Собственный вес в растяжении сжатии

Растяжение  (сжатие) – это такой   вид нагружения стержня, при котором в его поперечном сечении возникает внутренняя продольная сила Ν, действующая вдоль центральной оси z.

Продольная сила Ν – это равнодействующая всех внутренних нормальных сил в сечении. Для вычисления продольной силы применяется метод сечений.

Продольная сила Ν численно равна алгебраической сумме проекций всех сил, действующих по одну сторону от рассматриваемого сечения,  на продольную ось бруса.

Правило знаков для продольной силы Ν: при растяжении продольная сила положительна, при сжатии – отрицательна.

График изменения продольных сил по длине стержня называется эпюрой. Эпюра N строится методом сечений на характерных участках бруса. Строится эпюра для использования ее при расчете бруса на прочность. Она дает возможность найти наибольшие значения продольных сил и положение сечений, в которых они возникают.

При растяжении (сжатии) возникают только нормальные напряжения. Согласно гипотезе Я. Бернулли (или гипотеза плоских сечений) в поперечных сечениях, удаленных от места приложения нагрузок, нормальные напряжения распределяются по сечению практически равномерно, а сами сечения, перпендикулярные к оси стержня z, остаются плоскими в процессе нагружения.

Нормальные напряжения в сечении при  растяжении (сжатии) вычисляются по формуле

где А – площадь поперечного сечения.

Правило знаков для σ совпадает с правилом знаков для N.

В наклонном сечении, нормаль к которому составляет угол α с осью стержня z,

При растяжении в продольном направлении стержень удлиняется, а его поперечные размеры уменьшаются, при сжатии, напротив, в продольном направлении стержень укорачивается, а его поперечные размеры увеличиваются; Δℓ — абсолютное удлинение или укорочение участка стержня длиной ℓ, Δb – абсолютная поперечная деформация.

Относительное удлинение или укорочение участка стержня длиной ℓ, называемое линейной деформацией, определяется следующим образом

ε=Δℓ/ℓ.

Экспериментально установлено, что в определенной области нагрузок при упругом поведении материала между нормальными напряжениями и линейными деформациями существует линейная зависимость (закон Гука для напряжений)

σ=εЕ,

где Е – модуль продольной упругости или модуль Юнга, это физическая const. Для каждого из материалов величина модуля упругости имеет свое значение:

сталь, Е = 2.105 МПа,

медь, Е = 1.105 МПа,

алюминий, Е = 0,7.105 МПа.

Значение модуля упругости устанавливается экспериментально.

Согласно закону Гука (данную запись называют законом Гука для деформаций)

Δℓ=Νℓ/ЕА

Произведение ЕА – называется жесткостью стержня при растяжении – сжатии.

Перемещение произвольного сечения ступенчатого стержня

w=∑Δℓi

Относительная поперечная деформация:

ε′=Δb/b

где b – поперечный размер стержня.

Эксперименты также показывают, что в упругой стадии деформирования между продольной и поперечной деформациями существует взаимосвязь

μ  =│ε′⁄ε│ — const,

где   μ —  коэффициент Пуассона, берется по модулю ,поскольку у продольной и поперечной деформации разные знаки (при растяжении продольные волокна увеличиваются, а поперечные уменьшаются в размере).

Для твердых материалов имеет значения коэффициент Пуассона

0≤μ ≤0,5

Изменение температуры стержня вызывает его удлинение (при нагревании) или укорочение (при охлаждении)

где — a- коэффициент линейного температурного расширения; Δtº=(tºк-tºн) — изменение температуры между значениями начальным (tºн) и конечным (tºк).

Статически неопределимыми называют системы, имеющие лишние связи – внешние или внутренние.

Для определения внутренних усилий в таких системах недостаточно рассматривать только уравнения равновесия.

В этом случае требуются дополнительные уравнения, число которых равно количеству лишних связей. Дополнительные уравнения составляются на основе анализа картины деформирования системы и использования законов деформирования ее элементов.

Алгоритм решения подобных задач включает следующее:

1)   Статическая часть. Составляются уравнения равновесия с включением неизвестных усилий, действующих по направлению лишних связей.

2)    Геометрическая часть. Составляются уравнения, описывающие взаимосвязь перемещений характерных точек, удлинений и укорочений отдельных стержней между собой.

3)   Физическая связь. Записываются законы деформирования отдельных стержней системы.

Порядок расчета статически неопределимых брусьев

1.  Задаться направлениями возможных опорных реакций и составить уравнение      статики для всей системы в целом.
2. Определить степень статической неопределимости и использовать метод сечений с целью выразить неизвестные усилия через неизвестные опорные реакции. При этом неизвестные продольные силы (N) следует предполагать положительными и поэтому направлять «от сечения».
3. Сформулировать условие совместности деформаций участков бруса.
4. В процессе превращения условия совместности в уравнение совместности деформаций различий в характере деформаций участков не учитывать.

Порядок расчета статически неопределимых шарнирно-стержневых систем

1. Задаться направлениями опорных реакций, но уравнений равновесия для всей системы не составлять, а сразу использовать метод сечений и составить уравнения статики для выделенной части системы.
2. Определить степень статической неопределимости как разницу между количеством всех неизвестных, оказавшихся в уравнениях статики, и числом самих этих уравнений.
3. Рассмотреть (изобразить) любую возможную картину деформаций системы и из ее анализа сформулировать условия совместности деформаций стержней системы (столько, какова степень статической неопределимости).
4. В процессе преобразования условий совместности в уравнения совместности деформаций обязательно учитывать различие в характере деформаций стержней (т.е. вводить удлинение со знаком «плюс», а укорочение со знаком «минус») в соответствии с той картиной деформации, которую мы рассматриваем.

