
σzx σzy σzz − λ<br />
⎤⎡N<br />
⎥⎢<br />
⎥⎢N<br />
⎥<br />
⎦⎣<br />
⎢N<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥ =<br />
⎦<br />
⎥<br />
⎡1<br />
+ 3, 86713 −21<br />
⎤⎡N<br />
⎢<br />
⎥⎢<br />
⎢ 1 − 3 + 3, 86713 σ yz ⎥⎢N<br />
⎢<br />
⎣<br />
σzx σzy<br />
4 + 3, 86713⎥<br />
⎦⎣<br />
⎢N<br />
1<br />
x1<br />
y1<br />
z1<br />
x1<br />
y1<br />
z1<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥ = 0<br />
⎦<br />
⎥<br />
Ker je determinanta sistema matrike nična, lahko izberemo za<br />
eno komponento poljubno vrednost. Izberimo za<br />
Nz1 = 1<br />
in iz prvih dveh enačb<br />
⎡4,<br />
86713 − 2 ⎤⎡N<br />
⎢<br />
⎣ − 2 0, 86713<br />
⎥⎢<br />
⎦⎣<br />
N<br />
izračunamo<br />
⎡N<br />
⎢<br />
⎣<br />
N<br />
x1<br />
y1<br />
⎤ 5 143<br />
⎥ =<br />
⎦ 13 016<br />
⎡ , ⎤<br />
⎢ ⎥<br />
⎣ , ⎦<br />
x1<br />
y1<br />
Izračunani vektor<br />
⎤ 0<br />
⎥ =<br />
⎦ 0<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎣<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
N1 = (5,143 13,016 1)<br />
pa še normiramo ga tako, da je njegova velikost 1,n= N/N.<br />
Predstavlja normalo glavne ravnine z napetostjo σIII :<br />
n1 = nIII =(0,3665 0,9277 0,0713).<br />
Največja lastna vrednost λ2 ≡ σI =4,64144 MPa nam da drugi<br />
sistem enačb
TRDNOST 55<br />
⎡σxx<br />
− λ2 σxy σxz<br />
⎢<br />
⎢ σyx σyy − λ2σyz ⎢<br />
⎣<br />
σzx σzy σzz − λ<br />
⎤⎡N<br />
⎥⎢<br />
⎥⎢N<br />
⎥<br />
⎦⎣<br />
⎢N<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥ =<br />
⎦<br />
⎥<br />
⎡1<br />
−4, 64144 −21<br />
⎤⎡N<br />
⎢<br />
⎥⎢<br />
⎢ 1 −3−4, 64144 σ yz ⎥⎢N<br />
⎢<br />
⎣<br />
σzx σzy<br />
4 − 4, 64144⎥<br />
⎦⎣<br />
⎢N<br />
2<br />
x2<br />
y2<br />
z2<br />
x2<br />
y2<br />
z2<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥ = 0<br />
⎦<br />
⎥<br />
iz katerega izračunamo pripadajoči prvi smerni vektor<br />
nI = (0,8552 -0,3057 -0,4185).<br />
Na enak način dobimo za preostalo lastno vrednost še tretji<br />
smerni vektor<br />
nII = (0,3664 -0,2144 0,9054).<br />
-o-<br />
1.6.8. EKSTREMNE STRIŽNE NAPETOST<br />
Te napetosti iračunamo povsem analogno kot ekstremne normalne<br />
napetosti z iskanjem ekstremov. Teoretična izpeljava pa je pri<br />
tem enostavnejša, če izhajamo iz glavnega koordinatnega<br />
sistema. Zato v nadaljnjih izpeljavah smatrajmo, da je ta<br />
sistem naš izhodiščni koordinatni sistem, kjer torej nastopajo<br />
samo normalne napetosti in je napetostno stanje podano s<br />
tenzorjem napetosti<br />
⎡σI<br />
0 0<br />
⎢<br />
σ= ⎢ 0 σII<br />
0<br />
⎣<br />
⎢ 0 0 σ<br />
III<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥ .<br />
⎦<br />
⎥<br />
V poljubni ravnini z normalo n velja enačba (glej sliko 3)
TRDNOST 56<br />
Os III<br />
τn<br />
Os I Os II<br />
n<br />
t (n)<br />
σn=(t (n) ,n)<br />
Slika 3. Glavni koordinatni sistem ter ravnina, kjer računamo<br />
ekstremno strižno napetost.<br />
τn 2 = t (n)2 - σn 2 ,<br />
kjer smo z τn in σn označili strižno in normalno napetost v<br />
ravnini z normalo n=(n1, n2, n3), t (n) pa rezultantni napetostni<br />
vektor v tej ravnini. Ko upoštevamo, da je t (n) enak<br />
t (n) = σn<br />
oziroma<br />
t (n)2 = t (n)T t (n) = n T σ 2 n = σI 2 .n1 2 + σII 2 .n2 2 + σIII 2 .n3 2<br />
in analogno še<br />
σn 2 = (t (n) T n) T (t (n) T n) = (t (n) T n) 2 = (σI .n1 + σII .n2 + σIII .n3) 2<br />
dobimo enačbo za strižno napetost<br />
τn 2 = σI 2 .n1 2 + σII 2 .n2 2 + σIII 2 .n3 2 - (σI .n1 + σII .n2 + σIII .n3) 2 ,<br />
ki predstavlja funkcijo komponent normale<br />
τn 2 = f(n1, n2, n3) .<br />
Ko poiščemo ekstremne oziroma stacionarne vrednosti te<br />
funkcije ob pogoju<br />
n1 2 + n2 2 + n3 2 -1 = 0,<br />
dobimo dve množici rešitev. Prva množica nam daje normale<br />
glavnega sistema, kjer vemo, da so strižne napetosti nične.<br />
Druga množica rešitev normal, ki je cilj naše analize, pa nam<br />
da normale ravnin z ekstremnimi vrednostmi strižnih napetosti:<br />
nτ(1) =(0, ±1/√2, ±1/√2), ki ji pripada τ(1) =±(σII - σIII)/2
TRDNOST 57<br />
nτ(2) =(±1/√2, 0, ±1/√2), ki ji pripada τ(2) =±(σI - σIII)/2<br />
nτ(3) =(±1/√2, ±1/√2, 0), ki ji pripada τ(3) =±(σI - σII)/2.<br />
Te ravnine so oktaedrične ravnine (glej sliko 4), ki pa niso<br />
med seboj pravokotne, kot je to pri ravninskem napetostnem<br />
stanju. Strižne napetosti lahko enostavno izračunamo iz enačbe<br />
za transformacijo napetosti, kjer nato obe komponenti strižnih<br />
napetosti v ravnini vektorsko seštejemo. Druga možnost pa je,<br />
da jih izračunamo preko napetostnega vektorja. Na primer za<br />
rešitev n1 =(0, 1/√2, 1/√2) dobimo iz enačbe<br />
τn1 = t (n1) - σn1 = σn1 –(σn1) T n1<br />
τ n1<br />
τ n1<br />
⎡σ<br />
I<br />
= (<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎢⎣<br />
0<br />
0<br />
σ II<br />
0<br />
0 ⎤⎡<br />
0 ⎤<br />
0<br />
⎥⎢<br />
⎥<br />
⎥⎢<br />
1/<br />
2<br />
⎥<br />
−<br />
σ ⎥⎦<br />
⎢⎣<br />
1/<br />
2⎥<br />
III ⎦<br />
⎡ 0 ⎤<br />
σ II − σ III<br />
=<br />
⎢ ⎥<br />
⎢<br />
1<br />
2 2 ⎥<br />
⎢⎣<br />
−1⎥⎦<br />
[ 0 1/<br />
2 1/<br />
2]<br />
⎡σ<br />
I<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎢⎣<br />
0<br />
0<br />
σ<br />
0<br />
II<br />
0 ⎤ ⎡ 0 ⎤<br />
0<br />
⎥ ⎢ ⎥<br />
⎥<br />
)<br />
⎢<br />
1/<br />
2<br />
⎥<br />
σ ⎥⎦<br />
⎢⎣<br />
1/<br />
2⎥<br />
III ⎦<br />
Prva ekstremna strižna napetost torej leži v ravnini osi II-<br />
III.<br />
Na enak način izračunamo še<br />
τn2 = 0,5(σI-σIII)(1,0,-1),<br />
τn3 = 0,5(σI-σII)(1,-1,0),<br />
in jih lahko prikažemo s pomočjo namišljenega pravilnega<br />
tetraedra na sliki 5. Za pozitivne razlike normalnih napetosti<br />
so vektorji strižnih napetosti nagnjeni v smeri osi večje<br />
glavne napetosti.
TRDNOST 58<br />
τ 2<br />
n (τ2)<br />
Os I<br />
Os III<br />
τ 3<br />
n (τ3)<br />
n(τ1)<br />
τ1<br />
Os II<br />
Slika 4. Glavni koordinatni sistem, normale ravnin ekstremnih<br />
strižnih napetosti ter shematični prikaz pripadajočih<br />
ekstremnih strižnih napetosti.<br />
A<br />
os II<br />
τ3<br />
n1 =(0,1/√2, 1/√2)<br />
c<br />
Slika 5. Prikaz lege ekstremnih strižnih napetosti s pomočjo<br />
tetraedra. Prva strižna napetost ne deluje na osnovno ploskev<br />
tetraedra (kot zgleda na sliki) ampak na ploskev določeno z<br />
oglišči ABC.<br />
os I<br />
τ1<br />
τ2<br />
B<br />
os III
TRDNOST 59<br />
2. SPECIFIČNE DEFORMACIJE<br />
2.1. UVOD<br />
Ko neko stabilno podprto konstrukcijo oziroma njene dele<br />
obremenimo, se le-ta deformira (premakne) - njeni deli<br />
spremenijo obliko in velikost (slika 1). Samo spremembo<br />
velikosti ali oblike njenih delov imenujemo deformacijo in jo<br />
izračunavamo iz (medsebojnih) pomikov točk konstrukcije. Za<br />
zgled si oglejmo enostaven okvir prikazan na sliki 1, ki se<br />
zaradi sile P premakne.<br />
Slika 1. Prikaz pomikov konstrukcije.<br />
Če na primer analiziramo samo osne deformacije vrhnjega<br />
horizontalnega nosilca, so le-te določene s horizontalnima<br />
pomikoma u1 in u2 njegovih krajišč 1 in 2, ki ju imenujemo<br />
absolutna pomika. Vendar se pri tem nosilec deformira – skrči<br />
oziroma raztegne, samo tedaj, če se njegovo krajišče 2<br />
premakne tudi relativno glede na krajišče 1. Takšen pomik<br />
imenujemo relativni pomik krajišč in je enak razliki<br />
absolutnih pomikov, ki hkrati predstavlja tudi spremembo<br />
dolžine nosilca<br />
∆u = u2 - u1 = ∆L (1)<br />
Če se nosilec sicer premakne relativnih pomikov pa ni, se<br />
nosilec ne deformira in pravimo, da se je premaknil kot togo<br />
telo (ki ga smatramo nedeformabilno). Take pomike imenujemo<br />
»toge pomike«. Vse absolutne pomike lahko zmeraj prikažemo kot<br />
vsoto togih pomikov ut in relativnih pomikov ur. Za naš nosilec<br />
si lahko predstavljamo, da se je najprej premaknil kot togo<br />
telo, torej da so se vse njegove točke premaknile za ut=u1,<br />
nato pa se je še skrčil (deformiral) in pri tem se je krajišče
TRDNOST 60<br />
2 premaknilo relativno glede na krajišče 1 za ur = ∆u = u2 -<br />
u1. Tako lahko pomik krajišča 2 zapišemo z enačbo<br />
u2 = ut + ur = u1 +∆u = u1 + ∆L.<br />
Pri analizi konstrukcij nas zanimajo notranje sile oziroma<br />
napetosti, ki pa se pojavijo v nosilcu samo tedaj, ko se<br />
nosilec deformira. Napetosti pa so v enostavni zvezi samo s<br />
specifičnimi deformacijami, ki jih izračunamo iz kvocienta<br />
relativnih pomikov masnih točk in njihove medsebojne<br />
oddaljenosti. Tako je specifična deformacija v osni smeri<br />
nosilca enaka<br />
ε = (u2-u1)/L = ∆L/L. (2)<br />
Lahko bi rekli, da je taka specifična deformacija materiala<br />
med dvema točkama deformacija, ki je »merjena« ali »normirana«<br />
z razdaljo med njima.<br />
V konstrukcijah se po obremenitvi praviloma pojavijo zelo<br />
majhne specifične deformacije, ki so velikostnega reda do ene<br />
tisočine. Te male specifične deformacije pa so za glavne<br />
gradbene materiale v enostavnih linearnih zvezah z napetostmi<br />
(Hookeov zakon). Samo v takih primerih lahko konstrukcije<br />
inženirsko analiziramo na relativno enostaven način.<br />
V gornjih odstavkih smo spoznali samo eno specifično<br />
deformacijo, v tem poglavju pa bomo spoznali še vse ostale, ki<br />
nastopajo v konstrukcijah. Pokazali bomo kako jih izračunavamo<br />
iz pomikov, kakšna je razlika med malimi in velikimi<br />
specifičnimi deformacijami ter kako se prikazujejo oziroma<br />
izračunavajo v različnih koordinatnih sistemih (transformacija<br />
specifičnih deformacij).<br />
2.2. MATEMATIČNI ZAPIS LEGE IN POMIKOV TELESA<br />
Da bomo lahko izračunavali specifične deformacije iz pomikov,<br />
si najprej nekoliko natančneje oglejmo, kako matematično<br />
zapišemo premik masnih točk telesa iz lege ob času t1 v lego ob<br />
času t=t2(>t1). Ti dve legi imenujmo začetna in končna lega,<br />
zanima pa nas za koliko se je pri tem telo deformiralo.<br />
Začetno lego telesa, kjer lahko smatramo, da je telo še<br />
nedeformirano, podamo z lego njegovih točk s krajevnim<br />
vektorjem R (slika 2), ki ima v koordinatnem sistemu<br />
koordinate (X,Y,Z):<br />
R =(X,Y,Z). (3)
TRDNOST 61<br />
Začetna lega<br />
telesa ob<br />
času t=t1<br />
X<br />
Z<br />
Premik masne<br />
točke T<br />
R<br />
Y<br />
T<br />
y<br />
r<br />
T’<br />
x<br />
lega telesa<br />
ob času t=t2<br />
Medsebojna lega<br />
materialnega in prostorskega<br />
koordinatnega sitema<br />
Slika 2. Simbolični prikaz začetne in končne lege telesa ter<br />
koordinatnih sistemov v katerih podajamo lego materialnih točk<br />
telesa v začetni in v končni legi telesa.<br />
Po premiku telesa opišemo njegovo novo lego z novo lokacijo<br />
njegovih masnih točk, ki jo podamo s krajevnim vektorjem<br />
(mali) r v koordinatnem sistemu x,y,z. Ta se lahko v splošnem<br />
giblje glede na koordinatni sistem X,Y,Z. Matematično pravimo,<br />
da je r neka funkcija R-a in je zapišemo:<br />
R=R(r) (4)<br />
oziroma izpisano po komponentah<br />
x=x(X,Y,Z) (4.a)<br />
y=y(X,Y,Z) (4.b)<br />
z=z(X,Y,Z). (4.c)<br />
Opis premika telesa z zgornjimi enačbami je znan pod imenom<br />
Lagrangeov ali materialni opis pomikov, ker delu prostora<br />
˝izpolnjenem˝ z materialnimi točkami (začetna lega telesa ob<br />
začetnem času t1) priredimo neki drugi del prostora, kjer se te<br />
materialne točke nahajajo ob času t2. Obratni opis, ki pa je<br />
za trdnost manj primeren, podaja začetno lego telesa ob času t1<br />
kot funkcijo njegove lege ob času t2, torej z enačbo R=R(r). Ta<br />
opis je znan pod imenom Eulerjev ali prostorski opis pomikov.<br />
Mi se bomo omejili samo na Lagrangeov opis, ker v gradbeništvu<br />
praviloma izhajamo iz podatkov o neobremenjeni konstrukciji in<br />
se zanimamo, kako se bo konstrukcija pod obtežbo premaknila in<br />
deformirala. Za našo analizo deformacij in napetosti, ki jo<br />
bomo spoznali v naslednjih poglavjih, ni niti časovni niti<br />
prostorski potek deformacij (to je pomembno na primer pri<br />
analizi vpliva reologije materialov na trdnost konstrukcije),<br />
z
TRDNOST 62<br />
pomembni so samo rezultantni oziroma končni pomiki, ki<br />
podajajo razliko med začetnim in končnim stanjem (slika 2 in<br />
3). Tako se znebimo časa kot spremenljivke in opis deformacij<br />
se poenostavi. Za teorijo trdnosti je tudi enostavneje, da ima<br />
prostorski koordinatni sistem ves čas identično lego z<br />
materialnim.<br />
X,x<br />
Z,z<br />
R2<br />
B1<br />
R1<br />
Y,y<br />
∆R,∆S<br />
A1<br />
u2 u2<br />
r2<br />
r1<br />
u1<br />
A2<br />
B2<br />
∆r,∆s<br />
Slika 3. Opis lege, pomikov in deformacij telesa z<br />
“opazovanjem” spremembe razdalje med dvema poljubnima točkama<br />
na telesu pred deformacijo in po deformaciji.<br />
Deformacijo telesa ugotavljamo tako, da opazujemo, ali se je<br />
kvadrat razdalja med poljubnima dvema točkama telesa<br />
spremenila (slika 3). To spremembo bomo izrazili z začetno<br />
lego točk na telesu (nedeformirano stanje telesa) in pomiki<br />
teh točk.<br />
Za poljubni točki telesa pred deformacijo, podanima s<br />
krajevnima vektorjema R1 in R2 = R1+∆R, je kvadrat razdalje<br />
enak<br />
∆S 2 = ⏐R2- R1⏐ 2 = ∆R T ∆R (5)<br />
Razdalja med istima točkama po deformaciji telesa pa je<br />
∆s 2 = ⏐r2- r1⏐ 2 = ∆r T ∆r. (6)<br />
Tedaj povečanje kvadrata razdalje zapišemo z enačbo<br />
∆l 2 = ∆s 2 - ∆S 2 = ∆r T ∆r - ∆R T ∆R. (7)<br />
Če je ∆l=0, se vlakno med opazovanima točkama ni niti<br />
raztegnilo niti skrčilo - se ni deformiralo. Gornjo enačbo<br />
preuredimo tako, da bodo deformacije izražene samo z začetnim<br />
stanjem telesa, to je z materialnimi koordinatami, ter s
TRDNOST 63<br />
pomiki oziroma z njihovimi diferencami, torej z ∆R in ∆u.<br />
Razliko pomikov opazovanih točk dobimo iz enačb<br />
u1 = r1 - R1 (8.a)<br />
u2 = r2 - R2 (8.b)<br />
ki ju med seboj odštejemo<br />
∆u = u2-u1 =(R2-r2)-(R1-r1)=(r1-r2)-(R1-R2) = ∆r - ∆R. (9)<br />
Iz zgornje enačbe sledi, da je<br />
∆r = ∆R + ∆u (10)<br />
kar pomeni, da če k “vlaknu” ∆R (pred deformacijo) prištejemo<br />
razliko pomikov ∆u njegovih krajišč 1 in 2, dobimo ∆r, ki<br />
predstavlja to “vlakno” po deformaciji telesa (glej sliko 4).<br />
Opozorimo naj, da je v razliki pomikov ∆u je zajeta še<br />
rotacija ∆R, ki očitno prav nič ne doprinese k njegovi<br />
deformaciji. Kasneje bomo matematično dokazali, da je<br />
prispevek urotacije h količini ∆l 2 ničen.<br />
Translacija<br />
“ vlakna”<br />
∆R<br />
2<br />
∆R,∆S<br />
u1<br />
Sprememba<br />
“ vlakna”<br />
∆R za ∆u<br />
u2<br />
u1<br />
∆r,∆s<br />
1<br />
Slika 4. Sprememba “vlakna” ∆R zaradi razlike pomikov njenih<br />
krajišč za ∆u.<br />
1’<br />
urotacije<br />
Če gornjo enačbo vstavimo v enačbo (7), ki podaja spremembo<br />
velikosti vlakna ∆R, dobimo enačbo<br />
∆l 2 = (∆R + ∆u) T (∆R + ∆u) - ∆R T ∆R<br />
oziroma po preureditvi<br />
∆l 2 = ∆u T ∆u + ∆R T ∆u + ∆u T ∆R (11)<br />
2’
TRDNOST 64<br />
ZGLED 1.<br />
Lega telesa v začetnem nedeformiranem stanju je podana v<br />
koordinatnem sistemu X,Y,Z s krajevnimi vektorji R=(X,Y,Z).<br />
Premaknilo se je tako, da njegove materialne točke zavzamejo<br />
novo lego podano s krajevnimi vektorji r=(x,y,z) v skladu z<br />
enačbami<br />
x = 1,375X - 0,875Y<br />
y = 3Y<br />
z=Z<br />
Oba koordinatna sistema, X,Y,Z in x,y,z, imata isto lego.<br />
Izračunajmo:<br />
(a) kakšno lego zavzameta materialni točki na lokaciji<br />
R1=(1,1,0)m in R2=(2.5,0.5,0)m po premiku,<br />
(b) za koliko sta se premaknili,<br />
(c) razliko njunih pomikov,<br />
in razliko kvadratov razdalje med materialnima točkama pred<br />
in po deformaciji<br />
(d) upoštevaje začetno in končno lego (enačba 7)<br />
(e) ter upoštevaje samo začetno lego in pomike (enačba 11)<br />
(f) nalogo prikaži oziroma reši grafično.<br />
Rešitev. Ker očitno ni pomikov v smeri z imamo ravninski<br />
problem in bomo zaradi enostavnosti zapisovali samo vrednosti<br />
v ravnini x-y.<br />
(a)x1 = 1,375X1 - 0,875Y1 = 1,375.1 - 0,875.1 = 0,5m<br />
y1 = 3Y1 = 3×1 = 3<br />
torej je r1 =(0.5, 3)m<br />
x2 = 1,375X2 - 0,875Y2 = 1,375.2,5 - 0,875.0,5 = 3m<br />
y2 = 3Y2 = 3.0,5 = 1,5<br />
torej je r2 =(3, 1.5)m<br />
(b) u1 = r1 - R1 = (0.5, 3) - (1, 1) = (-0.5, 2)m<br />
u2 = r2 - R2 = (3, 1.5) - (2.5, 0.5) = (0.5, 1)m<br />
(c) ∆u = u2 - u1 = (0.5, 1) - (-0.5, 2) = (1, -1)m<br />
(d) ∆R = R2 - R1 = (2.5, 0.5) - (1, 1) = (1.5, -0.5)m<br />
∆S 2 = ∆R T ∆R = (1.5, -0.5).(1.5, -0.5) = 2.5m 2<br />
∆r = r2 - r1 = (3, 1.5) - (0.5, 3) = (2.5, -1.5)m<br />
∆s 2 = ∆r T ∆r = (2.5, -1.5).(2.5, -1.5) = 8.5m 2<br />
∆l 2 = ∆s 2 -∆S 2 = 8.5-2.5 = 6m 2
TRDNOST 65<br />
(e)<br />
∆l 2 =∆u T ∆u + 2∆R T ∆u=(1,-1).(1,-1)+2.(1.5,-0.5).(1,-1) = 6m 2<br />
(d) Grafična rešitev (glej sliko Z.2.)<br />
3.5<br />
3<br />
2.5<br />
2<br />
1.5<br />
1<br />
0.5<br />
Y,y os<br />
T1’<br />
r1<br />
u1<br />
T1<br />
R1 ∆R<br />
R2<br />
“ togi” translatorni<br />
premik “ vlakna” ∆R<br />
∆r<br />
∆u<br />
T2<br />
u2<br />
0<br />
0 1 2 3m<br />
Slika Z.2. Grafični prikaz rešitve naloge.<br />
- ooo -<br />
2.3. DEFORMACIJSKI TENZOR.<br />
T2’<br />
X,x os<br />
Doslej smo računali povprečne deformacije materiala med<br />
točkama, ki sta poljubno oddaljeni. Razporeditev deformacij po<br />
telesu pa dobimo z opazovanjem pomikov masnih točk, ki so<br />
infinitezimalno blizu - računali bomo torej spremembo dolžine<br />
infinitezimalno majhnega “vlakna” dR. Tedaj v enačbi (11)<br />
namesto razlik označenih z ∆ nastopajo diferenciali, označeni<br />
z »d«<br />
dl 2 = du T du + dR T du + du T dR (12)<br />
Razlika pomikov du dveh materialnih točk, ki sta za dR narazen<br />
predstavlja diferencial funkcije pomikov<br />
u = u(X,Y,Z). (13)
TRDNOST 66<br />
Ko so pomiki zvezni je diferencial posamezne komponente pomika<br />
enak<br />
du<br />
i<br />
∂u<br />
i ∂u<br />
i ∂u<br />
i ∂u<br />
i ∂u<br />
i ∂u<br />
i<br />
= dX + dY + dZ = ( , , ).dR,<br />
∂X<br />
∂Y<br />
∂Z<br />
∂X<br />
∂Y<br />
∂Z<br />
ki jih lahko zapišemo z matrikami:<br />
i =<br />
X, Y, Z<br />
⎡∂u<br />
X ∂u<br />
X ∂u<br />
X ⎤ ⎡∂u<br />
X ∂u<br />
X ∂u<br />
X ⎤<br />
⎢ dX + dY + dZ⎥<br />
⎢<br />
⎥<br />
⎡du<br />
⎤ ∂X<br />
∂Y<br />
∂Z<br />
∂X<br />
∂Y<br />
∂Y<br />
X ⎢<br />
⎥ ⎢<br />
⎥⎡dX⎤<br />
⎢ ⎥ ∂u<br />
Y ∂u<br />
Y ∂u<br />
Y ∂u<br />
Y ∂u<br />
Y ∂u<br />
Y<br />
du<br />
= = ⎢ + + ⎥ = ⎢<br />
⎥⎢<br />
⎥<br />
⎢<br />
du Y ⎥<br />
dX dY dZ<br />
⎢<br />
⎥ ⎢ ∂ ∂ ∂ ⎥⎢<br />
dY<br />
X Y Z ⎥<br />
(14.a)<br />
∂X<br />
∂Y<br />
∂Z<br />
⎢⎣<br />
du ⎥⎦<br />
⎢ u u u ⎥ ⎢ ∂u<br />
∂u<br />
∂u<br />
⎥⎢⎣<br />
dZ⎥<br />
Z ∂ Z ∂ Z ∂ Z<br />
Z Z Z ⎦<br />
⎢<br />
dX + dY + dZ<br />
⎥ ⎢<br />
⎥<br />
⎣ ∂X<br />
∂Y<br />
∂Z<br />
⎦ ⎣ ∂X<br />
∂Y<br />
∂Z<br />
⎦<br />
Gornjo enačbo lahko zapišemo v kompaktnejši obliki kot produkt<br />
matrik<br />
du = JdR, (14.b)<br />
kjer je J tako imenovani materialni gradient pomikov, ki je<br />
enak<br />
⎡ ∂u<br />
X ∂u<br />
X ∂u<br />
X ⎤<br />
⎢ ∂X<br />
∂Y<br />
∂Z<br />
⎥<br />
⎢ ∂u<br />
∂ ⎥<br />
J = ⎢ Y uY<br />
∂uY<br />
⎥ , (14.c)<br />
⎢ ∂X<br />
∂Y<br />
∂Z<br />
⎥<br />
⎢ ∂uZ<br />
∂u<br />
Z ∂u<br />
Z ⎥<br />
⎣<br />
⎢ ∂X<br />
∂Y<br />
∂Z<br />
⎦<br />
⎥<br />
dR pa je vektor, ki določa medsebojno lego dveh<br />
infinitezimalno bližnjih masnih (materialnih) točk telesa pred<br />
deformacijo in ima komponente:<br />
⎡dX⎤<br />
⎢ ⎥<br />
dR<br />
= ⎢dY⎥<br />
⎣<br />
⎢dZ⎦<br />
⎥<br />
S tem zapisom postane sprememba dolžine “vlakna” dR po enačbi<br />
(12) enaka<br />
dl 2 = dR T JdR+dR T J T dR+(JdR) T (JdR), (14a)<br />
ki jo še malo preuredimo in dobimo enačbo<br />
dl 2 = 2dR T ( 1/2(J+J T ) + J T J )dR.<br />
,
TRDNOST 67<br />
Količino<br />
L = 1/2 [ (J+J T ) + J T J ] (15)<br />
imenujemo Lagrangeov tenzor končnih (ali velikih specifičnih)<br />
deformacij, ki ga predstavlja kvadratna matrika reda 3x3<br />
sestavljena iz odvodov pomikov po materialnih koordinatah.<br />
Prva vsota ½(J+J T ) predstavlja njegov linearni del, drugi člen<br />
½(J T J) pa kvadratni (nelinearni) del. Kasneje pa bomo še<br />
spoznali zakaj ga imenujemo tenzor in kaj geometrijsko<br />
predstavljajo njegovi členi.<br />
Z vpeljano oznako za Lagrangeov tenzor kvadrat sprememba<br />
dolžine vlakna dR zapišemo z enačbo<br />
dl 2 = 2 dR T L dR . (16)<br />
Ta tenzor igra osrednjo vlogo v pri obravnavi deformacij, zato<br />
si ga oglejmo še v izpisani matrični obliki<br />
⎡<br />
⎢<br />
1 ⎢<br />
L = ⎢<br />
2 ⎢<br />
⎢<br />
⎣<br />
⎢<br />
(<br />
∂u<br />
∂X<br />
∂u<br />
∂X<br />
∂u<br />
∂X<br />
⎡ ∂u<br />
⎢ ∂X<br />
⎢ ∂u<br />
+ ⎢<br />
⎢ ∂Y<br />
⎢ ∂u<br />
⎣<br />
⎢ ∂Z<br />
∂u<br />
∂Y<br />
∂u<br />
∂Y<br />
∂u<br />
∂Y<br />
X X X<br />
Y Y Y<br />
Z Z Z<br />
∂u<br />
∂X<br />
∂u<br />
∂Y<br />
∂u<br />
∂Z<br />
X Y Z<br />
X<br />
∂u<br />
⎤ ⎡ ∂u<br />
∂Z<br />
⎥ ⎢ ∂X<br />
∂u<br />
⎥ ⎢ ∂u<br />
⎥ + ⎢<br />
∂Z<br />
⎥ ⎢ ∂Y<br />
∂u<br />
⎥ ⎢ ∂u<br />
∂Z<br />
⎦<br />
⎥<br />
⎣<br />
⎢ ∂Z<br />
∂u<br />
⎤⎡<br />
∂u<br />
∂X<br />
⎥⎢<br />
∂X<br />
∂u<br />
⎥⎢<br />
∂u<br />
⎥⎢<br />
∂Y<br />
⎥⎢<br />
∂X<br />
∂u<br />
⎥⎢<br />
∂u<br />
∂Z<br />
⎦<br />
⎥<br />
⎣<br />
⎢ ∂X<br />
Y Z<br />
X Y Z<br />
∂u<br />
∂X<br />
∂u<br />
∂Y<br />
∂u<br />
∂Z<br />
∂u<br />
⎤<br />
∂X<br />
⎥<br />
∂u<br />
⎥<br />
⎥<br />
∂Y<br />
⎥<br />
∂u<br />
⎥<br />
∂Z<br />
⎦<br />
⎥<br />
∂u<br />
⎤<br />
∂Z<br />
⎥<br />
∂u<br />
⎥<br />
⎥ )<br />
∂Z<br />
⎥<br />
∂u<br />
⎥<br />
∂Z<br />
⎦<br />
⎥<br />
X Y Z<br />
X Y Z<br />
X Y Z<br />
∂u<br />
∂Y<br />
∂u<br />
∂Y<br />
∂u<br />
∂Y<br />
X X X<br />
Y Y Y<br />
Z Z Z<br />
(17)<br />
Njegove komponente lahko predstavimo še v bolj kompaktnem<br />
zapisu z uvedbo primernih oznak. Če komponente pomikov ux, uy,<br />
uz označimo simbolično kar z ui, kjer indeks i lahko zavzame<br />
vrednosti i=1,2,3, in analogno koordinate materialne točke<br />
X,Y,Z z Xj, j=1,2,3, lahko poljubni člen tenzorja simbolično<br />
zapišemo z enačbo<br />
L<br />
ij<br />
=<br />
1 ∂u<br />
i<br />
(<br />
2 ∂X<br />
j<br />
∂u<br />
j<br />
+ ) +<br />
∂X<br />
i<br />
∂u<br />
∂u<br />
3<br />
1 k k<br />
2 ∑<br />
k= 1 ∂X<br />
i ∂X<br />
j<br />
. (18)<br />
Za zgled izpišimo eksplicitno dva elementa tenzorja. Za<br />
i=j=x dobimo prvi člen<br />
L<br />
xx<br />
1 ∂u<br />
u u<br />
x ∂u<br />
x 1 ∂u<br />
x ∂u<br />
∂ y ∂<br />
x<br />
y ∂u<br />
z ∂u<br />
z<br />
= ( + ) + ( + + ) ,<br />
2 ∂X<br />
∂X<br />
2 ∂X<br />
∂X<br />
∂X<br />
∂X<br />
∂X<br />
∂X
TRDNOST 68<br />
za i=z, j=y pa dobimo drugi člen v tretji vrstici matričnega<br />
zapisa tenzorja<br />
L<br />
zy<br />
1 ∂u<br />
Z ∂u<br />
Y 1 ∂u<br />
X ∂u<br />
X ∂u<br />
Y ∂u<br />
Y ∂u<br />
Z ∂u<br />
Z<br />
= ( + ) + ( + + ) .<br />
2 ∂Y<br />
∂Z<br />
2 ∂Z<br />
∂Y<br />
∂Z<br />
∂Y<br />
∂Z<br />
∂Y<br />
TENZOR MALIH SPECIFIČNIH DEFORMACIJ.<br />
Konstrukcije praviloma konstruiramo tako, da se v njih<br />
pojavljajo samo male deformacije. Velike deformacije bi preveč<br />
spremenile geometrijo konstrukcij in s tem povzročile razne<br />
probleme (na primer, preveliki povesi ravnih streh povzročajo<br />
zastajanje vode), pa tudi pri spremenljivi obtežbi preveliko<br />
utrujanje materiala. Zato je velikostni razred odvodov<br />
pomikov manjši kot en promil in lahko pri malih deformacijah<br />
kvadratne člene v Lagrangeovem tenzorju zanemarimo. S tem se<br />
izognemo bistveno zahtevnejši nelinearni analizi. Tak<br />
reducirani tenzor s samo linearnimi členi označimo z malo črko<br />
l,<br />
l = 1/2 [ (J+J T ) + J T J ] (19.a)<br />
oziroma zapisan po komponentah<br />
1 ∂u<br />
∂u<br />
i j<br />
l ij = ( + ) i, j = 1,2,3 , (19.b)<br />
2 ∂X<br />
∂X<br />
j<br />
i<br />
imenujemo tenzor malih specifičnih deformacij. Iz gornjih<br />
enačb je očitno, da je simetričen:<br />
lij = lji.<br />
Če pomike odvajamo po prostorskih koordinatah , mali xi, dobimo<br />
tako imenovani Eulerjev tenzor malih specifičnih deformacij:<br />
1 ∂u<br />
∂u<br />
i j<br />
εij<br />
= ( + ) i, j = 1,2,3,<br />
(20)<br />
2 ∂x<br />
j ∂xi<br />
ki podaja specifične deformacije, glede na deformirano telo,<br />
torej so razlike pomikov »normirane« z dr.<br />
Posledica malih pomikov pa je, da je razlika med odvodi po<br />
materialnih in prostorskih koordinatah zanemarljiva, zato<br />
velja enačba<br />
∂u<br />
∂X<br />
i<br />
j<br />
∂ui<br />
≈ i, j = 1,2,3,<br />
∂x<br />
j
TRDNOST 69<br />
V nadaljnjih izvajanjih ne bomo razlikovali med Eulerjevim in<br />
Lagrangeovim tenzorjem, njune člene pa bomo označevali z malim<br />
epsilonom εij<br />
1 ∂u<br />
∂u<br />
1 ∂u<br />
∂u<br />
i j i j<br />
εij<br />
= ( + ) = ( + ) i, j = 1,2,3<br />
2 ∂x<br />
∂x<br />
2 ∂X<br />
∂X<br />
j<br />
i<br />
j<br />
i<br />
(21)<br />
ZGLED 2.<br />
Poglejmo si na enostavnem primeru kako majhna je razlika med<br />
Lagrangeovim in Eulerjevim tenzorjem ter med Lagrangeovim<br />
tenzorjem končnih deformacij pri osnem raztegovanju palice.<br />
Glede na koordinatni sistem prikazan na sliki 5 so pomiki ux in<br />
ux nični. Ko so specifične deformacije majhne in enake<br />
(konstantne) po vsej palici<br />
X,x-os<br />
∆R<br />
∆r<br />
S=1m<br />
s=1,001m<br />
A<br />
∆u<br />
A’<br />
Slika 5. Raztezek palice.<br />
P<br />
s-S=0,001m<br />
je vrednost prve komponente Lagrangeovega tenzorja malih<br />
deformacij enaka<br />
l<br />
xx<br />
∂u<br />
x ∆u<br />
x s − S 0,001m<br />
= = = = = 0,001<br />
∂X<br />
∆X<br />
S 1m<br />
Prva komponent Eulerjevega tenzorja malih deformacij pa je<br />
ε xx<br />
S s S m<br />
=<br />
s s m<br />
− ∆ 0001 ,<br />
= = = 0, 000999001.<br />
1001 ,<br />
Relativno se razlikujeta samo za manj kot eno tisočino<br />
ε xx − lxx<br />
lxx<br />
0, 000999001− 0, 001<br />
=<br />
= 0, 000999 .<br />
0, 001
TRDNOST 70<br />
Prva komponenta Lagrangeovega tenzorja končnih deformacij pa<br />
je<br />
L<br />
xx<br />
2<br />
∂u<br />
x ⎛ ∂u<br />
x ⎞<br />
2<br />
= + ⎜ ⎟ = 0,<br />
001+<br />
( 0,<br />
001)<br />
= 0,001001,<br />
∂X<br />
⎝ ∂X<br />
⎠<br />
in se tudi zanemarljivo malo razlikuje od lxx.<br />
Zaradi enostavnosti se dogovorimo, da bomo v nadaljnjem tekstu<br />
deformacijski malih specifičnih deformacij na kratko<br />
imenovali kar tenzor deformacij ali deformacijski tenzor.<br />
2.4. GEOMETRIJSKI POMEN ČLENOV TENZORJA (MALIH) SPECIFIČNIH<br />
DEFORMACIJ.<br />
Zaradi enostavnejše razlage obravnavajmo samo ravninsko stanje<br />
specifičnih deformacij. Zamislimo si, da smo na neko steno<br />
narisali dve diferencialno majhni črti vzporedno z osema<br />
izbranega koordinatnega sistema X,Y (črti AB in AC na sliki<br />
5). Ti dve črti sta torej medseboj pravokotni. Po obremenitvi<br />
stene se le-ta deformira, črti pa zavzameta novo lego, A’B’ in<br />
A’C’.<br />
Iz slike je razvidno, da se dolžina vlaken AB in AC v smeri X<br />
oziroma Y pri deformaciji telesa spremeni za razliko pomikov v<br />
smeri vlaken, vlakno v smeri X za ∂u<br />
∂X<br />
dX<br />
x<br />
in vlakno v smeri Y za<br />
∂u<br />
∂Y<br />
dY<br />
y<br />
, ko lahko zanemarimo odvode višjega reda (zvezne in male<br />
deformacije). Če te spremembe dolžin delimo z dolžinami vlaken<br />
dX oziroma dY, dobimo tako relativne spremembe dolžin ali<br />
specifične deformacije<br />
∂u<br />
∂X<br />
∂<br />
ε<br />
∂<br />
dX<br />
x<br />
ux<br />
= = x<br />
(22.a)<br />
dX X<br />
in<br />
∂u<br />
∂Y<br />
∂<br />
ε<br />
∂<br />
dY<br />
y<br />
uy<br />
= = y<br />
(22.b)<br />
dY Y<br />
Tako torej diagonalni elementi deformacijskega tenzorja<br />
predstavljajo relativne spremembe dolžin infinitezimalno
TRDNOST 71<br />
majhnih vlaken postavljenih v smeri koordinatnih osi. Te člene<br />
imenujemo tudi normalne specifične deformacije.<br />
uy+( ∂ uy/ ∂ y)dy<br />
Y,y<br />
Y+dY<br />
Y<br />
C<br />
A<br />
X<br />
uA<br />
ux<br />
ux+( ∂ ux/ ∂ y)dy<br />
A’<br />
uC<br />
γ ’<br />
uy<br />
C’<br />
γ ”<br />
B<br />
du=uB-uA<br />
X+dX<br />
uB<br />
B’<br />
( ∂ uy/ ∂ x)dx<br />
uy<br />
ux+( ∂ ux/ ∂ x)dx<br />
X,x<br />
Slika 5. Shematični prikaz deformacij dveh »vlaken«, ki sta na<br />
začetku vzporedni s koordinatnima osema.<br />
Druga sprememba, ki jo opazimo je sprememba pravega kota med<br />
vlaknoma AB in AC. Iz slike vidimo, da je tangens naklonskega<br />
kota<br />
tan '= = u<br />
∂u<br />
∂Y<br />
∂ x<br />
γ<br />
∂Y<br />
dY<br />
x<br />
dY<br />
(23.a)<br />
in<br />
tan '' = u<br />
∂u<br />
∂X<br />
∂ y<br />
γ =<br />
∂X<br />
dX<br />
y<br />
.<br />
dX<br />
(23.b)<br />
Za majhna kota γ’ in γ’’ velja<br />
tan(γ’)+ tan(γ’’)= γ’+ γ’’= γ, (24)<br />
kjer γ predstavlja spremembo pravega kota med vlakni, ki ležita<br />
vzdolž koordinatnih osi X,Y. Glede na enačbi 23 in definicijo<br />
komponent deformacijskega tenzorja velja enakost
TRDNOST 72<br />
∂u<br />
∂u<br />
x y<br />
γ = ( + ) =2εxy , (25)<br />
∂Y<br />
∂X<br />
Iz nje zaključimo, da člen εxy predstavlja polovico spremembe<br />
pravega kota med vlakni. Pravimo ji strižna ali tangencialna<br />
deformacija. Analogno seveda velja za ostale ravnine. Tako<br />
izvendiagonalni elementi deformacijskega tenzorja<br />
predstavljajo strižne deformacije in so enaki polovicam<br />
sprememb pravega kota med vlakni v ravninah, ki jih paroma<br />
določajo x-y os, x-z os in y-z os. Tenzor specifičnih<br />
deformacij zaradi večje pomenljivosti lahko zapišemo tudi<br />
glede na spremembe kotov:<br />
ε=<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎣⎢<br />
1<br />
2<br />
1<br />
2<br />
1 1<br />
x 2 xy 2 xz<br />
1<br />
yx y 2 yz<br />
1<br />
zx 2 zy z<br />
ε γ γ<br />
γ ε γ<br />
γ γ ε<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥ .<br />
⎥<br />
⎦⎥<br />
(26)<br />
ZGLED 3.<br />
Na neki pravokotni steni narišemo pravokotnik z osnovnico a=2m<br />
in višino b=1m. Predpostavimo, da po obremenitvi stene nastane<br />
po vsej steni enakomerno deformacijsko stanje, ki je podano z<br />
deformacijskim tenzorjem<br />
ε =<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎣⎢<br />
1<br />
2<br />
1<br />
x 2 xy<br />
ε γ<br />
γyx εy<br />
0 0<br />
0 ⎤<br />
⎥<br />
0 ⎥ =<br />
⎥<br />
ε z<br />
⎦⎥<br />
⎡0,<br />
002 0, 001 0 ⎤<br />
⎢<br />
⎥<br />
⎢0,<br />
001 0, 003 0 ⎥<br />
⎣<br />
⎢ 0 0 − 0, 0015⎦<br />
⎥<br />
glede na koordinatni sistem, ki ima x-os vzporedno z osnovnico<br />
pravokotnika in z y-os vzporedno z njegovo višino (glej sliko<br />
Z.3.1, kjer so zaradi nazornosti pomiki narisani pretirano<br />
veliki).<br />
Zanima nas v kakšen lik se spremeni pravokotnik, za koliko se<br />
podaljšajo njegove stranice, za koliko se spremeni kot med<br />
stranicami, za koliko se povečata njegova diagonala in<br />
površina?
