Přednáška 10. Kroucení prutů

Podobné dokumenty
Přednáška 10. Kroucení prutů

Přednáška 10. Kroucení prutů

Platnost Bernoulli Navierovy hypotézy

Platnost Bernoulli Navierovy hypotézy

Integrální definice vnitřních sil na prutu

Kinematická metoda výpočtu reakcí staticky určitých soustav

Přednáška 08. Obecná trojosá napjatost. Napětí statické rovnice Deformace geometrické rovnice Zobecněný Hookeův zákon Příklad zemní tlak v klidu

Princip virtuálních posunutí (obecný princip rovnováhy)

Jednoosá tahová zkouška betonářské oceli

Princip virtuálních posunutí (obecný princip rovnováhy)

Přednáška 08. Obecná trojosá napjatost

Princip virtuálních prací (PVP)

Přednáška 09. Smyk za ohybu

SMA2 Přednáška 09 Desky

Rovnoměrně ohýbaný prut

Vícerozměrné úlohy pružnosti

Redukční věta princip

Rekapitulace princip virtuálních sil pro tah/tlak

Jednoosá tahová zkouška betonářské oceli

Vybrané metody řešení soustavy rovnic. Podmínky rovnováhy či ekvivalence vedou často na soustavu rovnic, např.

SMA2 Přednáška 08. Symetrické konstrukce Symetrické a anti(sy)metrické zatížení Silová metoda a symetrie Deformační metoda a symetrie Příklady

SMA2 Přednáška 08. Symetrické konstrukce Symetrické a anti(sy)metrické zatížení Silová metoda a symetrie Deformační metoda a symetrie Příklady

Vícerozměrné úlohy pružnosti

Přednáška 05. Vybočení ideálně přímého prutu Vybočení prutu s počáteční deformací Okrajové podmínky a staticky neurčité případy Příklady

Organizace výuky. Přednášející: Doc. Ing. Vít Šmilauer, Ph.D., B312 Konzultační hodiny St (po domluvě i jindy)

Organizace výuky. Přednášející: Doc. Ing. Vít Šmilauer, Ph.D., B312 Konzultační hodiny St (po domluvě i jindy)

Přednáška 01 PRPE + PPA Organizace výuky

Stupně volnosti a vazby hmotných objektů

Přednáška 01 Úvod + Jednoosá napjatost

Složené soustavy v rovině, stupně volnosti

12. Prostý krut Definice

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

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

Pružnost a pevnost (132PRPE), paralelka J2/1 (ZS 2015/2016) Písemná část závěrečné zkoušky vzorové otázky a příklady.

Osové a deviační momenty setrvačnosti ploch (opakování ze 4. cvičení) Momenty setrvačnosti k otočeným osám Kroucení kruhových a mezikruhových průřezů

Název materiálu: Hydrostatická tlaková síla a hydrostatický tlak

trubku o délce l. Prut (nebo trubka) bude namáhán kroutícím momentem M K [Nm]. Obrázek 1: Prut namáhaný kroutícím momentem.

Přibližné řešení úloh mechaniky

OTÁZKY VSTUPNÍHO TESTU PP I LS 2010/2011

Dvě varianty rovinného problému: rovinná napjatost. rovinná deformace

4. Napjatost v bodě tělesa

OHYB (Napjatost) M A M + qc a + b + c ) M A = 2M qc a + b + c )

písemky (3 příklady) Výsledná známka je stanovena zkoušejícím na základě celkového počtu bodů ze semestru, ze vstupního testu a z písemky.

Pružnost a pevnost. 9. přednáška, 11. prosince 2018

Veronika Drobná VB1STI02 Ing. Michalcová Vladimíra, Ph.D.

Stavební mechanika 1 - K132SM1 Structural mechanics

Lokalizace QGIS, GRASS

PRUŽNOST A PLASTICITA I

Rastrová reprezentace geoprvků model polí Porovnání rastrové a vektorové reprezentace geoprvků Digitální model terénu GIS 1 153GS01 / 153GIS1

BETONOVÉ KONSTRUKCE B03C +B03K. Betonové konstrukce - B03C +B03K

Nosné desky. 1. Kirchhoffova teorie ohybu tenkých desek (h/l < 1/10) 3. Mindlinova teorie pro tlusté desky (h/l < 1/5)

Statika 2. Smyk za ohybu a prostý smyk. Miroslav Vokáč 12. listopadu ČVUT v Praze, Fakulta architektury.

