Průhyb ocelového nosníku. Nezatížený a rovnoměrně zatížený nosník

Podobné dokumenty
Harmonický pohyb tělesa na pružině

Kmitání tělesa s danou budicí frekvencí

Vzpěr jednoduchého rámu, diferenciální operátory. Lenka Dohnalová

NOSNÍK NA PRUŽNÉM PODLOŽÍ (WINKLEROVSKÉM)

Ztráta stability tenkých přímých prutů - vzpěr

4.1 Řešení základních typů diferenciálních rovnic 1.řádu

Diferenciální rovnice 3

4. OBYČEJNÉ DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE

8. Okrajový problém pro LODR2

Literatura: Text o lineární algebře na webových stránkách přednášejícího (pro opakování). Kapitoly 4 a 5 ze skript Ondřej Zindulka: Matematika 3,

Pružnost a pevnost. zimní semestr 2013/14

Téma 12, modely podloží

Řešíme tedy soustavu dvou rovnic o dvou neznámých. 2a + b = 3, 6a + b = 27,

Diferenciální rovnice 1

Diferenciální rovnice

Necht na hmotný bod působí pouze pružinová síla F 1 = ky, k > 0. Podle druhého Newtonova zákona je pohyb bodu popsán diferenciální rovnicí

Kapitola 4. Tato kapitole se zabývá analýzou vnitřních sil na rovinných nosnících. Nejprve je provedena. Každý prut v rovině má 3 volnosti (kap.1).

Šesté cvičení bude vysvětlovat tuto problematiku:

Diferenciální počet 1 1. f(x) = ln arcsin 1 + x 1 x. 1 x 1 a x 1 0. f(x) = (cos x) cosh x + 3x. x 0 je derivace funkce f(x) v bodě x0.

MATEMATIKA III. Olga Majlingová. Učební text pro prezenční studium. Předběžná verze

8.1. Separovatelné rovnice

1. Měření hodnoty Youngova modulu pružnosti ocelového drátu v tahu a kovové tyče v ohybu

y = 1 x (y2 y), dy dx = 1 x (y2 y) dy y 2 = dx dy y 2 y y(y 4) = A y + B 5 = A(y 1) + By, tj. A = 1, B = 1. dy y 1

9.7. Vybrané aplikace

8.3). S ohledem na jednoduchost a názornost je výhodné seznámit se s touto Základní pojmy a vztahy. Definice

CVIČNÝ TEST 24. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Kateřina Nováková. II. Autorské řešení 6 III. Klíč 13 IV. Záznamový list 15

Diferenciální rovnice

Obsah Obyčejné diferenciální rovnice

Příklad 7 Průhyb nosníku - složitější případ

K618 FD ČVUT v Praze (pracovní verze). Tento materiál má pouze pracovní charakter a bude v průběhu semestru

Obyčejné diferenciální rovnice

ZÁKLADNÍ ÚLOHY TEORIE PLASTICITY Teoretické příklady

Cvičení 7 (Matematická teorie pružnosti)

, = , = , = , = Pokud primitivní funkci pro proměnnou nevidíme, pomůžeme si v tuto chvíli jednoduchou substitucí = +2 +1, =2 1 = 1 2 1

rovnic), Definice y + p(x)y = q(x), Je-li q(x) = 0 na M, nazývá se y + p(x)y =

Kapitola 10: Diferenciální rovnice 1/14

KMITÁNÍ PRUŽINY. Pomůcky: Postup: Jaroslav Reichl, LabQuest, sonda siloměr, těleso kmitající na pružině

9.5. Soustavy diferenciálních rovnic

Přetvořené ose nosníku říkáme ohybová čára. Je to rovinná křivka.

PRUŽNOST A PLASTICITA I

Derivace funkce. prof. RNDr. Čestmír Burdík DrCs. prof. Ing. Edita Pelantová CSc. Katedra matematiky BI-ZMA ZS 2009/2010

Teorie. Hinty. kunck6am

Autor: Vladimír Švehla

Prizmatické prutové prvky zatížené objemovou změnou po výšce průřezu (teplota, vlhkost, smrštění )

1 Modelování systémů 2. řádu

3.1. Newtonovy zákony jsou základní zákony klasické (Newtonovy) mechaniky

VÝPOČET VLASTNÍCH FREKVENCÍ RÁMU

Okruhy problémů k teoretické části zkoušky Téma 1: Základní pojmy Stavební statiky a soustavy sil

LDF MENDELU. Simona Fišnarová (MENDELU) LDR druhého řádu VMAT, IMT 1 / 22

1. Řešená konstrukce Statické řešení Výpočet průhybové čáry Dynamika Vlastní netlumené kmitání...