TRDNOST 73<br />
pravokotnik<br />
(pred deformacijo)<br />
∆b=0,003m<br />
y<br />
b=1m<br />
α=26,565°<br />
a=2m<br />
paralelepiped<br />
(po deformaciji)<br />
∆d = εX’.d<br />
d<br />
γxy=0,002rd<br />
∆a=0,004m<br />
D<br />
D’<br />
x<br />
x’<br />
0,002m<br />
Slika Z.2.1. Deformacija pravokotnika s pretirano veliko<br />
narisanimi pomiki.<br />
Odgovor. Lik se spremeni v paralelepiped. Ker je deformacijsko<br />
stanje enako po celem pravokotniku, je sprememba dolžine<br />
stranic enaka<br />
∆a = a.εx = 2m.0,002 =0,004m<br />
∆b = b.εy = 1m.0,003 = 0,003m<br />
Sprememba kota med stranicama a in b pa je<br />
γyx = 2.εyx = 2.0,001 =0,002rd.<br />
Opozorimo naj, da nam deformacijski tenzor podaja samo<br />
deformacije, medtem ko dejanskih pomikov iz njega direktno ne<br />
dobimo, ker so nam z deformacijskim tenzorjem poznani samo<br />
relativni pomiki. Dejanska lega deformiranega pravokotnika je<br />
na podlagi podatkov iz deformacijskega tenzorja torej neznana<br />
- ne poznamo translacije in rotacije “pravokotnika”, za njegov<br />
prikaz pa smo si izbrali lego, da so iz nje njegove<br />
deformacije dovolj nazorne.<br />
Sprememba površine je enaka<br />
∆F = (∆a.εx)a + (∆b.εy)b = 2m.0,002.2m + 1m.0,003.1m =0,011m 2 ,<br />
kjer smo zanemarili kvadratni člen, to je člen (∆a.εx).(∆b.εy),<br />
ki predstavlja majhno količino drugega reda.
TRDNOST 74<br />
Relativna sprememba površine pa je kar<br />
∆F<br />
F<br />
aε + bε<br />
=<br />
ab .<br />
x y<br />
= ε + ε = 0, 005 ,<br />
x y<br />
in je enaka vsoti diagonalnih členov tenzorja v ravnini x,y.<br />
Relativna sprememba dolžine diagonale je enaka specifični<br />
deformaciji v smeri x' (glej sliko Z.3.2.). V skladu s sliko<br />
je<br />
∆d/d = ε’x = (a.εx cosα+b.εy sinα+b.∂ux/∂y.cosα+a.∂uy/∂x.sinα)/d<br />
Vse količine v gornji enačbi izrazimo z a-ji<br />
d=a/cosα<br />
b=a.sinα/cosα<br />
in dobimo<br />
ε’x = εx cos 2 α + εy sin 2 α + ∂ux/∂y.sinα.cosα + ∂uy/∂x.cosα.sinα<br />
oziroma<br />
ε’x = εx cos 2 α + εy sin 2 α + εxysin2α<br />
= 0,002.cos 2 26,565° + 0,003 sin 2 26,565° + 0,001 sin 2.26,565°<br />
= 0,003<br />
Gornja enačba predstavlja je eno izmed transformacijskih<br />
enačb, ki jih bomo splošno izpeljali v naslednjem podpoglavju.<br />
D<br />
∆u<br />
∆d<br />
α<br />
aεx<br />
Slika Z.3.2. Shematični grafični prikaz pomikov in povečanja<br />
diagonale.<br />
D’<br />
bεy<br />
a∂ux/∂y<br />
X’os<br />
b∂uy/∂x
TRDNOST 75<br />
2.5. TRANSFORMACIJA SPECIFIČNIH DEFORMACIJ.<br />
Imejmo v nekem (Kartezijevem) koordinatnem sistemu, ki ga<br />
zaradi enostavnejšega izvajanja označimo z x1, x2, in x3,<br />
podano deformacijsko stanje s tenzorjem specifičnih<br />
deformacij, ki ga označimo z<br />
ε=<br />
⎡ε<br />
ε ε<br />
⎢<br />
⎢ε<br />
ε ε<br />
⎣<br />
⎢ε<br />
ε ε<br />
11 12 13<br />
21 22 23<br />
31 32 33<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥ .<br />
⎦<br />
⎥<br />
Zanima nas to (isto) deformacijsko stanje v nekem drugem<br />
(Kartezijevem) koordinatnem sistemu, ki ga zaradi<br />
enostavnejšega izvajanja označimo z x’1, x’2, in x’3. Tenzorjem<br />
specifičnih deformacij v tem koordinatnem sistemu označimo z<br />
ε' =<br />
⎡ε'<br />
ε' ε'<br />
⎢<br />
⎢ε'<br />
ε' ε'<br />
⎣<br />
⎢ε'<br />
ε' ε'<br />
11 12 13<br />
21 22 23<br />
31 32 33<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥ .<br />
⎦<br />
⎥<br />
Za komponento ε’11, na primer, bi to pomenilo, da nas zanima<br />
kolikšen je specifični raztezek vlakna, ki je v smeri x’ osi,<br />
ko poznamo normalne in strižne deformacije v sistemu x1, x2, in<br />
x3 (glej sliko Z.2.2).<br />
Predno bomo izpeljali transformacijske enačbe se spomnimo:<br />
Upoštevaje dogovor o sumaciji je transformacija koordinat iz<br />
sistema x1, x2, in x3 v sistem x’1, x’2, in x’3 podana z enačbo<br />
xi’= aij .xj ,<br />
kjer so aij členi transformacijske matrike. Enako podamo<br />
transformacijo komponent vektorja pomikov<br />
ui’= aij .uj (D.1)<br />
Obratna transformacija je<br />
xi= a T ij .x'j = aji .x'j<br />
od koder sledi<br />
∂x<br />
∂x'<br />
i<br />
j<br />
= a<br />
(D.2)<br />
ji
TRDNOST 76<br />
Odvod pomikov u podanih v koordinatnem sistemu x1, x2, in x3 po<br />
koordinatah x’1, x’2, in x’3 izračunamo iz posrednega odvajanja<br />
∂u<br />
∂u<br />
∂x<br />
∂u<br />
∂x<br />
∂x<br />
∂x<br />
∂x<br />
a<br />
i i k i<br />
= . = kj<br />
(D.3)<br />
' '<br />
j<br />
k<br />
j<br />
k<br />
Sedaj si poglejmo specifično deformacijo v koordinatnem x’1,<br />
x’2, in x’3<br />
1 ∂u'<br />
∂u'<br />
i j<br />
ε'ij<br />
= ( + )<br />
2 ∂x'<br />
∂x'<br />
j<br />
i<br />
. (D.4)<br />
Zaradi enostavnosti razlage obravnavajmo v gornji enačbi<br />
zaenkrat samo prvi odvod. Po enačbi D.1 je enak<br />
∂u'<br />
∂x'<br />
i<br />
j<br />
∂(<br />
aik uk)<br />
∂<br />
= = aik<br />
∂x'<br />
∂x'<br />
j<br />
j<br />
u ( x , x , x )<br />
k<br />
1 2 3 ,<br />
upoštevaje še enačbo D.3. in D.2. pa dobimo<br />
∂u'<br />
∂x'<br />
i<br />
j<br />
= a<br />
ik<br />
∂u<br />
∂x<br />
k<br />
m<br />
∂x<br />
∂x'<br />
m<br />
j<br />
= a<br />
ik<br />
a<br />
jm<br />
∂u<br />
∂x<br />
k<br />
m<br />
. (D.5.a)<br />
Drugi odvod v enačbi D.4 dobimo iz enačbe D.5 enostavno tako,<br />
da medsebojno zamenjamo indeksa i in j. Če še zamenjamo<br />
medsebojno indeksa k in m, ki sta sumacijska indeksa, dobimo<br />
za drugi odvod enačbo<br />
∂u'<br />
j<br />
∂x'<br />
i<br />
= a<br />
jm<br />
a<br />
ik<br />
∂u<br />
∂x<br />
m<br />
k<br />
. (D.5.b)<br />
Ko enačbi za odvode (D.5.a in b) vstavimo v enačbo za<br />
specifične deformacije v koordinatnem sistemu x’1, x’2, in x’3<br />
(en. D.4), dobimo enačbo<br />
1 ∂u<br />
k ∂u<br />
m<br />
1 ∂u<br />
k ∂u<br />
m<br />
ε′ ij = ( a ik a jm + a jma<br />
ik ) = a ik a jm ( + ) .<br />
2 ∂x′<br />
∂x′<br />
2 ∂x<br />
∂x<br />
m<br />
k<br />
Količina v oklepaju je specifična deformacija v koordinatnem<br />
sistemu x1, x2, in x3 in enačba predstavlja transformacijo<br />
tenzorja specifičnih deformacij v koordinatni sistem x'1, x'2,<br />
in x'3<br />
ε' =<br />
a<br />
ij<br />
ik<br />
a<br />
jm<br />
ε<br />
km<br />
m<br />
k
TRDNOST 77<br />
oziroma zapisana z matrikami<br />
ε'= AεA T<br />
Vidimo, da se deformacijski tenzor povsem enako transformira<br />
kot napetostni tenzor. Zato so tudi ekstremne vrednosti<br />
specifičnih deformacij in njihove smeri podane s povsem<br />
enakimi obrazci kot pri napetostih. Tudi grafična analiza z<br />
Mohrovi krogi je povsem enaka, zato je ne bomo posebej<br />
obravnavali.<br />
2.6. GLAVNE VREDNOSTI IN SMERI.<br />
Ker deformacijski tenzor simetričen in realen, ravno tako kot<br />
napetostni tenzor, ki se tudi enako transformira, veljajo tudi<br />
zanj enaki zaključki glede lastnih vrednosti in smeri. Torej<br />
obstajajo za vsak deformacijski tenzor tri ortogonalne smeri v<br />
katerih nastopajo samo normalne deformacije, ki so ekstremne<br />
(in realne). Te smeri in vrednosti imenujemo glavne smeri in<br />
glavne vrednosti deformacijskega tenzorja, pripadajoči<br />
koordinatni sistem pa glavni koordinatni sistem. V matematiki<br />
jih imenujemo lastne smeri in vrednosti, ki jih seveda<br />
izračunamo iz enačbe problema lastnih vrednosti<br />
( ε − λI)<br />
n = 0<br />
na enak način kot pri tenzorju napetosti!<br />
2.7. IZRAČUN POMIKOV.<br />
Spoznali smo, da je deformacijski tenzor odvisen samo od<br />
relativnih pomikov masnih točk, zato lahko iz njega izračunamo<br />
samo tiste pomike (če so zvezni), ki povzročajo deformacije.<br />
Iz materialnega gradienta pomikov pa lahko izračunamo<br />
rezultantne pomike, ki povzročajo deformacije in rotacijo.<br />
Translatornih pomikov pa iz tega gradienta ne moremo<br />
izračunati, ker podaja samo razlike pomikov med točkami, ki so<br />
pri translatornem pomiku nične! Poglejmo si premike krajnih<br />
točk vlakna dR na sliki 5. Ta premik je sestavljen iz »toge«<br />
translacije in rotacije ter iz pomika, ki spremeni njegovo<br />
dolžino in kot med ortogonalnimi vlakni dR in dR'.
TRDNOST 78<br />
dR’ translacija<br />
dR<br />
du elongacije<br />
pravi kot<br />
du striga<br />
dr’<br />
dr<br />
deformacija:<br />
dud =εdR<br />
dR<br />
du=JdR<br />
rotacija:<br />
dur=wdR<br />
Slika 6. Simbolični prikaz premika in deformacije »vlakna« dR.<br />
Poglejmo si te relacije še teoretično. Pomik izračunan iz<br />
gradienta pomikov je enak<br />
du = JdR.<br />
Če ga zapišemo po komponentah, kjer gradient pomikov<br />
razstavimo na simetrični in antisimetrični del in enačbo<br />
preuredimo, dobimo enakost<br />
du = u<br />
X .dX<br />
u u<br />
X X dX<br />
u u<br />
X X dX<br />
∂ i ∂ ∂<br />
i j ∂ ∂<br />
1<br />
1 i j<br />
i<br />
j = ( + ) j + ( − ) j .<br />
∂<br />
2<br />
j ∂ j ∂<br />
2<br />
i ∂ j ∂ i<br />
V prvem sumandu nastopa deformacijski tenzor, v drugem pa<br />
tenzor, ki podaja togo rotacijo. Enačbo še zapišimo v<br />
kompaktni obliki<br />
du = εdR + wdR,<br />
kjer smo z w označili tenzor rotacije. Ta je antisimetričen,<br />
zanj velja enačba<br />
wij = -wij = w T ij ,<br />
in prav nič ne doprinese k deformacijam. Dokažimo še to:<br />
upoštevajmo pri pomikih samo prispevek rotacijskega tenzorja<br />
in računajmo spremembo velikosti dR:<br />
dl 2 = dr T dr - dR T dR = (dR+wdR) T (dR+wdR)- dR T dR<br />
= dR T w T dR + dR T wdR +dR T w T wdR<br />
Če zanemarimo kvadratni člen
TRDNOST 79<br />
dl 2 = dR T (w T + w)dR = 0<br />
in upoštevamo antisimetrijo w-ja<br />
w T =-w<br />
ugotovimo, da je dl nična, torej w ne prispeva k deformacijam.<br />
Samo za »vlakna«, ki so vzporedna s koordinatnimi osmi pa<br />
lahko izračunamo relativni pomik krajišč v osni smeri iz<br />
deformacijskega tenzorja. Na primer, če leži vlakno v x smeri<br />
med točkama x1 in x2 je relativni pomik enak krajišča 2 glede<br />
na krajišče 1 enak<br />
u<br />
x, relativni<br />
= u<br />
2<br />
− u<br />
1<br />
= ∆u<br />
=<br />
x 2<br />
∫<br />
x1<br />
∂u<br />
x<br />
dx =<br />
∂x<br />
x 2<br />
∫<br />
x1<br />
ε<br />
xx<br />
dx<br />
Če specifična deformacija enaka vzdolž vlakna z dolžino S,<br />
tedaj je raztezek enak<br />
x<br />
∆S = u 2 − u1<br />
= ∆u<br />
= ∫ εxx<br />
dx = εxx<br />
∫ dx = εxx<br />
( x 2 − x1)<br />
= εxx<br />
. S<br />
x<br />
2<br />
1<br />
2.8. NEPOSREDNA IZPELJAVA ENAČBE ZA LASTNE VREDNOSTI<br />
DEFORMACIJSKEGA TENZORJA.<br />
x<br />
x<br />
2<br />
1<br />
Zaradi fizikalne interpretacije lastnih vrednosti tenzorja<br />
specifičnih deformacij izpeljimo enačbo za lastne vrednosti<br />
neposredno.<br />
Samo pomiki v smeri vlakna dR določajo spremembo njegove<br />
dolžine (slika 7).<br />
dR<br />
To zahtevo zapišemo z enačbo<br />
du = εdR = λdR<br />
du<br />
Slika 7. Kolinearnost pomika z dR.<br />
Ko enačbo delimo z velikostjo dR, in upoštevamo da je smerni<br />
vektor za dR enak
TRDNOST 80<br />
n=dR/dR,<br />
dobimo enačbo problema lastnih vrednosti<br />
du<br />
= εn = λn<br />
.<br />
dR<br />
Vsi smerni vektorji n, ki izpolnjujejo to enačbo nam torej<br />
dajo smeri, kjer so samo normalne specifične deformacije, λ pa<br />
so njihove vrednosti, ki predstavljajo ekstremne relativne<br />
spremembe dolžin vlaken dR.<br />
2.9. EKSTREMNE STRIŽNE DEFORMACIJE.<br />
Ker se deformacijski tenzor transformira na povsem enak način<br />
kot napetostni, izračunamo ekstremne strižne deformacije na<br />
enak način kot strižne napetosti.<br />
2.10. ZNAČILNOST DEFORMIRANJA<br />
Če se na primer na neki steni pojavi enakomerno deformacijsko<br />
stanje (v vseh točkah so deformacije enake) se kvadrat, ki ga<br />
narišemo na steno pred deformacijo, spremeni v paralelogram<br />
(slika a). Ker obstajajo glavne smeri, kjer ni strižnih<br />
deformacij, se kvadrat narisan na steno s stranicami v smeri<br />
glavnih osi spremeni v pravokotnik (slika b). Kvadrat, ki pa<br />
je zasukan za 45°glede na glavne osi, pa se spremeni v<br />
paralelogram, sprememba pravih kotov pa je največja.
TRDNOST 81<br />
II -os<br />
Slika a. Deformacija v smeri glavnih osi, ki niso glavne.<br />
II -os<br />
Y -os<br />
Y -os<br />
Slika b. Deformacija v smeri glavnih osi.<br />
I -os<br />
I -os<br />
X-os<br />
X-os
TRDNOST 82<br />
3. KONSTITUTIVNE ENAČBE<br />
3.1. PREDPOSTAVKE IN IZPELJAVA ENAČB ZA RELACIJE MED<br />
NAPETOSTMI IN SPECIFIČNIMI DEFORMACIJAMI.<br />
Doslej smo obravnavali napetosti in specifične deformacije<br />
ločeno. V vsakem materialu in tako tudi v konstrukcijah pa<br />
obstaja med njunimi spremembami soodvisnost, na katero pa<br />
vplivata še temperatura in čas. Zveza med velikimi spremembami<br />
teh količin je izrazito nelinearna in je za različne materiale<br />
različna.<br />
Slika 1. Osni stisk palice s pomikom desne podpore.<br />
σx<br />
1.5<br />
1<br />
0.5<br />
0<br />
t 1<br />
y<br />
1<br />
x<br />
εx (t), σx(t)<br />
(a) velika začetna napetost<br />
spremeba napetosti s časom<br />
(b) mala začetna napetost<br />
čas (meseci)<br />
Slika 2. Diagram, ki prikazuje principialni potek časovnega<br />
spreminjanja napetosti pri mali in veliki začetni obremenitvi<br />
ob konstantni temperaturi in specifični deformaciji.<br />
ux
TRDNOST 83<br />
Poglejmo si na primer kako vpliva čas (t) na spremembo<br />
napetosti, medtem ko sta temperatura T in specifične<br />
deformacije konstantne. Tak slučaj dobimo pri enostavni osni<br />
deformaciji palice, ko se njeni podpori zbližata za pomik ux in<br />
nato ostaneta v takem položaju (glej sliko 1). Po premiku<br />
podpor se pojavi v palici osna deformacija εx, ki se s časom ne<br />
spremeni ter osna napetost σx(t1), ki pa se časom zmanjšuje kot<br />
eksponencialna funkcija (glej sliko 2). To zmanjševanje<br />
napetosti je odvisno od velikosti začetne napetosti σx(t1)<br />
oziroma od deformacije εx . Če sta ti vrednosti precej manjši<br />
od porušnih vrednosti, pa je vpliv časa zanemarljiv (krivulja<br />
b na sliki 2).<br />
Poglejmo si še principialni potek deformacij, kjer obremenitev<br />
povečujemo do porušitve vzorca v relativno kratkem času<br />
(recimo do nekaj ur) in je zato vpliv časa na deformacije<br />
zanemarljiv. Na sliki 3 je prikazan diagram, ki je tipičen za<br />
gradbene materiale kot sta jeklo in beton, kjer beton za<br />
razliko od jekla preizkušamo predvsem na tlak. Pri enoosnem<br />
nateznem preizkusu jekla povečujemo osne napetosti in hkrati<br />
merimo osne specifične deformacije na tako imenovani epruveti,<br />
ki predstavlja jekleno palico primernih dimenzij za natezni<br />
aparat. Če na abscisi podajamo vrednosti specifičnih<br />
deformacij ε, na ordinato pa napetosti σ, dobimo tako imenovani<br />
σ-ε diagram (slika 3).<br />
σ =P/A<br />
σ =k.ε<br />
α<br />
P<br />
epruveta<br />
0 Linearni del Elastoplastič<br />
ni del<br />
L<br />
∆ L<br />
ε p<br />
proporcionalni<br />
P<br />
ε =∆ L/L<br />
Del pred<br />
porušitvijo<br />
Slika 3. σ-ε diagram: shematični potek enoosnega nateznega<br />
preizkusa.
TRDNOST 84<br />
Ta ima tri tipična območja: linearno, elasto-plastično ali<br />
nelinearno in porušitveno območje. Velikost teh območij ter<br />
oblika nelinearnega dela odvisna od materiala in so lahko zelo<br />
različna. Pri jeklu je na primer lahko nelinearna faza več<br />
desetkrat daljša od linearne. Prvo področje imenujemo linearno<br />
ali proporcionalno, ker so napetosti v enostavni linearni<br />
zvezi z deformacijami<br />
σ = k . ε ,<br />
kjer je k tangens naklonskega kota α premice in je značilen za<br />
dani material. To je prva elastična konstanta in jo imenujemo<br />
Youngov modul ali elastični modul in ga običajno označujemo s<br />
črko E. Torej je Youngov modul definiran z razmerjem spremembe<br />
napetosti in deformacije pri enoosnem napetostnem stanju:<br />
tg α ≡ E = dσ<br />
/ dε<br />
.<br />
Značilnosti območij pri enoosnem nateznem ali tlačnem preskusu<br />
se izkažejo predvsem pri ponavljanju razbremenjevanja in<br />
obremenjevanja epruvete, torej pri procesih, ki so običajno<br />
prisotni v vsaki konstrukciji.<br />
(1) Če preizkušanec obremenjujemo do meje elastičnosti (glej<br />
sliko 4, točka B in pot S1) ali pa manj ter ga nato<br />
razbremenimo, tedaj poteka razbremenjevanje v obratni<br />
smeri, po poti S2. Po razbremenitvi je tudi specifična<br />
deformacija nična in pravimo, da se je preskušanec vrnil<br />
v izhodiščno obliko. Na njem niso nastale nikakršne<br />
trajne deformacije in pravimo, da se material obnaša<br />
linearno elastično.<br />
(2) Če preskušanec prvič obremenimo preko meje elastičnosti,<br />
do neke točke C v elasto-plastičnem področju in ga<br />
razbremenimo, gre proces razbremenitve po poti S3 do točke<br />
D, ki je vzporedna poti S2. Pri tem ostane trajna<br />
plastična deformacija preizkušanca – preizkušanec se je<br />
trajno deformiral.<br />
(3) Pri ponovnih cikličnih obremenitvah vse do točke C (pot S3<br />
in S4) se material obnaša linearno elastično, elastični<br />
modul pa se ne spremeni. S prvo obremenitvijo smo dosegli<br />
samo povišanje meje elastičnosti iz točke B v točko C.<br />
Pravimo, da smo material utrdili, pojav pa je znan pod<br />
imenom Bauschingerjev efekt. Tako utrditev lahko izvajamo<br />
vse do meje elasto-plastičnega področja.<br />
(4) Če material obremenimo v porušitveno področje pa izgubi<br />
praktično vse elastične lastnosti in trdnost ter se<br />
poruši.