1/7. Úkol č. 9 - Pružnost a pevnost A, zimní semestr 2011/2012

III/2-1 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT

Předpjatý beton Přednáška 9. Obsah Prvky namáhané smykem a kroucením, analýza napjatosti, dimenzování.

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

POŽADAVKY KE ZKOUŠCE Z PP I

TENSOR NAPĚTÍ A DEFORMACE. Obrázek 1: Volba souřadnicového systému

Betonové konstrukce (S) Přednáška 3

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

PostGIS Topology. Topologická správa vektorových dat v geodatabázi PostGIS. Martin Landa

PRŮŘEZOVÉ CHARAKTERISTIKY

Ohybové kroucení. Radek Kottner. 19. ledna 2017

ARST - Architektura a statika SKOŘEPINOVÉ KONSTRUKCE. ARST - Architektura a statika. ARST - Architektura a statika

1 Veličiny charakterizující geometrii ploch

FAKULTA STAVEBNÍ. Stavební statika. Telefon: WWW:

Statika 1. Vnitřní síly na prutech. Miroslav Vokáč 11. dubna ČVUT v Praze, Fakulta architektury. Statika 1. M.

3.2 Základy pevnosti materiálu. Ing. Pavel Bělov

Transformujte diferenciální výraz x f x + y f do polárních souřadnic r a ϕ, které jsou definovány vztahy x = r cos ϕ a y = r sin ϕ.

Kap. 3 Makromechanika kompozitních materiálů

Kˇriv e pruty Martin Fiˇser Martin Fiˇ ser Kˇ riv e pruty

1 Ohyb desek - mindlinovské řešení

GIS 1 155GIS1. Martin Landa Lena Halounová. Katedra geomatiky ČVUT v Praze, Fakulta stavební

Určete plochu, statické momenty a souřadnice těžiště. Plocha je určena přímkami z=0, y= aaparabolou z= y2

K výsečovým souřadnicím

Namáhání na tah, tlak

R β α. Obrázek 1: Zadání - profil složený ze třech elementárních obrazců: 1 - rovnoramenný pravoúhlý trojúhelník, 2 - čtverec, 3 - kruhová díra

Klopením rozumíme ztrátu stability při ohybu, při které dojde k vybočení prutu z roviny jeho prvotního ohybu (viz obr.). Obr.

Teorie prostého smyku se v technické praxi používá k výpočtu styků, jako jsou nýty, šrouby, svorníky, hřeby, svary apod.

Cvičení Na těleso působí napětí v rovině xy a jeho napěťový stav je popsán tenzorem napětí (

ZÁKLADNÍ PŘÍPADY NAMÁHÁNÍ

Pružnost a pevnost. zimní semestr 2013/14

Vlastnosti a zkoušení materiálů. Přednáška č.4 Úvod do pružnosti a pevnosti

Prvky betonových konstrukcí BL01 6 přednáška. Dimenzování průřezů namáhaných posouvající silou prvky se smykovou výztuží, Podélný smyk,

PostGIS Raster. Správa rastrových dat v geodatabázi PostGIS. Martin Landa. 155UZPD Úvod do zpracování prostorových dat, zimní semestr

OTÁZKY K PROCVIČOVÁNÍ PRUŽNOST A PLASTICITA II - DD6

BETONOVÉ KONSTRUKCE B03C +B03K SKOŘEPINOVÉ KONSTRUKCE. Betonové konstrukce B03C +B03K. Betonové konstrukce - B03C +B03K

NAMÁHÁNÍ NA KRUT NAMÁHÁNÍ NA KRUT

ENÁ ŽELEZOBETONOVÁ DESKA S OTVOREM VE SLOUPOVÉM PRUHU

Veličiny charakterizující geometrii ploch

při postupném zatěžování opět rozlišujeme tři stádia (viz ohyb): stádium I prvek není porušen ohybovými ani smykovými trhlinami řešení jako homogenní

ρ 490 [lb/ft^3] σ D 133 [ksi] τ D 95 [ksi] Výpočet pružin Informace o projektu ? 1.0 Kapitola vstupních parametrů

Základy matematické teorie pružnosti Tenzor napětí a tenzor deformace Statické (Cauchyho) rovnice. Geometrické rovnice

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Stavební mechanika 3 132SM3 Přednášky. Deformační metoda: ZDM pro rámy s posuvnými styčníky, využití symetrie, výpočetní programy a kontrola výsledků.