(Poznámka: V MA 43 je věta formulována trochu odlišně.)

1.8. Mechanické vlnění

JEDNOTKY. E. Thöndel, Ing. Katedra mechaniky a materiálů, FEL ČVUT v Praze. Abstrakt

Vliv okrajových podmínek na tvar ohybové čáry

1 Rozdělení mechaniky a její náplň

Metoda nejmenších čtverců Michal Čihák 26. listopadu 2012

Obsah. Kmitavý pohyb. 2 Kinematika kmitavého pohybu 2. 4 Dynamika kmitavého pohybu 7. 5 Přeměny energie v mechanickém oscilátoru 9

Příklad oboustranně vetknutý nosník

Téma 13, Úvod do dynamiky stavebních konstrukcí dynamiky

OTÁZKY K PROCVIČOVÁNÍ PRUŽNOST A PLASTICITA II - DD6

(0, y) 1.3. Základní pojmy a graf funkce. Nyní se již budeme zabývat pouze reálnými funkcemi reálné proměnné a proto budeme zobrazení

ZDM PŘÍMÉ NOSNÍKY. Příklad č. 1. Miloš Hüttner SMR2 ZDM přímé nosníky cvičení 09. Zadání

Prvky betonových konstrukcí BL01 3. přednáška

3.2 Základy pevnosti materiálu. Ing. Pavel Bělov

Materiálové vlastnosti: Poissonův součinitel ν = 0,3. Nominální mez kluzu (ocel S350GD + Z275): Rozměry průřezu:

Teorie. Hinty. kunck6am

GE - Vyšší kvalita výuky CZ.1.07/1.5.00/

11. přednáška 10. prosince Kapitola 3. Úvod do teorie diferenciálních rovnic. Obyčejná diferenciální rovnice řádu n (ODR řádu n) je vztah

(test version, not revised) 9. prosince 2009

Střední průmyslová škola strojírenská a Jazyková škola s právem státní jazykové zkoušky, Kolín IV, Heverova 191

7. Derivace složené funkce. Budeme uvažovat složenou funkci F = f(g), kde některá z jejich součástí

Odvození středové rovnice kružnice se středem S [m; n] a o poloměru r. Bod X ležící na kružnici má souřadnice [x; y].

ANALÝZA KONSTRUKCÍ. 5. přednáška

Pružnost a pevnost (132PRPE) Písemná část závěrečné zkoušky vzorové otázky a příklady. Část 1 - Test

Prvky betonových konstrukcí BL01 3. přednáška

Lineární stabilita a teorie II. řádu

Nauka o Kmitání Přednáška č. 4

Extremální úlohy ve stavitelství

METODICKÝ NÁVOD MODULU

Téma 2 Napětí a přetvoření

KLASICKÁ MECHANIKA. Předmětem mechaniky matematický popis mechanického pohybu v prostoru a v čase a jeho příčiny.

Diferenciální rovnice separace proměnných verze 1.1

PŘECHODOVÝ JEV V RC OBVODU

Sedmé cvičení bude vysvětlovat tuto problematiku:

Pružnost a pevnost. 2. přednáška, 10. října 2016

Nalezněte obecné řešení diferenciální rovnice (pomocí separace proměnných) a řešení Cauchyho úlohy: =, 0 = 1 = 1. ln = +,

Extrémy funkce dvou proměnných

Příklady pro předmět Aplikovaná matematika (AMA) část 1

Fakt. Každou soustavu n lineárních ODR řádů n i lze eliminací převést ekvivalentně na jednu lineární ODR

Lineární diferenciální rovnice 1. řádu verze 1.1

Vybrané okruhy znalostí z předmětů stavební mechanika, pružnost a pevnost důležité i pro studium předmětů KP3C a KP5A - navrhování nosných konstrukcí