TRDNOST 85<br />
σ<br />
σpor<br />
σm.pl<br />
σm.el<br />
0<br />
P<br />
ε = E.σ<br />
α<br />
S1<br />
plastična<br />
deformacija<br />
D<br />
α<br />
S2<br />
L<br />
S4<br />
B<br />
Linearni del Elastoplastični<br />
del<br />
S3<br />
P<br />
meja elostoplastičnosti<br />
C<br />
ε proporcionalni,<br />
meja elastičnosti<br />
porušitev<br />
ε<br />
Del pred<br />
porušitvijo<br />
Slika 4. Tipičen diagram poteka deformacij pri obremenilno<br />
razbremenilnem enoosnem nateznem preizkusu.<br />
V mnogih praktičnih inženirskih problemih stremimo za tem, da<br />
so velikosti in variacije napetosti v konstrukcijah dovolj<br />
majhne, da ne pride do velikih deformacij, ki bi motile<br />
uporabnost konstrukcije ter povzročale utrujanje materiala.<br />
Zaradi malih napetosti lahko vpliv časa zanemarimo, zveze med<br />
spremembami teh količin pa opišemo zadosti natančno z<br />
linearnimi funkcijami. Pravimo, da je material v linearno<br />
deformacijsko napetostnem stanju, matematično ga pa<br />
analiziramo v okviru linearne analize. Linearna analiza je<br />
bistveno enostavnejša in je inženirsko preglednejša in<br />
hitrejša od nelinearne analize. Zato se tudi pri prednapetih<br />
železo-betonskih konstrukcijah in pri zemljinah, kjer je treba<br />
upoštevati vpliv časa in nelinearne zveze med napetostmi in<br />
specifičnimi deformacijami, če se le da poslužujemo linearne<br />
analize in rezultate dopolnimo z nelinearnimi vplivi.<br />
Matematičnima enačbe, ki podajajo funkcijski opis zvez med<br />
napetostmi in specifičnimi deformacijami imenujemo<br />
konstitutivne enačbe. Mi se bomo ukvarjali samo z linearnimi
TRDNOST 86<br />
konstitutivnimi enačbami, znanimi tudi kot Hookeov zakon.<br />
Material, kjer veljajo take zveze imenujemo idealno elastični<br />
material ali Hookeov material.<br />
V splošnem 3-D napetostno-deformacijskem stanju te zveze<br />
izpeljemo na podlagi superpozicije eno-osnih obremenitev, kjer<br />
lahko tudi eksperimentalno ugotavljamo elastične<br />
karakteristike. Material, ki ima enake elastične<br />
karakteristike v vseh smereh imenujemo izotropen material. Za<br />
tak material ugotovimo tri materialne oziroma elastične<br />
konstante, čeprav bomo kasneje ugotovili, da so med seboj<br />
odvisne.<br />
Prva elastična konstanta je že omenjeni Youngov modul, ki smo<br />
ga definirali na podlagi enoosne obremenitve. Za izotropni<br />
material torej velja posebej za vsako smer pravokotnega<br />
koordinatnega sistema ustrezna enačba. Za enoosno obremenitev<br />
v smeri x<br />
σxx = E.εxx ,<br />
za enoosno obremenitev v smeri y<br />
σyy = E.εyy ,<br />
in za enoosno obremenitev v smeri z enačba<br />
σzz = E.εzz.<br />
Druga elastična konstanta je razmerje med prečno in vzdolžno<br />
specifično deformacijo pri enoosni obremenitvi (slika 5).<br />
Imenujemo ga Poissonov količnik ali koeficient ali koeficient<br />
prečne kontrakcije. Označimo ga s črko ν in ga definiramo kot<br />
negativno razmerje prečne kontrakcije in vzdolžne deformacije<br />
v smeri enoosne obremenitve<br />
ε yy ε<br />
ν =− =−<br />
ε ε<br />
xx<br />
zz<br />
xx
TRDNOST 87<br />
εyy
TRDNOST 88<br />
Tako na primer τxy prav nič ne vpliva na deformacije γyz, kar je<br />
teoretično pokazal Lame. Zaradi tega zadnje tri enačbe že v<br />
celoti podajajo zveze med strižnimi napetostmi in strižnimi<br />
deformacijami tudi tedaj, ko imamo strižne in normalne<br />
napetosti v vseh treh smereh, torej za splošno prostorsko<br />
napetostno deformacijsko stanje. Te enačbe predstavljajo<br />
sistem treh linearnih nevezanih enačb iz katerih enostavno<br />
izračunamo obratne zveze:<br />
γxy = τxy /G<br />
γxz = τxz /G<br />
γyz = τyz /G<br />
Za razliko od strižnih deformacij pa pri normalnih<br />
deformacijah pride do medsebojnega vpliva. Enačbe za normalne<br />
deformacije izpeljemo iz namišljenega preskusa, kjer<br />
obremenimo infinitezimalni kubni element nekega materiala<br />
ločeno v vsaki smeri (slika 7)<br />
Pri osni obremenitvi v smeri x nastopijo specifične<br />
deformacije v vseh smereh in so enake<br />
ε<br />
ε<br />
ε<br />
( 1)<br />
xx<br />
( 1)<br />
yy<br />
( 1)<br />
zz<br />
1<br />
= σ<br />
E<br />
= −νε<br />
= −νε<br />
xx<br />
( 1)<br />
xx<br />
( 1)<br />
xx<br />
1<br />
= − νσ<br />
E<br />
1<br />
= − νσ<br />
E<br />
xx<br />
xx<br />
Pri osni obremenitvi v smeri y nastopijo specifične<br />
deformacije<br />
ε<br />
ε<br />
ε<br />
( 2)<br />
yy<br />
( 2)<br />
xx<br />
( 2)<br />
zz<br />
1<br />
= σ<br />
E<br />
= −νε<br />
= −νε<br />
yy<br />
( 2)<br />
yy<br />
( 2)<br />
yy<br />
1<br />
= − νσ<br />
E<br />
1<br />
= − νσ<br />
E<br />
in pri osni obremenitvi v smeri z<br />
( 3)<br />
1<br />
ε zz = σ zz<br />
E<br />
( 3)<br />
( 3)<br />
1<br />
ε xx = −νε<br />
zz = − νσ zz<br />
E<br />
( 3)<br />
( 3)<br />
1<br />
ε yy = −νε<br />
zz = − νσ zz .<br />
E<br />
yy<br />
yy
TRDNOST 89<br />
(1)Osna obremenitev<br />
v smeri x<br />
y<br />
z<br />
x<br />
σxx<br />
(2)Osna obremenitev<br />
v smeri y<br />
(3)Osna obremenitev<br />
v smeri z<br />
σzz<br />
(1)+(2)+(3)=<br />
prostorska obremenitev<br />
z<br />
normalnimi napetostmi<br />
Slika 7. Prikaz zaporednega obremenjevanja.<br />
Pri delovanju vseh treh osnih napetosti hkrati dobimo splošno<br />
prostorsko napetostno stanje za normalne napetosti. Specifične<br />
deformacije pa so enake kar seštevku specifičnih deformacij za<br />
posamezne osne obremenitve. Ta enostavna superpozicija<br />
deformacij je dovoljena samo pri malih specifičnih<br />
deformacijah, kjer so razlike med specifičnimi deformacijami<br />
merjenimi glede na deformirano in nedeformirano telo<br />
zanemarljive (Lagrangeov in Eulerjev tenzor malih deformacij<br />
sta enaka)! Tako za deformacijo v smeri x, ki je posledica<br />
vseh treh osnih obremenitev dobimo enačbo<br />
σyy<br />
+<br />
+<br />
σyy<br />
σxx<br />
σzz
ε<br />
TRDNOST 90<br />
xx<br />
= ε<br />
( 1)<br />
xx<br />
+ ε<br />
( 2)<br />
xx<br />
+ ε<br />
( 3)<br />
xx<br />
=<br />
1<br />
( σ<br />
E<br />
xx<br />
− ν(<br />
σ<br />
yy<br />
+ σ<br />
in analogno še za ostale smeri<br />
1<br />
εyy = ( σyy − ν( σxx+ σzz<br />
))<br />
E<br />
1<br />
εzz = ( σzz − ν( σxx + σyy<br />
)).<br />
E<br />
zz<br />
))<br />
Vse enačbe skupaj predstavljajo Hookeov zakon in jih lahko<br />
zapišemo še v matrični obliki<br />
⎡ε<br />
⎢<br />
ε<br />
⎢<br />
⎢ε<br />
⎢<br />
⎢ε<br />
⎢ε<br />
⎢<br />
⎣⎢<br />
ε<br />
xx<br />
yy<br />
zz<br />
xy<br />
xz<br />
yz<br />
1 −ν −ν<br />
E<br />
−ν E<br />
1<br />
E<br />
−ν<br />
E<br />
−ν E<br />
−ν<br />
E<br />
1<br />
E E E<br />
⎡<br />
⎤<br />
0 0 0 ⎤<br />
⎢<br />
⎥⎡σ<br />
⎥ ⎢<br />
0 0 0 ⎥⎢<br />
σ<br />
⎥ ⎢<br />
⎥⎢<br />
⎥ ⎢<br />
0 0 0 ⎥⎢<br />
σ<br />
⎥ = ⎢<br />
1 ⎥⎢<br />
⎥<br />
τ<br />
⎢ 0 0 0 0 0<br />
2G<br />
⎥⎢<br />
⎥ ⎢<br />
1 ⎥⎢<br />
τ<br />
⎥ ⎢<br />
0 0 0 0 0<br />
2G<br />
⎥⎢<br />
⎦⎥<br />
⎢<br />
1 ⎥⎣⎢<br />
τ<br />
⎣<br />
0 0 0 0 0<br />
2G<br />
⎦<br />
xx<br />
yy<br />
zz<br />
xy<br />
xz<br />
yz<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥ .<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦⎥<br />
Hookeov zakon torej zapišemo s šestimi enačbami. Pri tem je<br />
pomembno opozoriti, da so prve tri enačbe podajajo zvezo samo<br />
med normalnimi napetostmi in deformacijami – strižne napetosti<br />
prav nič ne vplivajo na normalne specifične deformacije v<br />
danem koordinatnem sistemu. Prve tri enačbe so tudi med seboj<br />
vezane – vsaka normalna napetost vpliva na vse normalne<br />
deformacije, in se rešujejo kot sistem treh enačb.<br />
Zadnje tri enačbe, za strižne napetosti in deformacije, pa so<br />
med seboj nevezane in se rešujejo ločeno vsaka zase. Vsaka<br />
strižna napetost določa samo isto smiselno strižno<br />
deformacijo.<br />
Deformacijsko-napetostno stanja je torej enolično določeno z<br />
ustreznimi najmanj šestimi vrednostmi napetostnega in/ali<br />
deformacijskega tenzorja.<br />
3.2. VPLIV TEMPERATURE NA SPECIFIČNE DEFORMACIJE.<br />
Temperatura vpliva samo na normalne specifične deformacije, ki<br />
so enostavno linearno proporcionalne s temperaturo. Za<br />
izotropni material zapišemo soodvisnost spremembe temperature<br />
∆T in spremembe normalne specifične deformacije ∆ε v poljubni<br />
smeri z enačbo<br />
∆ ε = α . ∆T,<br />
i = x, y, z ,<br />
i<br />
T
TRDNOST 91<br />
kjer je αT temperaturni razteznostni koeficient. Za jeklo in<br />
beton na primer je αT =10 -5 /°C. Če poleg obremenitve z<br />
napetostmi nastopi temperaturna sprememba, so rezultirajoče<br />
normalne specifične deformacije zaradi linearnih soodvisnosti<br />
enostavno enake vsoti specifičnih deformacij zaradi obeh<br />
vplivov:<br />
∆ ε<br />
i<br />
= ∆ε<br />
i<br />
( σ)<br />
+ ∆εi<br />
( ∆T),<br />
i =<br />
x, y, z<br />
Če izpustimo znak za variacije napetosti in specifičnih<br />
deformacij tedaj so enačbe za Hookeov zakon enake<br />
1<br />
ε xx = ( σ xx<br />
E<br />
− ν(<br />
σ yy + σ zz )) + α T∆T<br />
1<br />
ε yy = ( σ yy − ν(<br />
σ xx<br />
E<br />
+ σ zz )) + α T∆T<br />
1<br />
ε zz = ( σ zz<br />
E<br />
− ν(<br />
σ xx + σ yy )) + α T∆T<br />
.<br />
3.3. ZVEZA MED MATERIALNIMI KONSTANTAMI.<br />
Pri materialnih konstantah sta posebno pomembni še dve<br />
dejstvi. Prvo je, da sta samo dve konstanti neodvisni, torej<br />
obstaja zveza med materialnimi konstantami. Tako so materialne<br />
karakteristike za homogeni izotropni material določene s samo<br />
dvema konstantama. Izpeljimo si to zvezo. Zamislimo si, da smo<br />
v nekem materialu z obremenitvijo dosegli v ravnini x-y stanje<br />
čistega ravninskega striga, kjer vrednost za strižno napetost<br />
označimo s k,<br />
τxy = k,<br />
ostale napetosti pa so nične (slika 8.a). V glavnem sistemu,<br />
ki je kot vemo za 45° zasukan, imamo tedaj samo normalni<br />
napetosti (slika 8.b), ki sta<br />
σ1 = τxysin(2.45°)= k<br />
σ2 = -τxysin(2.45°)= -k<br />
in pripadajoči normalni specifični deformaciji<br />
1<br />
k<br />
ε 1 = ( σ1<br />
− νσ2)<br />
= ( 1+<br />
ν)<br />
E<br />
E<br />
1<br />
k<br />
ε 2 = ( σ2<br />
− νσ1)<br />
= − ( 1+<br />
ν)<br />
.<br />
E<br />
E
TRDNOST 92<br />
(a) stanje<br />
čistega striga<br />
τxy=k<br />
y<br />
x<br />
τxy=k<br />
(b) pripadajoči glavni<br />
koordinatni sistem<br />
σ2=-k<br />
σ1=k<br />
y1<br />
x1<br />
σ1=k<br />
α=45°<br />
Slika 8. Napetostno stanje ter koordinatna sistema za izračun<br />
zveze med materialnimi konstantami.<br />
Te specifične deformacije transformirajmo nazaj v sistem x-y,<br />
kjer dobimo samo strižno deformacijo, ki je enaka<br />
1<br />
γ xy ≡ 2ε xy = 2(<br />
− )( ε1<br />
− ε 2 ) sin( −2.<br />
45°<br />
)<br />
2<br />
1 k k<br />
= 2(<br />
− )( 2 ( 1+<br />
ν)<br />
+ 2 ( 1+<br />
ν))<br />
sin( −2.<br />
45°<br />
) .<br />
2 E E<br />
k<br />
= 2 ( 1+<br />
ν)<br />
E<br />
Po definiciji pa je strižni modul enak kvocientu strižne<br />
napetosti in deformacije<br />
τ<br />
G =<br />
γ<br />
xy<br />
xy<br />
oziroma<br />
E<br />
G =<br />
2(<br />
1+<br />
ν)<br />
k<br />
=<br />
k(<br />
1+<br />
ν)<br />
2<br />
E<br />
Drugo dejstvo se nanaša na Poissonov količnik. Če stiskamo<br />
material z napetostmi<br />
σx = σy = σz = -k, k>0,<br />
mora biti specifična sprememba volumna negativna ali pri<br />
nestisljivem materialu kvečjemu nična. Po Hookeovem zakonu je<br />
enaka
TRDNOST 93<br />
dV/V = εx + εy + εy = -3k(1-2ν)< ali =0<br />
od koder zaključimo, da je<br />
ν ≤ 12 / .<br />
Čeprav se da pokazati, da če je lahko Poissonov količnik tudi<br />
med -1 in 0, ni v nasprotju z nobenim poznanim zakonom, pa<br />
materialov, ki imajo takšen Poissonov kvocient ne poznamo.<br />
Zato smatramo, da je Poissonov koeficient v intervalu<br />
0≤ ν ≤1/<br />
2.<br />
-o-<br />
Pri izračunu obratnih zvez med napetostmi in specifičnimi<br />
deformacijami je potrebno samo iz invertirati samo prve tri<br />
enačbe, to so enačbe za normalne napetosti in normalne<br />
specifične deformacije, ki so vezane enačbe. Tako dobimo<br />
inverzne relacije, ki jih enostavneje zapišemo z Lame-jevima<br />
konstantama λ in µ (brez vpliva temperature)<br />
⎡σ<br />
⎢<br />
σ<br />
⎢<br />
⎢σ<br />
⎢<br />
⎢ τ<br />
⎢ τ<br />
⎢<br />
⎣⎢<br />
τ<br />
xx<br />
yy<br />
zz<br />
xy<br />
xz<br />
yz<br />
⎤ ⎡λ<br />
+ 2µ λ λ 0 0 0 ⎤⎡ε<br />
⎥ ⎢<br />
λ λ µ λ<br />
ε<br />
⎥<br />
+<br />
⎥⎢<br />
2 0 0 0<br />
⎢<br />
⎥⎢<br />
⎥ ⎢ λ λ λ + 2µ 0 0 0 ⎥⎢<br />
ε<br />
⎥ = ⎢<br />
⎥⎢<br />
⎥ ⎢ 0 0 0 2µ 0 0 ⎥⎢ε<br />
⎥ ⎢ 0 0 0 0 2µ 0 ⎥⎢ε<br />
⎥ ⎢<br />
⎥⎢<br />
⎦⎥<br />
⎣ 0 0 0 0 0 2µ<br />
⎦⎣⎢<br />
ε<br />
kjer so zveze med Lamejevimi in inženirskimi konstantami<br />
sledeče:<br />
νE<br />
λ =<br />
( 1+ ν)( 1−2 ν)<br />
µ = G.<br />
Obratne zveze smo tako zapisali samo z dvema materialnima<br />
konstantama.<br />
3.4. RAVNINSKO NAPETOSTNO STANJE<br />
Pri ravninskem napetostnem stanju v ravnini x,y so vse<br />
napetosti v eni smeri, na primer v smeri z, enake nič:<br />
σzz = τzx = τzy = 0.<br />
xx<br />
yy<br />
zz<br />
xy<br />
xz<br />
yz<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥ ,<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦⎥
TRDNOST 94<br />
Takšno stanje je tipično za stene. Tedaj v smeri z obstajajo<br />
samo normalne specifične deformacije, ki jih izračunamo iz<br />
enačbe<br />
σ = λ + 2µ<br />
) ε + λε + λε = 0 ,<br />
zz<br />
( zz yy xx<br />
ki nam da zvezo med specifičnimi deformacijami<br />
λ<br />
ε zz = − ( ε yy + εxx<br />
) .<br />
λ + 2µ<br />
Če Lame-jeve konstante izrazimo z inženirskimi, ter specifične<br />
deformacije z napetostmi, je koeficient v gornji enačbi enak<br />
λ ν<br />
=<br />
λ + 2µ 1−ν<br />
in specifična deformacija v z smeri izražena z napetostmi je<br />
ε<br />
ν<br />
=− ( σ + σ ).<br />
E<br />
zz xx yy
TRDNOST 95<br />
4. POŠEVNI UPOGIB RAVNIH NOSILCEV KONSTANTNEGA PRESEKA<br />
4.1. Inženirski pomen problema upogiba nosilcev.<br />
Mnoge inženirske konstrukcije so sestavljene tudi ali pa sploh<br />
samo iz ravnih linijskih elementov konstantnega preseka -<br />
ravnih nosilcev. Tipične take konstrukcije so na primer<br />
okvirne konstrukcije (slika 1).<br />
Slika 1. Simbolični prikaz okvirne konstrukcije z linijskimi<br />
elementi.<br />
Ena izmed osnovnih zahtev, da lahko konstrukcijo trajno, varno<br />
in nemoteno uporabljamo je, da se noben element ne deformira<br />
prekomerno, da ne razpoka ali se celo zlomi pod koristno in<br />
lastno težo konstrukcije. Da ne nastanejo razpoke ali da se<br />
nosilec celo zlomi, moramo izračunati napetosti in specifične<br />
deformacije v vsaki točki nosilca in nato računsko ugotoviti<br />
ali so le-te v mejah, ki jih material “prenese”. V naslednjih<br />
poglavjih se bomo ukvarjali samo z vprašanjem kako izračunamo<br />
normalne napetosti in specifične deformacije v nosilcih zaradi<br />
njihovega upogiba in kasneje še ugotovili strižne napetosti,<br />
ki so tudi posledica upogiba. Omejili se bomo samo na ravne<br />
nosilce konstantnega preseka, ki v praksi tudi daleč<br />
najpogosteje nastopajo. Z ostalimi problemi - poves, uklon,<br />
torzija nosilcev, itd., pa se bomo ukvarjali v drugih<br />
poglavjih.<br />
4.2. Opredelitev naloge pri izračunu napetosti v nosilcih ter<br />
izhodiščne predpostavke.<br />
Zamislimo si, da smo nosilec v katerem želimo izračunati<br />
napetosti in specifične deformacije izrezali iz konstrukcije<br />
(slika 1 - nosilec A-B) in upoštevamo vse tiste sile, ki<br />
povzročajo njegov upogib in osne deformacije (slika 2a). Te<br />
sile so “zunanja” obtežba (q, P, ...) ter rezultante veznih<br />
sil in momentov (MA, QA, NA, MB, QB, NB) med konstrukcijo in<br />
nosilcem na obeh konceh nosilca, s katerimi ostali del<br />
konstrukcije učinkuje na nosilec. Te količine imenujemo tudi
TRDNOST 96<br />
robne vrednosti nosilcev in jih izračunamo z ustreznimi<br />
metodami za analizo konstrukcij. Robne in obtežne sile,<br />
dimenzije in materialne lastnosti nosilca so vsi potrebni<br />
podatki za analizo napetosti v nosilcu po tako imenovani<br />
tehnični teoriji upogiba, ki je dovolj enostavna in daje<br />
zadosti natančne rezultate za inženirsko prakso. Cilj tega<br />
poglavja je, da izpeljemo v inženirski praksi uveljavljeni<br />
analitični obrazec, ki direktno podaja napetosti (in<br />
specifične deformacije) v vsaki točki nosilca v odvisnosti od<br />
rezultantnih notranjih silah v presekih nosilcev in seveda<br />
tudi v odvisnosti od dimenzij in materiala nosilca.<br />
Rezultantne notranje sile, kot vemo, enostavno izračunamo iz<br />
zunanje obtežbe (ki vključuje tudi robno obtežbo) na podlagi<br />
ravnotežnih enačb.<br />
Slika 2a. Simbolični prikaz izrezanega nosilca z robnimi<br />
silami in obtežbo po nosilcu v ravnini x,y.<br />
Za opis mehaničnih količin izberemo lokalni koordinatni sistem<br />
(slika 2b), kjer x postavimo izključno samo v težiščnico<br />
nosilca, y in z os pa pri ravnih nosilcih v poljubni smeri<br />
vendar pravokotno na x os tako, da dobimo Kartezijev<br />
koordinatni sistem. Opozorimo naj, da je postavitev x osi v<br />
težiščnico nosilca bistvena za precejšnjo poenostavitev<br />
obrazcev za izračun napetosti in specifičnih deformacij.<br />
Najprej se bomo ukvarjali samo z izračunom normalnih napetosti<br />
σx. V vsaki točki nosilca, ki je določena s koordinatami x,y,z<br />
jih lahko simbolično izrazimo s funkcijo<br />
σ x( xyz , , ) = fxyz ( , , ; N ( x), My( x), Mz( x),<br />
geom . last . presekov ) . (1)<br />
Vsaka vrednost koordinate x določa neki presek nosilca<br />
pravokotno na njegovo os, y in z pa točko na tem preseku.<br />
N(x), My(x) in Mz(x) so rezultantne notranje sile v preseku,<br />
določenem z vrednostjo koordinate x. Geometrijske značilnosti<br />
presekov so vztrajnostni (in statični) momenti in površina<br />
preseka. Po gornji enačbi torej dobimo za konstantni x<br />
razporeditev normalnih napetosti po preseku. Kot je razvidno<br />
iz slike 2.b, pa je na primer v takem koordinatnem sistemu s<br />
konstantnima y in z podana lokacija »vlakna« nosilca, ki je
TRDNOST 97<br />
vzporedno s težiščnico. Glede na enačbo (1) pa so tedaj<br />
funkcijsko podane natezne (ali tlačne) napetosti v tem vlaknu.<br />
Omenimo še zakaj ime »poševni upogib«. Ko deluje upogibni<br />
moment okoli y ali z osi, ki ni glavna os preseka, se nosilec<br />
upogne "poševno", torej tudi v smeri, ki ni pravokotna na<br />
delovanje prečne obtežbe.<br />
Slika 2.b. Postavitev težiščnega koordinatnega sistema za<br />
izračun napetosti v presekih nosilca ter prikaz rezultantne<br />
osne notranje sile in momentov, ki delujejo na poljubno<br />
izbrani presek. Narisane so samo tiste sile in momenti, ki<br />
povzročajo normalne napetosti v preseku.<br />
Z izpeljavo obrazcev za izračun napetosti in specifičnih<br />
deformacij v nosilcih se je ukvarjalo mnogo raziskovalcev. Za<br />
začetnika sodobnega pristopa k reševanju tega problema se<br />
smatra Galilejo, bistvene prispevke pa so podali Saint-Venant,<br />
Bernouli, Euler in morda nazadnje najceloviteje še Timošenko.<br />
Glavni problem, s katerim so se srečevali, je bil v tem, da so<br />
linijski nosilci tridimenzionalna telesa in je analiza, ki je<br />
natančno v skladu z vsemi osnovnimi enačbami mehanike<br />
(ravnotežne enačbe, kompatibilnostni pogoji in Hookeov zakon)<br />
za inženirsko prakso bistveno prezahtevna. Zato so iskali<br />
takšen fizikalno-računski model nosilcev, kjer je moč<br />
izračunati napetosti dovolj enostavno in natančno za<br />
inženirsko prakso. Izhajali so iz raznih predpostavk o<br />
razporeditvi napetosti, specifičnih deformacij in robnih<br />
pogojev, ki so bolj ali manj odgovarjale dejanskim razmeram v<br />
nosilcih. Namen teh predpostavk je bil, da bi poenostavili<br />
tridimenzionalni problem tako, da ga je moč analitično ali pa
TRDNOST 98<br />
vsaj numerično rešiti relativno enostavno vendar še vedno z<br />
zadovoljivo natančnostjo rezultatov.<br />
Mi bomo prikazali izpeljavo enačbe za normalne napetosti v<br />
bistvu na način, ki ga je podal J.T.Oden za ukrivljene<br />
nosilce, za ravne nosilce pa je precej enostavnejši. Pri tem<br />
moramo uvesti določene predpostavke, ki so v večini praktičnih<br />
primerov dovolj dobro izpolnjene, upogibno teorijo na podlagi<br />
teh predpostavk pa imenujemo tehnična teorija upogiba.<br />
Prva predpostavka obravnava materialne lastnosti nosilca. Tako<br />
predpostavimo, da je material nosilca homogen, izotropen ter<br />
idealno linearno elastičen. Ta predpostavka ni nujna za<br />
aplikacijo tehnične teorije upogiba, saj je ta teorija povsem<br />
uporabna tudi za bistvene gradbene materiale, ki so ortotropni<br />
oziroma kompozitni kot sta les in armirani beton. Tu jo<br />
postavljamo predvsem zaradi enostavnosti in jasnosti razlage.<br />
Ko ta predpostavka ni izpolnjena, lahko z enostavnimi<br />
dopolnitvami kljub temu računamo po tej teoriji (na primer, če<br />
pri armiranem betonu uvedemo tako imenovane ekvivalente<br />
površine presekov).<br />
Druga predpostavka podaja način deformiranja nosilca. Za<br />
utemeljitev uvedbe te predpostavke si najprej oglejmo<br />
neobremenjeni nosilec ter principialni potek deformacij<br />
nosilca po obremenitvi (slika 3). Če bi opazovali poljubni<br />
ravni presek pravokotno na os nedeformiranega<br />
(neobremenjenega) nosilca, bi ugotovili, da se je po<br />
obremenitvi nosilec deformiral tako, da je ta presek ostal še<br />
vedno praktično raven in pravokoten na deformirano os nosilca.<br />
Zato sprejmemo predpostavko, ki jo imenujemo Bernoullijeva<br />
(Bernoulli-Eulerjeva) hipoteza.<br />
Tako lahko zapišemo definicijo: Bernoullijeva-Eulerjeva<br />
hipoteza pravi, da se nosilci pri (poševnem) upogibu<br />
deformirajo tako, da preseki, ki so pred obtežbo nosilca ravni<br />
in pravokotni na os ostanejo po deformaciji nosilca še vedno<br />
ravni vendar pa pravokotni na deformirano os nosilca. Lahko bi<br />
rekli, da se translatorno premaknejo ter zasučejo okoli neke<br />
osi, ki leži v ravnini preseka kot toge ravne ploskve. Ta<br />
predpostavka dokaj natančno opisuje dejanske deformacije pri<br />
upogibu nosilcev in je ključna za enostavno izpeljavo enačb za<br />
napetosti v nosilcih. Z njo bistveno poenostavimo analitični<br />
zapis pomikov vseh točk nosilca v osni smeri. Zaradi nje<br />
pomike v osni smeri lahko izrazimo samo s prečnimi pomiki<br />
težiščnice in s tem problem deformacij nosilca kot tri<br />
dimenzionalnega telesa “prevedemo” na problem pomikov<br />
težiščnice, ki je samo funkcija ene spremenljivke (koordinate<br />
x).
TRDNOST 99<br />
Slika 3. Principialni potek deformacij nosilca - Bernoullijeva<br />
hipoteza. Slika (a) predstavlja nosilec pred deformacijo,<br />
slika (b) pa deformacijo nosilca zaradi upogiba, kjer so<br />
prikazani pomiki obeh robnih ter dveh poljubnih presekov<br />
nosilca, ki se praktično kot togi samo zasučejo in<br />
translatorno premaknejo tako, da ostanejo pravokotni na<br />
deformirano os nosilca. Zaradi preglednosti obtežbene sile<br />
niso narisane.<br />
Tretja predpostavka. Zaradi obtežbe nosilca po njegovi<br />
površini z razporejeno ali pa s koncentrirano obtežbo so<br />
normalne in tudi strižne napetosti v y in z smeri različne od<br />
nič. Vendar pa so te napetosti pri daljših nosilcih v<br />
primerjavi z normalnimi napetostmi v x smeri (osni smeri) tako<br />
majhne, da naredimo zanemarljivo napako, če jih ne upoštevamo.<br />
Pri koncentriranih obtežbah lahko pride sicer do velikih<br />
lokalnih napetosti, ki pa so lokalnega značaja saj z<br />
oddaljenostjo zelo hitro pojenjajo in so v ostalih delih<br />
nosilca zanemarljive. Zato sprejmemo še tretjo predpostavko,<br />
da so normalne napetosti v prečni smeri nosilca nične,<br />
σy = σz<br />
= 0 , (2)<br />
ki zelo poenostavi izračun osnih napetosti σx. Omenimo naj, da<br />
s to predpostavko dopuščamo, da se preseki v svoji ravnini
TRDNOST 100<br />
deformirajo - preseki se skrčijo oziroma raztegnejo vendar pa<br />
ostanejo ravni.<br />
4.3. Matematično podajanje osnih pomikov točk na prečnih<br />
presekih nosilca.<br />
Te pomike izrazimo, kot smo omenili, z vertikalnimi pomiki<br />
težiščnice. Krivuljo, ki opisuje lego deformirane težiščnice,<br />
imenujemo upogibnico.<br />
Slika 4. Shematični prikaz dislokacije (premika) poljubno<br />
izbranega preseka nosilca kot toge ploskve. Za nazornejši<br />
prikaz izpeljave funkcije pomikov smo presek po deformaciji<br />
nosilca še premaknili vzporedno z y in z osjo tako, da njegovo<br />
težišče spet leži na x-osi (nezatemnjeno narisani presek). Pri<br />
tem nismo spremenili pomikov točk preseka v x smeri.<br />
Opazujmo neki poljubni ravni presek, ki je pravokoten na os<br />
nosilca pred deformacijo. Za tak presek so vrednosti<br />
koordinate x konstantne. Ta presek se po obremenitvi premakne<br />
v neko novo (končno) lego. Na sliki 4 je prikazan v začetni in<br />
končni legi zatemnjeno. Opazujmo samo osne pomike točk, pomike<br />
ux, ker so samo od teh pomikov odvisne normalne napetosti σx.<br />
Ostali pomiki so v zvezi s strižnimi napetostmi in jih bomo<br />
obravnavali kasneje. Za razlago matematičnega opisa pomikov je<br />
prikladno, da si mislimo, da presek iz končne lege zavrtimo<br />
okoli osi x in prečno premaknemo nazaj na nedeformirano os. S
TRDNOST 101<br />
tem ne spremenimo osnih pomikov točk preseka (na sliki je tako<br />
premaknjen presek narisan nezatemnjeno). Zaradi Bernoulijeve<br />
hipoteze osni pomiki<br />
ux(x,y,z) (2.a)<br />
točk B(x,y,z) na vsakem prečnem preseku, določenim z nekim<br />
x=konstanta, izpolnjujejo enačbo ravnine. Bralec, ki dobro<br />
pozna funkcijo ravnine lahko “preskoči” naslednje odstavke in<br />
nadaljuje branje kar pri enačbi (7).<br />
Lega poljubnega prečnega preseka glede na začetno lego<br />
njegovega težišča je podana s krajevnim vektorjem s<br />
komponentami<br />
r=(ux, y, z), (2.b)<br />
ki zaradi Bernoulijeve hipoteze izpolnjevati enačbo ravnine<br />
r( ux , y, z). n(<br />
x) = d( x)<br />
, (3)<br />
podano z normalo n premaknjenega preseka. Normala je v smeri<br />
tangente na deformirano os nosilca in je podana s komponentami<br />
n(x) =(nx(x), ny(x), nz(x)). (4)<br />
d(x) predstavlja oddaljenost premaknjenega preseka od<br />
njegovega težišča v začetni legi (nosilec pred deformacijo). d<br />
in n sta funkciji x, ker je premik prečnih presekov pri<br />
različnih x-ih različen. Za točke na nekem izbranem prečnem<br />
preseku pa je seveda x=konst., s tem pa sta smer normale ter<br />
funkcija oddaljenosti d(x) konstantni. Ko izvedemo nakazani<br />
skalarni produkt v enačbi 3, dobimo enačbo<br />
ux( x, y, z). nx( x) + y. ny( x) + z. nx( x) = d( x)<br />
, (5)<br />
ki jo rešimo na ux :<br />
1<br />
ux( x, y, z)<br />
= [ dx ( ) − yn . y( x) − zn . z(<br />
x)]<br />
. (6)<br />
nx( x) Z uvedbo novih oznak za koeficiente pri y in z spremenljivki<br />
ter za aditivni člen<br />
dx ( )<br />
ny( x)<br />
nz( x)<br />
ax ( ) ≡ , ( x)<br />
≡ , ( x)<br />
n ( x)<br />
n ( x)<br />
n ( x)<br />
−<br />
≡ −<br />
b c (7)<br />
x<br />
x<br />
x
TRDNOST 102<br />
dobimo neko linearno funkcijo spremenljivk y in z (ravninska<br />
funkcija), ki eksplicitno podaja osne pomike točk - (polje<br />
pomikov podano z Lagrangeovim opisom):<br />
ux ( x; y , z) = a( x) + b( x). y+ c( x). z,<br />
(8)<br />
V tej enačbi z izbiro neodvisnih spremenljivk y in z, ki<br />
določajo lego točk na presekih, je pomik ux enostavna fukcija<br />
spremenljivke x, kjer x določa "izbiro" prečnega preseka<br />
nosilca (pred deformacijo). Izračun funkcij a(x), b(x) in c(x)<br />
pa je osrednja naloga pri izpeljavi enačb za napetosti v<br />
naslednjem poglavju.<br />
4.4. Izpeljava enačb za normalne napetosti in specifične<br />
deformacije.<br />
S predpostavko o napetostih (enačba 8) se splošna zveza med<br />
normalnimi napetostmi in deformacijami po Hookeovem zakonu<br />
1<br />
εx( xyz , , ) = { σx( xyz , , ) − ν[ σy( xyz , , ) + σz(<br />
xyz , , )]}<br />
E<br />
v vsaki točki nosilca še posebej poenostavi:<br />
(9)<br />
σx( xyz , , ) = E. εx(<br />
xyz , , ) . (10)<br />
Z odvodi pomikov izračunavamo osne specifične deformacije<br />
∂u<br />
x ( x,<br />
y,<br />
z)<br />
ε x ( x,<br />
y,<br />
z)<br />
=<br />
, (11.a)<br />
∂x<br />
in z ozirom na enačbo 7 dobimo<br />
∂<br />
ε x ( x,<br />
y,<br />
z)<br />
= [ a(<br />
x)<br />
+ b(<br />
x).<br />
y + c(<br />
x).<br />
z]<br />
.<br />
∂x<br />
(11.b)<br />
Ko za odvode funkcij uvedemo krajše oznake<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
ax ( ) = ax( x),<br />
bx ( ) = bx( x),<br />
bx ( ) = cx( x)<br />
∂x<br />
∂x<br />
∂x<br />
je normalna specifična deformacija podana z enačbo<br />
ε x x x x<br />
(12)<br />
( xyz , , ) = a ( x) + b ( x). y+ c ( x). z<br />
(13)<br />
Tako je iskana normalna napetost po enačbi 10 enaka<br />
σ x x x x<br />
( xyz , , ) = E.[ a ( x) + b ( x). y+ c ( x). z]<br />
(14)
TRDNOST 103<br />
Gornji enačbi “povesta”, da je v vsakem preseku, x=konst,<br />
razporeditev tako osnih specifičnih deformacij kot osnih<br />
napetosti linearna (ravninska)!<br />
Sedaj, ko “imamo” tako splošno enačbo za napetosti pa moramo<br />
izračunati še neznane funkcije ax, bx in cx. Izračunamo jih za<br />
vsak prečni presek na os nosilca iz ravnotežnih pogojev<br />
oziroma iz statične enakosti normalnih napetosti in<br />
rezultantne osne sile ter momentov po presekov nosilca, ki jih<br />
po predpostavki poznamo. Tako dobimo tri enačbe<br />
Nx ( ) = ∫ σ x ( xyz , , ). dA<br />
(15a)<br />
A<br />
M ( x) = ∫ σ ( x, y, z). y. dA<br />
(15b)<br />
z x<br />
A<br />
M ( x) = ∫ σ ( x, y, z). z. dA,<br />
(15c)<br />
y x<br />
A<br />
kjer je<br />
dA=dy.dz (15d)<br />
diferencialni element površine preseka v ravnini y-z,<br />
integracija pa “teče” po celotnem preseku A, ki je določen s<br />
konstantnim x. Z vstavitvijo enačbe za normalno napetost<br />
(enačba 14) v gornje enačbe dobimo tri navadne linearne enačbe<br />
za izračun neznanih funkcij ax, bx in cx:<br />
N(<br />
x)<br />
x ∫ x ∫<br />
x ∫<br />
A<br />
A<br />
A<br />
= E.[<br />
a ( x)<br />
dA + b ( x)<br />
y.<br />
dA + c ( x)<br />
z.<br />
dA]<br />
(16a)<br />
z x ∫<br />
x ∫<br />
x ∫<br />
A<br />
A<br />
A<br />
2<br />
M ( x)<br />
= E.[<br />
a ( x)<br />
y.<br />
dA + b ( x)<br />
y . dA + c ( x)<br />
y.<br />
z.<br />
dA]<br />
(16b)<br />
M<br />
y x ∫<br />
x ∫<br />
x ∫<br />
A<br />
A<br />
A<br />
2<br />
( x)<br />
= E.[<br />
a ( x)<br />
z.<br />
dA + b ( x)<br />
y.<br />
z.<br />
dA + c ( x)<br />
z . dA]<br />
. (16c)<br />
Opomnimo naj, da so glede na gornje površinske integrale<br />
funkcije ax, bx in cx konstantne in smo jih lahko postavili pred<br />
integracijski znak. Ker sta po predpostavki oblika in velikost<br />
presekov vzdolž nosilca konstantni (nosilci s konstantnim<br />
presekom), tudi ploščinski integrali v gornjih enačbah<br />
predstavljajo konstante. Te integrale lahko izračunamo in<br />
predstavljajo znane geometrijske količine presekov podane<br />
glede na težiščni koordinatni sistem. Te so statični momenti,<br />
ki so po definiciji lege težiščnega koordinatnega sistema<br />
enaki nič, in vztrajnostni momenti presekov:<br />
Sy( x) = ∫ z. dA ≡ 0<br />
A<br />
(17a)
TRDNOST 104<br />
Sz( x) = ∫ y. dA ≡ 0<br />
A<br />
(17b)<br />
I ( x) = z . dA = konst.<br />
1 ≠ 0 (18a)<br />
y<br />
∫<br />
A<br />
2<br />
I yz(<br />
x) = ∫ y. z. dA = konst.<br />
2 (18b)<br />
A<br />
∫<br />
A<br />
2<br />
I z(<br />
x) = y . dA = konst.<br />
3 ≠ 0 (18c)<br />
Iz integralov je razvidno, da sta vztrajnostna momenta Iy in Iz<br />
zmeraj različna od nič in pozitivna. Iyz, ki ga imenujemo<br />
mešani vztrajnostni moment, pa je enak nič za preseke, ki so<br />
simetrični glede na vsaj eno izmed osi y ali z. Sicer pa je Iyz<br />
v splošnem lahko pozitiven, negativen ali ničen ko ne obstaja<br />
nobena os simetrije preseka. Enačbe 16 zapišimo še z novimi<br />
oznakami za vztrajnostne momente<br />
Nx ( ) = EAa . . x ( x)<br />
(19a)<br />
Mz( x) = E.[ Iy. bx( x) + Iyz. cx( x)]<br />
(19b)<br />
My( x) = E.[ Iyz. bx( x) + Iy. cx( x)]<br />
(19c)<br />
in jih rešimo na neznane funkcije ax, bx in cx:<br />
Nx ( )<br />
ax ( x)<br />
= (20.a)<br />
A<br />
Iy. Mz( x) − Iyz. My( x)<br />
bx( x)<br />
=<br />
Iy. Iz − Iyz<br />
2<br />
Iz. My( x) − Iyz. Mz( x)<br />
cx( x)<br />
=<br />
Iy. Iz − Iyz<br />
2<br />
(20.b)<br />
(20.c)<br />
Te rešitve vstavimo v enačbo za normalno napetost (enačba 14)<br />
in dobimo končno željen rezultat - formulo za izračun<br />
normalnih napetosti<br />
σ x<br />
Nx ( ) I . M ( x) − I . M ( x)<br />
( xyz , , ) = +<br />
A<br />
I . M ( x) − I . M ( x)<br />
y z yz y z y yz z<br />
. y +<br />
. z<br />
2 2 .(21)<br />
Iy. Iz − I<br />
yz<br />
Iy. Iz − I<br />
yz<br />
Za zaključek tega poglavja povejmo, da je gornji obrazec za<br />
napetosti natančno v skladu z vsemi zakoni mehanike samo za<br />
čisti upogib nosilca. Ta je tedaj obremenjen na obeh konceh
TRDNOST 105<br />
samo z linearno razporejenimi normalnimi napetostmi (slika 5).<br />
V ostalih za prakso bolj realnih primerih, kjer se na konceh<br />
nosilcev “vnašajo” robni momenti in osne sile z drugačno<br />
razporeditvijo napetosti (nelinearno razporeditev), pa je<br />
obrazec za praktično inženirsko analizo še vedno dovolj<br />
natančen. To utemeljujemo z Saint-Venantovim principom iz<br />
katerega sledi, da razlika med napetostmi in deformacijami za<br />
različne robne obtežbe, ki pa so statično ekvivalentne, z<br />
oddaljenostjo od mesta obremenitve izgine. Zaradi tega lahko<br />
računamo napetosti v nosilcih samo z upoštevanjem rezultantnih<br />
obremenilnih sil ne glede na to, kakšna je dejanska<br />
razporeditev robnih obremenitvenih napetosti. Obrazec pa v<br />
skladu z omenjeno tretjo predpostavko zanemarja tudi vpliv<br />
obremenitve po “plašču” nosilca, ker upošteva samo rezultantne<br />
upogibne momente v presekih nosilca. Tedaj, kot bomo videli v<br />
naslednjem poglavju, ni povsem izpolnjena Bernoulijeva<br />
hipoteza. Kljub vsemu pa se za praktično inženirsko analizo<br />
smatra, da je omenjena teorija dovolj natančna za nosilce, ki<br />
so vsaj dvakrat daljši kot je njihova višina (Euro-codi).<br />
Slika 5. Obremenitev na konceh nosilca z normalnimi napetostmi<br />
in računska statično ekvivalentna obremenitev z rezultantnimi<br />
silami in momenti glede na težišče robnih presekov.<br />
4.5. Nevtralna os.<br />
Napetosti v preseku so lahko enoznačne ali pa je del preseka<br />
tlačen na drugem delu pa nastopajo samo natezne napetosti.<br />
Ugotavljanje kje na preseku so tlačne oziroma natezne<br />
napetosti je bistveno pri mnogih inženirskih problemih, kot na<br />
primer pri dimenzioniranju betonskih in armirano-betonskih<br />
nosilcev. Beton namreč zelo slabo prenaša natege, zato ga je<br />
treba v natezni coni armirati. Mejno linijo med tlačenim in<br />
tegnjenim delom preseka pri dani obtežbi imenujemo nevtralna
TRDNOST 106<br />
os preseka, napetosti pa so tam nične. Nevtralna linija poteka<br />
pa zmeraj po premici, ker predstavlja sečišče dveh ravnin:<br />
ravnine preseka in ravnine določene z vrednostmi normalnih<br />
napetosti σx. Lego nevtrale osi izračunamo in enačbe za<br />
napetosti (enačba 20) tako, da postavimo pogoj, da so<br />
napetosti nične,<br />
σ x ( xyz , , ) = 0 , (22)<br />
in izrazimo spremenljivko y v odvisnosti od z-ja (ali pa<br />
obratno)<br />
Iz. My( x) − Iyz. Mz( x)<br />
Nx<br />
⎡Iy<br />
Mz x − I M x ⎤<br />
yz y<br />
y =−<br />
z − ⎢<br />
⎥<br />
Iy. Mz( x) − Iyz. My( x) A ⎢<br />
⎣<br />
Iy Iz − Iyz<br />
⎥<br />
⎦<br />
.<br />
( ) . ( ) . ( )<br />
2<br />
.<br />
Ta enačba ima za konstantni x (prečni presek) obliko<br />
−1<br />
(23.a)<br />
y= k. z+ b<br />
(23.b)<br />
in prestavlja enačbo premice v ravnini y-z (slika 6), kjer je<br />
k tangens naklonskega kota ter b odsek na z osi.<br />
Slika 6. Principialna razporeditev napetosti po preseku<br />
nosilca ter nevtralna os, ki je premica in deli presek nosilca<br />
na dva dela. Na enem delu so napetosti samo tlačne, na drugem<br />
pa samo natezne.<br />
Zaradi ravninske razporeditve napetosti so le-te nad nevtralno<br />
osjo enoznačnega predznaka, pod osjo pa nasprotnega predznaka.