MATEMATIKA II - vybrané úlohy ze zkoušek v letech

Dvojné a trojné integrály příklad 3. x 2 y dx dy,

14. cvičení z Matematické analýzy 2

Téma 12, modely podloží

MATEMATIKA III. π π π. Program - Dvojný integrál. 1. Vypočtěte dvojrozměrné integrály v obdélníku D: ( ), (, ): 0,1, 0,3, (2 4 ), (, ) : 1,3, 1,1,

Transkript:

Přednáška 10 Kroucení prutů 1) Kroucení prutu s kruhovým průřezem 2) Volné kroucení prutu s průřezem a) Masivním b) Tenkostěnným otevřeným, střed smyku c) Tenkostěnným uzavřeným 3) Ohybové (vázané) kroucení 4) Příklady Copyright (c) 2011 Vít Šmilauer Czech Technical University in Prague, Faculty of Civil Engineering, Department of Mechanics, Czech Republic Permission is granted to copy, distribute and/or modify this document under the terms of the GNU Free Documentation License, Version 1.2 or any later version published by the Free Software Foundation; with no Invariant Sections, no Front-Cover Texts, and no Back-Cover Texts. A copy of the license is included in the section entitled "GNU Free Documentation License" found at http://www.gnu.org/licenses/ 1

Rovnoměrné kroucení kruhové tyče Původní poloha bodu y=r cos z=r sin x x = x L y x Nová poloha bodu po natočení průřezu 2 cos y v=r cos x =r cos r x sin r x 2! 2 sin z w=r sin x =r sin r x cos r x 2! Posuny bodu pokud x << 1 v=r cos x r cos r x sin = z x y z z y r x y+v z+w w=r sin x r sin r x cos = y x z 2

Rovnoměrné kroucení kruhové tyče Pole posunů u(x, y, z)=0 v(x, y, z)= z ϕ x (x) w(x, y, z)= y ϕ x ( x) Rovnoměrné kroucení ϕ x (x)= x L Δ ϕ θ= d ϕ dx... Poměrné (relativní) zkroucení [rad/m] Pole deformací γ xy = u y + v x = z ϕ ( x) x dx = z Δ ϕ L = z θ γ xz = w x + u z = y ϕ ( x) x dx = y Δ ϕ L = y θ γ yz = v z + w y = ϕ x(x)+ϕ x (x)=0 V rovině yz nedochází ke smykovým deformacím. 3

Rovnoměrné kroucení kruhové tyče napětí Pole napětí xy x, y, z =G xy = G z xz x, y, z =G xz =G y y max =G R, = A A T [,, 0 xy xz ]=[ 1 0 0 ] [ 0 xy xz, xy 0 0 0 cos sin xy 0 0, xz 0 0 0 sin cos xz 0 0 [ 0 xy cos xz sin xy sin cos xz sin ] xy cos xz sin 0 0 xy sin cos xz sin 0 0 Rotace tenzoru napětí zde funguje stejně jako rotace vektoru napětí. xs = xz ' xy '=0 ] [ 1 0 0 0 cos sin 0 sin cos ] = xy = xs sin Smykové čáry (izolinie napětí) xz = xs cos y z y max =G R r R z s xs =G r z 4

Vztah smykových napětí a kroutícího momentu y z x Nenulové složky napětí xy x, y, z = G z xz x, y, z =G y M = x xz y xy z da A M x = A G y 2 G z 2 da=g y 2 z 2 da A xy da xz da Polární moment setrvačnosti průřezu I p = A y 2 z 2 da= r 2 da=i y I z A M x =G I p Tuhost kruhového průřezu v kroucení Poměrné (relativní) zkroucení prutu 5

Základní rovnice krouceného prutu Natočení x (x) d [ dx GI d x x p dx ] m x x =0 Vnější zatížení m x (x) x x = d x x dx dm x x m x x =0 dx Zkroucení x (x) M x x =GI p x x Moment M x (x) Napětí xy, xz 6

Příklad rovnoměrné kroucení kruhové tyče Určete průběh smykového napětí a průběh natočení 8 knm x I p =I y +I z =2 π R 4 L=2 m 8 knm Ø 0,2 m G=80 GPa θ x ( x)= M x (x) GI p 4 =1,571e-4 m 4 =6,37e-4 rad/m M x x + 6,37e 4 rad/m + 1,27e 3 rad θ x ( x)= d ϕ x(x) dx L ϕ x (x)= 0 ϕ x (0)=0 θ x (x)dx=6,37e-4 x+ C 1 0 x + y τ max =5,09 MPa z ϕ x (L)=Δ ϕ=2 6,37e-4=1,27e-3 rad τ max =5,09 MPa τ max =G θ x ( x) R=5,09 MPa 7

