2. Šikmé pole Určení počátku šikmého pole řetězovky d h A ϕ y A y x A x a Obr. 2.1. Souřadnie počátku šikmého pole Jestliže heme určit řetězovku, která je zavěšená v bodeh A a a je daná parametrem, je třeba určit polohu počátku vůči bodům, které mají horizontální vzdálenost a a jejih převýšení je h. Podle obr. 2.1 platí - 1 -
x xa h= osh osh z toho h x xa = osh osh z obr. 2.1 také vyplývá xa = a x h x a x = osh osh Člen osh a x rozepíšeme a dostaneme h x a x a x = osh osh osh + sinh sinh h x osh a a x = 1+ osh + sinh sinh Dalšími úpravami hyperbolikýh funkí vypočítáme hodnotu x osh x y = - 2 -
Nyní máme určenu polohu počátku a tím je daná řetězovka s průhybem f m fm = y Vrhol řetězovky nemusí být mezi závěsnými body A a. Jestliže je její vrhol mezi body A a, platí h< + osh a pokud h= + osh a je vrhol právě bod A (nižší závěs). Jestliže je h> + osh a vrhol řetězovky neleží mezi závěsnými body, ale za závěsným bodem A. Obvykle však neznáme hodnotu parametru. Na začátku při řešení nesouměrné řetězovky předpokládáme, že tečna v polovině rozpětí je rovnoběžná se spojnií bodů A a. To znamená, že k = ϕ - 3 -
xa x a x x ya + y = osh + osh = osh + osh = x a a x = osh 1+ osh sinh sinh úpravou dostaneme a x a x a ya + y = 2osh osh osh sinh sinh = 2 2 a x a a xk = 2osh osh = 2osh osh 2 2 2 kde x k je souřadnie uprostřed rozpětí. Hodnota funke v bodě se souřadnií x k xk yk = os h Určení délky vodiče při šikmém poli Délka řetězovky mezi závěsnými body A a A A x 2 2 l = 1+ y dx+ 1+ y dx dosadíme za x y = osh x - 4 -
a dostaneme A x y = sinh x x x x xa la = osh dx+ osh dx sinh sinh (m) = + 2 x Použitím předházejííh rovni dostaneme 2 2 2 2 A h A A l x x x x = sinh + sinh osh osh = x xa x xa x + xa = 2 + 2 osh osh + sinh sinh = 2osh 2 = 2 x + xa 2 a = 4sinh = 4sinh 2 2 Délka nesouměrné řetězovky je tedy 2 2 2 a la = h + 2 sinh 2 protože výraz v závore je délka souměrné řetězovky, pro nesouměrnou řetězovku platí 2 2 2 la = h + lh z toho 2 2 2 la lh = h Vzore je rozšířená Pythagorova věta, která platí pro řetězovky a říká (obr. 2.1): - 5 -
rozdíl čtverů délek souměrné a nesouměrné řetězovky ve stejném rozpětí a se stejným parametrem se rovná čtveri vzdálenosti vyšší podpory od nižší. d l A h A C l h a Obr. 2.2. Délka souměrné a nesouměrné řetězovky - 6 -
Průhyby šikmého pole Pro nesouměrnou řetězovku musíme ještě definovat a vypočítat následujíí průhyby: a/2 a/2 l A h A x ϕ f k f v ϕ C C K V x l h f Obr. 2.3a A σ H α σ V σ Obr. 2.3b Namáhání v závěsném bodě - 7 -
Charakteristiký průhyb je délka svislie spuštěné v polovině rozpětí mezi spojnií závěsnýh bodů a křivkou a můžeme ho určit podle rozšířené Pythagorovy věty la xk fk = fh = fh osh lh x + xa xk = 2 Viditelný průhyb je svislá vzdálenost mezi spojnií závěsů A a a tečnou k řetězove. Tangenta tg h sinh x v y = ϕ = = a když předpokládáme rovnii řetězovky v tomto bodě v yv = osh x kde x v je souřadnie bodu dotyku a k ní určíme příslušnou souřadnii na spojnii A na řetězove, rozdíl obou je viditelný průhyb f v. - 8 -
3. Namáhání vodiče Při výpočtu průhybu jsme zjistili, že vodorovná složka namáhání σ H je v každém bodě, tedy i v závěsném stejná. Výsledné namáhání σ v závěsném bodě leží ve směru tečny k řetězove v tomto bodě. Směr tečny svírá v závěsném bodě s osou x úhel α. Platí tedy σ H σ = (MPa) osα a pro tečnu v libovolném bodě řetězovky platí y = tgα = sinh x a a v závěsném bodě x = 2 úpravou dostaneme 1 tgα = můžeme psát sinh 2 a a osh osα = 2-9 -