TRDNOST 107<br />
V slučajih, ko je ves presek tlačen ali tegnjen, pa nevtralna<br />
os formalno poteka izven preseka.<br />
4.6.Nekateri posebni primeri presekov oziroma obremenitev<br />
nosilcev, ki pa v praksi pogosto nastopajo.<br />
Splošni obrazec za izračun napetosti (enačba 20) se tedaj<br />
poenostavi, razporeditev napetosti ter lega nevtralne osi pa<br />
je značilna za te primere. Ti primeri so:<br />
A. Delne obremenitve<br />
A.1. Nosilec je obtežen samo z osno silo N(x), tedaj so v<br />
presekih samo enake (konstantne) osne napetosti - enakomerni<br />
osni nateg oziroma tlak, tako obremenitev pa imenujemo<br />
centrična obremenitev z osno silo ali centrični tlak oziroma<br />
nateg:<br />
Nx ( )<br />
Nx ( ) ≠ 0, My( x) = Mz( x)<br />
≡ 0: σ x( xyz , , ) = (24)<br />
A<br />
Tedaj nevtralna os teoretično seka y os v neskončnosti njena<br />
enačba pa nam formalno pove, da je za vsako vrednost z-ja y v<br />
neskončnosti.<br />
A.2. Nosilec je obremenjen samo z upogibnim momentom Mz(x)<br />
(enoosni upogib)<br />
( Iy. y−Iyz. z). Mz( x)<br />
Mz( x) ≠ 0, M y(<br />
x) = N( x)<br />
≡ 0:<br />
σx ( xyz , , ) =<br />
Iy. Iz − Iyz<br />
2<br />
(25)<br />
Nevtralna os gre skozi težišče, b=0, in je nagnjena glede na<br />
z-os, njena enačba pa je<br />
Iyz<br />
y = . z<br />
(26)<br />
I<br />
y<br />
B. Delne obremenitve in simetrični preseki vsaj glede na eno<br />
izmed osi z in y. Tedaj je Iyz=0, za<br />
M<br />
Mz( x) ≠ 0, M y(<br />
x) = N( x)<br />
≡ 0 pa je σ<br />
z ( x)<br />
x(<br />
xyz , , ) = . y (27)<br />
I<br />
Nevtralna os leži v z-osi preseka, njena enačba pa je<br />
y=0 (28)<br />
Zapomnimo si, da gre nevtralna os zmeraj skozi težišče tedaj,<br />
ko je osna sila nična. Nagib nevtralne osi glede na z-os se<br />
pojavi samo tedaj, ko ima nosilec nesimetrični presek, ali pa<br />
z
TRDNOST 108<br />
ima simetrični presek in je obremenjen z obema upogibnima<br />
momentoma (dvo-osni upogib).<br />
4.7. Izpeljava enačbe za strižne napetosti v nosilcih<br />
konstantnega preseka.<br />
Enačbo za strižne napetosti izpeljemo iz opazovanja ravnotežja<br />
sil v osni smeri nosilca (v x-smeri), ki delujejo na delu<br />
tanke “rezine” nosilca, ki je pravokotna na os nosilca (glej<br />
sliko 1).<br />
Slika 1. Shematični prikaz dela tanke “rezine” nosilca<br />
poljubnega preseka (na sliki je označen zatemnjeno).<br />
Na vrhnji “odrezni” površini Ab=b.dx (slika 2) delujejo v<br />
pozitivni smeri x osi strižne napetosti τsx(b), na “čelno”<br />
ploskev normalne napetosti σx(x+dx,y,z), na “zadnjo” ploskev pa<br />
normalne napetosti σx(x,y,z). Če predpostavimo, da so<br />
tangencialne napetosti, ki delujejo na plašč nosilca<br />
zanemarljive ali pa nične, nam da ravnotežje sil v x smeri, ki<br />
delujejo na del “rezine” enačbo<br />
∫ ∫ ∫ 0 (1)<br />
σx( x+ dx, y, z). dA− σx( x, y, z). dA− − τsx<br />
( b). db. dx =<br />
A′<br />
A′<br />
Ab ( )<br />
Ko upoštevamo, da prva dva integrala potekata po enakih<br />
ploskvah A’ (ki pa sta zamaknjeni za dx), tedaj lahko razliko<br />
v normalnih napetostih v točkah z istimi koordinatami y in z<br />
izrazimo s prvim členom Taylorjeve vrste (z diferencialom)<br />
∂<br />
σ σ<br />
∂ σ<br />
x( x+ dx, y, z) − x( x, y, z)<br />
= x(<br />
xyz , , ). dx.<br />
x<br />
(2.a)<br />
Tako dobimo za prva dva integrala v enačbi 1 sledeči izraz
TRDNOST 109<br />
∫<br />
A′<br />
∂<br />
( σ x ( x,<br />
y,<br />
z).<br />
dA (2.b)<br />
∂x<br />
( σ x x + dx,<br />
y,<br />
z)<br />
− σ x ( x,<br />
y,<br />
z)<br />
) dA = dx∫<br />
A′<br />
Slika 2. Napetosti v smeri x (osni smeri nosilca), ki delujejo<br />
na del “rezine” nosilca so: σx(x+dx,y,z) na sprednjem delu, τsx<br />
(b) na vrhnji ploskvi ter σx(x,y,z) na zadnjem delu. Napetosti<br />
na sliki, ki delujejo na “zadnjo” ploskev dela “rezine” zaradi<br />
preglednosti niso narisane. Strižne napetosti τxs (b) delujejo<br />
na robu “b” v ravnini preseka A in v smeri s so enake<br />
napetostim τsx (b). Zaradi preglednosti slike so narisane<br />
negativne strižne napetosti glede na koordinatni sistem x-s.<br />
Nadalje vemo, da so strižne napetosti v dveh med seboj<br />
pravokotnih ravninah med seboj enake. Zato so iskane strižne<br />
napetosti v robu b presečne ravnine A enake strižnim<br />
napetostim na vrhnji ploskvici Ab<br />
τ ( b) = τ ( b)<br />
. (3)<br />
xs sx<br />
Te strižne napetosti pa se vzdolž linije b v splošnem<br />
spreminjajo. Njihovo razporeditev ni možno izračunati samo iz<br />
ravnotežnih enačb. Zato bomo računali samo s povprečnimi<br />
vrednostmi strižnih napetosti vzdolž roba b:<br />
1<br />
τ = τ<br />
b ∫<br />
sx sx.<br />
db<br />
(4)<br />
b
TRDNOST 110<br />
Če vstavimo enačbo (2) in (3) v ravnotežno enačbo (1) dobimo<br />
enačbo (5):<br />
∂<br />
τ<br />
∂ σ<br />
sx ( b). dx. b+ dx.<br />
∫ x(<br />
xyz , , ). dA,<br />
dA = dy.dz (5)<br />
x<br />
A′<br />
V tej enačbi normalne napetosti σx znamo izračunati s teorijo<br />
upogiba iz prejšnjega poglavja (enačba 21). Ko v enačbo 2.a.<br />
vstavimo formulo za normalne napetosti in izvedemo nakazano<br />
odvajanje ter upoštevamo ravnotežne enačbe med upogibnimi<br />
momenti prečnimi silami,<br />
∂<br />
∂<br />
Mz( x) = Qy<br />
in My( x) = Qz,<br />
(6.a)<br />
∂x<br />
∂x<br />
dobimo:<br />
∂<br />
∂ σ<br />
∂ Iy. Mz( x) − IyzMy( x)<br />
Iz. My( x) − IyzMz( x)<br />
x ( xyz , , ) = [<br />
2 y +<br />
2 z]<br />
x<br />
∂x<br />
II − I<br />
II − I<br />
z y yz<br />
z y yz<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
I y. Mz( x) − Iyz<br />
My( x)<br />
I z. My( x) − Iyz<br />
Mz( x)<br />
=<br />
∂x<br />
∂x<br />
y +<br />
∂x<br />
∂x<br />
2 2 z<br />
II − I<br />
II − I<br />
z y yz<br />
Iy. Qy( x) − IyzQz( x)<br />
Iz. Qz( x) − IyzQy( x)<br />
=<br />
y +<br />
z<br />
II − I<br />
II − I<br />
z y yz<br />
2 2 (6.b)<br />
z y yz<br />
z y yz<br />
Dobljeni izraz v gornji enačbi za odvod normalnih napetosti<br />
(enačb 6.b) vstavimo v enačbo (5) za strižne napetosti, jo<br />
delimo z dx in b, in dobimo enačbo<br />
1 Iy. Qy( x) − IyzQz( x)<br />
Iz. Qz( x) − IyzQy( x)<br />
τxs( b)<br />
=− (<br />
y<br />
z dA<br />
b ∫<br />
+<br />
). ′ (7)<br />
2 2<br />
A′<br />
IzIy − I yz<br />
IzIy − I yz<br />
Ko upoštevamo, da se pri integraciji po površini A’<br />
spreminjata samo y in z dobimo enačbo<br />
Iy. Qy( x) IyzQz( x)<br />
Iz. Qz( x) IyzQy( x)<br />
τxs( b)<br />
= ydA zdA .<br />
b IzIy I yz A<br />
IzIy I yz A<br />
− 1<br />
⎛ −<br />
−<br />
⎞<br />
⎜<br />
′+<br />
′ ⎟<br />
⎜<br />
2 ∫ 2 ∫<br />
⎝ −<br />
−<br />
⎟<br />
′ ′ ⎠<br />
V tej enačbi integrala predstavljata statična momenta odrezne<br />
ploskve A’ glede z in y os, ki sta težiščni osi preseka.<br />
Označimo ju z apostrofom, da ju ločimo od statičnih momentov<br />
celotnega preseka<br />
(8)
TRDNOST 111<br />
∫<br />
S′ y = z. dA′<br />
A′<br />
(9.a)<br />
S′ z = ∫ y. dA′<br />
A′<br />
(9.b)<br />
S tema oznakama za statične momente dobimo končno obliko<br />
enačbe za povprečne strižne napetosti v “rezu” b:<br />
Iy. Qy( x) IyzQz( x)<br />
Iz. Qz( x) IyzQy( x)<br />
τxs( b)<br />
= (<br />
S z<br />
S y )<br />
b IzIy I yz<br />
IzIy I yz<br />
− 1 −<br />
−<br />
′ +<br />
′<br />
2 2<br />
−<br />
−<br />
(10.a)<br />
Posebej poudarimo, da gornja izpeljava ne zahteva, da je rez<br />
b, kjer računamo strižne napetosti vzporeden z y ali z osjo<br />
(slika 3). Lahko je celo poljubne oblike ali pa da določa neko<br />
izrezano površino preseka A. Zadnje pride v upoštev na primer,<br />
ko računamo strižne sprijemne sile med armaturo in betonom.<br />
V enačbi 10.a so pozitivne strižne napetosti v sladu s<br />
koordinatnim sistemom x-s usmerjene v smeri normal na odrezno<br />
ploskev b.ds, torej pravokotno na linijo b in v smeri navzven<br />
iz odrezane površine A’. V praksi pa je uveljavljen obrazec s<br />
pozitivnim predznakom kjer tudi znak za povprečne napetosti<br />
izpuščamo:<br />
1 Iy. Qy( x) − IyzQz( x)<br />
Iz. Qz( x) − IyzQy( x)<br />
τxs( b)<br />
= (<br />
S′<br />
z +<br />
S′<br />
y )<br />
b<br />
2 2 (10.b)<br />
IzIy − I yz<br />
IzIy − I yz<br />
Po tem obrazcu je pozitivna strižna napetost usmerjena v<br />
obratni smeri koordinatnega sistema x-s, torej v površino A’<br />
(slika 3).
TRDNOST 112<br />
Slika 3. Shematični prikaz “odrezne” površine A’, koordinati<br />
y’ in z’ lege njenega težišča T’ glede na težišče celotnega<br />
preseka A ter odrezna linija b, kjer računamo strižne<br />
napetosti.<br />
4.7.1. Praktični izračun statičnih momentov.<br />
Izračun statičnih momentov Sy’ in Sz’ površine A’ (ki je del<br />
preseka) temelji na definiciji lege njenega težišča T’. Ko<br />
poznamo koordinati y’,z’ (glej sliko 3), ki določata lego<br />
težišča T’ v težiščnem koordinatnem sistemu celotnega preseka<br />
A (koordinatni sistem y,z), tedaj statična momenta Sy’ in Sz’<br />
izračunamo po obrazcih:<br />
∫<br />
S′ y = z. dA = z′ . A′<br />
A′<br />
(11.a)<br />
S′ z = ∫ y. dA = y′ . A′<br />
A′<br />
(11.b)<br />
Za posamezni presek pri x = konstanta se spreminjajo samo<br />
statični momenti glede na spreminjanje reza b in s tem<br />
“odrezne” površine A’. Zato lahko spreminjanje strižnih<br />
napetosti po preseku formalno zapišemo kot linearno funkcijo<br />
statičnih momentov:<br />
1 1<br />
b. τ ( b) = linearna funk.( S′ , S′ ) = C S′ ( A′ ( b)) + C S′ ( A′ ( b))<br />
b b<br />
xs y z 1 z 2 y<br />
kjer sta za dani presek konstanti<br />
(12)
TRDNOST 113<br />
Iy. Qy( x) − IyzQz( x)<br />
C1<br />
=<br />
(13.a)<br />
2<br />
IzIy − I yz<br />
Iz. Qz( x) − IyzQy( x)<br />
C2<br />
=<br />
(13.b)<br />
2<br />
IzIy − I yz<br />
Tak zapis izkoriščamo, ko izračune strižnih napetosti izvajamo<br />
v tabelah.<br />
Posebni primeri. Za nosilce, ki so obremenjeni samo v y-smeri<br />
se splošna enačba (10) poenostavi<br />
Qy( x)<br />
I y<br />
Iyz<br />
τxs( b)<br />
= ( . S′<br />
z −<br />
. S′<br />
y )<br />
b<br />
2 2<br />
IzIy − I yz IzIy − I yz<br />
(14)<br />
Če pa so nosilci še simetrični pa dobimo enostavni obrazec<br />
τ xs<br />
Qyx b<br />
b I S<br />
( ) 1<br />
( ) = . . ′<br />
z<br />
z<br />
(15)<br />
Na koncu omenimo še, da se zaradi strižnih napetosti seveda<br />
pojavijo strižne deformacije, ki povzročajo dodatne pomike v<br />
osni smeri in smo jih pri Bernoulijevi hipotezi zanemarili.<br />
Zato se dejansko preseki nekoliko izbočijo in Bernoulijeva<br />
hipoteza ne velja povsem natančno pri strižni obremenitvi<br />
nosilcev. Vendar pa je učinek izbočitve preseka lahko pomemben<br />
predvsem pri odprtih tanko stenskih nosilcih ali pa pri zelo<br />
kratkih nosilcih, ko je velikost strižnih napetosti<br />
primerljiva z velikostjo normalnih napetosti.<br />
4.7.2. TRANSFORMACIJA VZTRAJNOSTNIH MOMENTOV - STEINERJEV<br />
STAVEK.<br />
Glede na definicijo vztrajnostnih momentov presekov nosilcev<br />
(obrazci 1.a do 1.c),<br />
I z dA<br />
y<br />
= ∫<br />
A<br />
2<br />
Iz= ∫ y dA<br />
A<br />
2<br />
Iyz = Izy = ∫ y. z. dA<br />
A<br />
(1.a)<br />
(1.b)<br />
, (1.c)
TRDNOST 114<br />
je očitno, da zavisijo od lege preseka v koordinatnem sistemu<br />
saj imajo v različnih koordinatnih sistemih iste točke preseka<br />
različne koordinate y in z. Ugotovili bomo, da obstaja zveza<br />
med vztrajnostnimi momenti istih presekov v različnih<br />
koordinatnih sistemih. Če poznamo vztrajnostne momente v enem<br />
koordinatnem sistemu, jih lahko na podlagi teh zvez izračunamo<br />
v poljubnem koordinatnem sistemu. Temu pravimo transformacija<br />
vztrajnostnih momentov, enačbe ki pa podajajo to<br />
transformacijo pa transformacijske enačbe znane pod imenom<br />
Steinerjev stavek, ki so povsem analogne transformacijskim<br />
enačbam za transformacijo napetosti in specifičnih deformacij.<br />
Te transformacijske enačbe uporabljamo za izračun<br />
vztrajnostnih momentov presekov glede na težiščni koordinatni<br />
sistem presekov, ko poznamo vztrajnostne momente sestavnih<br />
delov presekov v njihovih lokalnih koordinatnih sistemih. Na<br />
koncu uvoda naj omenimo, da spodaj prikazano izpeljavo<br />
transformacijskih enačb matematično lahko opredelimo kot<br />
transformacijo integracijskih spremenljivk v integralih 1.a do<br />
1.c ob uvedbi novega koordinatnega sistema.<br />
Izpeljava transformacijskih enačb. Na sliki 1 je prikazan neki<br />
poljubni presek s površino A za katerega predpostavimo, da<br />
poznamo njegove vztrajnostne momente I’y I’z in I’y-z glede na<br />
njegov težiščni koordinatni sistem y’ in z’, torej glede na<br />
koordinatni sistem, ki ima koordinatno izhodišče v težišču T<br />
preseka A in ga imenujmo lokalni koordinatni sistem.
TRDNOST 115<br />
r(y,z)<br />
y<br />
a<br />
y’<br />
globalna os<br />
α<br />
T<br />
b<br />
lokalna os<br />
dA<br />
r’(y’,z’)<br />
z<br />
globalna os<br />
z’<br />
lokalna os<br />
Slika 1. Poljubni presek s površino A ter diferencialni<br />
element površine v lokalnem težiščnem koordinatnem sistemu y’,<br />
z’ in v globalnem koordinatnem sistemu y, z.<br />
Zanimajo nas vztrajnostni momenti tega preseka v sistemu y,z,<br />
ki ga imenujmo globalni koordinatni sistem. Lega težišča<br />
preseka v globalnem koordinatnem sistemu je podana z vektorjem<br />
r o<br />
a<br />
=<br />
b<br />
⎧ ⎫<br />
⎨ ⎬<br />
⎩ ⎭<br />
in predstavlja medsebojno translacijo, kot α pa neko rotacijo<br />
koordinatnih sistemov. Pri tem moramo biti pozorni (možne so<br />
namreč različne formulacije), da smo definirali kot α kot<br />
tisti kot, za katerega je treba zavrteti globalni koordinatni<br />
sistem, da postane kolinearen z lokalnim. Ker bomo uporabili<br />
enačbe za transformacijo krajevnih vektorjev, moramo<br />
upoštevati matematično definicijo pozitivne rotacije<br />
koordinatnih osi - na sliki 1 je pozitivni kot α v proti urni<br />
smeri! Lega poljubnega diferencialnega elementa površine dA je<br />
podana v globalnem koordinatnem sistemu s krajevnim vektorjem<br />
r = ⎧y⎫ ⎨ ⎬<br />
⎩z<br />
⎭ ,<br />
v lokalnem pa s krajevnim vektorjem<br />
⎧y′<br />
⎫<br />
r′= ⎨ ⎬<br />
⎩z<br />
′ ⎭ .
TRDNOST 116<br />
Zveza med komponentami teh krajevnih vektorjev je poznana iz<br />
matematike in je podana s transformacijo komponent vektorja<br />
pri rotaciji in translaciji koordinatnega sistema<br />
⎧y⎫<br />
a cos y<br />
⎨ ⎬<br />
⎩z⎭<br />
b<br />
cos z<br />
= ⎧ ⎫ ⎡ α sinα⎤⎧′<br />
⎫<br />
⎨ ⎬ + ⎢<br />
⎥⎨<br />
⎬<br />
⎩ ⎭ ⎣-sinα<br />
α⎦⎩′<br />
⎭ ,<br />
oziroma izpisano po komponentah<br />
y = a + y’.cos α + z’.sin α (2.a)<br />
z = b - y’.sin α + z’.cos α (2.b)<br />
Ko v enačbo 1.a, ki predstavlja vztrajnostni moment v<br />
globalnem koordinatnem sistemu, vstavimo enačbo 2.b,<br />
I = z dA = ( b− y'.sin α+ z'.cosα)<br />
dA<br />
y<br />
∫ ∫<br />
2 2<br />
A A<br />
dobimo zapis vztrajnostnega momenta glede na globalni<br />
koordinatni sistem izražen s koordinatami površine preseka v<br />
lokalnem koordinatnem sistemu. Diferencialni element površine<br />
je sedaj enak<br />
dA=dy’.dz’<br />
Ko nakazano kvadriranje pod integralskim znakom izvedemo,<br />
integriramo po posameznih sumandih in upoštevamo, da sta pri<br />
integraciji lega težišča in kot α (rotacija) konstantni,<br />
dobimo izraz<br />
∫ ∫ ∫ ∫<br />
2<br />
I y = b<br />
2<br />
dA + cos α<br />
2 2<br />
z' dA + sin α<br />
2<br />
y' dA −2.<br />
cosα. sinα y' z'dA<br />
A A A A<br />
− 2b. sinα y'dA+ 2b.<br />
cosα z'dA<br />
∫ ∫<br />
A A<br />
V gornji enačbi integrali prestavljajo znane geometrijske<br />
količine preseka! Zaporedoma naštete so: površina preseka,<br />
njegovi vztrajnostni momenti in statični momenti glede na<br />
lokalni (težiščni) koordinatni sistem y’,z’. Ko jih zaporedoma<br />
označimo z<br />
A = ∫ dA<br />
A<br />
I'zy' dA<br />
A<br />
2<br />
= ∫<br />
(3)<br />
(4)
TRDNOST 117<br />
I'yz' dA<br />
A<br />
2<br />
= ∫<br />
I'yz = ∫ y'z'dA<br />
A<br />
in upoštevamo, da so statični momenti glede na težiščni<br />
koordinatni sistem zmeraj nični,<br />
∫<br />
S'z= y'dA<br />
≡ 0<br />
A<br />
S'y= ∫ z'dA<br />
≡ 0<br />
A ,<br />
lahko zapišemo enačbo 4 z novimi oznakami<br />
2<br />
2<br />
2<br />
Iy = b × A+<br />
cos α× Iy ' + sin α× Iz' − sin2α× Iyz' . (5.a)<br />
To je prva transformacijska enačba s katero izračunamo<br />
vztrajnostni moment okoli globalne y osi, če poznamo vse<br />
vztrajnostne momente okoli lokalnega sistema in seveda<br />
medsebojno lego obeh koordinatnih sistemov.<br />
Povsem analogen postopek izvedemo še za enačbi 1.b in 1.c in<br />
dobimo še ostali dve transformacijski enačbi za vztrajnostne<br />
momente:<br />
2 2<br />
2<br />
Iz = a × A+<br />
sin α× I y ' + cos α× I z' + sin2α× Iyz' 1<br />
Iyz = a. b× A−<br />
sin2α× ( I z'-Iy') + cos2α× I yz'<br />
2<br />
(5.b)<br />
(5.c)<br />
Te transformacijske enačbe so znane tudi pod imenom Steinerjev<br />
stavek.<br />
Za inženirsko analizo pa imajo izreden praktičen pomen<br />
nekateri posebni primeri transformacij. Najprej si oglejmo<br />
čisto rotacijo koordinatnega sistema. Tedaj je translacija<br />
nična in a=b=0 (glej sliko 3)!
TRDNOST 118<br />
Slika 3. Čista rotacija težiščnega koordinatnega sistema.<br />
Transformacijske enačbe za rotacijo koordinatnih sistemov<br />
zapišimo v nekoliko drugačnem vrstnem redu,<br />
2<br />
2<br />
I z = cos α× Iz ' + sin α× Iy' + sin2α× Iyz' 2<br />
2<br />
I y = sin α× Iz ' + cos α× I y' − sin2α× I yz'<br />
1<br />
I yz =− sin2α× ( Iz'-I y') + cos2α× Iyz' 2<br />
in jih primerjajmo s transformacijskimi enačbami za napetosti<br />
oziroma za specifične deformacije v ravnini. Če bi namreč<br />
zamenjali oznake za vztrajnostne momente z oznakami za<br />
napetosti,<br />
I z → σ′ x , I y → σ′ y , I yz → τ′ xy in I ′ z → σ x , I ′ y → σ y , I′<br />
yz → τxy<br />
bi dobili natanko transformacijske enačbe za napetosti<br />
2 2<br />
σx′= cos α× σx +sin α× σy + sin2α×<br />
τxy<br />
2 2<br />
σy′= sin α× σx + cos α× σy − sin2α×<br />
τxy<br />
1<br />
τxy ′=− sin2α× ( σx - σy) + cos2α×<br />
τxy<br />
2 .<br />
Količina predstavlja<br />
⎡ Iz′ Iyz′<br />
⎤<br />
⎢<br />
⎣<br />
Iyz ′ Iy′<br />
⎥<br />
⎦<br />
(7)<br />
(6)
TRDNOST 119<br />
tenzor vztrajnostnih momentov, kjer sta diagonalna elementa<br />
normalna vztrajnostna momenta, izven diagonalna elementa pa<br />
mešana vztrajnostna momenta, ki sta enaka. Ta tenzor se torej<br />
povsem enako transformira kot tenzor napetosti (tenzor<br />
specifičnih deformacij) za ravninsko napetostno stanje<br />
⎡ σ τ<br />
⎢<br />
⎣<br />
τ σ<br />
x xy<br />
xy y<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦ .<br />
Zato veljajo za vztrajnostne momente pri rotaciji<br />
koordinatnega sistema povsem enaki zaključki glede ekstremnih<br />
vrednosti vztrajnostnih momentov kot pri rotaciji<br />
koordinatnega sistema za ravninski problem napetosti in<br />
specifičnih deformacij v ravnini y,z. Tako obstajata dve<br />
glavni smeri, ki sta med seboj pravokotni, to je glavni<br />
koordinatni sistem, kjer sta normalna vztrajnostna momenta<br />
ekstremna, mešani pa je ničen. Obrazci za izračun teh smeri in<br />
pripadajočih vztrajnostnih momentov so seveda povsem enaki kot<br />
pri napetostih in specifičnih deformacijah upoštevaje<br />
substitucijo (6).<br />
Medtem ko se za napetosti in specifične deformacije ne da kar<br />
enostavno “videti” kje ležijo glavne smeri pa je to enostavno<br />
pri simetričnih presekih, ki so v inženirski praksi dokaj<br />
pogosti. Če je presek simetričen glede na neko os, glej sliko<br />
4, tedaj za vsak diferencialni element površine dA s<br />
koordinatama y,z obstaja simetrično ležeči diferencialni<br />
element površine dAs=dA s koordinatama -y,z. Zato je pri<br />
izračunu mešanega vztrajnostnega momenta integral<br />
I yz<br />
∫<br />
= y.zdA = 0<br />
A<br />
ničen, ker se pri integriranju (seštevanju) vrednosti -y,z.dAs<br />
in y,z.dA izničijo. Matematično bi temu rekli, da je integral<br />
lihe funkcije na simetričnem (sodem) intervalu ničen. Ker pa<br />
je za glavne smeri potrebno in zadostno, da je mešani<br />
vztrajnostni moment ničen, je simetrala preseka zmeraj tudi<br />
glavna os. V skladu s teoretičnim dokazom pri glavnih smereh,<br />
da so glavne osi zmeraj med seboj pravokotne, pa je tudi os<br />
pravokotno na simetralo glavna os, čeprav presek okoli te osi<br />
ni simetričen!
TRDNOST 120<br />
Slika 4. Simetrični presek in simetrična lega diferencialnih<br />
elementov površine.<br />
Omenimo naj, da ima presek lahko več glavnih smeri, na primer<br />
pri kvadratu 8 (glej sliko 5), pri pravilnem osmero kotniku<br />
16, pri krožnem preseku pa so sploh vse smeri glavne smeri kot<br />
pri napetostnem stanju vodnega pritiska.<br />
Slika 5. Glavne smeri pri kvadratu.<br />
Transformacijske enačbe (Steinerjev stavek) uporabljamo za<br />
izračun vztrajnostnih momentov kompliciranih sestavljenih<br />
presekov glede na težiščni koordinatni sistem celotnega<br />
preseka, kot to zahtevajo formula za izračun normalnih in<br />
strižnih napetosti pri upogibu nosilcev. Večinoma lahko bolj
TRDNOST 121<br />
komplicirane preseke razdelimo na dele, ki imajo enostavne<br />
oblike - pravokotniki, trikotniki itd.(glej sliko 7)<br />
T1<br />
+α<br />
α1<br />
z1<br />
y1<br />
z2<br />
T<br />
y<br />
T2<br />
y3<br />
Slika 7. Razdelitev preseka na enostavne pravokotnike. y,z je<br />
globalni težiščni koordinatni sistem postavljen v težišče<br />
celotnega preseka, yi,zi, i=1,2,3 pa so lokalni težiščni<br />
koordinatni sistemi pravokotnikov postavljeni v njihova<br />
njihova težišča Ti.<br />
Za te enostavne sestavne dele preseka običajno poznamo<br />
vztrajnostne momente okoli njihovih težišč - v lokalnih<br />
koordinatnih sistemih (glej na primer tabelo 1). Vztrajnostni<br />
moment celotnega preseka glede na njegovo težišče, ki je<br />
izhodišče globalnega koordinatnega sistema, je vsota<br />
vztrajnostnih momentov sestavnih delov preseka saj so<br />
integrali v enačbah 5 sumabilne funkcije. Zato je za izračun<br />
vztrajnostnih momentov celotnih presekov okoli njihovega<br />
težišča potrebno samo po enačbah 5 transformirati vztrajnostne<br />
momente iz lokalnih v globalni koordinatni sistem in jih<br />
sešteti:<br />
Iz = ∑ ( a 2 2<br />
2<br />
i × Ai + cos αi × I zi +sin αi × I yi + sin2αi × Iyi,zi)<br />
i<br />
Iy = ∑ ( b 2 2<br />
2<br />
i × Ai<br />
+ sin αi × I zi + cos αi × I yi − sin2αi × I yi,zi )<br />
i<br />
1<br />
Iyz = ∑ ( ai. bi× Ai−<br />
sin2αi( Izi - I yi ) + cos2αi× Iyi,zi<br />
)<br />
2<br />
i<br />
α2<br />
y2<br />
T3<br />
α3<br />
z3<br />
z<br />
(6.a)<br />
(6.b)<br />
(6.c)<br />
V gornjih enačbah smo opustili apostrof in ga nadomestili z<br />
indeksom “i”, z Ai smo označili površine sestavnih delov<br />
preseka, z αi kote zasuka lokalnih koordinatnih sistemov v<br />
globalnega, z Izi, Iyi in Izi,yi pa vztrajnostne momente<br />
sestavnih delov preseka v lokalnih koordinatnih sistemih.
TRDNOST 122<br />
Indeks “i” teče pri sumaciji po vseh sestavnih delih površine<br />
preseka.<br />
A Iz Iy Iyz<br />
b.h<br />
yT =<br />
(2b-a)/3<br />
A=b.h/2<br />
h.b 3 /12<br />
bh(b 2 -<br />
ab+a 2 )<br />
36<br />
b.h 3 /1<br />
2<br />
bh 3<br />
36<br />
0<br />
bh 2 (b-<br />
2a)<br />
72<br />
Tabela 1. Lega težišča in vztrajnostni momenti za pravokotnik<br />
in poljubni trikotnik glede na nakazani težiščni koordinatni<br />
sistem.<br />
Zgled 1.<br />
Izračunajmo vztrajnostni moment glede na težiščni koordinatni<br />
sistem za presek na sliki Z.1.<br />
Slika Z.1.1. Presek z razdelitvijo na enostavne like in lega<br />
pripadajočih težišč ter pomožni koordinatni sistem η-ζ za<br />
izračun lege težišča T(ζT ,ηT) celotnega preseka.
TRDNOST 123<br />
Rešitev. Pri sestavljenih presekih seveda ni poznana lega<br />
težišča zato jo moramo najprej izračunati. Za to presek<br />
razdelimo na enostavnejše like, za katere poznamo lego težišča<br />
pa tudi vztrajnostne momente. Ta razdelitev je v našem primeru<br />
na pravokotnik s težiščem T1, trikotnik s težiščem T2 in<br />
nagibom stranice za kot α=36,86990° ter kvadrat s težiščem T3.<br />
Pripadajoče površine so<br />
A1 = 0,2x0,4=0,08m 2<br />
A2 = 0,5x0,3x0,4=0,06m 2<br />
A3 = 0,25 2 =0,0625m 2<br />
Celotna površine preseka pa je<br />
A = A1 + A2 + A3 = 0,08m 2 + 0,06m 2 + 0,0625m 2 = 0,2025m 2<br />
Za izračun lege težišča preseka si izberemo neki primerni<br />
pomožni koordinatni sistem, na sliki sistem η,ζ. V tem sistemu<br />
imajo težišča koordinate,<br />
T1 = (η1,ζ1) = (0.2, 0.1)m<br />
T2 = (η2,ζ2) = (0.4/3, 0.3)m<br />
T3 = (η3,ζ3) = (0.375, 0.375)m<br />
ki jih izračunamo na podlagi geometrijskih relacij iz slike.<br />
Statična momenta preseka glede na sistem η ζ sta<br />
Sη = ζ1.A1+ζ2.A2+ζ3.A3<br />
=0.1x0.08+0.3x0.06+0.375x0.0625=0.0494375m 3<br />
Sζ = η1.A1+η2.A2+η3.A3<br />
=0.2x0.08+0.13333x0.06+0.375x0.0625=0.047438m 3<br />
in koordinati težišča T celotnega preseka sta<br />
ζT = Sη/A =0.0494375m 3 /0,2025m 2 =0,24414m<br />
ηT = Sζ/A =0.047438m 3 /0,2025m 2 =0,23426m.<br />
Izhodišče globalnega koordinatnega (težiščnega) koordinatnega<br />
sistema y-z je seveda v težišču T, osi pa izberimo kar<br />
vzporedno s sistemom η-ζ, kot je narisano na sliki Z.1.<br />
Lego težišč T1 , T2 in T3 v globalnem koordinatnem izračunamo<br />
lahko s transformacija koordinat iz sistema η-ζ v sistem y-z
TRDNOST 124<br />
ali pa kar direktno na podlagi slike, koordinate pa označimo<br />
tako kot v transformacijskih enačbah (5):<br />
T1 =(yT1,zT1)=(ζT-ζ1,-ηT+η1)<br />
≡(a1,b1)=(0.24414-0.1,-0,23426+0.2)=(0.14414, -0.03426)m<br />
T2 =(yT2,zT2)=(ζT-ζ2,-ηT+η2)<br />
≡(a2,b2)=(0.24414-0.3,-0,23426+0.13333)= (-0.05586, -0.10093)m<br />
T3 =(yT3,zT3) =(ζT-ζ3,-ηT+η3)<br />
≡(a3,b3)=(0.24414-0.375,-0,23426+0.375)= (-0.13086, 0.14074)m<br />
Slika Z.1.2. Lega težišča preseka ter lega lokalnih<br />
koordinatnih sistemov y1-z1, y2-z2 in y3-z3 glede na težiščni<br />
koordinatni sistem y-z. Koti α določajo zasuke lokalnih<br />
koordinatnih sistemov v globalni, koordinate a in b pa<br />
translacijo lokalnih sistemov glede na globalnega.<br />
Lokalne koordinatne sisteme postavimo v težišča pravokotnika,<br />
trikotnika in kvadrata po možnosti tako, da najlažje<br />
izračunamo njihove vztrajnostne momente. Če jih izberemo tako
TRDNOST 125<br />
kot je prikazano na sliki Z.2 tedaj so vztrajnostni momenti v<br />
lokalnih koordinatnih sistemih (po tabeli 1) za pravokotnik<br />
Iz1 = b.h 3 /12 = 0,4.0,2 3 /12 = 2,66667.10 -4 m 4<br />
Iy1 = h.b 3 /12 = 0,2.0,4 3 /12 = 0,10667.10 -4 m 4<br />
Iz1,y1 = 0,<br />
za pravokotni trikotnik z osnovnico b=0,4m in višino h=0,3m je<br />
Iz2 = h.b 3 /36 = 0,3.0,4 3 /36 = 5,33333.10 -4 m 4<br />
Iy2 = b.h 3 /36 = 0,4.0,3 3 /36 = 3,0.10 -4 m 4<br />
Iz2,y2 = b 2 .h 2 /72 = 0,4 2 .0,3 2 /72 = 2,0.10 -4 m 4<br />
in kvadrat<br />
Iz3 = Iy3 = h 4 /12 = 0,25 4 /12 = 3,25521.10 -4 m 4 , Iz3,y3 = 0.<br />
Vztrajnostni momenti celotnega preseka glede na globalni<br />
koordinatni sistem so po enačbah (6)<br />
I = a × A + cos α × I +sin α × I + sin2α × I<br />
z<br />
1 2<br />
2 2<br />
1<br />
2<br />
1 z1<br />
2<br />
1 y1 1 y1,z1<br />
2<br />
2<br />
2 z2<br />
2<br />
2 y2 2 y2,z2<br />
3<br />
2<br />
3 z3<br />
2<br />
3 y3 3 y3,z3<br />
+ a × A + cos α × I +sin α × I + sin2α × I<br />
+ a × A + cos α × I +sin α × I + sin2α × I<br />
3 2<br />
2 2 −4 2<br />
−4<br />
= 0, 14413 × 0, 08 + cos 0°× 2 , 66667. 10 + sin 0°× 0, 10667. 10 + sin2x0°×<br />
0<br />
2 2 −4 2<br />
−4 −4<br />
( − 0, 05586) × 0, 06 + cos 90°× 5 , 3333310 . +sin 90°× 3,. 0 10 + sin2× 90°× 2,.<br />
0 10<br />
2 2 −4 2<br />
−4<br />
( − 0, 13086) × 0, 0625 + cos 36, 86990°× 3 , 2552110 . +sin 36, 86990°× 3,<br />
2552110 .<br />
+ sin(2 × 36, 86990° ) × 0<br />
= 3,8116.10 -3 m 4<br />
Iy = b1× A + × × − ×<br />
+ b × A + × × − ×<br />
+ b × A + × × − ×<br />
2<br />
1 1 1 1<br />
2 2<br />
2 2 2 2<br />
3 2<br />
2<br />
2<br />
sin α I z1 + cos α I y1 sin2α Iy1,z1<br />
2<br />
2<br />
sin α I z2 + cos α I y2 sin2α Iy2,z2<br />
2<br />
2<br />
3 sin α3 I z3 + cos α3 I y3 sin2α3 Iy3,z3<br />
2 2 −4 2<br />
−4<br />
= ( − 0, 03426) × 0, 08 + sin 0°× 2 , 66667. 10 + cos 0°× 0, 10667. 10 − sin2x0°×<br />
0<br />
2 2 −4 2<br />
−4 −4<br />
( − 0, 10093) × 0, 06 + sin 90°× 5 , 3333310 . + cos 90°× 3,. 0 10 − sin2 × 90°× 2,.<br />
0 10<br />
2 2 −4 2<br />
−4<br />
( 0, 14074) × 0, 0625 + sin 36, 86990°× 3 , 2552110 . + cos 36, 86990°× 3,<br />
2552110 .<br />
− sin(2 × 36, 86990° ) × 0<br />
Iy = 2,8126.10 -3 m 4<br />
Iz
TRDNOST 126<br />
1<br />
Iyz = a1. b1 × A1<br />
− sin2α1( I z1 - I y1) + cos2α1 × I y1,z1<br />
2<br />
1<br />
+ a2. b2 × A2<br />
− sin2α2( I z2 - I y2 ) + cos2α2 × Iy2,z2<br />
2<br />
1<br />
+ a3. b3 × A3<br />
− sin2α3( Iz3 - I y3) + cos2α3 × Iy3,z3<br />
2<br />
Iyz = -1,4079.10 -3 m 4<br />
TANKO STENSKI PRESEKI,<br />
ki jih lahko razdelimo na tanke pravokotnike (glej sliko 3).<br />
Slika 3. Tanko stenski presek sestavljen iz tankih<br />
pravokotnikov.<br />
Te preseke je smiselno posebej obravnavati saj so dokaj<br />
pogosti v inženirski praksi (na primer jekleni nosilci s<br />
preseki I, T, L, U, itd), splošni obrazci za transformacijo<br />
vztrajnostnih momentov (enačbe 6) pa se precej poenostavijo.<br />
Pri teh presekih postavljamo lokalne koordinatne sisteme v<br />
težišča pravokotnikov tako, da so koordinatne osi že njihove<br />
glavne osi. Vztrajnostne momente pravokotnika okoli lokalne y<br />
koordinatne osi, ki teče po njihovi dolžini lahko zanemarimo<br />
saj so ti pravokotniki pri tanko stenskih presekih precej<br />
ozki. Mešani vztrajnostni momenti pa so glede na lokalne<br />
glavne osi tako ali tako nični. Zato postavimo v obrazcih 6
TRDNOST 127<br />
Iiy = Iiy,iz =0,<br />
in ker so samo vztrajnostni momenti okoli lokalnih prečnih osi<br />
pravokotnikov različni od nič, jih označimo kar z<br />
IiZ = Ii<br />
in dobimo enostavnejše transformacijske enačbe<br />
Iz = ∑ ( a 2 2<br />
i × Ai + cos αi<br />
× Ii<br />
)<br />
i<br />
Iy = ∑ ( b 2 2<br />
i × Ai<br />
+ sin αi<br />
× Ii<br />
)<br />
i<br />
1<br />
Iyz = ∑ ( ai. bi× Ai−<br />
i × )<br />
2 sin2 I α i<br />
i<br />
(7.a)<br />
(7.b)<br />
(7.c)<br />
Zgled 2.<br />
Izračunajmo vztrajnostne momente okoli težišča preseka na<br />
sliki Z.2.1, ki je sestavljen iz dveh poševnih pasnic z<br />
debelino t1=t2=0,015m in ene horizontalne pasnice z debelino<br />
t3=0,02m.<br />
Slika Z.2.1. Dispozicija tanko stenskega preseka, pomožni<br />
koordinatni sistem η,ζ za izračun lege težišča T(ζT ,ηT)<br />
celotnega preseka, koordinatni sistem y,z v težišču preseka,<br />
ter koordinatami sistemi yi,zi v težiščih posameznih pasnic.<br />
Rešitev. Iz slike Z.2.1 izračunamo dolžine pasnic<br />
L1=L2=0,35355m in L3=0,25m.
