Przykład 4. Dla podanej belki napisać równania i sporządzić wykresy sił przekrojowych M, Q, N.
1. Obliczenie reakcji.
Obliczając
reakcje, korzystamy z trzech równań statyki:
Sprawdzenie:
2. Funkcje sił przekrojowych
Funkcje sił przekrojowych zapiszemy w kolejnych przedziałach, przyjmując jeden układ współrzędnych, a następnie pokażemy jak upraszają się obliczenia w ostatnim przedziale charakterystycznym po zmianie układu.
Przedział: 0 < x < 3
Obciążenie ciągłe jest rozłożone w sposób liniowo zmienny, zatem dla każdego przekroju musimy określić jego wartość. Należy zatem w pierwszej kolejności wyznaczyć funkcję obciążenia ciągłego. Możemy to zrobić pisząc jej równanie w przyjętym układzie współrzędnych (prosta przechodząca przez punkty (0, 0) i (3, 20)) lub korzystając z proporcji w trójkącie:
Teraz możemy napisać równania sił przekrojowych, redukując obciążenie trójkątne o zmiennej rzędnej q1(x).
Spełnione są oczywiście zależności różniczkowe między siłami przekrojowymi:
Przedział: 3 < x < 5
W tym przedziale do redukcji będziemy brać całkowitą wartość wypadkowej obciążenia ciągłego. Wypadkowa jest ustalona w punkcie x = 2.
Przedział: 5 < x < 8
Jak
już powiedziano na wstępie, dużo szybciej otrzymamy równania sił
przekrojowych w tym przedziale, przyjmując układ współrzędnych na końcu
belki. Teraz jednak w celach dydaktycznych napiszemy te równania nie zmieniając
na razie układu.
Widzimy, że obciążenie ciągłe w tym przedziale zmienia się liniowo - od
wartości największej do zerowej. W związku z tym do redukcji należy wziąć
obciążenie w kształcie trapezu. Wypadkową tego obciążenia jest oczywiście
równa polu powierzchni tego trapezu i położona jest w jego środku ciężkości.
Unikniemy jednak wyznaczania tej wypadkowej stosując zasadę
superpozycji. Pozwala ona zastąpić dane obciążenie trapezem, innym statycznie równoważnym
obciążeniem, złożonym z prostokąta i trójkąta.
Funkcję obciążenia zmiennego q'2 (x) korzystając z proporcji w trójkącie:
Funkcje sił przekrojowych możemy teraz zapisać następująco:
Sprawdzamy zależności różniczkowe:
Przedział: 0 < x1 < 3
Po zmianie układu współrzędnych sposób tworzenia równań znacznie się upraszcza.
Podstawiając do powyższych równań wartości w punktach charakterystycznych , można się przekonać, że wyniki są identyczne z otrzymanymi dla układu Oxz.
3. Wykresy sił przekrojowych
Przed narysowaniem wykresów momentu zginającego i siły poprzecznej, obliczymy wartości tych sił w punktach charakterystycznych belki:
Spostrzegamy, że funkcja poprzeczna w przedziale AC zmienia znak (z +15 na -15), musimy zatem określić jej miejsce zerowe, gdyż w tym punkcie moment ma wartość maksymalną. Ponieważ wykres funkcji jest parabolą, nie możemy miejsca zerowego obliczyć bezpośrednio z wykresu, jak to ma miejsce w przypadku wykresu liniowego, czyli wtedy, gdy obciążenie ciągłe jest równomiernie rozłożone. Konieczne jest zatem skorzystanie z równania siły poprzecznej w tym przedziale:
Wartość ujemna nie należy do dziedziny rozwiązania, ponieważ punkt o takiej współrzędnej nie jest położony na belce. Wybieramy zatem punkt o współrzędnej x0 = 2.12 m jako miejsce maksymalnego momentu.
Po obliczeniu wszystkich potrzebnych wartości możemy przystąpić do narysowania wykresów.
Rysunek
rozpoczynamy od wykresu siły poprzecznej. W przedziale AC wykres
jest parabolą, przechodzącą na początku przedziału przez 15
na końcu przez -15 i w punkcie x0 = 2.12
przez zero. Dodatkowa informacja jaką mamy o tym wykresie wynika z zależności
różniczkowej między siłą poprzeczną a obciążeniem ciągłym.
Ponieważ obciążenie jest pochodną siły poprzecznej, wartość obciążenia q
w danym punkcie jest równa tangesowi kąta nachylenia stycznej do wykresu siły
poprzecznej. Jest to analogiczna zależność jak między wartością siły
poprzecznej i nachyleniem stycznej do wykresu momentów. (Patrz
przykład 2).
Mamy zatem w punkcie A wartość obciążenia q = 0 więc
wykres siły poprzecznej musi być styczny do linii poziomej.
Ta informacja, plus wartości funkcji na końcach przedziału, wystarczają aby
poprawnie określić wypukłość wykresu.
UWAGA: Do określenia wypukłości wykresu siły poprzecznej nie ma ogólnej zależności, jak w przypadku wykresu momentu zginającego, który jest zawsze wypukły w kierunku działania obciążenia. Wypukłość wykresu siły poprzecznej określamy każdorazowo, korzystając z zależności różniczkowych.
Na odcinku CB wykres siły poprzecznej jest stały. Na odcinku BD mamy znów funkcję paraboliczną, o której wiemy, że na początku przedziału przechodzi przez 15, na końcu przedziału przez zero, oraz że na końcu przedziału wykres musi być styczny do linii poziomej (bo w tym punkcie obciążenie q = 0).
Wykres
momentów w przedziale AC jest funkcją trzeciego stopnia, która
osiąga wartość maksymalną w punkcie x0 = 2.12 oraz
jest styczna do wykresu liniowego w przedziale CB. Z kolei w
przedziale BD funkcja trzeciego stopnia jest styczna w punkcie D
do linii poziomej, bo tutaj siła poprzeczna QD = 0.
Wypukłość wykresu momentów zawsze w kierunku działania obciążenia.
© Mariusz Hebda |