Deplanace průřezu Při kroucení obecně ztrácejí průřezy rovinnost (neplatí pro rotačně symetrické průřezy, tj. kruh a mezikruží) Deplanace = ztráta rovinnosti průřezu Pole posunutí s uvážením funkce deplanace (y,z) u( y, z)=θ(x) ψ( y, z) Původní rovina průřezu před zkroucením. Funkce deplanace pro obdélníkový průřez 0,2 x 0,3 m. Řešení pomoci Laplaceovy rovnice 2 y, z 2 y, z =0 y 2 z 2 8

Volné kroucení obecného prutu Volné kroucení prutu nastává, pokud není bráněno deplanaci Při známé deplanační funkci lze vyjádřit složky napětí τ xy =G θ ( ψ y z ), τ xz=g θ ( ψ z + y ) Kroutící moment M x = A xz y xy z da=g y 2 z 2 z A y y z da M x =G Moment tuhosti průřezu ve volném kroucení Tuhost průřezu ve volném kroucení Poměrné (relativní) zkroucení prutu 9

Volné kroucení masivního průřezu Přibližné řešení pro masivní průřez obecného tvaru Přesné řešení pro obdélník z Laplaceovy rovnice xy A 4 40I p max je nutné určit přímo z deplanační funkce h>b xz = max xz = max max 9 M x 2b 2 h b<h = b3 h 3 1 192b 5 h n= 0,1,... 1 2n 1 h tanh 5 2n 1 2b 10

Volné kroucení úzkého obdélníka Ponecháme první člen sumy a za předpokladu b<<h b3 h 192b 1 3 5 h tanh h 2b = b3 h 3 1 0.63 b h Smykové napětí je ve směru b rozloženo přibližně lineárně τ max = M x b xy 0 Pozn. Napětí xy a xz je určeno z deplanační funkce. Výsledný moment od smykového napětí xz dává přesně polovinu momentu M x. Druhou polovinu momentu M x tvoří malé napětí xy, které ovšem působí na velkém rameni. h max xz = max b 11

Volné kroucení otevřeného tenkostěnného průřezu Otevřený tenkostěnný průřez 200 mm Střednice průřezu 3 = 4 =50 125 mm 175 mm M x 50 50 200 mm 50 1 =50 h 3 =100 h 4 =100 h 5 =250 5 =50 h 1 =175 h 2 =175 2 =50 350 mm Moment tuhosti v kroucení je součtem momentů tuhosti z jednotlivých větví 1 3 n 3 h max = M x max Největší smykové napětí vzniká v nejtlustší větvi! 12

Příklad tenkostěnný otevřený průřez Pro tenkostěnný průřez z předešlé stránky určete rozložení napětí a vzájemné natočení koncových průřezů. Prut je délky 3 m. M x =12,95 knm, G=80,77 GPa = 1 3 n δ 3 h= 0,053 3 (2 0,175+2 0,100+0,250)=3,333e-5 m 4 τ max = M x δ max = 12,95e-3 3,333e-5 0,05=19,43 MPa Rozložení napětí po tloušťce střednic θ= M x 12,95 = =4,81e-3 m 1 G 80,77e+6 3,333e-5 3 m Δ ϕ= 0 θ dx=3 4,81e-3=1,44e-2 rad=0,83 o max =19,43 MPa max =19,43 MPa 13

Příklad tenkostěnný otevřený průřez Simulace kroucení pomocí metody konečných prvků (kvadratické prostorové prvky brick). Díky vetknutí prutu je bráněno volné deplanaci. Vzájemné natočení krajních průřezu vychází o 22% menší, tj. 0,655 o. Konzola délky 3 m. Deformace zvětšeny 50x. Deplanace průřezu ve 2 m od vetknutí. Deformace zvětšeny 500x. Posuny u udány v metrech. Smyková napětí. 14

Střed smyku Střed smyku je statický střed výslednic smykových napětí. Pokud zatížení prochází středem smyku (nikoliv těžištěm!), průřez není namáhán kroucením. xy + Zde nevniká kroucení, neboť zatížení prochází středem smyku C s. xz V z V 1 + V z 0 C s a V 2 h V 1 xy 15

Střed smyku na tenkostěnných průřezech U symetrických průřezů leží Cs na ose symetrie Uložení dřevěné stropnice na U profil Dochází ke kroucení U profilu, i když reakce prochází těžištěm. Varianta bez kroucení U profilu. T Dřevená stropnice T C s Dřevená stropnice V z V z 16