TRDNOST 128<br />
Pripadajoče površine so<br />
A1=A2=L1t1=5,30330.10 -3 m 2 in A3=L3 t3=5,0.10 -3 m 2 ,<br />
površina celotnega preseka pa je<br />
A = A1+A2+A3 = 15,60660.10 -3 m 2 .<br />
Nato izračunamo lego težišča preseka. Če postavimo izhodišče C<br />
pomožnega koordinatnega sistema η-ζ v težišče obeh pasnic<br />
skupaj, so koordinate težišč pasnic enake<br />
T1 = (η1,ζ1) = ( 0,-0.125)m<br />
T2 = (η2,ζ2) = ( 0, 0.125)m<br />
T3 = (η3,ζ3) = (-0.125, 0.375)m.<br />
S tako izbiro koordinatnega sistema precej hitreje izračunamo<br />
lego težišča. Ker leži pomožni koordinatni sistem η-ζ v<br />
skupnem težišču poševnih pasnic, je vsota njunih statičnih<br />
momentov nična in sta statična momenta celotnega preseka kar<br />
Sη = ζ3.A3 = 0.375x0.005 = 0.001875m 3<br />
Sζ = η3.A3 = -0,125x0.005 = -0.000625m 3<br />
in koordinati težišča T preseka sta<br />
ζT = Sη/A =0.001875m 3 /15,60660.10 -3 m 2 = 0,12014m<br />
ηT = Sζ/A =-0.000625m 3 /15,60660.10 -3 m 2 =-0,04005m.<br />
Izhodišče globalnega koordinatnega (težiščnega) koordinatnega<br />
sistema y,z je seveda v težišču T celotnega preseka, osi pa<br />
izberimo kar vzporedno s sistemom η-ζ, kot je narisano na<br />
sliki Z.2.1.<br />
Lego težišč T1 , T2 in T3 posameznih pasnic v globalnem<br />
koordinatnem izračunamo s transformacijo koordinat iz sistema<br />
η-ζ v sistem y-z, njihove koordinate pa označimo tako kot v<br />
transformacijskih enačbah (5):<br />
T1 =(yT1,zT1)=( η1-ηT,ζ1-ζT)<br />
≡(a1,b1)=(0.0+0,04005-0.0,-0.125-0.12014)=(0.04005,-0.24514)m<br />
T2 =(yT2,zT2)=( η2-ηT,ζ2-ζT)<br />
≡(a2,b2)=(0.0+0.04005, 0.125-0.12014)= (0.04005,0.00486)m<br />
T3 =(yT3,zT3) =(η3-ηT,ζ3-ζT)
TRDNOST 129<br />
≡(a3,b3)=(-0.125+0.04005,0.375-0.12014)= (-0.08495,0.25486)m<br />
Vztrajnostni momenti posameznih pasnic v lastnih (lokalnih)<br />
koordinatnih sistemih so<br />
I1 =t1.L1 3 /12=0.015x0.35355 3 /12 = 5.52411.10 -5 m 4<br />
I2 =t2.L2 3 /12=0.015x0.35355 3 /12 = I1<br />
I3 =t3.L3 3 /12=0.02x0.25 3 /12 = 2.60417.10 -5 m 4 ,<br />
koti zasuka pa so<br />
α1 =-45°, α2 =45° in α3 =90°.<br />
Po enačbah 7 so, glede na gornje vrednosti, vztrajnostni<br />
momenti celotnega preseka enaki<br />
Iz = 0,04005 2 .5,30330.10 -3 +cos 2 (-45°).5,52411.10 -5<br />
+0,04005 2 .5,30330.10 -3 +cos 2 (45°).5,52411.10 -5<br />
+(-0.08495) 2 .5,0.10 -3 +cos 2 (90°).2,60417.10 -5<br />
Iz = 1,08337.10 -4 m 4<br />
Iy =(-0,24514) 2 .5,30330.10 -3 +sin 2 (-45°).5,52411.10 -5<br />
+0,00486 2 .5,30330.10 -3 +sin 2 (45°).5,52411.10 -5<br />
+0,25486 2 . 5,0.10 -3 +sin 2 (90°).2,60417.10 -5<br />
Iy = 7,24871.10 -4 m 4<br />
Iyz =0,04005.(-0,24514).5,30330.10 -3<br />
-0,5.sin(2x(-45°)).5,52411.10 -5<br />
+0,04005.0,00486.5,30330.10 -3 -0,5.sin(2x45°).5,52411.10 -5<br />
+(-0,08495).0,25486.5,0.10 -3 -0,5.sin(2x90°).2,60417.10 -5<br />
Iyz = -1,59287.10 -4 m 4<br />
RAČUNSKI PRIMERI ANALIZE NAPETOSTI<br />
Zgled 1.<br />
Konzolni nosilec enostavnega pravokotnega preseka obremenjen<br />
na zgornji površini s konstantno površinsko obtežbo.<br />
Izračunati je treba normalne in strižne napetosti.
TRDNOST 130<br />
Slika Z.1.1. Prikaz dimenzij, obtežbe in koordinatnega sistema<br />
za konzolni nosilec.<br />
Najprej izračunamo rezultatne sile v presekih. Ker imamo<br />
obtežbo dano po plašču nosilca (površinska obtežba), jo moramo<br />
najprej reducirati na os nosilca, da dobimo statično<br />
ekvivalentno dobimo linijsko obtežbo po osi nosilca<br />
qy=ty.b=100kN/m 2 . 0,1m=10kN/m.<br />
S to obtežbo izračunamo iz ravnotežnih enačb notranje sile,<br />
kot je to poznano iz osnov tehniške mehanike. Prečne sile so<br />
Qy(x)= qy.(L-x) = 10(2-x) = 20-10x,<br />
kjer je največja prečna sila ob podpori in je enaka<br />
Qy(x=0)=20kN.<br />
Upogibni momenti pa so<br />
Mz(x) = -qy.(L-x) 2 /2 = -10.(2-x) 2 /2 = -5.x 2 +20.x-20,<br />
kjer je ekstremni moment ob podpori in je enak<br />
Mz(x=0) = -20kNm.<br />
Izračunane vrednosti so prikazane na diagramih na sliki Z.1.2.
TRDNOST 131<br />
Slika Z.1.2. Diagram notranjih sil.<br />
Izračun normalnih napetosti v preseku x=0 kjer je upogibni<br />
moment največji.<br />
σ x<br />
( x= 0,<br />
y, z)<br />
=<br />
Nx=<br />
A<br />
= + −<br />
150kN<br />
20kNm<br />
−<br />
003 . m 22410 , . m<br />
2 4 4<br />
0 M x= 0 y z<br />
( ) z ( , , )<br />
+<br />
.<br />
I z<br />
y<br />
4<br />
. y = 5000 −8,<br />
8888910 . . y<br />
(Z.1.1)<br />
Iz gornje enačbe vidimo, da se normalne napetosti spreminjajo<br />
linearno po preseku in sicer linearno vzdolž y osi in<br />
konstantno vzdolž z osi. Nevtralno os, kot vemo, dobimo iz<br />
pogoja, da so normalne napetosti nične<br />
σ x<br />
N M<br />
= = +<br />
z<br />
0 y .<br />
A I z<br />
Iz gornje enačbe vidimo, da je nevtralna os vzporedna z z-osjo<br />
in seka y os pri<br />
−4<br />
N Iz<br />
150x2, 24. 10<br />
yo<br />
=− =− = 0, 0560m<br />
A M z 003 , x20<br />
Iz enačbe za napetosti vidimo (en. Z.1.1), da ekstremne<br />
vrednosti nastopijo na zgornjem in spodnjem robu preseka, kjer<br />
koordinata y zavzame najmanjšo oziroma največjo vrednost. Za<br />
risanje diagrama poteka napetosti je zadosti, če izračunamo<br />
napetosti samo na teh dveh robovih preseka.
TRDNOST 132<br />
Na zgornjem robu je :<br />
y=-h/2=-0,15m<br />
in<br />
σx(x=0,y=-h/2=-0,15m,z) = 5000kPa - 88888,89kPa/m.(-0.15m)<br />
= 18333 kPa<br />
Normalne napetosti na spodnjem robu preseka (y=h/2=0,15m) pa<br />
so<br />
σx(x=0,y=h/2=-0,15m,z) = 500kPa-88888,89kPa/m.(0.15m) = 8333<br />
kPa.<br />
S tema dvema vrednostima za napetosti že lahko narišemo<br />
diagram napetosti (slika Z.1.3). Zanimiva je še napetost v<br />
težišču preseka (y=z=0), ki predstavlja povprečno napetost v<br />
preseku:<br />
Nx ( = 0) Mz( x = 0)<br />
150kN<br />
σ x(<br />
x = 0, y = 0, z = 0)<br />
= + . y(<br />
= 0)<br />
= = 5000kPa<br />
A I<br />
2<br />
z<br />
003 , m<br />
Z.1.3.Diagram poteka normalnih in strižnim napetosti po<br />
preseku nosilca ob podpori (x=0).<br />
V našem primeru, ko imamo potek upogibnega momenta in osne<br />
sile podana analitično po celem nosilcu, lahko tudi napetosti<br />
podamo analitično v vsaki točki nosilca<br />
.
TRDNOST 133<br />
2<br />
150 − 5x + 20x−20 2<br />
σ x(<br />
xyz , , ) = − . y = 5000 + ( 22222x − 88888x+ 88888).<br />
y<br />
A Iz<br />
V gornji enačbi pa moramo upoštevati, da je za x in y v metrih<br />
rezultat za napetosti v kPa! Potek napetosti, na primer v<br />
točkah v vzdolžnem vlaknu na zgornjem robu nosilca, y=-h/2, je<br />
po gornji enačbi enak<br />
2<br />
σ x( xy , = 0, 15mz , ) = 5000 + ( 22222x − 88888x+ 88888). 0, 15<br />
2<br />
= 3333x − 13333, 2x+ 13333, 2 + 5000<br />
Če primerjamo največjo normalno napetost zaradi upogiba z<br />
obremenilno normalno napetostjo na zgornji ploskvi plašča<br />
nosilca, vidimo da je le-ta znatno večja,<br />
t y 100kPa<br />
= = 0, 0056 ,<br />
maxσ<br />
18000kPa<br />
x<br />
kar potrjuje tretjo predpostavko o zanemarljivih napetostih v<br />
prečni smeri nosilca!<br />
Izračun strižnih napetosti<br />
Zaradi simetričnosti preseka in obremenitve samo v y smeri<br />
računamo strižne napetosti z obrazcem<br />
1 Qy. S′<br />
z<br />
τxy ( yz , ) = . .<br />
b Iz<br />
Če nas zanimajo strižne napetosti v smeri y, moramo presek<br />
“rezati” pravokotno na y os (slika Z.4). Pri tako enostavnem<br />
preseku lahko statični moment podamo kar analitično - tako<br />
bomo lahko analitično analizirali potek strižnih napetosti.<br />
Statični moment poljubne “odrezne” površine A’ (na sliki je<br />
prikazan zatemnjeno) izračunajmo za zgled kar direktno iz<br />
definicije statičnega momenta. Odrezna površina A’ se<br />
spreminja v skladu z lego reza C-C in jo podajmo s<br />
spremenljivko y. Integracijska spremenljivka pa naj bo t.<br />
Tedaj je statični moment enak<br />
.
TRDNOST 134<br />
Slika Z.1.4. Prikaz površine A’ za izračun njenega statičnega<br />
glede na težišče preseka, pripadajoče strižne napetosti ter<br />
pomen in označba integracijske spremenljivke t.<br />
h / 2 2<br />
b h 2<br />
S′ z ( y) = ∫ y. dA = ∫ b. t. dt = ( − y )<br />
2 4<br />
A′ y<br />
Statični moment pa lahko izračunamo tudi s pomočjo velikosti<br />
ploskve A’ in lege njenega težišče glede na težišče celotnega<br />
preseka. Tako dobimo v skladu z oznakami na sliki Z.1.4.<br />
⎡ 1 ⎤ b h 2<br />
S′ z ( y) = A′ . y′= [ b.( h− y) ] . y+ h− y<br />
y<br />
⎣<br />
⎢ ( )<br />
⎦<br />
⎥ = ( − ) .<br />
2 2 4<br />
S tem statičnim momentom dobimo analitično podane strižne<br />
napetosti<br />
τ xy<br />
2<br />
2<br />
1 Qy. S'<br />
z Qy<br />
. 12 b h 2 6 h 2<br />
( yz , ) = . = 3 ( − y ) = Qy3 ( −y)<br />
b I bh . 2 4<br />
bh . 4<br />
z<br />
Strižne napetosti praviloma ne potekajo linearno po preseku,<br />
za razliko od normalnih. V primeru našem primeru se napetosti<br />
spreminjajo vzdolž y-os po kvadratni paraboli (slika z.3).<br />
Zapomnimo si, da so največje pri pravokotnih presekih v<br />
težišču preseka in so natanko enake 1,5 krat povprečni<br />
napetosti v celotnem preseku:<br />
2
TRDNOST 135<br />
h<br />
max(τxy τxyy<br />
z Qy x<br />
b h<br />
Q<br />
6<br />
) = ( = 0,<br />
) = ( ) = 15 ,<br />
3<br />
. 4 A<br />
2<br />
Zgled 2.<br />
Upogib nesimetričnega nosilca. Na sliki Z.2.1. je prikazan<br />
prostoležeči nosilec obremenjen z dvema koncentriranima sila<br />
ter potek prečnih sil in upogibnih momentov. Njegov presek je<br />
konstanten in je prikazan skupaj z geometrijskimi<br />
karakteristikami (površina preseka in vztrajnostni momenti) na<br />
sliki Z.2.2. Izračunajmo normalne in strižne napetosti v<br />
preseku C-C.<br />
Slika Z.2.1. Načrt nosilca in obtežbe ter diagrami notranjih<br />
sil.<br />
y
TRDNOST 136<br />
Slika Z.2.2. Presek in njegove geometrijske karakteristike.<br />
(a) Izračun normalnih napetosti v preseku C-C<br />
V tem preseku, pri x=1m, ki je obremenjen samo z enostavnim<br />
upogibnim<br />
obrazca<br />
momentom Mz=133,33333kNm, napetost izračunamo iz<br />
Iy y Iyz z<br />
σx x m y z<br />
z<br />
D D<br />
M<br />
. .<br />
( = 1 , , ) = ( − ).<br />
(1)<br />
kjer je<br />
D = Iy.Iz - Iyz 2<br />
= 1,08333.10 -4 . 3,08333.10 -4 -(-7.5.10 -5 ) 2 = 2,77776.10 -8 m 8<br />
Z vstavitvijo ostalih vrednosti v enačbo (1)<br />
, . . y ( , . ). z<br />
σ x ( x = m, y, z)<br />
= ( − ). ,<br />
, . , .<br />
−<br />
−4<br />
−5<br />
3 0833310 7510<br />
1<br />
133 33333<br />
−8<br />
−8<br />
2 77776 10 2 77776 10<br />
je potek normalnih napetosti po preseku podan z linearno<br />
funkcijo<br />
5 5<br />
σ x ( x= 1m, y, z) = 5210 , . . y+ 3610 , . . z<br />
Nagib nevtralne osi je<br />
tan( = -34,7 o<br />
α)= = α<br />
− y 360000<br />
→<br />
z 520000<br />
(2)
TRDNOST 137<br />
Pregleden in jasen grafični prikaz razporeditve napetosti je<br />
za bolj “razvejane” preseke nekoliko problematičen.<br />
Poslužujemo se večinoma dvodimenzionalnega in aksonometričnega<br />
grafičnega prikaza in tudi tabelaričnega zapisa vrednosti<br />
normalnih napetosti, kot je prikazano v nadaljnjem izvajanju.<br />
Kateri način izberemo je odvisno od potreb inženirske analize.<br />
Za pregledni zapis izračunanih napetosti po enačbi (2) je<br />
najbolje, da uporabimo tabelo v katero vnesemo vrednosti za<br />
koordinate točk, kjer nas napetosti zanimajo oziroma so<br />
karakteristične za grafični prikaz. Za risanje diagrama je<br />
zadosti, če napetosti izračunamo v vseh ogliščih preseka<br />
(slika Z.2.3).<br />
Prikažimo, za primer, izračun napetosti za dve točki na<br />
preseku C-C. Za prvo oglišče, točka 1 (slika Z.2.3.), sta<br />
koordinati y1=-0,125m in z1=-0,075m, napetost pa je<br />
5<br />
5<br />
σ x( x = 1m, y1, z1) = 5210 , . . y1+ 3610 , . . z1<br />
5 5<br />
= 5,. 2 10 ., 0 125 + 3,. 6 10 .( − 0, 075) = −92000kPa<br />
Za drugo oglišče, točka 2, pa sta koordinati y2=-0,125m in<br />
z2=0,125m, napetost pa je<br />
5<br />
5<br />
σ x ( x= 1m, y2, z2) = 5210 , . . y2+ 3610 , . . z2<br />
5 5<br />
= 5,. 2 10 ., 0 125 + 3,. 6 10 ., 0 125) = −20000kPa<br />
Ostale vrednosti so izračunane v tabeli (tabela Z.2.1).<br />
Dvodimenzionalni prikaz razporeditve napetosti je na sliki<br />
Z.2.3., aksonometrični (prostorski) pa na sliki Z.2.4.
TRDNOST 138<br />
Slika Z.2.3. Razporeditev in oznake ogliščnih točk ter<br />
izračunane normalne napetosti v teh točkah podane v enotah<br />
100.kPa. Zatemnjeni del preseka je tlačen.<br />
Točka ykoord.<br />
m<br />
zkoord.<br />
m<br />
normalna<br />
napetost<br />
v<br />
MPa<br />
1 -0.125 -0.075 -92<br />
2 -0.125 0.125 -20<br />
3 -0.025 0.125 32<br />
4 -0.025 0.025 -4<br />
5 0.175 0.025 100<br />
6 0.175 -0.075 64<br />
Tabela Z.2.1. z označbami točk glede na sliko Z.2.3.,<br />
pripadajočimi koordinatami ter izračunanimi normalnimi<br />
napetostmi v teh točkah.
TRDNOST 139<br />
Slika Z.2.4. Prostorski (aksonometrični) prikaz razporeditve<br />
normalnih napetosti (enote za napetosti so 100kPa).<br />
(b) Izračun strižnih napetosti v preseku C-C tik desno od<br />
točke 1. V tem preseku je prečna sila enaka Qy=33kN. Za zgled<br />
bomo računali napetosti samo v rezih 1-1 do 3-3, ki so<br />
prikazani na sliki 5. Pojasnili pa bomo še nekatere<br />
alternativne načine računanja.
TRDNOST 140<br />
Slika Z.2.5. Shematičnih prikaz rezov za izračun strižnih<br />
napetosti, pripadajočih pozitivnih smeri povprečnih strižnih<br />
napetostih v rezih glede na izbran začetek koordinate “s” ter<br />
pripadajoče površine in njihova težišča za sukcesivno računaje<br />
statičnih momentov. Smer “napredovanja” rezov je označena<br />
simbolično s koordinato “s” !<br />
Ker imamo nesimetrični presek in samo prečno silo v smeri y je<br />
strižna napetost podana z obrazcem<br />
Q<br />
bD<br />
y<br />
τxs = ( IyS′ z− IyzS′ y )<br />
.<br />
kjer je v našem primeru dolžina reza b=0,1 enaka za vse reze<br />
od 1-1 do 3-3, po preseku pa se spreminjata samo statična<br />
momenta. Tako imamo<br />
33kN<br />
−4 4 −4<br />
4<br />
τxs =<br />
(, 1 0833310 . mS′ z + 0, 7510 . mS′<br />
−8<br />
8<br />
y )<br />
b× 2, 77776. 10 m<br />
oziroma krajše zapisano<br />
1<br />
( 1310 . 9. 10 ), (1)<br />
b<br />
4 4<br />
τxs = S′ z + S′<br />
y<br />
kjer so enote za statične momente m 3 , strižna napetost pa je v<br />
kPa!
TRDNOST 141<br />
Ker smo izbrali, da je začetek koordinate s na spodnjem robu,<br />
tedaj rez 1-1 “odreže” površino A1 = 0.1mx0.1m, to je površino,<br />
ki jo določata začetek koordinate s=0 in vrednost koordinate<br />
s=0,1m (na sliki 5 je površina A1 označena najbolj zatemnjeno).<br />
Statična momenta te površine glede na težišče celotnega<br />
preseka lahko seveda izračunamo z integralom, vendar pa se<br />
bomo poslužili izračuna s pomočjo lege težišča te površine. Iz<br />
slike vidimo, da sta koordinati težišča površine A1 enaki<br />
y1=0,125m in z1=-0,025m. Tako sta statična momenta enaka (pri<br />
oznaki statičnih momentov bomo apostrof izpustili, ker delne<br />
površine preseka na katere se statični moment nanaša označimo<br />
v spodnjem indeksu)<br />
SzA , 1<br />
2 3<br />
= y1. A1 = 0, 125m, 0, 01m = 0, 00125m<br />
SyA , 1<br />
2 3<br />
= z1. A1 = − 0, 025m, 0, 01m = − 0, 00025m<br />
in po enačbi (1) je strižna napetost<br />
τxs, ( . S<br />
b<br />
zA , . SyA<br />
, )<br />
kPa<br />
, ( . . , . . , )<br />
1 4 4<br />
1− 1 = 1310 + 9 10<br />
1 1<br />
1<br />
1 4 4<br />
= 1310 0 00125 − 9 10 0 00025 = 140<br />
01<br />
Z rezom 2-2 “odrežemo” površino<br />
A1 + A2.<br />
Statična momenta te površine pa lahko izračunamo direktno s<br />
pomočjo lege njenega težišča, ki je v točki B (glej sliko 5)<br />
in ima koordinati yB=0,075m in zB=-0,025m. Tako sta<br />
SzA , 1+ A2 2 3<br />
= yB( A1 + A2) = 0, 075m.( 0, 01+ 0, 01) m = 0, 0015m<br />
SyA , 1+ A2 2 3<br />
= zB( A1 + A2) = − 0, 025m.( 0, 01+ 0, 01) m = 0, 0005m<br />
Če pa izračun strižnih napetosti izvedemo v tabeli (tabela 1),<br />
tedaj je morda enostavneje, da statične momente “odrezanih”<br />
površin računamo s seštevanjem statičnih momentov površin med<br />
posameznimi zaporednimi rezi. Ta način pri enostavnih presekih<br />
nima posebne prednosti, je pa znatno računsko ugodnejši od<br />
direktnega izračunavanja pri bolj kompleksnih presekih ali pa<br />
pri presekih zahtevnejših geometrijskih oblik! Tako je po<br />
superpoziciji statičnih momentov<br />
SzA , + A = SzA , + SzA<br />
,<br />
(2.a)<br />
1 2 1 2<br />
SyA , + A = SyA , + SyA<br />
,<br />
(2.b)<br />
1 2 1 2
TRDNOST 142<br />
Ker smo statična momenta površine A1 že izračunali, izračunamo<br />
še samo statična momenta površine A2=0,1mx0,1m, ki ima težišče<br />
T2 podano s koordinatama y2=0,025m in z2=-0,025m:<br />
SzA , 2<br />
2 3<br />
= y2. A2 = 0, 025m× 0, 01m = 0, 00025m<br />
SyA , 2<br />
2 3<br />
= z2. A2 = − 0, 025m× 0, 01m = − 0, 00025m<br />
Tako sta statična momenta površine A1+A2 , ki ju določa rez 2-<br />
2, po obrazcih 2 enaka<br />
SzA , A SzA , SzA , 0, 00125 0, 00025 0, 00150m 3<br />
+ = + = + =<br />
1 2 1 2<br />
SyA , A SyA , SyA , 0, 00025 0, 00025 0, 00050m 3<br />
+ = + = − − = −<br />
1 2 1 2<br />
Strižna napetost v rezu 2-2 je<br />
τxs, ( . S<br />
b<br />
zA , A . SyA<br />
, A )<br />
kPa<br />
, ( . . , . . , )<br />
1 4 4<br />
2− 2 = 1310 9 10<br />
1+ +<br />
2 1+ 2<br />
2<br />
1 4 4<br />
= 1310 0 00150 − 9 10 0 00050 = 150<br />
01<br />
Za površino A3=0,1mx0,1m sta koordinati težišča T3 y3=-0,075m<br />
in z3=-0,025m in pripadajoča statična momenta sta<br />
SzA , 3<br />
2 3<br />
= y3. A3 = − 0, 075m× 0, 01m = − 0, 00075m<br />
SyA , 3<br />
2 3<br />
= z3. A3 = − 0, 025m× 0, 01m = − 0, 00025m<br />
.<br />
Statična momenta površine preseka A1+A2+A3, ki jo v celoti<br />
odreže rez 3-3, sta enaka<br />
SzA , A A SzA , A SzA , 0, 00150 0, 00075 0, 00075m 3<br />
+ + = + + = − =<br />
1 2 3 1 2 3<br />
SyA , A A SyA , A SyA , 0, 00050 0, 00025 0, 00075m 3<br />
+ + = + + = − − = −<br />
1 2 3 1 2 3<br />
Lahko bi ju izračunali tudi direktno s pomočjo lege njenega<br />
težišča, ki se slučajno sklada z lego T2 (glej sliko 5), ki ima<br />
koordinati yT,A1+A2+A3 =0,025m in zT,A1+A2+A3=-0,025m:<br />
SzA , 1+ A2 + A3 = yTA , 1+ A2 + A3<br />
2 3<br />
× ( A1 + A2 + A3) = 0, 025m× 0, 03m = 0, 00075m<br />
SyA , 1+ A2 + A3 = zTA , 1+ A2 + A3<br />
2 3<br />
× ( A1 + A2 + A3) = − 0, 025m× 0, 03m = − 0, 00075m<br />
Strižna napetost v rezu 3-3 je
TRDNOST 143<br />
τxs, ( . S<br />
b<br />
zA , A A . SyA<br />
, A A )<br />
kPa<br />
, ( . . , . . , )<br />
1 4 4<br />
3− 3 = 1310 9 10<br />
1+ 2 + +<br />
3 1+ 2 + 3<br />
2<br />
1 4 4<br />
= 1310 0 000750 − 9 10 0 000750 = 30<br />
01<br />
Vse izračunane napetosti so pozitivne zato je smer njihovega<br />
delovanja v odrezane površine, kot je nakazano na sliki 5.<br />
Posebni računski pomen ima rez 4-4 na robu preseka. Za vsak<br />
rob vemo, da je strižna napetost enaka nič, ko nosilec ni<br />
obremenjen po plašču s tangencialnimi (strižnimi) napetostmi.<br />
Tedaj je zaradi simetričnosti napetostnega tenzorja, τxs=τsx<br />
,tudi strižna napetost na robu preseka nična! Formalno se<br />
računsko to kaže v tem, da je v začetnem rezu 0-0 statični<br />
moment ničen, ker je odrezana površina nična, v “končnem” rezu<br />
4-4 (glej sliko 5), pa je “odrezana” površina kar celotni<br />
presek, ta pa ima po definiciji težišča nični statični moment<br />
- težišče je tista točka preseka okoli katere so statični<br />
momenti nični. To dejstvo izkoristimo za kontrolo računskih<br />
vrednosti statičnih momentov. Če k statičnemu momentu površine<br />
A1 + A2 + A3 prištejemo še statični moment površine A4, dobimo<br />
statični moment celotnega preseka, ki mora biti ničen.<br />
Površina A4 ima težišče T4 s koordinatama yT4 =-0,075m in<br />
zT4=0,075m in statičnima momentoma<br />
2 3<br />
SzA , = yT. A , m , m , m<br />
4 4 4 = − 0 075 × 0 01 = − 0 00075<br />
2 3<br />
SyA , 4 = zT4. A4 = 0, 075m× 0, 01m = 0, 00075m<br />
,<br />
in statična momenta celotne površine sta nična:<br />
(3)<br />
SzA , A A A SzA , A A SzA , 0, 00075 0, 00075 0, 000m 3<br />
+ + + = + + + = − =<br />
1 2 3 4 1 2 3 4<br />
SyA , A A A SyA , A A SyA , 0, 00075 0, 00075 0, 000m 3<br />
+ + + = + + + = − + =<br />
1 2 3 4 1 2 3 4<br />
S tem kontrolnim izračunom smo lahko prepričani, da smo vse<br />
predhodne statične momente pravilno izračunali, pa tudi da smo<br />
pravilno izračunali lego težišča celotnega preseka!<br />
Zgoraj prikazani izračun lahko v celoti izvedemo kar v tabeli<br />
1. V koloni 1 so indeksi zaporednih površin med rezi, v koloni<br />
dva njihove površine, v kolonah 3 in 6 koordinate njihovih<br />
težišč, v kolonah 4 in 7 pa pripadajoči statični momenti teh<br />
površin med zaporednimi rezi. Statične momente “odrezanih”<br />
površin dobimo s kumulativno kolon 5 in 8. Iz vrednosti v teh<br />
dveh kolonah ter iz kolone 9, kjer so podane dolžine rezov pa
TRDNOST 144<br />
izračunamo strižne napetosti po enačbi (1) in jih zapišemo v<br />
kolono 10.<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10<br />
zap.<br />
št.i<br />
Ai<br />
m 2<br />
1 0,0<br />
1<br />
2 0,0<br />
1<br />
3 0,0<br />
1<br />
4<br />
za<br />
kontr<br />
olo<br />
0,0<br />
1<br />
yi<br />
tež.<br />
m<br />
0,12<br />
5<br />
0,02<br />
5<br />
-<br />
0,07<br />
5<br />
-<br />
0,07<br />
5<br />
Szi<br />
m 3<br />
x10 -4<br />
S´z<br />
m 3<br />
x10 -4<br />
zi<br />
tež.<br />
m<br />
12,5 12,5 -<br />
0,02<br />
5<br />
2,5 15,0 -<br />
0,02<br />
5<br />
-7,5 7,5 -<br />
0,02<br />
5<br />
-7,5 0√ 0,07<br />
5<br />
Syi<br />
m 3<br />
x10 -4<br />
S´y<br />
m 3<br />
x10 -4<br />
bi-<br />
i<br />
m<br />
-2,5 -2,5 0,<br />
1<br />
-2,5 -5,0 0,<br />
1<br />
-2,5 -7,5 0,<br />
1<br />
7,5 0√ 0,<br />
1<br />
τi-i<br />
MPa<br />
0,14<br />
0,15<br />
0,03<br />
Tabela 1. Podatki in izračun strižnih napetosti v rezih 1-1 do<br />
3-3.<br />
Poglejmo še, kako bi na primer izračunali napetosti v rezu 3-<br />
3, če bi začeli “rezati” presek z desnega konca preseka (slika<br />
6) kot kaže koordinata s1. Pričakujemo seveda, da mora biti<br />
dejanska napetost neodvisna od načina izračunavanja. Tedaj bi<br />
po tej varianti z rezom 3-3 odrezali površino A4, ki je<br />
prikazana zatemnjeno.<br />
0
TRDNOST 145<br />
Slika 2.6. Shema za izračun strižnih napetosti v rezu 3-3 ter<br />
rezih C-E in D-E.<br />
Statična momenta te površine smo izračunali že v gornjih<br />
odstavkih in sicer sta<br />
2 3<br />
SzA , = yT. A , m , m , m<br />
4 4 4 = − 0 075 × 0 01 = − 0 00075<br />
2 3<br />
SyA , 4 = zT4. A4 = 0, 075m× 0, 01m = 0, 00075m<br />
,<br />
strižna napetost pa je<br />
1 4 4<br />
τxs S<br />
b<br />
zA S<br />
1, 3 3 ( 1310 . , 9. 10<br />
4 yA , )<br />
4<br />
2<br />
1 4 4<br />
1310 0 000750 9 10 0 000750 30kPa<br />
01 , ( . , . , )<br />
− = +<br />
= × − + × = −<br />
Rezultat je negativen, glede na izbrano smer koordinate s1 pa<br />
je napetost dejansko usmerjena na levo - torej enako kot smo<br />
izračunali v prejšnjem izračunu, kjer smo rezali od reza 0-0<br />
do 3-3. Vidimo, da nam zamenjava smeri napredovanja “rezanja”<br />
površin formalno spremeni predznak napetosti. To je razvidno,<br />
če primerjamo oba alternativna izračuna, enačba (3) in enačba<br />
(4). Tedaj z rezom 3-3 razdelimo celotni presek na dva dela:<br />
del A1+A2+A3 in del A4. Ker sta statična momenta celotnega<br />
preseka nična, sta statična momenta omenjenih dveh površin<br />
nasprotno enaka<br />
SzA , + A + A =−<br />
SzA<br />
,<br />
1 2 3 4<br />
(4)
TRDNOST 146<br />
SyA , + A + A =− SyA<br />
, ,<br />
1 2 3 4<br />
zato sta si tudi računska rezultata za napetosti nasprotno<br />
enaka<br />
τxs, 3−3 =− τxs,<br />
3−3 1<br />
Ker pa je pa je po definiciji predpostavljena pozitivna<br />
napetost obrnjena v “odrezano” površino, sta tudi<br />
predpostavljeni pozitivni smeri za oba variantna izračuna med<br />
seboj nasprotni. Dejanska smer izračunane napetosti pa je<br />
seveda enaka za oba variantna izračuna, samo zapisana je v<br />
nasprotnih koordinatnih sistemih, to je v sistemih s-x in s1-x!<br />
Izračunajmo še za zgled celotno strižno silo, ki bi jo moralo<br />
prenesti neko lepilo na stični površini, ki jo tvori stik<br />
(rez) C-E in alternativno stik D-E na dolžini enega decimetra<br />
nosilca vzdolž x-osi. Zato moramo najprej izračunati strižno<br />
napetost v rezu C-E oziroma D-E ter jo pomnožiti s stično<br />
lepljeno površino. Ti površini sta torej enaki produktu<br />
dolžine reza C-E oziroma D-E in dolžine 0,1 metra nosilca. Pri<br />
tem bomo zanemarili spremembe strižnih napetosti vzdolž te<br />
dolžine. Na sliki 7 je prikazan del nosilca 0,1mxA’ ter<br />
nekoliko zatemnjeno stična površina za rez D-E. Pripadajoče<br />
strižne napetosti τD-E imajo na površini A’ različne smeri,<br />
medtem ko pa imajo na stični (lepljeni) površini isto smer - v<br />
negativni smeri x osi v skladu z obrazcem (21). Na sliki so<br />
nakazane samo pozitivne smeri, ko računamo napetosti glede na<br />
nakazano odrezano površino A’. Spomnimo naj, da lahko pravilno<br />
izračunamo (z izpeljano teorijo) samo povprečno napetost v<br />
rezu, ki pa nam da pravilni rezultat za rezultantno silo na<br />
stični površini, čeprav se velikosti napetosti vzdolž reza<br />
praviloma spreminjajo.
TRDNOST 147<br />
Slika 2.7. Shematični prikaz stične površine za rez D-E ter<br />
prikaz “odrezane” površine A’ za izračun pripadajočih strižnih<br />
napetosti.<br />
Izračunajmo najprej strižno silo za stik na rezu D-E (slika<br />
7). Ko režemo od spodnje strani preseka nosilca (iz pozitivne<br />
strani y-osi), rez D-E določa površino A’ prikazano na sliki<br />
7. Ta površina je sestavljena iz površine pravokotnika Aprav<br />
=0,1mx0,2m (na sliki 5 površina A1+A2), katerega statična<br />
momenta smo že prej izračunali, in površine kvadrata<br />
Akvad.=0,05mx0,05m=0,0025m 2 , ki ima težišče podano s<br />
koordinatama<br />
ykvad. =−005 , m<br />
zkvad. =−005 , m.<br />
Statična momenta površine kvadrata pa sta<br />
S = y . A = − 0, 05m× 0, 0025m = −0,<br />
000125m<br />
zkvad , . kvad. kvad.<br />
2 3<br />
2 3<br />
Sykvad , . = zkvad. . Akvad. = − 0, 05m× 0, 0025m = −0,<br />
000125m<br />
Za celotno odrezano površino A’ pa sta statična momenta<br />
S , = S , . + S , = − 0, 000125 + 0, 00150 = 0, 001375 m<br />
zD−E zkvad z 2−2 S , = S , . + S , = −0, 000125 − 0, 00050 = −0,<br />
000625 m .<br />
yD−E ykvad y 2−2 Dolžina reza D-E je<br />
3<br />
3
TRDNOST 148<br />
bD-E = 0,05+0,05+0,05 = 0,15m<br />
in povprečna strižna napetost ob tem rezu je po obrazcu 1<br />
1 4 4<br />
τD−E = ( 1310 . SzD , −E+ 9. 10 SyD<br />
, −E)<br />
bD−E<br />
1 4 4<br />
= ( 1310 . × 0, 001375 + 9. 10 × − 0, 000625) = 816, 67kPa<br />
015 ,<br />
Strižna sila, ki deluje na lepljeno površino pa je<br />
P = τ . A ≡ τ . b . , m<br />
lepljenja D−Elepljenja xs, D−Exs, D−E01 =− 816, 67kPa × 0, 15m × 0, 1m = 12, 25kN<br />
.<br />
Izračunana sila je pozitivna zato deluje v predpostavljeni<br />
pozitivni smeri strižnih napetosti narisanih na sliki 7, torej<br />
deluje na prikazani del nosilca na sliki 7 v negativni smeri<br />
nakazane x-osi!<br />
Izračunajmo še strižno silo za lepljeni stik na rezu C-E. Če<br />
režemo z desne strani, koordinata s1 (slika 6), izračunamo<br />
statična momenta površine, ki je sestavljena iz kvadrata<br />
(prikazan zatemnjeno) in pravokotnega trikotnika C-3-3. Za<br />
kvadrat smo statična momenta izračunali že prej in ju moramo<br />
prišteti k statičnima momentoma trikotnika za katerega vemo<br />
kje leži težišče (na tretjini višine). Tako sta koordinati<br />
težišča trikotnika glede na težišče celotnega preseka enaki<br />
2<br />
ytrik. =−0, 025 − × 0, 1 =−0,<br />
091667 m<br />
3<br />
ztrik. = 0, 025 − × , = − , m<br />
1<br />
0 1 0 0083333<br />
3<br />
in njegova statična momenta sta<br />
S , . = y . A = − 0, 091667m× ( 0, 5 × 0, 1m× 0, 1m) = −0,<br />
00045834m 3<br />
ztrik trik trik<br />
Sytrik , . = ztrik . Atrik= − 0, 00833m× ( 0, 5 × 0, 1m× 0, 1m) = −0,<br />
000041667m 3<br />
Za celotno odrezano površino pa sta statična momenta enaka<br />
SzC , − E = Sztrik , . + SzA , = −0, 00045834 − 0, 00075 = −0,<br />
00120834m 3<br />
4<br />
SyC , − E= Sytrik , . + SyA , = − 0, 000041667 + 0, 00075 = 0, 00070833m 3 .<br />
Dolžina reza C-E je<br />
4
TRDNOST 149<br />
bC-E = 0,1x√2 = 0,14142m<br />
in povprečna strižna napetost ob tem rezu je po obrazcu 1<br />
1 4 4<br />
τC−E = ( 1310 . SzC , −E+ 9. 10 SyC<br />
, −E)<br />
bC−E<br />
1 4 4<br />
= ( 1310 . × − 0, 0012083 + 9. 10 × 0, 00070833) = −660kPa<br />
0, 14142<br />
Strižna sila, ki jo prenaša lepilo pa je<br />
P = τ − . A ≡ τ − . b , − . 01 , m<br />
lepljenja C E lepljenja C E xs C E<br />
=− 660kPa × 0, 14142m × 0, 1m =−9,<br />
3334kN<br />
.<br />
Strižna sila lepila deluje na zgornji del nosilca v pozitivni<br />
smeri x-osi.<br />
Zgled 3.<br />
Za presek na sliki, ki je obremenjen z momentom My = 5kNm in<br />
prečno silo Qy = 2kN ter ima pasnice enake debeline izračunaj<br />
(1) normalne napetosti<br />
(2) strižne napetosti<br />
(3) kolikšen del strižne sile prevzame horizontalno krilo<br />
Presek obravnavaj kot tanko stenski presek.<br />
M =5kNm<br />
presek<br />
P1 =2kN<br />
a=0.1m<br />
t=0.01m<br />
a=0.1m<br />
Izračun. Ko izračunamo lego težišča (glej sliko), izračunamo<br />
še vztrajnostne momente.