Po dosazení dostaneme a y σ = σ H osh σh (MPa) 2 = α z rovnie průhybu dostaneme a fm osh = + 1 2 po dosazení fm σ = σh + 1 = σh + fmγz Tím jsme dostali vztah pro namáhání v závěsném bodě řetězovky, který závisí pro daný vodič jen na průhybu f m. Když vezmeme v úvahu parabolu 2 a γ z fm = 8σ H a namáhání 2 a ( γ z) 2 σ = σh + 8σ H bude tah v závěsném bodě a y = = osh = + = 2 F = y q + q F σs σh S σh S fm S yz σh S ( ) 1 2-1 -
Z této rovnie je zřejmé, že tah v závěsném bodě se rovná tíze vodiče délky y nebo tahu ve vrholu F H a tíze vodiče délky rovnajíí se průhybu f m. Svislou složku namáhání σ v určíme z obr. 2.3. Platí σ = σ tgα v H tgα = sinh x a v závěsném bodě a tgα = sinh 2 tedy sinh a σv = σh 2 kde je podle (2.45) délka řetězovky a ls = 2 sinh 2 Dosazením ls lsγ z lsγ z σv = σh = σh = 2 2σ H 2 (2.61) svislou složku tahu určíme z namáhání sinh a F = Sσv = SσH 2-11 -
( ) ( ) Sls γ z ls q1+ q2 a q1+ q2 Fv = = = 2 2 2 Svislý tah v závěsném bodě se rovná tíze poloviční délky vodiče, zvětšené o přídavné zatížení. Všehny tyto vztahy platí pro řetězovku i parabolu. Jen tehdy, je-li v závěsném bodě vodiče mehaniké napětí alespoň o 4 % větší než v bodě průhybové křivky, je nutné uvažovat mehaniké napětí v závěsném bodě. Tento případ nastává u velkýh rozpětí nebo při velkém převýšení závěsů. - 12 -
4. Odvození stavové rovnie Předhozí výpočty vznikly za předpokladu, že namáhání napnutého vodiče je konstantní. Ve skutečnosti se však namáhání mění vlivem teploty, námrazku a větru. Jsme v oblasti konstantního průřezu, tzn. platí Hookův zákon. Nyní uvažujeme dva stavy vedení. Počáteční stav označíme indexem a nový stav označíme indexem 1. Změna délky vodiče Δ l ϑ (m) vlivem změny teploty se určí ze vztahu Δ l = α l ϑ + ϑ Δ l > proϑ > ϑ ϑ ( ) 1 ϑ 1 α - činitel délkové tepelné roztažnosti lana -1 ( C ), l - původní délka zavěšeného vodiče (m), -1 ϑ - původní teplota vodiče ( C ), -1 ϑ 1 - nová teplota vodiče ( C ). Změna délky vodiče Δ l σ (m) vlivem změny namáhání l Δ lσ = ( σ + σ ) Δ lσ < pro σ < σ E H1 H H1 H E - modul pružnosti vodiče (MPa), - 13 -
σ H - horizontální složka namáhání vodiče v původním stavu (MPa), σ H1 - horizontální složka namáhání vodiče v novém stavu (MPa). Celková změna z l na l 1 se určí podle vzore 1 Δ l = l l =Δ lϑ +Δ lσ = l α ϑ ϑ + σ σ E ( ) ( ) 1 1 H1 H Délka lana zavěšeného mezi dvěma stožáry při stavu k se vypočte podle vzore 3 2 a γ k lk = a+ 2 24σ Hk a rozpětí (m). 1 γ - měrná tíha 1 m vodiče ( MPa m ). Změna délky vlivem změny namáhání se vypočte podle vzore 3 2 2 a γ 1 γ Δ l = l1 l = 2 2 24 σh1 σh - 14 -
Porovnáním výše uvedenýh rovni dostaneme stavovou rovnii 3 2 2 1 a γ1 γ l α ϑ ϑ + σ σ = 1 H1 H 2 2 E 24 σ H1 σ ( ) ( ) H Protože lze přibližně uvažovat l =a potom lze psát stavovou rovnii ve tvaru 2 2 2 1 a γ γ ( ) ( ) 1 α ϑ ϑ + σ σ = 1 H1 H 2 2 E 24 σh1 σh a po úpravě do tvaru kubiké rovnie pro výpočet namáhání nového stavu 1 2 2 2 2 3 2 Ea γ a γ 1 E σh1 + σh1 + αe 2 ( ϑ1 ϑ ) σh = 24σ H 24 Pro praxi se γ a γ 1 nahradí pomoí měrné tíhy vodiče γ v a přetížení vodiče s pomoí následujííh rovni γ = γ z γ = γ 1 v 1 2 v 2 potom stavová rovnie přejde na tvar z - 15 -
2 2 2 3 2 Eγ v az Eγ v 2 σh1 + σh1 + αe( ϑ1 ϑ ) σh ( az1 ) = 24 σ H 24-16 -