( r ) 2. Měření mechanické hysterezní smyčky a modulu pružnosti ve smyku

Úvod do analytické mechaniky

em do konce semestru. Obsah Vetknutý nosník, str. 8 Problém č.8: Průhyb nosníku - Ritzova metoda

Střední průmyslová škola strojírenská a Jazyková škola s právem státní jazykové zkoušky, Kolín IV, Heverova 191

Nyní využijeme slovník Laplaceovy transformace pro derivaci a přímé hodnoty a dostaneme běžnou algebraickou rovnici. ! 2 "

NAMÁHÁNÍ NA OHYB NAMÁHÁNÍ NA OHYB

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium 2015

f(x) = arccotg x 2 x lim f(x). Určete všechny asymptoty grafu x 2 2 =

Literatura: O. Zindulka: Matematika 3 (kapitola 4, kapitola 5)

Transkript:

EVROPSKÝ SOCIÁLNÍ FOND Průhyb ocelového nosníku. Nezatížený a rovnoměrně zatížený nosník PRAHA & EU INVESTUJEME DO VAŠÍ BUDOUCNOSTI České vysoké učení technické v Praze, Fakulta stavební, Katedra matematiky Posílení vazby teoretických předmětů a profesní orientace v prvních dvou ročnících bakalářského studijního programu Stavební inženýrství

Obyčejné diferenciální rovnice s okrajovými podmínkami Uvažujeme nosník délky L s konstantním průřezem z homogenního pružného materiálu, např. oceli. Průhyb nosníku je. Ocelový nosník je na obou koncích volně podepřen a je rovnoměrně zatížen. Intenzita zatížení f() je tedy konstantní a je rovna q.

Pokud na nosník ve směru jeho osy působí tlaková síla (F > ) popř. tahová síla F <, řešíme obyčejnou diferenciální rovnici s okrajovými podmínkami EIu (4) ()+Fu () = q (1) u() = u () = u(l) = u (L) =, (2) kde E je Youngův modul pružnosti a I je moment setrvačnosti průřezu nosníku vzhledem k ohybové ose. Po dvojí integraci rovnice (1) a dosazení okrajových podmínek (2) odvodíme diferenciální rovnici (viz [3, str. 57]) EIu ()+F = q 2 ( 2 L). (3)

Poznámka. Výraz F q 2 ( 2 L) v rovnici (3) odpovídá momentu sil, který působí na bod[, ]. Pro lineárně pružný materiál je křivost prohnutého nosníku (aproimovaná druhou derivací průhybu u ()) úměrná momentu sil nosníku. Okrajová úloha 1. Nezatížený volně podepřený nosník. Odvod te průhyb volně podepřeného ocelového nosníku, který není zatížený. Uvažujte tlakovou sílu F >, tahovou sílu F < i F =. Dokažte, že pro F < a F = eistuje pouze triviální řešení. Protože nosník není zatížený, položíme v rovnici (3) q = a řešíme okrajovou úlohu s okrajovými podmínkami u + F EI u = (4) u() = u(l) =. (5)

Zaprvé budeme uvažovat tlakovou sílu F >. Zavedením označení ω 2 = F EI v rovnici (4) dostaneme rovnici u +ω 2 u =. (6) Obecné řešení rovnice (6) potom je, viz např. prezentace [1], = C 1 cosω + sinω. Dosazením okrajových podmínek (5) vypočteme C 1 =, sinωl =.

Pokud délka L nosníku bude taková, že ωl = kπ, k Z, čemuž odpovídá tlaková síla F = k 2 π 2 EI, bude řešení okr. úlohy 1 L2 = sin kπ L. (7) Grafy průhybů nosníku pro okrajovou úlohu 1 [L = 2, ω = π ] [L = 2, ω = π] 2.5 1 =1 =3 3 2 1 1.5 2 2.5 1 2 =1 =3 3 3

Grafy průhybů nosníku pro okrajovou úlohu 1 [L = 2, ω = 3π ] [L = 2, ω = 2π] 2 3 2 1 =1 =3 3 2 1 1 2 3 1 2 =1 =3 3 Ze vztahu (7) i z grafů vyplývá, že pro některé hodnoty součinu ωl (tedy pro některé hodnoty síly F ) má okrajová úloha nekonečně mnoho řešení. Náš matematický model nám neřekne, které z nich je nejblíže realitě.