TRDNOST 150<br />
(4)<br />
b<br />
(5)<br />
b<br />
(3)<br />
(2)<br />
(1)<br />
ta<br />
I I<br />
at a<br />
3<br />
.<br />
2 5 3<br />
y = z = + 2 ( ) = a t<br />
12 4 24<br />
2 2<br />
16<br />
I at a<br />
yz =− 2 ( ) =−<br />
4<br />
σ =<br />
I y−I z<br />
I I − I M<br />
y. yz.<br />
2<br />
y z yz<br />
3<br />
a t<br />
y-os<br />
5 2<br />
y+ z<br />
24 16 1 M<br />
=<br />
× M = ( 75 , y+ 45 , z)<br />
5 5 2 2 3 3<br />
× −(<br />
) a t a t<br />
24 24 16<br />
a/4<br />
z-os<br />
točka y [a] z [a]<br />
⎡ M ⎤<br />
σ ⎢ 2 ⎥<br />
⎣a<br />
t ⎦<br />
1 0,75 -0,25 4,5<br />
3 -0,25 -0,25 -3,0<br />
5 -0,25 0,75 1,5
TRDNOST 151<br />
Nevtralna os<br />
3,00<br />
4,50<br />
+<br />
-<br />
T<br />
+<br />
1,50<br />
Slika. Diagram normalnih napetosti: σ x M/(a 2 t)<br />
Strižne napetosti<br />
τ =<br />
I ′ − ′<br />
1 yS z IyzS y<br />
Q<br />
b<br />
2 y<br />
IyIz − Iyz<br />
5 2<br />
S′ + ′<br />
1 24 z S<br />
16 y 1<br />
y<br />
=<br />
× = 75 ′ + 45 ′<br />
t 5 5 2 2 3 y 3 2 z y<br />
× − a t<br />
24 24 16<br />
Q<br />
Q<br />
( , . S , . S )<br />
( )<br />
a t<br />
rez v<br />
točki<br />
Sz´ [a 2 t] Sz´ [a 2 t] t<br />
τ<br />
a Q ⎡ ⎤<br />
y<br />
⎣<br />
⎢<br />
⎦<br />
⎥<br />
2 0,250 -0,125 1,3125<br />
3 0,250 -0,250 0,7500<br />
4 0,125 -0,250 -0,1875
TRDNOST 152<br />
0,75<br />
1,3125<br />
+<br />
-<br />
Diagram strižnih napetosti: τ x M/(a 2 t)<br />
JEDRO PRESEKA.<br />
Nekateri konstruktivni elementi, kot so na primer nearmirani<br />
betonski stebri ali pa zidani oporni zidovi, zelo slabo<br />
prenašajo natege, tlake pa zelo dobro. Da se izognemo<br />
armiranju, jih moramo dimenzioniramo tako, da ne pride do<br />
nategov nikjer v preseku. Zato pa moramo vedeti, katere<br />
kombinacije osnih sil in upogibnih momentov povzročajo samo<br />
tlačne napetosti v preseku.<br />
Pri čisti tlačni centrični osni obremenitvi je očitno ves<br />
presek zmeraj tlačen. Pri kombinaciji osne sile z upogibom pa<br />
lahko pride tudi do nategov v delih preseka. Zanima nas<br />
kombinacija tlačne osne sile in upogibnega momenta, ki še<br />
ravno povzroča tlake v vsem preseku. Kot bomo videli pa je ta<br />
problem enak problemu, kjer iščemo kombinacijo natezne osne<br />
sile in upogibnega momenta, ki povzroči, da je ves presek<br />
nategnjen. Zaradi večje jasnosti razlage bomo zaenkrat<br />
smatrali, da rešujemo ta drugo omenjeni problem. Za nadaljnjo<br />
analizo je potrebno kombinirano obtežbo, ki jo povzroči<br />
centrična osna sila N in upogibna momenta My in Mz izraziti<br />
samo s to osno silo, ki je dislocirana iz težišča. Pravimo ji<br />
ekscentrična osna sila oziroma obremenitev (slika 1), njena<br />
ekscentričnost pa je podana z oddaljenostjo njenega<br />
prijemališča v smeri y in z od težišča preseka.<br />
T<br />
+<br />
0,1875
TRDNOST 153<br />
h<br />
y-os<br />
b<br />
Težišče<br />
preseka<br />
ez<br />
ey<br />
z-os<br />
N>0<br />
Slika 1. Ekscentrična osna obremenitev.<br />
Težišče<br />
preseka<br />
Težiščnica<br />
x-os<br />
y-os<br />
Mz<br />
N<br />
=<br />
Težišče<br />
preseka<br />
Težiščnica<br />
x-os<br />
y-os<br />
Mz=ey.N<br />
ey<br />
N<br />
ekscentrična<br />
Slika 2. Statična ekvivalentnost upogibnega momenta Mz in<br />
centrične osne sile N z ekscentrično osno silo.<br />
To ekcentričnost izračunamo enostavno na podlagi statične<br />
ekvivalentnosti upogibnih momentov, ki bi jih povzročila<br />
dana ekscentrična osna sila N (glej sliko 2):<br />
My = N.ey (1.a)<br />
Mz = N.ez. (1.b)<br />
Količini ey in ez sta ekscentričnost v smeri y oziroma v smeri<br />
z osi glede na težišče preseka. Če naj bo ves presek pod<br />
normalno napetostjo istega predznaka, mora potekati nevtralna<br />
po robu ali pa izven preseka. Mejno ekscentričnost osne sile<br />
dobimo, ko je nevtralna os na robu preseka.<br />
Poglejmo si najprej izračun ekscentričnosti za pravokotni<br />
presek. Ko upogibne momente izrazimo z ekscentrično osno silo<br />
(enačbi 1a in b), je enačba za nevtralno os enaka<br />
N Ne<br />
σ = + y + =<br />
A I<br />
Ne . y . z<br />
z 0. (2)<br />
z Iy
TRDNOST 154<br />
Za slučaj, ko je My=0 je po enačbi 1.a prijemališče sile na z<br />
osi in ez = 0. Tedaj je enačba nevtralne osi po krajšanju s<br />
silo N enaka<br />
1<br />
A<br />
+<br />
. e<br />
I<br />
y<br />
z<br />
y = 0<br />
. (3)<br />
Da nevtralna os poteka po gornjem robu preseka, moramo v<br />
gornjo enačbo vstaviti vrednosti y koordinat točk na tem robu.<br />
Te vrednosti so podane z enačbo<br />
y=h/2. (4)<br />
Ko upoštevamo še, da je vztrajnostni moment Iz=bh3/12, dobimo<br />
vrednost za mejno ekscentričnost<br />
e<br />
y<br />
3<br />
I z bh<br />
= − = − = −b<br />
/ 6<br />
yA h<br />
12 bh<br />
2 , (5)<br />
kjer osna sila povzroča enoznačne napetosti po vsem preseku.<br />
Za slučaj, ko je sila na y osi je ey = 0 in s tem je Mz=0. Za<br />
točke na robu z=b/2 dobimo iz enačbe nevtralne osi še<br />
ekscentričnost<br />
ez = -h/6. (6)<br />
Podobno ugotovimo še ostala dva robova, da je<br />
ez = h/6 in ey = b/6. (7)<br />
Tako dobimo za vse štiri robove preseka skupaj štiri<br />
prijemališča ekscentrične sile. V težiščnem koordinatnem<br />
sistemu so podane z vrednostmi (glej sliko 3): E1 =(0,b/3), E2<br />
=(0,-b/3), E3 =(0,h/3) in E4 =(0,-h/3). Če v teh točkah deluje<br />
natezna osna sila, je ves presek tegnjen. Če pa zamenjamo<br />
predznak sile N, dobimo tlačno silo in ves presek je tlačen.<br />
Omenjene štiri točke tvorijo oglišča romba, ki je jedro<br />
pravokotnega preseka. V naslednjih odstavkih bomo pokazali,<br />
kako izračunamo jedro poljubnega preseka in še dokazali, da<br />
če osna sila deluje na robu jedra preseka ali v jedru preseka,<br />
je ves presek po istoznačnimi napetostmi.
TRDNOST 155<br />
h/3<br />
E2<br />
y-os<br />
b/3<br />
E4<br />
E3<br />
E1<br />
z-os<br />
jedro<br />
pravokotnega<br />
preseka<br />
Slika 3. Jedro preseka za pravokotnik.<br />
Zgled 1.<br />
Imamo 2 metra visoko kamnito steno na katero pritiska voda<br />
(slika Z.1). Kolikšna naj bo debelina stene, da se na njenem<br />
stiku s podlago pojavljajo samo tlačne napetosti? Specifična<br />
teža vode je γv=1000kg/m3, stene pa γs=2500kg/m3.<br />
Slika Z.1. Stena pritiska na podlago s silo teže N, nanjo pa<br />
deluje vodni pritisk z rezultanto R.<br />
Rešitev. Če računamo na dolžinski meter stene in glede na<br />
izbrani težiščni koordinatni sistem, deluje na težišče stične<br />
površine med steno in tlemi sila teže N=-γsbH ter upogibni<br />
moment Mz =-H/3.R, kjer je R = γsH2/2. Statično ekvivalentna<br />
sila deluje na ekscentrični razdalji<br />
ez = Mz/N,<br />
y<br />
x<br />
N<br />
b=?<br />
2H/3<br />
H/3<br />
ki mora biti enaka ali manjša od b/6. Torej<br />
ez = (-H/3)(γvH2/2)/(-γsbH) =
TRDNOST 156<br />
oziroma<br />
b2 >=H2γv/γs=22.1000/2500=1,6m2<br />
in b>=1,26m. Širina stene bi morala biti večja kot 1,26m.<br />
-0-<br />
Imejmo neki poljubni nesimetrični presek (na primer presek na<br />
sliki 4), ki je obremenjen z osno silo in obema upogibnima<br />
momentoma hkrati. Poiščimo tiste lege ekscentrične osne sile,<br />
da bo ves presek pod istoznačnimi napetostmi. Da je to<br />
izpolnjeno, morajo nevtralne osi potekati izven preseka in v<br />
skrajnosti po robovih skozi oglišča preseka tako, da presek z<br />
nevtralnimi osmi “očrtamo”(slika 4).<br />
nAB<br />
EAB<br />
A<br />
LB<br />
B=(yB,zB)<br />
EBC<br />
Slika 4. Simbolični prikaz očrtovanja preseka z nevtralnimi<br />
osmi ter vrtenje nevtralne osi okoli oglišča B pri »gibanju«<br />
osne sile po premici LB .<br />
Enačba nevtralne osi za splošni presek je<br />
Nx ( ) Iy. Mz( x) − Iyz. My( x)<br />
Iz. My( x) − Iyz. Mz( x)<br />
σ x(<br />
xyz , , ) = +<br />
y +<br />
z = 0<br />
A<br />
2 2<br />
Iy. Iz − Iyz<br />
Iy. Iz − Iyz<br />
Ko nadomestimo momente z ekscentričnimi osnimi silami in<br />
enačbo preuredimo, jo lahko simbolično zapišemo:<br />
C<br />
D<br />
nCD<br />
nB
TRDNOST 157<br />
a+ ( b1y+ b2z) ey + ( c1y+ c2z) ez<br />
= 0 . (8)<br />
V gornji enačbi so koeficienti bi konstante (a je enak 1/A, b1<br />
=Iy/(Iy. Iy -Iyz2), itd.). Če vanjo vstavimo koordinate<br />
oglišča preseka, na primer za oglišče B vrednosti y=yB in z=zB<br />
, dobimo enačbo premice s spremenljivkama ey in ez (na sliki<br />
premica LB):<br />
a + ( b1<br />
y B + b 2z<br />
B ) e y + ( c1y<br />
B + c 2z<br />
B ) e z ≡ a + α B.<br />
e y + βBe<br />
z = 0<br />
. (9)<br />
To pomeni, da če ekscentrična osna sila deluje kjerkoli na<br />
premici LB, potekajo nevtralne osi skozi oglišče B. Da dobimo<br />
ekscentričnost osne sile, kjer poteka nevtralna skozi oglišče<br />
A, postopamo na enak način. V enačbo (8) vstavimo koordinati<br />
točke A in dobimo še eno linearno enačbo<br />
a + ( b1<br />
y A + b 2z<br />
A ) e y + ( c1y<br />
A + c 2z<br />
A ) e z ≡ a + α A.<br />
e y + βAe<br />
z = 0<br />
. (10)<br />
pa nam da lego osne sile v točki EAB,<br />
Ko koordinati za ekscentričnost EAB =(ey,ez) osne sile N<br />
odgovarjata obema enačbama, to je rešitev linearnih enačb 9 in<br />
10 na neznanki ey in ez, poteka nevtralna os tako skozi točko<br />
A kot tudi skozi točko B, torej po zgornjem robu preseka.<br />
Podobno dobimo še ekscentričnost EBC za tako lego sile, da<br />
nevtralna os poteka skozi oglišči B in C. Za vse nevtralne<br />
osi, ki potekajo skozi oglišče B vendar pa izven preseka,<br />
ležijo prijemališča osne sile na daljici EAB in EBC. Na enak<br />
način dobimo še daljice za ostala oglišča. Vse take daljice so<br />
med seboj povezane in tvorijo lik, ki določa jedro preseka.<br />
Jedro preseka lahko leži v splošnem tudi ali pa v celoti izven<br />
preseka, zmeraj pa je v njem težišče preseka, ker centrična<br />
osna sila povzroča konstantne napetosti – torej enoznačne<br />
napetosti.<br />
Preseki, ki imajo ukrivljene robove in jih ni moč “očrtati” s<br />
poligonom iz nevtralnih osi, pa imajo jedro, ki ima tudi<br />
ukrivljene robove. Analitično jih izračunamo iz enačbe 8 tako,<br />
da upoštevamo funkcijo, ki podaja ukrivljeni del roba in<br />
tangento na rob.<br />
Zgled 2.<br />
Poligonalno jedro preseka. Za tankostenski L presek z enakima<br />
pasnicama dolžine 1m in debeline 0,01m izračunajmo in narišimo<br />
jedro preseka. Lega težišča in težiščni koordinatni sistem sta<br />
podana na sliki Z.2. Vztrajnostni momenti so<br />
Iy = Iz = 5/24.10-2 m4<br />
Iyz=-0,125.10-2 m4
TRDNOST 158<br />
ter površina<br />
A=0,02m2.<br />
B2<br />
E2<br />
B1<br />
0.0833<br />
E3<br />
T<br />
y<br />
1,000<br />
0.416<br />
Jedro<br />
preseka<br />
E1<br />
0.25<br />
0.75<br />
Slika Z.2. Tankostenski presek in njegovo jedro.<br />
Rešitev. V enačbo za nevtralno os vstavimo namesto upogibnih<br />
momentov ekcentrično delujočo silo (enačbi 1a in 1b) ter jo<br />
okrajšamo s silo N in dobimo enačbo<br />
1<br />
A<br />
I y.<br />
e y − I yz.<br />
e<br />
+<br />
2<br />
I . I − I<br />
y<br />
z<br />
yz<br />
z<br />
I z.<br />
e z − I yz.<br />
e<br />
y +<br />
2<br />
I . I − I<br />
in jo še preuredimo<br />
1<br />
A<br />
I y.<br />
y − I yz.<br />
z<br />
+ e 2<br />
I . I − I<br />
y<br />
z<br />
yz<br />
y<br />
y<br />
z<br />
yz<br />
I z.<br />
y − I yz.<br />
z<br />
+ e 2<br />
I . I − I<br />
y<br />
z<br />
yz<br />
z<br />
y<br />
z = 0<br />
= 0<br />
.<br />
Ko vanjo vstavimo vrednosti za geometrijske karakteristike<br />
dobimo končno enačbo nevtralne osi v odvisnosti od<br />
ekcentičnosti ey in ez:<br />
50+(750y+450z).ey + (450y+750z).ez =0 (Z.2.1)<br />
B3<br />
V to enačbo vstavimo koordinati robne točke B1, y1=3/4 in z1=-<br />
1/4m (glej sliko Z.2) in dobimo enačbo nevtralne osi, ki<br />
poteka skozi to točko:<br />
50 + 450.ey + 150.ez =0 (B1)<br />
z
TRDNOST 159<br />
Ko vstavimo v enačbo Z.2.1 koordinati točke B2, ki sta y=-1/4<br />
in z=-1/4m dobimo enačbo nevtralne osi, ki poteka skozi<br />
vogalno točko:<br />
50 - 300.ey - 300.ez =0 (B2)<br />
Podobno dobimo še enačbo nevtralne osi za robno točko B3=(-<br />
1/4,3/4)m<br />
50 + 150.ey + 450.ez =0. (B3)<br />
Rešitev enačb B1 in B2 nam da ekcentričnost sile N<br />
E1 =(ey,ez)= (-1/4,0.416)m<br />
za katero nevtralna os poteka tako skozi točko B1 kot skozi<br />
točko B2, torej po levem robu.<br />
Podobno dobimo še za rešitvi enačb B2 in B3 ekscentričnost<br />
E2 = (0.416, -1/4)m<br />
in za enačbi B1 in B3 še<br />
E3 = (-0.083, -0.083)m.<br />
Te tri točke tvorijo oglišča lika, ki predstavlja jedro<br />
preseka, ki je narisano na sliki Z.2.
TRDNOST 160<br />
5. TORZIJA<br />
5.1. Uvod<br />
Splošna teorija torzije linijskih nosilcev je prezahtevna, da<br />
bi jo lahko obravnavali v okviru znanja, ki smo si ga<br />
pridobili v predhodnih poglavjih. Prav tako so izračuni<br />
prezahtevni, da bi po njej analizirali nosilce v vsakdanji<br />
gradbeni inženirski praksi. Zato se poslužujemo ustreznih<br />
tabel oziroma računalniških programov, le redko pa te izračune<br />
in analize izvajamo tudi “ročno”. Mi se bomo omejili samo na<br />
nekatere probleme iz torzije, ki so teoretično relativno<br />
enostavni, jih je moč hitro analizirati in v praksi dovolj<br />
pogosto nastopajo. Z analizo teh problemov bomo tudi spoznali<br />
bistvene značilnosti torzije pomembne za inženirsko prakso.<br />
Poglejmo si osnovne značilnosti torzije ravnih linijskih<br />
nosilcev s konstantnim presekom. Ko linijski nosilec<br />
obremenimo s torzijskim momentom se njegovi preseki, ki so<br />
pred deformacijo ravni in pravokotni na os nosilca zasučejo in<br />
tudi izbočijo, medtem ko se v svoji ravnini ne deformirajo.<br />
Vse točke preseka se samo zasučejo okoli centra rotacije.<br />
ϕ<br />
Slika 1. Zasuk preseka zaradi torzijske obremenitve. Na sliki<br />
je narisan presek pred in po torzijski obremenitvi. Oblika in<br />
velikost preseka in tudi vseh njegovih delov (na primer mali<br />
kvadrat znotraj preseka) se ne spremenijo. Presek se v<br />
splošnem samo izboči – točke preseka se premaknejo v osni<br />
smeri (v smeri x).<br />
Za obravnavo torzije sprejmimo to osnovno predpostavko za<br />
nadaljnja teoretična izvajanja. To predpostavko lahko smatramo<br />
kot neki ekvivalent Bernoulli-Eulerjeve hipoteze za torzijo.<br />
Pri upogibu se po Bernoulli-Eulerjevi hipotezi preseki<br />
zasučejo okoli neke osi, ki leži v ravnini preseka in ostanejo<br />
ravni in pravokotni na os nosilca, pri torziji pa se preseki<br />
z<br />
y
TRDNOST 161<br />
zasučejo okoli težiščne osi nosilca in se tudi izbočijo. Pri<br />
torziji se v presekih pojavijo v splošnem tako strižne kot<br />
normalne napetosti. Rezultanta strižnih in rezultanta<br />
normalnih napetosti sta seveda nični, prav tako tudi<br />
rezultantna upogibna momenta teh napetosti. Normalne napetosti<br />
se pojavijo tedaj, če je na vpetem robu nosilca preprečena<br />
izbočitev preseka - temu pravimo ovirana torzija, ker oviramo<br />
izbočitev preseka. V takih primerih zato pride do medsebojnega<br />
vpliva med strižnimi in normalnimi napetostmi. Ta vpliv je<br />
znaten predvsem pri tankostenskih odprtih presekih. Vendar pa<br />
so praktični primeri, ko natančno vemo koliko so preseki<br />
ovirani pri izbočitvi redkejši, ker je treba natančno poznati<br />
deformabilnost podpore na vseh stičnih mestih preseka nosilca<br />
in podpore. V primerih, ko pa izbočitev ni ovirana ali pa jo<br />
lahko zanemarimo, govorimo o neovirani torziji - analiza takih<br />
problemov pa je precej enostavnejša kot pri ovirani torziji.<br />
Mi se bomo omejili na problem neovirane torzije, ki v praksi<br />
pogosto nastopa.<br />
Za vsak torzijski problem, ne glede na to ali nastopa ovirana<br />
ali neovirana torzija je, v skladu z definicijo rezultantnih<br />
notranjih sil in momentov, rezultantni torzijski moment<br />
strižnih napetosti enak obremenilnemu torzijskemu momentu<br />
(glej sliko 2.)<br />
∫<br />
M = r × τ dA<br />
(1)<br />
t xs<br />
A<br />
Mt<br />
Slika 2. Simbolični prikaz obremenilnega torzijskega momenta Mt<br />
in momenta, ki ga povzroči strižna napetost τ delca dA površine<br />
preseka A.<br />
To je naša osnovna izhodiščna ravnotežna enačba za torzijo,<br />
cilj teoretičnih izpeljav pa je podati strižne napetosti v<br />
odvisnosti od rezultantne torzijske obremenitve, geometrijskih<br />
karakteristik preseka ter lege točke na preseku,<br />
τ<br />
dA<br />
r
TRDNOST 162<br />
τ = τ (Mt, geometrijske karakteristike preseka, lega točke na<br />
preseku),<br />
kot tudi zasuk preseka<br />
ϕ = ϕ(Mt,geometrijske karakteristike preseka).<br />
Druga enačba, ki tudi splošno velja za torzijo, obravnava<br />
deformacije. Pravi, da je torzijski moment linearno<br />
proporcionalen specifičnemu zasuku<br />
dϕ<br />
ϑ =<br />
(2)<br />
dx<br />
in strižnemu modulu. To zvezo zapišemo z enačbo<br />
M = Gϑ.<br />
I , (3)<br />
t<br />
t<br />
kjer je It proporcionalnostni koeficient in ga imenujemo<br />
torzijska konstanta, ki je za okrogli presek enaka kar<br />
polarnemu vztrajnostnemu momentu. Produkt G.It imenujemo<br />
torzijska togost.<br />
V nadaljnjih izvajanjih bomo obravnavali samo problem čiste<br />
torzijske obremenitve, kjer ni prečnih sil in upogibnih<br />
momentov. Vpliv le-teh smo že obravnavali. Tako pri nosilcih,<br />
ki so splošno obremenjeni dobimo celotne napetosti s<br />
superpozicijo napetosti zaradi upogiba in zaradi torzije.<br />
5.2.Torzija nosilcev okroglega preseka<br />
Poglejmo si najprej nosilec okroglega preseka, kjer je<br />
torzijski problem najenostavnejši. V takem nosilcu, ki je<br />
izjema med nosilci, tudi teoretično ne pride do izbočitve<br />
preseka zaradi čiste torzijske obremenitve. Deformacije dela<br />
dolžine ∆x takega nosilca so simbolično prikazane na sliki 3,<br />
razlika zasukov presekov je ∆ϕ.
TRDNOST 163<br />
Mt<br />
γ(R)<br />
r<br />
∆x<br />
γ(r)<br />
R<br />
∆s(R)<br />
obodni pomik<br />
r<br />
∆s(r)<br />
Slika 3. Prikaz in označba deformacijskih količin, γ je strižna<br />
specifična deformacija plašča, ∆ϕ pa zasuk preseka.<br />
Po gornji sliki izračunamo zvezo med zasukom ∆ϕ in strižno<br />
deformacijo γ s pomočjo pomika ∆s obodne točke:<br />
∆s ( R)<br />
= γ(<br />
R).<br />
∆x<br />
= R∆ϕ<br />
in<br />
γ ( R)<br />
= R.<br />
ϑ .<br />
Analogno ugotovimo še za deformacije znotraj nosilca<br />
γ ( r)<br />
= r.<br />
ϑ.<br />
Z upoštevanjem Hookovega zakona<br />
τ() r = Gγ() r<br />
in gornjih enačb je torzijski moment enak (glej tudi sliko 4)<br />
∆ϕ<br />
Mt
TRDNOST 164<br />
dA=2πr.dr<br />
Slika 4. Strižne napetosti v kolobarju določenem z r so po<br />
velikosti enake in pravokotne na radij.<br />
∫<br />
M = r × τdA<br />
= G r(<br />
rϑ)<br />
2π.<br />
r.<br />
dr .<br />
t<br />
A<br />
R<br />
∫<br />
0<br />
Po izvrednotenju integrala dobimo<br />
τ(r)<br />
Mt = G. Ipϑ<br />
(4)<br />
kjer je<br />
4<br />
πR<br />
I p = = It<br />
(5)<br />
64<br />
polarni vztrajnostni moment enak torzijski konstanti. Celotni<br />
zasuk nosilca je<br />
L<br />
t<br />
ϕ = ∫ ϑdx<br />
= ϑL<br />
=<br />
x = 0 G.<br />
Ip<br />
Napetost pa je enaka<br />
M . L<br />
. (6)<br />
τ() r Grϑ r M t<br />
= = . (7)<br />
Ip<br />
Zgled 1.<br />
Okrogli cevni nosilec dolžine L=3m (glej sliko Z.1.1) je vpet<br />
na enem koncu. Izračunajmo zasuk ter največjo in najmanjšo<br />
strižno napetost v preseku nosilca. Notranji radij kolobarja<br />
r<br />
R
TRDNOST 165<br />
je R1 = 0,03m, zunanji pa R2 = 0,05m. Strižni modul je G =<br />
60GPa.<br />
Slika Z.1.1. Presek in pogled nosilca.<br />
Izračun. Polarni vztrajnostni moment je<br />
R 2<br />
2 π 4 4 π 4 4<br />
−6<br />
4<br />
I p = ∫ r . 2π.<br />
r.<br />
dr = ( R 2 − R1<br />
) = ( 0,<br />
05 − 0,<br />
03 ) = 8,<br />
545.<br />
10 m .<br />
2<br />
2<br />
R1<br />
Napetosti na notranjem in zunanjem robu sta<br />
M<br />
4kNm<br />
= 0,<br />
03m<br />
6<br />
8,<br />
545.<br />
10 m<br />
t<br />
τ1 = R1 − 4<br />
I p<br />
in<br />
M<br />
4kNm<br />
= 0,<br />
05m<br />
6<br />
8,<br />
545.<br />
10 m<br />
t<br />
τ2 = R 2<br />
− 4<br />
I p<br />
Zasuk nosilca pa je<br />
= 14,<br />
04GPa<br />
=<br />
23,<br />
405GPa<br />
M t . L 4kNm.<br />
3m<br />
ϕ = =<br />
= 0,<br />
0234radiana<br />
.<br />
− 6 4<br />
G.<br />
I 60GPa.<br />
8,<br />
545.<br />
10 m<br />
p<br />
R2<br />
PRESEK<br />
R1<br />
-0-<br />
POGLED NOSILCA<br />
L=3m<br />
Mt=4kN<br />
5.3.Torzija enoceličnih tankostenskih nosilcev.<br />
Debelina stene nosilca je lahko spremenljiva vendar pa mora<br />
tvoriti zaprto celico, ki pa je lahko poljubne oblike.<br />
Napetosti študiramo na diferencialno kratkem delu nosilca iz<br />
katerega si mislimo izrezan poljubni del stene vzporedno z<br />
osjo nosilca (glej sliko 5). Strižna napetost na zgornjem robu<br />
sprednje ploskve izrezanega dela je enaka strižni napetosti na
TRDNOST 166<br />
njegovi zgornji ploskvi. Če koordinato vzdolž oboda cevi<br />
označimo z “s” je torej τxs = τsx = τ Ker mora biti opazovani<br />
delec v ravnotežju, velja za x smer enačba<br />
τ.t.dx-τ1.t1.dx = 0.<br />
τsx<br />
τ1<br />
Slika 5. Prikaz izrezanega dela stene nosilca in strižne<br />
napetosti. Njihova rezultanta v x smeri in mora biti v<br />
ravnotežju.<br />
Količino t.τ imenujemo strižna intenziteta in jo označimo z q.<br />
Iz gornje enačbe ugotovimo, da mora biti konstantna:<br />
q(s)= τ1.t1 = konstanta.<br />
ds<br />
q<br />
t<br />
t1<br />
dx<br />
Slika 6. Torzijski moment, ki ga povzroča strižna intenziteta.<br />
Torzijski moment, ki ga povzroča strižna intenziteta je enak<br />
r<br />
A<br />
τxs<br />
x
TRDNOST 167<br />
∫<br />
∫<br />
M = rxq.<br />
ds = q rxds<br />
= q.<br />
2A<br />
, (8)<br />
t<br />
Integral na skrajni desni strani enačbe, kot vemo iz<br />
matematike, je enak A površini znotraj središčnice stene, ki<br />
je na sliki 5 prikazana črtkano. Pri večjih tankostenskih<br />
presekih je praktično enaka površini odprtine. Iz zgornje<br />
enačbe pa izračunamo še strižne napetosti:<br />
q M t<br />
τ = = . (9)<br />
t 2A.<br />
t<br />
Torej so napetosti in nosilnost preseka odvisne tako od<br />
debeline stene cevi t kot od njene odprtine A. Zato, če cev<br />
stisnemo in s tem zmanjšamo A, se pri isti obremenitvi z Mt<br />
napetosti ustrezno povečajo. Opozorimo naj še, da so strižne<br />
napetosti po debelini stene razporejene linearno, pri<br />
tankostenskih presekih pa jih lahko smatramo konstantne (slika<br />
7).<br />
Slika 7. Prikaz linearnega poteka napetosti po debelini stene.<br />
Relativni zasuk dela nosilca dx je ϑdx. Izračunamo ga lahko iz<br />
virtualnega dela,<br />
∫ δτ γ = ϑ δM<br />
t . . dx . . dV<br />
V<br />
kjer je<br />
τ<br />
γ = =<br />
G<br />
q<br />
G.<br />
t<br />
in podobno<br />
M t<br />
δ<br />
δτ = .<br />
2At<br />
M t<br />
=<br />
2AtG<br />
τ1<br />
τ2<br />
Če upoštevamo še, da je dV=dx.t.ds, dobimo enačbo
TRDNOST 168<br />
δM<br />
. ϑ.<br />
dx =<br />
t<br />
t t<br />
t t<br />
∫ . dx.<br />
t.<br />
ds = dx<br />
2 2<br />
2 ∫<br />
V<br />
δM<br />
. M<br />
4A<br />
t<br />
G<br />
od koder izračunamo<br />
M = Gϑ.<br />
I ,<br />
t<br />
t<br />
δM<br />
. M<br />
4A<br />
kjer je It torzijska konstanta in je enaka<br />
G<br />
2<br />
4A<br />
I t = . (10)<br />
ds<br />
∫ t<br />
ds<br />
t<br />
Zgled 2.<br />
Izračunajmo napetosti in zasuk pravokotne votle cevi (slika<br />
Z.2). Cev je enako dolga, obremenjena in vpeta, kot pri<br />
prejšnjem zgledu ; Mt=4kNm, L=3m, G=70GPa. Vertikalni steni<br />
sta debeli tb=0,001m, horizontalni pa ta=0,002m,<br />
Slika Z.2.1. Pravokotni votli presek.<br />
Izračun.<br />
Napetosti:<br />
A = a.b = 0,1m.0,2m=0,02m 2<br />
τ<br />
τ<br />
a<br />
a<br />
M t<br />
=<br />
2A.<br />
t<br />
M t<br />
=<br />
2A.<br />
t<br />
a<br />
a<br />
=<br />
=<br />
2.<br />
0,<br />
02m<br />
2.<br />
0,<br />
02m<br />
tb=0,001m<br />
4kNm<br />
2<br />
4kNm<br />
2<br />
. 0,<br />
002m<br />
. 0,<br />
001m<br />
=<br />
50MPa<br />
= 100MPa<br />
a=0,1m<br />
ta=0,002m<br />
b=0,2m<br />
Zasuk: najprej izračunamo torzijsko konstanto
TRDNOST 169<br />
∫<br />
ds<br />
t<br />
a b a b 0,<br />
1m<br />
0,<br />
2m<br />
= + + + = 2(<br />
+ ) = 500<br />
t t t t 0,<br />
002m<br />
0,<br />
001m<br />
a<br />
2<br />
2<br />
4A<br />
4.(<br />
0,<br />
02m<br />
)<br />
I t = =<br />
ds 500<br />
∫ t<br />
nato pa še zasuk<br />
b<br />
a<br />
b<br />
2<br />
=<br />
3,<br />
2.<br />
10<br />
M t 4kNm<br />
−5<br />
ϕ = ϑ.<br />
L = L =<br />
3m<br />
= 5,<br />
357.<br />
10 radiana .<br />
− 6 4<br />
I . G 3,<br />
2.<br />
10 m . 70GPa<br />
t<br />
−6<br />
m<br />
4<br />
,<br />
-000-<br />
5.4. Torzija nosilcev polnega pravokotnega preseka.<br />
Ta problem rešimo s pomočjo Poissonove diferencialne enačbe,<br />
mi pa bomo podali samo rezultate. Pri zasuku nosilca se<br />
pravokotni presek izboči, izbočitev je antisimetrična glede na<br />
y in z os, strižne napetosti pa potekajo kot je shematično<br />
prikazano na sliki 8.<br />
Slika 8. Shematični prikaz poteka napetosti.<br />
Napetosti se večajo od sredine do roba preseka. Največje<br />
napetosti so na simetralnih točkah robov preseka, kjer pa so<br />
na bližjem robu večje kot pa na bolj oddaljenem robu od<br />
središča. Tako sta za presek a > b napetosti τ1 > τ2. Vrednosti<br />
za napetosti in torzijske konstante podajmo v Tabeli 1 za<br />
različna razmerja b/a. V tabeli sta podana koeficienta k1 in k2<br />
v odvisnosti od b/a za katera velja<br />
It = k1.(2a) 3 (2b) (11)<br />
M 2<br />
t<br />
τ 1 = τekstremni<br />
=<br />
(12)<br />
k ( 2a)<br />
( 2b)<br />
2<br />
τ2<br />
2b<br />
2a<br />
z<br />
y<br />
τ1
TRDNOST 170<br />
b/a k1 k2<br />
1,0 0,141 0,208<br />
1,2 0,166 0,219<br />
1,5 0,196 0,213<br />
2,0 0,229 0,246<br />
2,5 0,249 0,258<br />
3 0,263 0,267<br />
4 0,281 0,282<br />
5 0,291 0,291<br />
10 0,312 0,312<br />
∝ 1/3 1/3<br />
Tabela 1. Tabela konstant za izračun napetosti in torzijskih<br />
konstant.<br />
Zgled 3.<br />
Za nosilec na sliki izračunaj njegov zasuk ter največjo<br />
napetost. G=6GPa.<br />
τ<br />
ekstremni<br />
Slika Z.3. Presek in pogled nosilca ter njegova obremenitev.<br />
Ker je h > š nastopi ekstremni strig na mestu, kjer je<br />
narisana strižna napetost.<br />
Izračun. V skladu s Tabelo 1 je<br />
a= š/2=0,2m/2=0,1m<br />
b=h/2=0,3m/2=0,15m<br />
PRESEK<br />
š=0,2m<br />
b/a=1,5 -> k1=0,196 in k2=0,231<br />
h=0,3m<br />
POGLED NOSILCA<br />
L=4m<br />
Mt=5kNm
TRDNOST 171<br />
τ<br />
ekstremni<br />
Mt<br />
5kNm<br />
=<br />
=<br />
= 1,<br />
803MPa<br />
2<br />
2<br />
k ( 2a)<br />
( 2b)<br />
0,<br />
231.(<br />
0,<br />
2m)<br />
. 0,<br />
3m<br />
2<br />
It = k1.(2a) 3 (2b)=0,196.(0,2m) 3 .0,3m=4,704.10 -4 m 4<br />
Mt<br />
5kNm<br />
ϕ = ϑ.<br />
L = L =<br />
− 4<br />
I . G 4,<br />
704.<br />
10 m<br />
t<br />
4<br />
4m<br />
. 6GPa<br />
= 7,<br />
0862.<br />
10<br />
-000-<br />
−3<br />
radiana<br />
5.5.Tankostenski odprti presek konstantne debeline.<br />
Pri torziji nosilcev pravokotnega preseka vidimo v Tabeli 1,<br />
da se za razmerja b/a, ki so večja od deset, koeficienta k1 in<br />
k2 praktično ne spreminjata in sta enaka 1/3. Če višino<br />
(oziroma dolžino) preseka označimo z L, debelino pa s t (glej<br />
sliko 9), veljata obrazca<br />
It = 1/3.L.t 3<br />
in<br />
τ<br />
ekstremni<br />
oziroma<br />
Mt<br />
=<br />
=<br />
2<br />
k ( 2a)<br />
( 2b)<br />
2<br />
M . t<br />
Mt<br />
1 2<br />
t . L<br />
3<br />
(13)<br />
t<br />
τ ekstremni =<br />
(14)<br />
It<br />
To velja tudi za preseke, ki niso ravni, torej za poljubne<br />
odprte tankostenske preseke.<br />
t<br />
L<br />
Slika 9. Tankostenski preseki in karakteristične vrednosti.<br />
t<br />
L
TRDNOST 172<br />
Zgled 4.<br />
Za prerezano cev prikazano na sliki Z.4. izračunaj največjo<br />
napetost in zasuk, če je dolga L1 =3m in obremenjena Mt=2kNm.<br />
Debelina t =0,01m, r=0,3m in G = 60GPa.<br />
Slika Z.4. Na sliki sta prikazana presek in na majhnem izseku<br />
tipično razporeditev strižnih napetosti.<br />
Izračun.<br />
L=2π.r=2.π.0,3 = 1,885m<br />
It = 1/3 .L.t 3<br />
= 1/3. 1,885m.(0,01m) 3 = 6,283.10 -6 m 4<br />
τ<br />
ekstremni<br />
M t . t 2kNm.<br />
0,<br />
01m<br />
= =<br />
= -6<br />
4<br />
I 6,283.10 m<br />
M t<br />
= ϑ L = L<br />
I . G<br />
t<br />
M<br />
rez<br />
3,<br />
183.<br />
MPa<br />
2kNm<br />
=<br />
3m<br />
=<br />
6<br />
6,<br />
283.<br />
10 m . 60GPa<br />
ϕ . 1<br />
− 4<br />
t<br />
r<br />
t<br />
0,<br />
0318radiana<br />
Pomembno je opozoriti, da če bi bila cev zaprta, na mestu reza<br />
zavarjena, bi bile napetosti in predvsem zasuk precej<br />
drugačna. Napetosti bi bile po debelini cevi konstantne in ne<br />
dvoznačne, kot je značilno za odprte preseke. V splošnem se z<br />
rezom togost elementa izredno zmanjša, napetosti pa povečajo.<br />
5.6. Sestavljeni preseki.<br />
Za njih seveda še vedno veljajo osnovne značilnosti torzije<br />
- vsi deli preseka se enako zasučejo, ker se presek v svoji<br />
ravnini ne deformira<br />
- torzijski moment je linearno proporcionalen zasuku in<br />
torzijski konstanti.