Напряжение в призматическом брусе

Собственный вес при расчетах на растяжение-сжатие учитывается для конструкций, вес которых сопоставима со значениями внешних нагрузок. Это могут быть железобетонные колонны, кирпичные простенки и др.

Рассмотрим внутренние усилия и напряжения, возникающие в растянутом стержне при одновременном действии сосредоточенной силы $F$ и собственного веса. Вес стержня определяется как

$Q = gamma  cdot V = gamma  cdot A cdot l$,

где $gamma $ – удельный вес материала [кН/м3], $V$, $A$, $l$ – об’объем, площадь сечения и длина стержня соответственно. Удельный вес эт’связана с плотностью материала $gamma  = g cdot rho $, где $g approx 10$ м/с2, $rho $– плотность.

Продольная сила, возникающая в сечении И – И

$N = F + gamma  cdot A cdot x$

Напряжение при учете собственного веса

$sigma  = frac{N}{A} = frac{F}{A} + gamma  cdot x$

Наибольшее напряжение возникает в верхнем сечении и условие прочности примет вид

${sigma _{max }} = frac{F}{A} + gamma  cdot l leqslant left[ sigma  right]$

Подбор площади сечения с учетом собственного веса

${A_{min }} = frac{F}{{left[ sigma  right] — gamma  cdot l}}$

Брус равного сопротивления

Брусом равного сопротивления называется брус, в котором напряжения по длине не меняются и, как правило, равны допустимым напряжением.

Вполне понятно, чтобы удовлетворить таким условиям, площадь сечения бруса должна меняться в соответствии с изменением продольной силы. Рассмотрим бесконечно малый элемент бруса (рис.) длиной $dx$. Нижний сечение этого элемента имеет площадь $A$. Продольная сила в нем равна $[sigma ] cdot A$. Продольная сила в верхнем сечении увеличивается на величину веса элемента, то есть на $dN = gamma  cdot dV = gamma  cdot A cdot dx$. Соответственно площадь увеличивается на величину $dA = frac{{dN}}{{[sigma ]}}$.

Таким образом,

$dN = gamma  cdot A cdot dx = dA cdot [sigma ]$,

$frac{{dA}}{A} = frac{gamma }{{left[ sigma  right]}} cdot dx$,  [int {frac{{dA}}{A}}  = int {frac{gamma }{{left[ sigma  right]}} cdot dx} ], $ln left( A right) = frac{gamma }{{left[ sigma  right]}} cdot x + C$.

В нижнем сечении, где продольная сила $N = F$, площадь сечения должна быть

${A_0} = frac{F}{{[sigma ]}}$.

Тогда

$ln left( {{A_0}} right) = frac{gamma }{{left[ sigma  right]}} cdot 0 + C,,,, Rightarrow ,,,,,C = ln left( {{A_0}} right)$,

$ln left( A right) — ln left( {{A_0}} right) = frac{gamma }{{left[ sigma  right]}} cdot x$,

$frac{A}{{{A_0}}} = {e^{frac{gamma }{{left[ sigma  right]}} cdot x}}$.

то Есть, для обеспечения одинаковых напряжений по длине стержня, площадь сечения должна изменяться по экспоненциальной зависимостью

$A(x) = {A_0} cdot e{,^{frac{gamma }{{left[ sigma  right]}} cdot x}}$. 

Ступенчатый брус

Брус равного сопротивления неудобен для изготовления, поэтому для выравнивания напряжений используют ступенчатое изменение сечения по длине. При этом количество и длину ступеней определяют в зависимости от ситуации, а необходимую площадь сечения каждой ступени назначают из условия прочности как для призматического бруса. Например, для трехступенчатого бруса с нагрузкой на его конце расчет площадей сечения проводится, как показано на рис.6.3.

Деформации от собственного веса

Напряжение при учете только собственного веса для призматического бруса

$sigma  = frac{{gamma  cdot A cdot x}}{A} = gamma  cdot x$.

По закону Гука

[varepsilon  = frac{sigma }{E} = frac{{gamma x}}{E}]

[Delta l = intlimits_0^l {dDelta l}  = intlimits_0^l {frac{gamma }{E} cdot dx}  = frac{gamma }{E} cdot left. {frac{{{x^2}}}{2}} right|_0^l = frac{gamma }{E} cdot frac{{{l^2}}}{2} = frac{{Q cdot l}}{{2 cdot EA}}].

Если на стержень, кроме собственного веса $Q$ действует сила $F$, удлинение будет определяться по формуле

$Delta l = frac{{N,l}}{{EA}} + frac{{Q,l}}{{2,EA}}$.

Деформации бруса равного сопротивления определяются проще, потому что напряжение во всех сечениях одинаковы $sigma  = left[ sigma  right] = const$, тогда по закону Гука

$varepsilon  = frac{{left[ sigma  right]}}{E} = const$,

$Delta l = varepsilon  cdot l = frac{{left[ sigma  right]}}{E} cdot l$