Pokud ωl kπ, k Z, okrajová úloha 1 má pouze triviální řešení. Zadruhé uvažujeme, že F =. Řešením rovnice u = je = C 1 +. Dosazením okrajových podmínek (5) vypočteme =, C 1 L =. Tedy. V posledním případě uvažujeme tahovou sílu F <. Pokud F ω =, rovnice (4) přejde na EI u ω 2 u =. (8)

Obecné řešení rovnice (8) je, viz např. prezentace [1], = C 1 e ω + e ω. Dosazením okrajových podmínek (5) řešíme soustavu dvou rovnic pro neznámé C 1, C 1 + = C 1 e ωl + e ωl =. Tedy C 1 = = a řešení okrajové úlohy 1 je. Poznámka. Náš model neuvažuje podélné prodloužení nosníku, na nějž působí osová síla.

Okrajová úloha 2. Narozdíl od okrajové úlohy 1 počítejte s okrajovými podmínkami u() = u (L) =. (9) Uvažujte tlakovou sílu F >, tahovou sílu F < i F =. Dokažte, že pro F < a F = eistuje pouze triviální řešení. Stejně jako v okrajové úloze 1 vyjdeme z rovnice (4) u + F u =, ale s novými okrajovými podmínkami (9). EI

Zaprvé uvažujeme tlakovou sílu F >. Jako v okrajové úloze 1 řešíme rovnici (6) u +ω 2 u =. Obecným řešením rovnice (6) je = C 1 cosω + sinω. Dosazením okrajových podmínek (9) vypočteme C 1 =, ω cosωl =. Pokud délka L nosníku bude taková, že ωl = (k + 1 2 )π, k Z, čemuž odpovídá tlaková síla F = (k+ 1 2 )2 π 2 EI, bude řešení L 2 okrajové úlohy 2 = sin (k + 1 2 )π. (1) L

Grafy průhybů nosníku pro okrajovou úlohu 2 [L = 2, ω = π 4 ] [L = 2, ω = 3π 4 ].5 =1 =3 3 2 =1 =3 1 1 1.5 2 1 2.5 2 3 3

Grafy průhybů nosníku pro okrajovou úlohu 2 [L = 2, ω = 5π 4 ] [L = 2, = 1] 3 2 1 =1 =3 1.5 ω=5π/4 ω=3π/4 ω=π/4 1.5 2 3 1 Ze vztahu (1) i z grafů vyplývá, že pro některé hodnoty součinu ωl (tedy pro některé hodnoty síly F ) má okrajová úloha nekonečně mnoho řešení.

Pokud ωl (k + 1 2 )π, k Z, okrajová úloha 2 má pouze triviální řešení. Zadruhé uvažujeme, že F =. Řešením rovnice u = je = C 1 + (stejně jako v okrajové úloze 1). Dosazením okrajových podmínek (9) obdržíme C 1 =, =. Tedy. Nakonec uvažujeme tahovou sílu F <. Tak jako v okrajové úloze 1, řešíme rovnici (8) u ω 2 u =. Jejím řešením je = C 1 e ω + e ω. Po dosazení okrajových podmínek (9) dostaneme soustavu rovnic C 1 + = C 1 e ωl e ωl =. Tedy C 1 = = a řešení okrajové úlohy 2 je.

Okrajová úloha 3. Rovnoměrně zatížený volně podepřený nosník. Určete průhyb rovnoměrně zatíženého nosníku. Uvažujte jen tahovou sílu F <. Okrajová úloha pro tlakovou sílu je vyřešena v [3, str. 58]. F Pokud uvažujeme ω =, diferenciální rovnice (3) přejde na EI u ω 2 u = q 2EI ( 2 L). (11) Okrajové podmínky (5) u() = u(l) = jsou stejné jako v okrajové úloze 1.

Homogenní řešení rovnice (11) je u h () = C 1 e ω + e ω. Partikulární řešení rovnice (11) hledáme pomocí metody speciální pravé strany, viz např. prezentace [2] nebo [3, str. 31] u p = A 2 + B + C, u p = 2A. (12) Partikulární řešení (12) dosadíme do rovnice (11) a obdržíme 2A Aω 2 2 Bω 2 ω 2 C = q 2 2EI ql 2EI.