TRDNOST 173<br />
Na sliki 10 je prikazan sestavljeni presek, sestoji se iz<br />
kvadratne zaprte cevi, dveh tankostenskih pravokotnikov in<br />
polnega pravokotnega preseka.<br />
Slika 10. Primer sestavljenega preseka.<br />
Pri torzijski obremenitvi se v vsakem značilnem sestavnem delu<br />
preseka (votli presek, odprti presek, polni presek) pojavijo<br />
strižne napetosti, ki so razporejene kakor da bi bili ti<br />
značilni deli preseka med seboj nepovezani. Torzijski<br />
rezultantni moment strižnih napetosti v neposrednem območju<br />
stikov med deli preseka je zanemarljiv v primerjavi s<br />
torzijskim momentom celotnega preseka in tudi v primerjavi s<br />
torzijskim momentom njegovih sestavnih delov. Če te strižne<br />
napetosti na stikih zanemarimo, je rezultanta strižnih<br />
napetosti v značilnih sestavnih delih nična, posamezni<br />
rezultantni torzijski momenti pa so enaki<br />
M = ϑG.<br />
I , (15)<br />
ti<br />
ti<br />
kjer so Iti njihove torzijske konstante. Vsota teh torzijskih<br />
momentov mora seveda biti enaka obremenilnemu torzijskemu<br />
celotnega preseka<br />
∑ = n 4<br />
i=<br />
1<br />
M = M . (16)<br />
t<br />
ti<br />
V gornji enačbi, ki prestavlja ravnotežje torzijskih momentov,<br />
izrazimo momente z zasukom, strižnim modulom in torzijskimi<br />
konstantami (enačbi 2 in 15) in dobimo enačbo<br />
∑ = n 4<br />
i=<br />
1<br />
G ϑI<br />
= G ϑ I .<br />
t<br />
i<br />
i<br />
ti<br />
(1) votli<br />
presek<br />
(2) odprti<br />
presek<br />
(3) odprti<br />
presek<br />
(4) polni<br />
presek<br />
V skladu z osnovno predpostavko torzije so vsi specifični<br />
zasuki enaki. Če so tudi strižni moduli enaki, dobimo iz<br />
gornje enačbe torzijsko konstanto celotnega preseka, ki je<br />
enaka vsoti torzijskih konstant sestavnih delov
TRDNOST 174<br />
t<br />
∑<br />
I I . (17)<br />
= i<br />
ti<br />
Specifični zasuk preseka je<br />
M<br />
t<br />
ϑ = ,<br />
G.<br />
I t<br />
torzijski moment, ki ga prevzame posamezni del preseka pa je<br />
proporcionalen deležu torzijske konstante dela preseka v<br />
torzijski konstanti celotnega preseka:<br />
M =<br />
M<br />
t<br />
ti = ϑG.<br />
I ti G.<br />
I ti .<br />
G.<br />
I t<br />
oziroma<br />
I<br />
ti<br />
M ti = M t . (18)<br />
I t<br />
Ko izračunamo moment, ki ga prevzame posamezni del preseka, pa<br />
računamo napetosti za posamezne sestavne dele preseka, kot da<br />
bi bili le-ti nepovezani.<br />
Zgled 5.<br />
Za presek na sliki 10 izračunajmo napetost v elementu 3.<br />
Torzijski moment, ki deluje na presek je Mt = 100kN, stranica<br />
votlega in polnega kvadrata, elementa 1 in 4, ter dolžina<br />
elementov 2 in 3 so enaki a=L=0,4m. Debeline vseh sten so<br />
enake, t=0,04m, razen za element 2, ki je debel t2=0,02m.<br />
Izračun. Torzijske konstante sestavnih delov preseka so<br />
I<br />
t1<br />
2<br />
4A<br />
4.(<br />
0,<br />
4m)<br />
= =<br />
ds 4.<br />
0,<br />
4<br />
∫ t 0,<br />
04<br />
4<br />
=<br />
2,<br />
56.<br />
10<br />
−3<br />
m<br />
It2 = (1/3).L2.t2 3 = (1/3).0,4.0,02 3 =1,067.10 -6 m 4<br />
It3 = (1/3).L3.t3 3 = (1/3).0,4.0,04 3 =8,533.10 -6 m 4<br />
It4 = k1.(2a) 3 (2b)=0,1406.0,4 3 .0,4 = 3,599.10 -3 m 4 .<br />
4<br />
Za torzijsko konstanto je značilno, da odprti deli presekov<br />
prispevajo skoraj zanemarljivo malo h celotnemu preseku,<br />
razlika med polnimi preseki in votlimi pa ni velika.
TRDNOST 175<br />
n=<br />
4<br />
−3<br />
-6<br />
-6<br />
-3<br />
I t = ∑ I ti = 2,<br />
56.<br />
10 + 1,067.10 + 8,533.10 + 3,599.10 =<br />
i=<br />
1<br />
6,169.10<br />
Delež torzijskega momenta, ki ga prevzame kvadratna cev je<br />
−3<br />
4<br />
I t1<br />
2,<br />
56.<br />
10 m<br />
M t 1 = M t = 100kNm<br />
= 41,<br />
50kNm<br />
,<br />
-3<br />
4<br />
I<br />
6,169.10 m<br />
t<br />
napetost v cevi pa je<br />
M t1<br />
41,<br />
50kNm<br />
τ 1 = =<br />
= 3,<br />
242MPa<br />
.<br />
2<br />
2A.<br />
t 2.(<br />
0,<br />
4m)<br />
. 0,<br />
04m<br />
1<br />
Element 3, tanka pasnica prevzame<br />
−6<br />
4<br />
I t3<br />
8,<br />
533.<br />
10 m<br />
M t 3 = M t = 100kNm<br />
= 0,<br />
138kNm<br />
,<br />
-3<br />
4<br />
I<br />
6,169.10 m<br />
t<br />
napetost v pasnici pa je<br />
M t3.<br />
t 3 0,<br />
138kNm.<br />
0,<br />
04m<br />
τ ekstremni = =<br />
= 0,<br />
648MPa<br />
.<br />
-6<br />
4<br />
I 8,533.10 m<br />
t3<br />
-3<br />
m<br />
4
TRDNOST 176<br />
6. UPOGIBNICA<br />
6.1. Uvod.<br />
Pri analizi konstrukcij je v mnogih primerih potrebno<br />
ugotavljati kako in koliko se posamezni linijski elementi pod<br />
obtežbo povesijo oziroma na splošno kako in koliko se<br />
deformirajo (slika 1). Te deformacije podajamo s pomiki<br />
težiščne osi nosilcev pravokotno glede na težiščno os nosilcev<br />
pred deformacijo (slika 3). Krivuljo, ki podaja deformirano<br />
obliko težičnice in s tem njene pomike pa imenujemo upogibnico<br />
(imenujemo jo tudi elastična krivulja).<br />
Slika 1. Shematični prikaz ravnega nosilca pred in po<br />
deformaciji.<br />
V splošnem se seveda lahko tudi konci nosilca premaknejo kot<br />
na primer pri premikih vozlišč konstrukcije ali pa pri<br />
dislokaciji (posedkih) podpor.<br />
Za inženirsko analizo deformacij nosilca moramo upogibnico<br />
podati z matematičnim zapisom kot funkcijo linijske obtežbe<br />
oziroma kot funkcijo notranjih rezultantnih prereznih sil, vse<br />
samo v odvisnosti od koordinate vzdolž nedeformirane<br />
težiščnice (x-koordinate). V tem poglavju bomo spoznali, da se<br />
upogibnico implicitno podamo z diferencialno enačbo, njen<br />
eksplicitni funkcijski zapis pa dobimo z rešitvijo te enačbe.<br />
Poleg tega, da upogibnica podaja deformacije nosilca, pa je<br />
izredno pomembno, da z enostavnim odvajanjem upogibnice dobimo<br />
analitično podan potek rezultantnih notranjih sil tako v
TRDNOST 177<br />
odvisnosti od zunanje obtežbe kot v odvisnosti od obremenitev<br />
in deformacij nosilca na robu.<br />
Obravnavali bomo samo upogibe v smeri glavnih vztrajnostnih<br />
osi preseka nosilca, ki jih označimo y in z os (slika 2).<br />
Tedaj je upogib v teh dveh smereh medsebojno nezavisen, zato<br />
upogibe v vsaki smeri posebej opišemo s svojo diferencijalno<br />
enačbo. Ti enačbi sta med seboj nezavisni (nevezani) in ju<br />
zato lahko rešujemo vsako posebej. Zato bomo v nadalnjem<br />
predpostavljali, da smo postavili koordinatne osi v smeri<br />
glavnih vztrajnostnih osi preseka. Tako lahko z izpeljanimi<br />
enačbami analiziramo poljubne nesimetrične preseke. Pri<br />
izpeljavah pa se bomo tudi omejili samo na vpliv upogibnih<br />
momentov, ker je vpliv osnih ter strižnih sil na upogibe<br />
nosilca praviloma zelo majhen.<br />
Slika 2. Postavitev koordinatnega sistema za pomik težišča<br />
preseka v smeri glavnih vztrajnostnih osi preseka.<br />
Slika 3. Formalni funkcijski zapis upogibnice.<br />
Pomike težiščnice pravokotno na os nedeformiranega nosilca<br />
označimo v y smeri z (slika 3)<br />
uy=v(x) (1)<br />
Analogno označimo pomike težiščnice pravokotno na x-os v z<br />
smeri označimo z
TRDNOST 178<br />
uz=w(x). (2)<br />
6.2. Izpeljava diferencialne enačbe upogibnice<br />
Enačbo upogibnice izpeljemo na podlagi pomika v osni smeri<br />
poljubne točke na preseku nosilca. Te osne pomike izrazimo s<br />
pomočjo Bernoullijeve hipoteze z upogibi težiščnice ter<br />
alternativno še z upogibnim momentom in oba izraza izenačimo.<br />
To nas vodi do funkcijskega zapisa upogibnice podanega z<br />
diferencialno enačbo, šele rešitev te diferencialne enačbe pa<br />
nam da upogibnico eksplicitno.<br />
Slika 4. Del nosilca pred in po deformaciji.Težišče (T) in<br />
poljubna točka (B) na preseku se po deformaciji nosilca<br />
premakneta v novo lego (T’, B’).<br />
Predpostavimo, da obtežba na nosilec deluje samo v vertikalni<br />
smeri (v smeri y osi) tedaj imamo samo upogibne momente MZ in<br />
presek se premakne v y smeri in še zasuče se okoli z osi<br />
(slika 4). Osni pomik za vse točke opazovanega preseka, ki<br />
imajo isto koordinato y je enak, in ga izrazimo z naklonom<br />
tangente upogibnice<br />
uy( x)<br />
ux( xyz , , ) ≡ ux( xy , ) = −y x<br />
∂<br />
, (3)<br />
∂<br />
kjer je<br />
∂uy(<br />
x)<br />
tan( α)<br />
≡ .<br />
∂x
TRDNOST 179<br />
Iz Hookovega zakona in gornje enačbe dobimo zvezo med drugim<br />
odvodom upogibnice in napetostjo v točki preseka z koordinato<br />
y:<br />
2<br />
∂<br />
∂ ∂uy(<br />
x)<br />
∂ uy( x)<br />
σx( xy , ) = E. εx(<br />
xy , ) = E. ux( x, y) = E ( − y ) = −E2<br />
y . (4)<br />
∂x<br />
∂x<br />
∂x<br />
∂x<br />
Za napetost pri upogibu pa že vemo, da je enaka<br />
σ x<br />
( xy , )<br />
M ( x)<br />
z<br />
= y<br />
(5)<br />
Iz<br />
Iz enakosti desnih strani gornjih dveh enačb pa končno dobimo<br />
enačbo upogibnice izraženo z navadno linearno diferencialno<br />
enačbo drugega reda s konstantnim koeficientom (ko sta E in Iz<br />
oziroma presek konstantna)<br />
M ( x) =−E.I<br />
z z<br />
2<br />
∂ uy( x)<br />
2 , (6)<br />
∂x<br />
ki povezuje drugi odvod (ukrivljenost) upogibnive z upogibnim<br />
momentom. Povsem analogno izpeljemo še upogibnico v z smeri<br />
M ( x) =−E.I<br />
y y<br />
2<br />
∂ uy( x)<br />
2 . (7)<br />
∂x<br />
Splošno rešitev dobimo z dvakratno integracijo diferencialne<br />
enačbe<br />
E.I . u ( x) =− dξ M ( x) dη+ C . x + C<br />
z y z<br />
x ξ<br />
oziroma<br />
∫<br />
∫<br />
E.I . u ( x) =− dξ M ( x) dη+ D . x + D<br />
y z y<br />
x ξ<br />
∫<br />
∫<br />
1 2 , (8)<br />
1 2 (9)<br />
kjer sta C1 in C2, oziroma D1 in D2, integracijski konstanti.<br />
Posebno rešitev, ki velja za dano obtežbo in robne pogoje<br />
nosilca dobimo z izvrednotenjem integracijskih konstant, pri<br />
tem pa moramo iz obtežbe najprej izračunati potek momentov.<br />
Ker imamo na razpolago samo dve integracijski konstanti lahko<br />
to diferencialno enačbo uporabljamo za nosilce, kjer podpore<br />
določajo samo dva robna pogoja - dva pomika pravokotno na os<br />
nosilca oziroma en pomik in en zasuk. Teke robne pogoje<br />
imenujemo kinematične ali geometrijske robne pogoje. Take<br />
robne pogoje imajo podpore pri statično določenih nosilcih,
TRDNOST 180<br />
kjer imamo samo dve neznani reakciji in s tem dva znana<br />
(nična) pomika (robna pogoja). Pri tem smo upoštevali, da pri<br />
upogibnici vpliva sil v osni smeri ne obravnavamo (glej zgled<br />
1).<br />
Pri statično nedoločenih nosilcih, ki so večkrat podprti kot<br />
statično določeni nosilci, pa moramo izpolniti tri oziroma<br />
štiri robne pogoje, zato ne zadostuje diferencialna enačba<br />
drugega reda, katere splošna rešitev ima samo dve prosti<br />
konstanti. Tedaj podajamo enačbo upogibnice z diferencijalno<br />
enačbo tretjega oziroma četrtega reda, katere splošna rešitev<br />
pa ima tri oziroma štiri proste konstante. To enačbo dobimo z<br />
odvajanje diferencialne enačbe drugega reda in upoštevanjem<br />
diferencialnih zvez med momenti, prečnimi silami in prečno<br />
zvezno obtežbo, kot je prikazano v naslednjem odstavku.<br />
Z enkratnim odvajanjem diferencialne enačbe upogibnice drugega<br />
reda dobimo<br />
∂ ∂ ∂<br />
∂x<br />
∂ ∂<br />
E.I<br />
2<br />
uy( x)<br />
( − z 2 ) = Mz( x) = Vy( x)<br />
(10)<br />
x x<br />
oziroma<br />
3<br />
∂ uy( x)<br />
− E.I z 3 = Vy( x)<br />
, (11)<br />
∂x<br />
če je Iz konstanten - konstanten presek. Z nadaljnjim<br />
odvajanjem pa dobimo končno enačbo upogibnice podano z navadno<br />
linearno diferencialno enačbo četrtega reda<br />
E.I<br />
z<br />
4<br />
∂ uy( x)<br />
4 = py( x)<br />
, (12)<br />
∂x<br />
ki podaja upogibnico v odvisnosti od zunanje obtežbe.<br />
Splošno rešitev dobimo s štirikratno integracijo<br />
2<br />
E.I . u ( x) = dx dx dx p ( x ) dx + C + C . x + C . x + C . x<br />
z y<br />
∫ ∫ ∫ ∫<br />
3 2 y 1 1 o 1 2<br />
x x3<br />
x3<br />
x2<br />
3<br />
3<br />
(13)<br />
Splošna rešitev ima štiri konstante, ki jih določimo iz štirih<br />
robnih pogojev, ki predstavljajo v izbrani točki nosilca<br />
podani pomik, prvi odvod upogibnice (to je zasuk), drugi odvod<br />
upogibnice (upogibni moment) in tretji odvod (prečno silo).<br />
Pri podajanju robnih pogojev pa lahko namesto višjih odvodov<br />
podamo nižje odvode v neki drugi točki nosilca. Kot smo že<br />
omenili predstavlja dani pomik in zasuk nosilca (odvod<br />
upogibnice)
TRDNOST 181<br />
∂uy(<br />
x)<br />
u y ( x = konst.) in ϕ z ( x = konst.)<br />
=<br />
∂x<br />
x= konst.<br />
(14)<br />
kinematične (geometrijske) robne pogoje. Drugi in pa tretji<br />
odvod upogibnice (pomnožena z EIz) pa sta enaka momentu in<br />
prečni sili<br />
2<br />
∂ uy( x)<br />
M z ( x = konst.) = −E.Iz.<br />
2 (15)<br />
∂x<br />
x= konst.<br />
3<br />
∂ uy( x)<br />
Vy ( x = konst.) = −E.Iz.<br />
3 (16)<br />
∂x<br />
x= konst.<br />
in ju zato imenujemo statična (ali naravna) robna pogoja.<br />
Seveda pa povsem analogno velja še za reševanje upogibnice v<br />
smeri z in zato postopka ni potrebno posebej prikazovati.<br />
Omenimo pa naj, da z diferencialno enačbo upogibnice četrtega<br />
reda lahko izračunamo upogibnico tudi statično določenega<br />
nosilca. Pri tem je vsebinska razlika v izračunavanju<br />
upogibnice glede uporabo diferencialne enačbe drugega reda v<br />
tem, da nam ni potrebno eksplicitno poznati potek momentov po<br />
nosilcu - zadostuje že samo podana zvezna obtežba (in seveda<br />
robni pogoji).<br />
Na koncu omenimo še, da je z eno diferencijalno enačbo možno<br />
rešiti upogibnica samo tiste odseke nosilcev, kjer so potek<br />
obtežbe ter vsi odvodi upogibov do tretjega reda (zasuki,<br />
upogibni momenti in prečne sile) zvezni. Če to ni izpolnjeno,<br />
pa, kot bomo videli, nosilec razdelimo na odseke, kjer so<br />
omenjene zahteve izpolnjene in tako dobimo sistem<br />
diferencijalnih enačb, ki jih z ustreznimi kontinuirnimi<br />
pogoji povežemo (na primer zvezni pomik, zasuk, itd, med deli<br />
nosilca).<br />
RAČUNSKI PRIMERI<br />
Zgled 1.<br />
Izračunaj upogibnico za konzolo, ki je obremenjena na koncu s<br />
koncentrirano silo (slika Z.1.). Ker je ta nosilec statično<br />
določen, lahko upogibnico izračunamo z<br />
(a) diferencialno enačbo II. reda ali pa z<br />
(b) diferencialno enačbo IV. reda.<br />
Zaradi enostavnosti zapisa bomo pri silah in momentih<br />
izpuščali indekse, pomik pa označili kar z u.
TRDNOST 182<br />
Slika Z.1.<br />
Ad(a) Rešitev s pomočjo diferencialne enačbe drugega reda. Iz<br />
enačb ravnotežja dobimo analitično podan potek momentov glede<br />
na izbrani koordinatni sistem<br />
M(x)=-P.L.(1-x/L) (17)<br />
Glede na splošno rešitev (en. 9) izračunamo prvi (nedoločeni)<br />
integral momenta<br />
∫ − − = − −<br />
PL<br />
2<br />
x<br />
x<br />
. ( 1 ) dx P. L( x )<br />
L 2.<br />
L<br />
in integriramo še drugič<br />
2 2 3<br />
x<br />
x x<br />
∫ ∫[ M( x) dx ] dx = ∫[<br />
− P. L( x − ) ] . dx = −P. L( − )<br />
2. L<br />
2 6.<br />
L<br />
Integracijske konstante smo že upoštevali v splošni rešitvi v<br />
enačbi 9. Glede na to, da lahko predznak neznanih konstant<br />
izberemo poljubno je splošna rešitev enaka<br />
2 3<br />
2<br />
x x<br />
∫∫ EIu′′ ( x) dx = EIu( x) = P. L( − ) + C1. x+ C0<br />
2 6.<br />
L<br />
(18)<br />
Robna pogoja sta dva, ob podpori je tako pomik kot zasuk enak<br />
nič (medtem ko sta na prostem koncu ti dve količini različni<br />
od nič in nam ob definiranju problema neznani). Torej<br />
pri x = 0 sta pomik
TRDNOST 183<br />
u = 0 (19a)<br />
in zasuk<br />
du<br />
ϕ= = 0<br />
dx<br />
(19b)<br />
enaka nič. Vstavimo ju v splošno rešitev. Za prvi pogoj dobimo<br />
enačbo iz katere lahko takoj izračunamo prvo konstanto.<br />
2 3<br />
0 0<br />
EIu( x = 0) = 0=<br />
P. L(<br />
− ) + C1. 0 + C0<br />
⇒<br />
2 6.<br />
L<br />
Z odvajanjem splošne rešitve dobimo še zasuk<br />
EI<br />
du( x)<br />
dx<br />
C = 0<br />
0 (20)<br />
2<br />
x<br />
≡ EIu'( x) = EIϕ( x) = P. L(x − ) + C1<br />
, (21)<br />
2.<br />
L<br />
ter z drugim robnim pogojem še izračunamo še drugo konstanto<br />
2<br />
0<br />
EIu'( x = 0) = EIϕ ( x = 0) = P. L( 0−<br />
) + C1<br />
= 0 ⇒ C 1 = 0 (22)<br />
2.<br />
L<br />
Tako je upogibnica izračunana in analitično podana z izrazom<br />
2 3<br />
PL . x x<br />
ux ( ) = ( − ) . (23)<br />
E.I 2 6.<br />
L<br />
V tabelah se praviloma podajajo obrazci za upogibnice v<br />
brezdimenzionalni koordinati<br />
ξ= x<br />
L .<br />
Z njo je upogibnica podana v nekoliko drugačnem zapisu:<br />
3<br />
3<br />
PL . 2 ξ<br />
u(<br />
ξ) = ( ξ − )<br />
2. E.I.<br />
3 (24)<br />
Velja opozoriti, da je upogibnica konzole za koncentrirano<br />
obtežbo torej natanko podana z enostavnim polinomom tretjega<br />
reda.<br />
Ad(b) Rešitev s pomočjo diferencialne enačbe četrtega reda.<br />
Zvezna obtežba je nič, zato je po obrazcu 13 štirikratna
TRDNOST 184<br />
integracija obtežbe nična in splošna rešitev je kar kubični<br />
polinom<br />
2<br />
3<br />
E.I . u ( x) = C + C . x + C . x + C . x . (25)<br />
z y o<br />
1 2<br />
3<br />
Za izračun konstant moramo izpolniti štiri robne pogoje. Na<br />
vpetem koncu poznamo kinematična robna pogoja (seveda enaka<br />
kot pri reševanju z diferencialno enačbo drugega reda):<br />
Pri x = 0 sta pomik<br />
u = 0 (26)<br />
in zasuk<br />
du<br />
ϕ= = 0<br />
dx<br />
(27)<br />
enaka nič. Na prostem koncu pa poznamo še dva statična robna<br />
pogoja. Pri x=L poznamo moment, ki je enak nič<br />
2<br />
∂ uy( x)<br />
M z ( x = L) = − E.Iz.<br />
2<br />
∂x<br />
x= L<br />
= 0 , (28)<br />
in prečno silo, ki je enaka obtežbeni sili P<br />
3<br />
∂ uy( x)<br />
Vy ( x = L) = − E.Iz.<br />
3 = P . (29)<br />
∂x<br />
x= L<br />
Tako imamo štiri linearne enačbe za izračun štirih konstant C0<br />
do C3. Če v gornjih enačbah izvedemo nakazano odvajanje splošne<br />
rešitve upogibnice (en. 25) in izvrednotimo dobljene izraze,<br />
dobimo sistem enačb<br />
2<br />
3<br />
E.I . u ( x = 0) = C + C . 0+ C . 0 + C . 0 = 0<br />
(30.1)<br />
z y o<br />
1 2<br />
3<br />
2<br />
E.I . u' ( x = 0) = 0+ C + 2. C . 0+ 3. C . 0 = 0<br />
(30.2)<br />
z y<br />
1 2 3<br />
− M( x = L) = E.I . u'' ( x = L) = 0+ 0 + 2. C + 6. C . L = 0<br />
(30.3)<br />
z y<br />
2 3<br />
− V ( x = L) = E.I . u''' ( x = 0) = 0+ 0+ 0. C + 6.<br />
C = P<br />
(30.4)<br />
y z y<br />
2 3<br />
Principialno lahko seveda te enačbe rešimo na različne načine,<br />
ki so poznani iz matematike oziroma kar z ustreznim<br />
računalniškim programom, ki rešuje sistem linearnih enačb. Z<br />
ustrezno izbiro lege začetka koordinatnega sistema pa je<br />
mnogokrat moč dobiti sistem enačb, ki niso povsem vezane, kot<br />
je to v našem primeru. Iz prve enačbe (prvi robni pogoj)<br />
dobimo takoj prvo konstanto in iz druge enačbe drugo<br />
konstanto:<br />
C0 = C1 = 0. (31)
TRDNOST 185<br />
Iz četrte enačbe sledi<br />
C<br />
3<br />
P<br />
=− (32)<br />
6<br />
ter iz tretje še<br />
P PL<br />
C2 =− 3C3 L=−3<br />
L<br />
6 2<br />
− .<br />
. . . . = . (33)<br />
Tako je upogibnica podana z enačbo<br />
PL . P<br />
E.I z. u y(<br />
x)<br />
= x − . x<br />
2 6<br />
2 3 (34)<br />
oziroma izražena z brezdimenzionalno koordinato ξ=x/L<br />
u<br />
y<br />
3<br />
PL . 2 1 3<br />
( ξ) = ( ξ − . ξ )<br />
2.<br />
E.I 3<br />
z<br />
(35)<br />
kar je seveda enak rezultat, kot je rešitev pod točko (a). Pri<br />
rešitvi zaradi jasnosti lahko še zapišemo, da velja enačba za<br />
spremenljivko ξ iz intervala [0,1], ki torej “preteče” ves<br />
nosilec.<br />
Ko imamo izračunano upogibnico pa lahko po potrebi z<br />
odvajanjem upogibnice (en. 34) izračunamo še zasuke, upogibne<br />
momente ter prečne sile:<br />
⎡ P ⎛ ⎞ ⎤<br />
2<br />
∂<br />
2 1 3 PL . x<br />
u′ ( x) = ϕ(<br />
x)<br />
= ⎢ ⎜ Lx − x ⎟<br />
x<br />
x ⎣ EIz<br />
⎝ ⎠<br />
⎥ = ( 2.<br />
− )<br />
∂ 2<br />
3 ⎦ 2.<br />
EI L<br />
x<br />
Mx ( ) =− EIu . ''( x) =−PL( . 1 − )<br />
L<br />
Vx ( ) =− EIu . '''( x) = P<br />
Zgled 2.<br />
Izračunaj upogibnico za obojestransko vpeti nosilec, ki je<br />
obremenjena z enakomerno zvezno obtežbo (slika Z.2.). Ker je<br />
ta nosilec statično nedoločen, upogibnico izračunamo z<br />
diferencialno enaćbo IV. reda.
TRDNOST 186<br />
Rešitev.<br />
Slika Z.2.<br />
Splošno rešitev dobimo s štirikratno integracijo zvezne<br />
obtežbe<br />
∫∫ ∫∫<br />
4<br />
4 px .<br />
pdx . =<br />
24<br />
Tako je splošna rešitev enaka<br />
4<br />
px .<br />
2<br />
E.I z. u y( x)<br />
= + Co + C1. x+ C2. x + C3. x<br />
24<br />
Robni pogoji štirje in so sledeči: pomik in zasuk sta pri obeh<br />
podporah enaka nič<br />
u(0)=u’(0)=u(L)=u’(L)=0<br />
To nam da štiri enačbe za izračun konstant. Iz prvih dveh<br />
pogojev dobimo<br />
E.I . u ( x = 0) = C = 0<br />
z y o<br />
E.I . u' ( x = 0) = C = 0,<br />
z y<br />
1<br />
ostala dva pa nam dasta vezani enačbi<br />
4<br />
pL .<br />
2<br />
3<br />
E.I z. u y(<br />
x = L) = + C2. L + C3. L<br />
24<br />
= 0<br />
3<br />
pL .<br />
2<br />
E.I z. u' y ( x = L) = + 2. C2. L+ 3. C3. L<br />
6<br />
= 0,<br />
ki ju rešimo na preostali konstanti<br />
C<br />
C<br />
2<br />
3<br />
2<br />
pL<br />
=<br />
24<br />
.<br />
pL<br />
=−<br />
12<br />
. .<br />
Tako je upogibnica enaka<br />
3<br />
.
TRDNOST 187<br />
4 2<br />
px . pL . pL .<br />
E.I z. u y(<br />
x)<br />
= + x − x<br />
24 24 12<br />
oziroma<br />
2<br />
px . 2 2<br />
E.I z. u y(<br />
x)<br />
= ( x − 2 Lx+ L ) .<br />
24<br />
2 3<br />
Če jo podamo z brezdimenzionalno koordinato ξ=x/L pa dobimo<br />
4<br />
pL . 2 2<br />
E.I z. u y(<br />
x)<br />
= ξ .( ξ − 2. ξ + 1)<br />
24<br />
Zasuke, momente in prečne sile dobimo z odvajanjem<br />
p 3 2 2<br />
E.I z. u' y ( x)<br />
= ( 4. x − 6Lx + 2.<br />
x. L )<br />
24<br />
p 2 2<br />
Mz( x) =− E.Iz. u'' y ( x)<br />
=− ( 12. x − 12Lx+ 2.<br />
L )<br />
24<br />
p<br />
Vy( x) =− E.Iz. u''' y ( x)<br />
=− ( 24. x−12 . L)<br />
24<br />
Gornje enačbe podajmo še v odvisnosti od brezdimenzijske<br />
dolžine<br />
ξ=x/l, in grafično prikažimo na slikah Z.2.2. in Z.2.3.<br />
3<br />
pL .<br />
3 2<br />
E.I z. u'<br />
y ( ξ) = ( 4. ξ − 6ξ + 2 . ξ)<br />
24<br />
2<br />
pL .<br />
2<br />
Mz( ξ) =− E.Iz. u''<br />
y ( ξ) =− ( 12. ξ − 12. ξ+<br />
2 )<br />
24<br />
pL .<br />
Vy( ξ) =− E.Iz. u'''<br />
y ( ξ) =− ( 24. ξ−12<br />
)<br />
24
TRDNOST 188<br />
Slika Z.2.2. Poves in zasuk nosilca.<br />
Slika Z.2.3. Upogibni moment in prečna sila v nosilcu.
TRDNOST 189<br />
Zgled 3.<br />
Izračunaj upogibnico za nosilec, ki je obremenjen z zvezno<br />
obtežbo, na levi strani je vpet in na desni strani členkasto<br />
elastično podprt. Elastična (togostna) konstanta podpore je k.<br />
Slika Z.3.1.<br />
Rešitev. Splošna rešitev diferencialne enačbe upogibnice za<br />
konstantno zvezno obtežbo je<br />
4<br />
px .<br />
2<br />
3<br />
E.I z. u y( x)<br />
= + Co + C1. x+ C2. x + C3. x . (1)<br />
24<br />
Za izračun konstant moramo izpolniti štiri robne pogoje:<br />
Pri x = 0 sta pomik<br />
u = 0 (2.a)<br />
in zasuk<br />
du<br />
ϕ= = 0<br />
dx<br />
nična.<br />
(2.b)<br />
Pri x = L poznamo moment, ki je enak nič,<br />
2<br />
d uy( x)<br />
M z ( x = L) = − E.Iz. 2 = 0 , (2.c)<br />
dx<br />
x= L<br />
in prečno silo, ki je enaka elastični reakcijski sili tal<br />
(slika Z.3.2.), zato velja enačba<br />
Slika Z.3.2.