Volné kroucení uzavřeného tenkostěnného průřezu Smykový tok je konstantní podél střednice průřezu, smykové napětí je rozloženo rovnoměrně po tloušťce Uzavřený tenkostěnný průřez Střednice průřezu : 2 s 2 dx 1 s 1 dx=0 t xs = 1 s 1 = 2 s 2 (s) dx 1 s 1 dx 2 s 2 dx Smykový tok s Smykové napětí x x =0 s M x t xs t xs t xs M x xs xs xs xs = t xs s t xs Největší napětí vzniká v nejtenší části! 17

Volné kroucení uzavřeného tenkostěnného průřezu Příspěvek segmentu střednice číslo n ke kroutícímu momentu s n F T n = τ δ h =t h xs n n xs n F n ρ n =t xs h n ρ n =t xs Ω n h n F n n Dvojnásobná plocha opsaná průvodičem Celkový kroutící moment M x = n F n n =t xs n n n =h n n M x =t xs =t xs s ds 1. Bredtův vzorec 18

Volné kroucení uzavřeného tenkostěnného průřezu =2 plocha =2 plocha Z deplanační funkce uzavřeného průřezu lze odvodit 2. Bredtův vzorec = M x G = Ω2 ds δ (s) 2. Bredtův vzorec Moment tuhosti ve volném kroucení G Torzní tuhost průřezu. U uzavřených průřezů řádově převyšuje torzní tuhost průřezů otevřených (při podobných tvarech průřezů). 19

Příklad porovnání průřezů stejných ploch v kroucení Porovnejte,,, max. Délka prutu 2 m, M x = 3 knm, G=15 GPa. 0,.8 m 0,2 m 0,29 m 0,21 m 0,05 m Úzký obdélník 0,2 m A=0,04 m 2 A=0,04 m 2 A=0,04 m 2 = b3 h 3 ( 1 0,63 b h ) =32e-6 m 4 A 4 40 I p I p =2 1 12 0,24 =266,7e-6 m 4 =240e-6 m 4 Masivní průřez 0,29 m Uzavřený tenkostěnný průřez Ω=2 0,25 2 =0,125 m 2 ds δ(s) = 4 0,25 0,04 =25 = Ω2 ds δ (s) =625e-6 m 4 θ= M x G =62,5e-4 rad/m Δ ϕ x =θ L=12,5e-3 rad θ= M x G =8,33e-4 rad/m Δ ϕ x =θ L=1,67e-3 rad θ= M x G =3,2e-4 rad/m Δ ϕ x =θ L=0,64e-3 rad τ max M x b=4,69 MPa τ max 9 M x 2 b 2 h =1,69 MPa τ max = t xs δ min = M x Ωδ min =0,60 MPa 20

Příklad porovnejte, max následujících průřezů max max max R R R δ=0,1 R δ=0,1 R Kruhová tyč =I p = R 4 2 Kruhová trubka =I p = π(r 4 (0,9R ) 4 ) 2 Rozříznutá trubka 2 R =I p 0,34 π R 4 2 = 1 3 2 π R δ3 = 1 3 2 π 0,13 R 4 =0,00133 π R 4 2 max = M x I p R=2 M x R 3 τ max = M x I p R=5,82 M x π R 3 τ max = M x δ= M x 0,1 R τ max =150 M x π R 3 21

Ohybové (vázané) kroucení K ohybovému kroucení dochází, pokud průřezy nemohou volně deplanovat. Vznikají sekundární napětí x, xy, xz. Tyto sekundární napětí jsou významé pro tenkostěnné průřezy, zejména otevřené. Možné příčiny omezení deplanace x Vetknutí Změna průřezu Osamělý kroutící moment Ohybové kroucení nastává v inženýrské praxi velmi často, volné kroucení naopak zřídka. 22

Otázky 1. Kterých šest složek napětí a deformace je nulových při volném kroucení? 2. Co označuje deplanační funkce? 3. Které průřezy nikdy nedeplanují, u kterých je deplanace naopak význačná? 4. Jaký je vztah mezi deplanační funkcí a momentem tuhosti ve volném kroucení? 5. Napište moment tuhosti ve volném kroucení pro masivní průřez, tenký obdélník, otevřený tenkostěnný průřez a tenkostěnný uzavřený průřez. 6. Učiňte totéž pro maximální smykové napětí. 7. Ve kterých částech tenkostěnných otevřených a uzavřených průřezů vzniká největší smykové napětí? 8. Které typy průřezů mají nejmenší moment tuhosti ve volném kroucení? 9. Co je ohybové (vázané) kroucení a za jakých podmínek vzniká? Vytvořeno 02/2011 v OpenOffice 3.2, Ubuntu 10.04, Vít Šmilauer, ČVUT 23