Z toho vyplývá, že A = q 2EIω 2, B = ql 2EIω 2, C = q EIω 4 a u p () = q 2EIω 2( 2 L) q EIω 4. Obecné řešení rovnice (11) je součet homogenního a partikulárního řešení = C 1 e ω + e ω q 2EIω 2( 2 L) q EIω 4. Po dosazení okrajových podmínek (5) do obecného řešení pak řešíme soustavu dvou rovnic pro hledané neznámé C 1,

C 1 + q EIω 4 = C 1 e ωl + e ωl q EIω 4 =. Jejím řešením jsou C 1 = q(1 e ωl ) EIω 4 (e ωl e ωl ), = Obecné řešení okrajové úlohy 3 je tedy = q(e ωl 1) EIω 4 (e ωl e ωl ). q EIω 4 (e ωl e ωl ) [(1 e ωl )e ω +(e ωl 1)e ω ] q 2EIω 2( 2 L) q EIω 4. Narozdíl od výsledků okrajových úloh 1 a 2, které obsahovaly konstantu, je rešení jednoznačné.

Grafy průhybů nosníku pro okrajovou úlohu 3 [L = 2, q/ei = 1, ω = π ] [L = 2, q/ei = 1, ω = π] 2.2.4.6.8.1.5.1.15.2.25.3.35.4.12.45

Grafy průhybů nosníku pro okrajovou úlohu 3 [L = 2, q/ei = 1, ω = 3π ] [L = 2, q/ei = 1] 2.5.1.2.4.6.15.2.25.8 ω=3π/2.1 ω=π ω=π/2.12 Na posledním obrázku je nejlépe vidět, že pokud se zvětšuje ω (a tedy i F pro tahovou sílu), průhyb nosníku u se zmenšuje.

Okrajová úloha 4. Narozdíl od volně podepřeného ocelového nosníku v okrajové úloze 3 počítejte s okrajovými podmínkami (9) u() = u (L) =. Uvažujte pouze tlakovou sílu F >. Rovnici (3) upravíme se zavedením ω 2 = F EI na u +ω 2 u = q 2EI ( 2 L), (13) ale s okrajovými podmínkami (9) jako v úloze 2.

Obecné řešení rovnice (13) je odvozeno v [3, str. 33 a 58] = C 1 cosω + sinω + q 2EIω 2( 2 L) q EIω 4, [u () = ωc 1 sinω +ω cosω + q 2EIω2(2 L)]. Po dosazení okrajových podmínek (9) do obecného řešení odvodíme a C 1 = q EIω 4 q EIω 3 sinωl+ω cosωl+ ql 2EIω 2 =. Pokud délka L nosníku je taková, že ωl = (k + 1 2 )π, k Z, okrajová úloha 4 nemá řešení, nebot sinωl ωl 2.

Pokud ωl (k + 1 2 )π, k Z, = q EIω 4 tgωl ql 2EIω 3 cosωl. Grafy průhybů nosníku pro okrajovou úlohu 4 [L = 2, q/ei = 1, ω = π 4 ] [L = 2, q/ei = 1, ω = 3π 4 ] 115 1 2 3 4 5 6 7 8 9 6 114 4 2 2 4 1 6

Grafy průhybů nosníku pro okrajovou úlohu 4 [L = 2, q/ei = 1, ω = 5π ] [L = 2, q/ei = 1] 4 5 113 4 3 2 115 2 1 2 4 ω=3π/4 ω=π/4 ω=5π/4 1 2 6 3 4 5 8 1 Poznámka. Tento matematický model neodpovídá realitě, nebot nosník délky 2 vykazuje body s posunutím 1 15.

[1] Harmonický pohyb tělesa na pružině. České vysoké učení technické v Praze, Fakulta stavební, Katedra matematiky. Posílení vazby teoretických předmětů a profesní orientace v prvních dvou ročnících bakalářského studijního programu Stavební inženýrství [2] Kmitání tělesa s danou budicí frekvencí. České vysoké učení technické v Praze, Fakulta stavební, Katedra matematiky. Posílení vazby teoretických předmětů a profesní orientace v prvních dvou ročnících bakalářského studijního programu Stavební inženýrství [3] Zindulka O.: Matematika 3, České vysoké učení technické v Praze. Nakladatelství ČVUT. Praha, 27