TRDNOST 190<br />
3<br />
duy( x)<br />
− Vy( x = L) = E.Iz. 3<br />
dx<br />
x= L<br />
= k.u y(x<br />
= L) , (2.d)<br />
kjer je k togostna konstanta tal (podpore).<br />
Ko splošno rešitev (en.1) vstavimo v robne pogoje (enačbe 2)<br />
dobimo štiri enačbe<br />
E.I . u ( x = 0) = C = 0<br />
z y o<br />
E.I . u' ( x = 0) = C = 0<br />
z y<br />
1<br />
2<br />
pL .<br />
E.I z. u'' y ( x = L) = + 2. C2 2<br />
+ 6. C3. L = 0 (enačbe 3)<br />
k<br />
E.I z. u''' y ( x L) p. L . C<br />
E.I y<br />
pL<br />
( C L C L<br />
.<br />
= ≡ + 6 3 =<br />
4<br />
2<br />
3<br />
+ 2.<br />
+ 3.<br />
) ,<br />
24<br />
ki jih rešimo na konstante Ci (i=1 do 4). Z vstavitvijo<br />
izračunanih konstant v splošno rešitev (en. 1) pa dobimo<br />
željeno upogibnico<br />
4 2 3<br />
3<br />
px . pL kL + 12.<br />
EI z pL 5kL + 24EI<br />
2<br />
E.I z. u y(<br />
x)<br />
= + ×<br />
3 × x − ×<br />
3<br />
24 4 12EI + 4kL 48 3EI<br />
+ kL<br />
z<br />
Spet lahko z enostavnim odvajanjem gornje upogibnice dobimo še<br />
zasuke, momente ter prečne sile. Prednost zapisa upogibnice z<br />
občimi vrednostmi je v tem, da lahko študiramo vpliv<br />
podajnosti (oziroma togosti) podpore na deformacije in<br />
notranje sile v nosilcu. Matematični izraz za upogibnico še<br />
nekoliko preuredimo, da je lažje razbrati vpliv elastičnosti<br />
podpore:<br />
EI z<br />
EI z<br />
4 2<br />
px . pL<br />
1+ 12.<br />
3<br />
kL pL<br />
5+ 24.<br />
3<br />
2<br />
kL 3<br />
E.I z. u y(<br />
x)<br />
= + × × x − × × x<br />
24 4 EI z 48 EI z<br />
4+ 12.<br />
1+ 3.<br />
kL<br />
3<br />
Iz gornje enačbe je razvidno, da na pomike (in tudi zasuke,<br />
momente in prečne sile) vpliva razmerje EI/kL 3 . Poglejmo si<br />
samo skrajni primer, ko je togost k neskončna. Tako dobimo<br />
nosilec na nepodajni podpori. Upogibnico dobimo iz zgornjega<br />
izraza, če izvedemo limitni proces<br />
4 2<br />
px . pL . 5.<br />
pL .<br />
lim { EI z u y ( x)<br />
} = + x − x<br />
k→∞<br />
24 16 48<br />
2 3<br />
Če pomik za togo podporo izrazimo še z brezdimenzionalo<br />
dolžino ξ=x/L<br />
4<br />
pL .<br />
4 2 3<br />
EI zuy( ξ) = ( 2. ξ + 3. ξ −5<br />
ξ )<br />
48<br />
z<br />
kL<br />
3<br />
z<br />
× x<br />
3
TRDNOST 191<br />
lahko z odvodom pomika, ki je enak zasuku, splošno poiščemo<br />
ekstremni poves:<br />
4<br />
pL .<br />
3 2<br />
EI zu' y ( ξ) = (. 8 ξ + 6. ξ− 15ξ ) = 0<br />
48<br />
Fizikalno smiselni je samo en koren enačbe<br />
ξ1=0,57846 oziroma x1 = 0,57846.L,<br />
kjer je poves maksimalni<br />
4<br />
pL .<br />
4 2 3 pL .<br />
EI zuy( ξ1 0, 57846)<br />
( , , , ) ,<br />
48 2 0 57846 3 0 57846 5 0 57846 0 26 = = × + × − × =<br />
48<br />
Zgled 4.<br />
Pri analizi konstrukcij nas mnogokrat zanima, kakšne notranje<br />
sile povzročajo robni pomiki nosilca. Takšen problem nastopa<br />
na primer pri posedkih ali zasukih podpor, lahko pa tudi<br />
zaradi premikov vozlišč konstrukcije med katere je nosilec<br />
vpet. Te probleme lahko rešujemo s pomočjo upogibnice. Tedaj<br />
za robne pogoje splošne rešitve upogibnice postavimo premike<br />
oziroma zasuke robov nosilcev in nato izračunamo pripadajoče<br />
robne sile. Tako lahko dobimo zveze, ki podajajo robne sile v<br />
odvisnosti od robnih pomikov. Problem nosilca pa lahko<br />
formuliramo tudi obratno tako, da podamo kot robne pogoje<br />
robne sile, rešitev pa nam da obratne relacije, to je,<br />
odvisnost robnih pomikov od robnih sil. Zveza med omenjenimi<br />
količinami je linearna, sorazmernostni faktor pa je togostni<br />
oziroma podajnostni koeficient, ali na kratko rečeno togost<br />
oziroma podajnost nosilca glede na to ali smatramo za<br />
spremenljivke robne pomike (zasuke) ali pa robne sile<br />
momente). Za zgled izračunajmo upogibnico, če je podan robni<br />
zasuk α, ter ugotovimo zvezo med robnim zasukom in momentom za<br />
nosilec na sliki Z.4.1.<br />
Slika Z.4.1.<br />
4
TRDNOST 192<br />
Rešitev. Splošna rešitev diferencialne enačbe upogibnice, ko<br />
je zvezna obtežba nična je<br />
2<br />
3<br />
E.I . u ( x) = C + C . x + C . x + C . x . (Z.4.0)<br />
z y o<br />
1 2<br />
3<br />
Za izračun konstant moramo izpolniti štiri robne pogoje:<br />
Pri x = 0 sta pomik<br />
u = 0<br />
in zasuk<br />
du<br />
ϕ= =<br />
dx<br />
nična.<br />
0<br />
Tudi pri x = L je pomik enak nič,<br />
u = 0,<br />
zasuk pa je enak<br />
α= du<br />
dx<br />
in ga lahko smatramo kot spremenljivko.<br />
Ti robni pogoji nam dajo štiri enačbe<br />
E.I . u ( x = 0) = C = 0<br />
z y o<br />
E.I . u' ( x = 0) = C = 0<br />
z y<br />
2 3<br />
E.I . u ( x = L) = C . L + C . L = 0<br />
z y<br />
2<br />
1<br />
2<br />
E.I . u' ( x = L) = 2. C . L + 3.<br />
C . L = E.I . α ,<br />
z y 2 3<br />
z<br />
3<br />
iz katerih izračunamo vse štiri neznane konstante C (pri<br />
zapisu zadnjih dveh enačbah smo že upoštevali, da iz prvih<br />
dveh enačb sledi, da sta konstanti C0 in C1 enaki nič).<br />
Izračunane konstante vstavimo v splošno rešitev<br />
E.I z E.I 2 z 3<br />
E.I z. u y(<br />
x)<br />
=− α. x + 2 α.<br />
x ,<br />
L L<br />
ki nam po ureditvi enačbe da upogibnico eksplicitno v<br />
odvisnosti od robnega zasuka nosilca za kot α:
TRDNOST 193<br />
x x<br />
uy ( x)<br />
= . . L<br />
L L<br />
⎛ ⎞<br />
⎜ ⎟ −<br />
⎝ ⎠<br />
⎛<br />
3 2<br />
⎡ ⎞ ⎤<br />
⎢ ⎜ ⎟<br />
⎣<br />
⎝ ⎠<br />
⎥ α .<br />
⎦<br />
Opozorimo naj, da je upogib nosilca za dani robni zasuk<br />
nosilca neodvisen od preseka in materiala nosilca.<br />
Zasuke dobimo z odvajanjem upogibnice<br />
⎛ x⎞<br />
x<br />
u' y ( x)<br />
= . ⎜ ⎟ − . . .<br />
⎝ L⎠<br />
L<br />
⎛<br />
2<br />
⎡<br />
⎞⎤<br />
⎢3<br />
2 ⎜ ⎟<br />
⎣<br />
⎝ ⎠<br />
⎥ α , (Z.4.2)<br />
⎦<br />
ki so seveda, kot mora biti, pri x=0 enaki nič in pri x=L pa<br />
enaki kotu α. Momenti in prečne sile pa poleg zasuka seveda<br />
odvisni od tudi preseka in materiala nosilca<br />
2.<br />
EI<br />
Mz( x) =− EIzu'' y ( x)<br />
=−<br />
L<br />
. EI<br />
Vy( x) =− EIzu''' y ( x)<br />
=−<br />
L<br />
6<br />
2<br />
z<br />
z<br />
⎡ ⎛ x⎞<br />
⎤<br />
⎢3.<br />
⎜ ⎟ − 1 .<br />
⎣ ⎝ L⎠<br />
⎥ α . (Z.4.3)<br />
⎦<br />
. α .<br />
Momenti potekajo linearno (slika Z.4.2) in prečne sile<br />
konstantno po nosilcu<br />
Slika Z.4.2. Potek normiranih momentov.<br />
Velja si zapomniti, da je moment na drugem koncu nosilca<br />
natanko enak polovici momenta na obremenjenem koncu nosilca in<br />
je obratnega predznaka. V žargonu pravimo, da se polovica<br />
momenta prenese v sosednje vozlišče nosilca.<br />
Za x=L dobimo iz enačbe Z.4.3. enostavno linearno zvezo med<br />
momentom in zasukom na robu nosilca, ki jo bomo s pridom<br />
uporabljali pri Crossovi metodi. To zvezo zapišemo kot<br />
M ( x = L) ≡ M = −k<br />
. α ,<br />
z<br />
0 1
TRDNOST 194<br />
ki je po obliki povsem enaka kot zveza med pomikom in silo pri<br />
enostavni vzmeti. k1 je togostni koeficient, ki ga imenujemo<br />
togost nosilca, glede na momente in zasuke na robu nosilca<br />
k<br />
1<br />
4 EI<br />
=<br />
L<br />
.<br />
z<br />
.<br />
Togost k1 je po vrednosti (samo dimenzije so različne) enaka<br />
momentu, ki ga povzroči zasuk nosilca v vrednosti kota α za en<br />
radian. Zveza med zasukom vozlišča in momentom v sosednjem<br />
vpetem vozlišču elementa pa je<br />
k1<br />
Mz ( x = 0)<br />
= . α ,<br />
2<br />
kar je v skladu s tem, da se polovica momenta prenese v drugo<br />
vozlišče elementa.<br />
Če problem upogiba istega nosilca definiramo z obremenilnim<br />
momentom Mo na robu nosilca (slika Z.4.1), pridemo seveda do<br />
enakih togostnih konstant kot smo jih izpeljali v gornjem<br />
razdelku. Poglejmo si še za zgled izračun upogibnice, ko je<br />
podan robni moment Mo! Splošna rešitev je seveda enaka kot prej<br />
saj je zvezna obtežba ravno tako kot prej nična. Prvi trije<br />
robni pogoji so tudi enaki kot prej,<br />
E.I . u ( x = 0) = C = 0<br />
z y o<br />
E.I . u' ( x = 0) = C = 0<br />
z y<br />
2 3<br />
E.I . u ( x = L) = C . L + C . L = 0<br />
z y<br />
četrti pa je<br />
2<br />
E.I . u'' ( x = L) = 2. C + 6.<br />
C . L = −M<br />
z y<br />
1<br />
3<br />
2 3 0 .<br />
Iz gornjih štirih enačb dobimo rešitev za konstante, ko v njih<br />
vstavimo splošno rešitev upogibnice (en. Z.4.0). Z<br />
izračunanimi konstantami pa je (posebna) rešitev za upogibnico<br />
enaka<br />
M . L x x<br />
E.I z. uy( x) = −<br />
L L<br />
⎛ ⎞<br />
⎜ ⎟ +<br />
⎝ ⎠<br />
⎛ ⎡ 0<br />
⎞<br />
⎢ ⎜ ⎟<br />
4 ⎣<br />
⎝ ⎠<br />
2 3 2<br />
⎤<br />
⎥ .<br />
⎦<br />
Z odvajanjem upogibnice dobimo najprej enačbo zasuka<br />
M . L x x<br />
E.I z. u' y(<br />
x) = − . .<br />
L L<br />
⎛ ⎞<br />
⎜ ⎟ +<br />
⎝ ⎠<br />
⎛<br />
2<br />
⎡<br />
⎞ ⎤<br />
0<br />
⎢ 3 2 ⎜ ⎟<br />
⎣<br />
⎝ ⎠<br />
⎥ ,<br />
4<br />
⎦<br />
kjer je za x=L zasuk enak
TRDNOST 195<br />
M . L L L M . L<br />
EI . z. u′ y( x= L) ≡ EI . z.<br />
= − . .<br />
L L<br />
⎛ ⎞<br />
⎜ ⎟ +<br />
⎝ ⎠<br />
⎛<br />
⎡<br />
⎞ ⎤<br />
⎢<br />
⎜ ⎟ ⎥<br />
⎝ ⎠<br />
⎣⎢<br />
⎦⎥<br />
=−<br />
α<br />
2<br />
0<br />
0<br />
3 2<br />
.<br />
4<br />
4<br />
Gornja enačba ima obliko<br />
M0 =− k1.α<br />
,<br />
kjer je k1 enak kot prej. Potek upogibnega momenta po nosilcu<br />
je sedaj podan v odvisnosti od robnega momenta M0:<br />
M x<br />
Mx ( ) =− E.Iz. u'' y(<br />
x)<br />
=− − .<br />
L<br />
⎛ 0 ⎡ ⎞ ⎤<br />
⎢ 6⎜⎟ + 2<br />
4 ⎣ ⎝ ⎠ ⎥<br />
⎦<br />
Zgled 5.<br />
Izračunaj upogibnico za prostoležeči nosilec dolžine L=5m, ki<br />
je obremenjen na razdalji a=2m od leve podpore A koncetrirano<br />
silo P.<br />
Slika Z.5.1.<br />
Rešitev. Koncentrirana sila predstavlja nezvezno funkcijo py(x)<br />
desne strani diferencialne enačbe upogibnice<br />
E.I . u ''''( x) = p ( x)<br />
, (Z.5.1)<br />
z y y<br />
zato enačbe ne moremo reševati tako kot doslej, ko smo imeli<br />
zvezno obtežbo. Upogibnico moramo sestaviti iz dveh rešitev -<br />
iz rešitve za del nosilca a, kjer je obtežba zvezna (nična) in<br />
iz rešitve za del nosilca b, kjer je obtežba tudi zvezna<br />
(nična). Upogibnici sestavljamo z vezanimi robnimi pogoji<br />
tako, da je v točki C zagotovljena zveznost pomikov in odvodov<br />
(zasukov). To sta kinematična robna pogoja, kjer zahtevamo, da<br />
nosilec v tej točki ni “prelomljen”. S statičnima robnima<br />
pogojema pa zahtevamo, da je vozlišče C v ravnotežju. Tako<br />
računamo torej z dvema diferencialnima enačbama upogibnice, ki<br />
imata skupaj osem konstant, ki jih moremo izračunati iz osmih<br />
robnih pogojev.<br />
Izberimo si koordinatni sistem kot je prikazan na sliki Z.5.1.<br />
Za prvi del nosilca (del a) označimo upogibnico z ua in<br />
napišimo diferencialno enačbo upogibnice
TRDNOST 196<br />
E.I . u ''''( x) = p ( x)<br />
≡ 0 ,<br />
z a y<br />
s splošno rešitvijo<br />
2<br />
3<br />
E.I . u ( x) = C + C . x + C . x + C . x<br />
(Z.5.1)<br />
z a o<br />
1 2<br />
Veljavnost enačbe je samo za<br />
0 ≤ x < a.<br />
Robna pogoja za pomik in moment ob podpori A sta<br />
ua ( x = 0) = 0<br />
ua''( x = 0) = 0.<br />
3<br />
Za drugi del nosilca (del b) označimo upogibnico z ub. Zapišimo<br />
diferencialno enačbo upogibnice<br />
E.I . u ''''( x) = p ( x)<br />
≡ 0 ,<br />
z b y<br />
in njeno splošno rešitev<br />
2<br />
3<br />
E.I . u ( x) = D + D . x + D . x + D . x<br />
(Z.5.2)<br />
z b o<br />
1 2<br />
kjer je veljavnost enačbe samo za<br />
a ≤ x < L.<br />
Robna pogoja za pomik in moment ob podpori B<br />
ub ( x = L) = 0<br />
ub''( x = L)<br />
= 0.<br />
3<br />
V točki C imamo še zveznost pomikov in odvodov (zasukov)<br />
ua( x = a) = ub( x = a)<br />
u '( x = a) = u '( x = a)<br />
a b<br />
ter momentno ravnotežje (glej sliko Z.5.2)<br />
M − M = 0 ⇒ u ''( x = a) = u ''( x = a)<br />
a b a b<br />
ter ravnotežje sil v vertikalni smeri<br />
− V + V + P = 0 ⇒ EI u '''( x = a) − EI u '''( x = a) + P = 0<br />
a b z a z b
TRDNOST 197<br />
Slika Z.5.2. Prikaz sil in momentov, ki delujejo na del<br />
nosilca v točki C.<br />
Ko v gornje enačbe vstavimo splošni rešitvi (Z.5.1 in 2) in<br />
jih nekoliko preuredimo, dobimo osem sledečih enačb:<br />
C0 = 0<br />
2.C2 = 0<br />
D0 + D1.L + D2.L 2 + D3.L 3 = 0<br />
2.D2 + 6.D3.L = 0<br />
D0 + D1.a + D2.a 2 + D3.a 3 -( C0 + C1.a + C2.a 2 + C3.a 3 ) = 0<br />
D1 + 2.D2.a + 3.D3.a 2 -( C1 + 2.C2.a + 3.C3.a 2 ) = 0<br />
-(2.C2 + 6.C3.a )+ 2.D2 + 6.D3.a = 0<br />
-6.C3 + 6.D3 + P = 0,<br />
Sistem enačb rešimo na konstante Ci in Di, i = 0,1,2 in 3, ki<br />
jih vstavimo nazaj v obe splošni rešitvi diferencialne enačbe<br />
upogibnice za oba dela nosilca (enačbi Z.5.1 in 2). Zaradi<br />
preglednosti ju zapišimo v malo preurejeni matematični obliki.<br />
Za prvi del nosilca je upogibnica<br />
2 2 3<br />
E.I . u ( x). 6L/ P =− a( a + 3aL−2L). x − b. x ,<br />
z a<br />
kjer je veljavnost enačbe samo za<br />
0 ≤ x < a<br />
in za drugi del nosilca<br />
3 3 2 2 3<br />
E.I . u ( x). 6L/ P =− a . L + ( a + 2. a. L ). x − 3aL.<br />
x + a. x ,<br />
z b<br />
kjer je veljavnost enačbe samo za<br />
a ≤ x < L.<br />
Za izbrane posebne vrednosti za dolžine obeh nosilcev, a=2m in<br />
L=5m, je seveda veliko enostavneje rešiti osem enačb s<br />
posebnimi števili na neznane konstante Ci in Di, i=0,1,2 in 3,<br />
kot prej, ko smo reševali sistem enačb z občimi števili. Ko<br />
izračunane konstante vstavimo v enačbi za splošni rešitvi
TRDNOST 198<br />
(enačbi Z.5.1. in 2) dobimo upogibnici. Za prvi del<br />
sestavljenega nosilca je<br />
8 1 3<br />
E.I z. u a(<br />
x)/ P = x − x ,<br />
5 10<br />
kjer je veljavnost enačbe samo za<br />
0 ≤ x < a=2,<br />
in za drugi del nosilca<br />
20 54 1<br />
E.I z. u b(<br />
x)/ P =− + x − x + x<br />
15 15 15<br />
2 3<br />
kjer je veljavnost enačbe samo za<br />
a = 2≤ x < L = 5.<br />
Z odvajanjem dobimo še zasuke, momente in prečne sile. Za prvi<br />
del nosilca so le-ti<br />
8 3 2<br />
E.I z. u' a ( x)./ P = − x<br />
5 10<br />
Mz( x)/ P =− E.Iz. u'' a ( x)/ P = . x<br />
6<br />
10<br />
3<br />
Vy (x)/P = −E.I<br />
z.u''<br />
a (x)/P =<br />
5<br />
in za drugi del nosilca<br />
54 1 2<br />
E.I z. u' b ( x)/ P = − 2.<br />
x + x<br />
15 5<br />
2<br />
Mz( x) =− E.Iz. u'' b ( x)/ P = 2 − x<br />
5<br />
Vy( x) =− E.Iz. u''' b ( x)/ P =− 2<br />
5 .<br />
Enačbe za momente in prečne sile lahko seveda veliko lažje<br />
izpeljemo direktno iz ravnotežnih enačb statike in tako<br />
preverimo gornje rezultate. Za konec še narišimo upogibe,<br />
zasuke, momente ter prečne sile za naš “sestavljeni” nosilec<br />
(slika Z.5.3).
TRDNOST 199<br />
Slika Z.5.3. Potek upogibov, zasukov, upogibnih momentov ter<br />
prečnih sil za nosilec s koncentrirano silo.
TRDNOST 200<br />
7. UKLON<br />
7.1. Uvod.<br />
Pri tlačni osni obremenitvi stebrov (centrični osni sili) je<br />
potek deformacij ter v skrajnem primeru porušitev stebra<br />
povsem drugačna, kot pri vseh obremenitvah, ki smo jih doslej<br />
obravnavali. Za primer glej primerjavo osne in upogibne<br />
obremenitve na sliki 1 ter potek pomikov na sliki 2.<br />
Slika 1. Centrična osna obremenitev (slika a) in upogibna<br />
obremenitev (slika b).<br />
Za upogibno obremenitev je značilno, da so pomiki, deformacije<br />
in napetosti linearno proporcionalne obremenitvi. Tako so na<br />
sliki 1.b upogibni momenti, povesi u ter napetosti linearno<br />
odvisni od sile P. Na primer, upogibni moment v preseku<br />
določenem z vrednostjo koordinate x je enak<br />
M(x,P) = P.(L-x),<br />
u0<br />
kjer je L dolžina konzole. Pri centrični osni obremenitvi,<br />
pravimo ji tudi uklonska obremenitev (slika 1.a), pa so<br />
pomiki, deformacije in napetosti nelinearno odvisni od sile P.<br />
Tako je upogibni moment v preseku določenem z vrednostjo<br />
koordinate x enak<br />
M(x,u,P) = P.(u0–u(x)),<br />
x<br />
u(x,P)<br />
u(x,P)<br />
x<br />
(b) upogib<br />
u(P)<br />
P
TRDNOST 201<br />
torej je odvisen tako od sile P kot od pomika u! Kot bomo<br />
kasneje ugotovili, je rezultat tega, da pri povečevanju osne<br />
sile P sprva ni nikakršnih prečnih pomikov, ko pa se le ti<br />
pojavijo pa se tudi pri konstantni osni sili povečujejo do<br />
porušitve stebra (glej diagram na sliki 2)! Temu pojavu<br />
pravimo uklon, silo pri kateri pride do porušitve pa imenujemo<br />
uklonska sila. Značilno za uklon je, da so napetosti, ko<br />
dosežemo uklonsko silo, lahko bistveno manjše od porušnih<br />
napetosti materiala. Ta pojav je v inženirstvu zelo nevaren,<br />
saj lahko pride do porušitve že pri majhnih obtežbah, kjer so<br />
napetosti lahko bistveno manjše od trdnosti materiala, hkrati<br />
pa pred porušitvijo ni opaziti »opozorilnih« deformacij.<br />
bifurkacijska<br />
točka<br />
(1),(2),(3)<br />
možni pomiki u<br />
zaradi<br />
obremenitve na<br />
slike 1.a<br />
(1)<br />
P<br />
(3)<br />
upogibni poves u<br />
zaradi obremenitve na<br />
sliki 1.b<br />
Slika 2. Diagram principialnega poteka uklonskega pomika in<br />
upogibnega pomika.<br />
Predpostavke. Potek deformacij prikazan na sliki 2 velja samo<br />
za idealno ravni steber iz teoretično idealno linearno<br />
elastičnega materiala, obremenjen natanko samo s centrično<br />
osno silo. V realnosti ti pogoji niso nikoli natančno<br />
izpolnjeni. Že relativno majhna odstopanja od njih lahko<br />
precej spremenijo potek deformacij in napetosti. Ker bomo v<br />
teoretični izpeljavi predpostavili, da je material idealno<br />
linearno elastičen do zloma pri napetosti σ0, izpeljani<br />
teoretični rezultati služijo samo študiju uklonskega pojava in<br />
oceni stabilnosti. Za natančnejšo analizo uklonskih pojavov je<br />
potrebno upoštevati dejanske lastnosti materiala, ki niso<br />
linearne ter predpostavljeno ali dejansko ukrivljenost stebra<br />
in ekscentričnost obremenitve. Tedaj uklon analiziramo v<br />
okviru nelinearne teorije, numerične izračune pa lahko<br />
izvedemo z iterativnimi postopki.<br />
(2)<br />
u
TRDNOST 202<br />
7.2. Izpeljava uklonske sile.<br />
Zaradi odvisnosti obremenitve od deformacij moramo opazovati<br />
ravnotežje na deformiranem stanju. Opazujmo ravnotežje na<br />
členkasto podprtem stebru (slika 3).<br />
Za vsak del stebra, od x=0 do x, dobimo iz momentnega<br />
ravnotežja zvezo med obremenilnim upogibnim momentom in osno<br />
silo<br />
MN(x) - N.u(x) = 0, (1.a)<br />
kjer smo tlačno osno silo zapisali kot pozitivno, torej N>0.<br />
L<br />
Slika 3. Ravnotežje na deformiranem stebru.<br />
N<br />
x<br />
M(x)<br />
Upogibni moment notranjih sil pa je v skladu z enačbo<br />
upogibnice podan z<br />
Mσ(x)=-E.I.u˝(x), (1.b)<br />
kjer je E elastični modul, I pa vztrajnostni moment preseka.<br />
Pri tem smo predpostavili, da smo y in z os postavili v smeri<br />
glavnih vztrajnostnih osi.<br />
Iz enakosti obremenilnega upogibnega momenta in momenta<br />
notranjih sil,<br />
Mσ(x)= MN(x), (2)<br />
N<br />
u(x)<br />
u
TRDNOST 203<br />
in gornjih enačb 1.a in 1.b dobimo diferencialno enačbo<br />
uklona, ki se imenuje Eulerjeva uklonska enačba:<br />
E.I.u˝(x)+ N.u(x) = 0 . (3.a)<br />
Preden jo rešimo, jo še preuredimo. Z oznako η,<br />
η 2 = N/EI >0, (3.b)<br />
jo zapišemo<br />
u˝(x)+ η 2 .u(x) = 0<br />
. (3.c)<br />
Kot bomo videli, obstaja netrivialna rešitev gornje enačbe<br />
samo za določene vrednosti η, oziroma po enačbi 3.b za<br />
določene vrednosti osne sile. (V matematiki jih imenujemo<br />
lastne vrednosti diferencialne enačbe. Uklon torej matematično<br />
obravnavamo kot problem lastnih vrednosti).<br />
Rešimo gornjo enačbo na sledeči način. Ko izračunamo korene<br />
karakteristične enačbe in jih vstavimo v splošno rešitev<br />
diferencialne enačbe, dobimo za realno rešitev<br />
u(x)=A.sin(ηx)+ B.cos(ηx), (3.d)<br />
kjer sta A in B konstanti, ki ju določimo iz robnih pogojev:<br />
pri x=0 je pomik u(0)=0 (4.a)<br />
pri x=L je pomik u(L)=0. (4.b)<br />
Iz prvega pogoja takoj ugotovimo, da je B=0. Drugi robni pogoj<br />
nam da enačbo<br />
u(L)=0=A.sin(ηL) (5)<br />
in je izpolnjen, ko je A=0 (trivialna rešitev) ali pa ko je<br />
sin(ηL)=0. (6)<br />
Ker nas zanimajo samo rešitve, kjer je u(x)≠0, to je<br />
netrivialna rešitev, je gornja enačba izpolnjena samo za<br />
vrednosti<br />
ηL= ± n.π, n=0,1,2… (7)
TRDNOST 204<br />
Upoštevaje definicijo η (enačba 3.b), dobimo iz gornje enačbe<br />
Eulerjevo uklonsko silo<br />
N<br />
u<br />
2<br />
( nπ)<br />
E.<br />
I<br />
= . (8)<br />
2<br />
L<br />
Samo pri silah, ki so enake Eulerjevi uklonski sili, je možen<br />
izklon stebra. Pri ostalih vrednostih je namreč enačba 6<br />
izpolnjena samo za A=0, torej za nični pomik. Za nični n je<br />
formalna rešitev nezanimiva – ker ni obremenitve z upogubnim<br />
momentom. Z n=1 dobimo najmanjšo Eulerjevo silo, kjer že<br />
nastopi uklon. Ta je inženirsko najpomembnejša, ker<br />
predstavlja najmanjšo mejno obremenitev, ki je ne smemo<br />
doseči. Imenujemo jo kritična uklonska sila.<br />
Pri Eulerjevi sili je enačba 6 izpolnjena za vsak A, ki<br />
predstavlja amplitudo pomika. Teoretično je zato pomik<br />
nedoločen in je ravnotežno stanje možno pri poljubni<br />
amplitudi. Vrednosti za konstante A so torej lahko tudi<br />
negativne (izklon na negativno stran) in nične. Zaradi tega so<br />
na diagramu 2 narisane različne možnosti pomikov pri točki, ki<br />
jo imenujemo bifurkacijska točka (v diagramu razvejiščna<br />
točka), kjer rešitev za pomike ni enolična.<br />
7.3. Problem stabilnosti.<br />
Pri značilnostih uklonskega problema je pomembno analizirati<br />
stabilnost. Za sile, ki so manjše od kritične uklonske sile,<br />
je stanje stabilno. Pri kritični sili pa je stanje<br />
indiferentno oziroma labilno. To lahko matematično ugotovimo<br />
zelo nazorno tudi s pomočjo energetskih principov. Neposredno<br />
pa na način, ki je primeren za analizo realnih stanj, kjer<br />
sile niso idealno centrične in material ni idealno linearno<br />
elastičen in homogen. Osnovna značilnost stabilnega stanja<br />
sistema (stebra) je namreč, da se pod dodatno obremenitvijo<br />
(majhno motnjo v obtežnem stanju) vzpostavi novo ravnotežno<br />
stanje ob malo spremenjeni deformacijski konfiguraciji. Po<br />
umiku motnje se sistem vrne v začetno stanje. Pri labilnem pa<br />
se deformacije povečujejo, če ni drugih omejitev, do<br />
porušitve.<br />
Diferencialna enačba uklona (enačba 3.c) in enačba 2<br />
predstavljata enakost obremenilnega momenta in momenta<br />
notranjih sil. Pri kritični uklonski sili je ta enakost za vse<br />
velikosti upognjenosti stebra, ˝nosilnost notranjih sil je<br />
natanko izčrpana˝. Tako se pri povečani obtežbi ne more več<br />
vzpostaviti ravnotežje – deformacije se povečajo do porušitve.
TRDNOST 205<br />
Pri uklonski sili tako steber izgubi stabilnost. Zaradi tega<br />
uklonski problem smatramo za stabilnostni problem.<br />
Pri osnih obremenitvah N, ki so manjše od kritične sile, N
TRDNOST 206<br />
Slika 4. Prvi dve uklonski obliki in pripadajoči uklonski<br />
sili.<br />
L<br />
Lu=L<br />
Nu<br />
L<br />
N<br />
Lu=2L<br />
N<br />
n=2, Nu=(2π) 2 EI/L 2<br />
n=1, Nu=π 2 EI/L 2<br />
Nu Nu Nu<br />
Lu=L/2<br />
Lu=L/√2<br />
Slika 5. Računske uklonske dolžine Lu za nekatere tipične<br />
primere.
TRDNOST 207<br />
Na enak način izračunamo uklonske sile še za druge primere, ki<br />
so prikazani na sliki 5. Velja omeniti, da je za te primere<br />
reševanje diferencialne enačbe uklona (enačba3.a) matematično<br />
bolj zahtevno, kot za prikazani primer.<br />
Vse uklonske sile zapišemo z enotnim obrazcem<br />
2<br />
π E.<br />
I E.<br />
I<br />
N u = ≈ 10 , (9)<br />
L L<br />
2<br />
u<br />
2<br />
u<br />
kjer je Lu uklonska dolžina in je izražena z dejansko dolžino<br />
stebra L. Geometrično je uklonska dolžina stebra razdalja med<br />
infleksijskimi točkami uklonske krivulje pomikov. To so točke<br />
kjer ukrivljenost spremeni predznak, ukrivljenost je nična,<br />
zato so tam upogibni momenti nični. Tako so na teh mestih<br />
enaki pogoji, kot robni pogoji pri zgoraj obravnavanem<br />
primeru.<br />
7.5. Napetosti pri uklonu.<br />
Dokler je osna sila manjša od uklonske sile, so napetosti v<br />
stebru enake<br />
σx = N/A za N < Nu. (10)<br />
Mejno vrednost te napetosti dosežemo pri uklonski sili in jo<br />
imenujemo uklonska napetost<br />
σu = Nu/A. (11)<br />
Zaradi enostavnosti in preglednosti inženirske analize<br />
uklonske stabilnosti je ugodno, da uklonsko napetost<br />
primerjamo s porušno napetostjo σ0. To je napetost, ki privede<br />
do porušitve materiala, ko ni uklona (porušna tlačna<br />
napetost). Razmerje teh napetosti označimo z ω in je enako<br />
σ<br />
N<br />
Aσ<br />
0 0<br />
0<br />
ω = = = . (13)<br />
2 2<br />
σ u N e π EI / L<br />
ω nam pove za kolikokrat moramo zmanjšati osno obremenitev v<br />
primeru uklonske nevarnosti. Iz gornje enačbe dobimo neporušne<br />
obremenitve<br />
1<br />
σ x ≤ σ u = σ0<br />
(14.a)<br />
ω<br />
oziroma
TRDNOST 208<br />
1<br />
≤ N u = σ A<br />
(14.b)<br />
ω<br />
N 0<br />
Iz gornje enačbe in enačbe 9 lahko izračunamo ω<br />
2<br />
A.<br />
L u<br />
ω = σ 2 0 , (15)<br />
π EI<br />
ki je za pomembnejše inženirske primere tabeliran v<br />
inženirskih priročnikih. Iz enačbe 9 vidimo, da je uklonska<br />
sila odvisna od faktorja<br />
2<br />
ALu 2<br />
λ = . (16)<br />
I<br />
λ imenujemo vitkost stebra in ga izračunamo samo iz<br />
geometrijskih količin stebra. Z njo lahko iz enačbe 9 izrazimo<br />
uklonsko silo in uklonsko napetost:<br />
N<br />
u<br />
A<br />
2<br />
π<br />
= σ u = E , (17)<br />
2<br />
λ<br />
kot tudi vrednosti ω<br />
2<br />
λ<br />
ω = σ0A<br />
. (18)<br />
2<br />
π
TRDNOST 209<br />
Slika 6. Principialni potek Eulerjeve hiperbole ter prikaz<br />
mejne trdnosti materiala σ0 in pripadajoče vitkosti λ0.<br />
Spreminjanje uklonskih napetosti od dimenzij in oblike stebra<br />
nazorno prikazujemo z risanjem diagrama funkcijske odvisnosti<br />
σ<br />
u<br />
uklonska<br />
napetost<br />
[GPa]<br />
= σ<br />
u<br />
σ0<br />
( λ)<br />
0.12<br />
0.1<br />
0.08<br />
0.06<br />
0.04<br />
0.02<br />
0<br />
0 20 40 60 80 100<br />
λ0<br />
vitkost λ<br />
Eulerjeva<br />
hiperbola<br />
v skladu z enačbo 17. Na sliki 6 je prikazana tak diagram,<br />
krivuljo pa imenujemo Eulerjeva hiperbola.<br />
Kvantitativno diagram odgovarja razmeram, ki jih srečamo pri<br />
betonskih stebrih.<br />
Če pri konstantnem EI večamo dolžino stebra, se vitkost<br />
povečuje (enačba 16) in uklonske napetosti se naglo<br />
zmanjšujejo, glej enačbo 17 diagram na sliki 6. Pri manjšanju<br />
vitkosti je smiselno upoštevati samo uklonske napetosti, ki so<br />
manjše od trdnosti materiala σ0, ki ji pripada vitkost λ0. Pri<br />
tej vitkosti je nevarnost uklona enaka nevarnosti porušitve<br />
materiala. Za manjše vitkosti, λ
TRDNOST 210<br />
Zgled 1.<br />
Imamo 3m visoki konzolni betonski steber, presek stebra je<br />
kvadraten s stranico a=0,2m in modul elastičnosti E=30GPa,<br />
trdnost pa je σ0=40MPa (slika Z.1).<br />
(1) Izračunajmo Eulerjevo uklonsko silo.<br />
(2) Izračunajmo stranico kvadratnega preseka, da bo steber<br />
prenesel osno silo P = 1,50MN.<br />
(3) Kolikšna naj bo osna sila in višina stebra, da bo<br />
uklonska napetost enaka trdnosti materiala σ0 = 40MPa?<br />
Slika Z.1. Konzolni steber ter njegove geometrijske in<br />
materialne karakteristike.<br />
Izračun.<br />
Ad (1). Uklonska dolžina stebra je<br />
Lu=2.L=2.3m=6m<br />
Uklonska sila je<br />
E.<br />
I<br />
= π 2<br />
L<br />
L=3m<br />
20GPa.(<br />
0,<br />
2m)<br />
( 6m)<br />
Nu 2<br />
= π<br />
2<br />
2<br />
u<br />
Uklonska napetost je<br />
N<br />
4<br />
/ 12<br />
a=0,2m<br />
= 731,<br />
08kN<br />
presek<br />
a=0,2m<br />
σu = Nu/A = 0,73108MN/(0,2m) 2 = 18,277MPa < σ0 = 40MPa<br />
E=20GPa<br />
σ0=40MPa
TRDNOST 211<br />
in je manjša od trdnosti materiala. Zato je teoretično<br />
merodajna Eulerjeva uklonska sila 73,108MN.<br />
Ad (2)<br />
2 E.<br />
IP<br />
P = Nu<br />
= π 2<br />
Lu<br />
kjer je vztrajnostni moment enak<br />
IP=(aP) 4 /12.<br />
Iz gornjih dveh enačb dobimo stranico kvadratnega preseka<br />
konzole<br />
a<br />
P<br />
2<br />
2<br />
12PL<br />
12.<br />
1,<br />
5MN.(<br />
6m)<br />
4 u 4<br />
u<br />
= =<br />
= 0,<br />
239m<br />
.<br />
2<br />
2<br />
π E π 20GPa<br />
Uklonska napetost pa je<br />
σu = P/A = 1,50MN/(0,239m) 2 = 26,260MPa < σ0 = 40MPa.<br />
Ad (3) Iz enakosti uklonske napetosti in trdnosti materiala<br />
dobimo enačbo<br />
P π<br />
E.<br />
I<br />
2 P<br />
0 = σ0.<br />
A = Nu<br />
= , 2<br />
( 2L0)<br />
iz nje pa višino konzole<br />
L<br />
0<br />
4<br />
2 E.<br />
IP<br />
2 20GPa.(<br />
0,<br />
2m)<br />
/ 12<br />
= π = π<br />
= 0,<br />
639m<br />
.<br />
4σ<br />
4.<br />
40MPa<br />
0<br />
Zgled 2.<br />
Izračunajmo uklonsko dolžino stebra, ki je spodaj vpet zgoraj<br />
pa drsno členkasto podprt (steber na skrajni desni slike 5).<br />
Rešitev. Robni pogoji za tak steber so štirje. Na obeh<br />
podporah sta pomika nična , na spodnji je še zasuk, na zgornji<br />
pa upogibni moment ničen. Enačba uklona, enačba 3.a, je<br />
diferencialna enačba drugega reda, kjer ne moremo aplicirati<br />
štiri robne pogoje. Zato jo z dvakratnim odvajanjem spremenimo<br />
v 4. reda,<br />
u (iv) (x)+ η 2 .u˝(x) = 0,
TRDNOST 212<br />
kjer lahko apliciramo vse zahtevane robne pogoje. Rešitev<br />
diferencialne enačbe dobimo iz korenov karakterističnega<br />
polinoma, ki so<br />
s 4 + η 2 s 2 =0,<br />
ki so s1=0, s2=0, s3=-iη, s4=iη.<br />
S temi koreni je splošno rešitev enaka<br />
u(x)=A.e s1.x +B.x.e s2.x +C1 .e s3.x + C2 .e s4.x .<br />
Ko vanjo vstavimo vrednosti korenov in upoštevamo samo realne<br />
rešitve, dobimo enačbo<br />
u(x)=A+B.x+C.sin(ηx)+D.cos(ηx), (Z.2.1)<br />
kjer moramo še določiti konstante in robnih pogojev.<br />
Če postavimo začetek koordinatnega sistema v spodnjo podporo,<br />
so robni pogoji sledeči<br />
Za x=0 je u(0)=0 in u'(0)=0<br />
Za x=L je u(L)=0 in u˝(0)=0.<br />
Ko te pogoje vstavimo v splošno rešitev, enačba Z.2.1, dobimo<br />
štiri enačbe za izračun konstant, ki jih zapišemo z matrikami<br />
⎡1<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎢1<br />
⎢<br />
⎣0<br />
0<br />
1<br />
L<br />
0<br />
0<br />
η<br />
sin( ηL)<br />
2<br />
− η sin( ηL)<br />
1 ⎤⎡A⎤<br />
⎡0⎤<br />
0<br />
⎥⎢<br />
⎥ ⎢ ⎥<br />
⎥⎢<br />
B<br />
⎥ = ⎢<br />
0<br />
⎥ .<br />
cos( ηL)<br />
⎥⎢C<br />
⎥ ⎢0⎥<br />
2 ⎥⎢<br />
⎥ ⎢ ⎥<br />
− η cos( ηL)<br />
⎦⎣D⎦<br />
⎣0⎦<br />
Netrivialna rešitev obstaja samo tedaj, ko je determinanta<br />
koeficientov nična. Ko izračunamo to determinanto dobimo<br />
enačbo<br />
ηL - tan(ηL)=0,<br />
kjer je prva rešitev<br />
Lη1 = 4.49341.<br />
Ta rešitev da po enačbi 3.b najmanjšo uklonsko silo<br />
N1 = (η1/L) 2 .EI ≈ (1,43π) 2 EI/L 2<br />
in pripadajočo uklonsko dolžino
TRDNOST 213<br />
Lu=L/√2=0,7L.<br />
- 0 -