Внецентренное растяжение сжатие нейтральная линия

Лекция 15. ВНЕЦЕНТРЕННОЕ СЖАТИЕ

Внецентренное сжатие. Построение ядра сечения. Изгиб с кручением. Расчеты на прочность при сложном напряженном состоянии.
 

Внецентренное сжатие – это вид деформации, при котором продольная
сила в поперечном сечении стержня приложена не в центре тяжести. При
внецентренном сжатии, помимо продольной силы (N), возникают два
изгибающих момента (Mx и My).

Считают, что стержень обладает большой жесткостью на изгиб, чтобы пренебречь прогибом стержня при внецентренном сжатии.

Преобразуем формулу моментов при внецентренном сжатии , подставляя значения изгибающих моментов:

Обозначим координаты некоторой точки нейтральной (нулевой) линии
при внецентренном сжатии xN, yN и подставим их в формулу нормальных
напряжений при внецентренном сжатии. Учитывая, что напряжения в точках
нейтральной линии равны нулю, после сокращения на P/F, получим уравнение
нейтральной линии при внецентренном сжатии:

(35)

Нулевая линия при внецентренном сжатии и точка приложения нагрузки
всегда расположены по разные стороны от центра тяжести сечения.

Рис. 43. Внецентренное сжатие

Отрезки, отсекаемые нулевой линией от осей координат, обозначенные
ax и ay, легко найти из уравнения нулевой линии при внецентренном
сжатии. Если сначала принять xN = 0, yN = ay, а затем принять yN = 0,
xN = ax, то найдем точки пересечения нулевой линии при внецентренном
сжатии с главными центральными осями:

Рис. 44. Нейтральная линия при внецентренном растяжении – сжатии

Нейтральная линия при внецентренном сжатии разделит поперечное
сечение на две части. В одной части напряжения будут сжимающими,
в другой – растягивающими. Расчет на прочность, как и в случае косого
изгиба, проводят по нормальным напряжениям, возникающим в опасной точке
поперечного сечения (наиболее удаленной от нулевой линии).

(36)

Ядро сечения – малая область вокруг центра тяжести поперечного
сечения, характерная тем, что любая сжимающая продольная сила,
приложенная внутри ядра, вызывает во всех точках поперечного сечения
сжимающие напряжения.

Примеры ядра сечения для прямоугольного и круглого поперечных сечений стержня.

а     б

Рис. 45. Форма ядра сечения для прямоугольника и круга

Изгиб с кручением. Такому нагружению (одновременному действию
крутящих и изгибающих моментов)часто подвержены валы машин и механизмов.
Для расчета бруса необходимо прежде всего установить опасные сечения.
Для этого строятся эпюры изгибающих и крутящих моментов.

Используя принцип независимости действия сил, определим напряжения, возникающие в брусе отдельно для кручения, и для изгиба.

При кручении в поперечных сечениях бруса возникают касательные
напряжения, достигающие наибольшего значения в точках контура сечения
При изгибе в поперечных сечениях бруса возникают нормальные напряжения,
достигающие наибольшего значения в крайних волокнах бруса .

Касательные напряжения значительно меньше напряжений от крутящего
момента, поэтому ими пренебрегают. Опасное сечение бруса будет
у заделки, где действуют максимальные напряжения от изгиба и кручения.

Исследуем напряженное состояние в наиболее опасной точке A
(рис. 46). Так как напряженное состояние двухосное, то для проверки
прочности применяем одну из гипотез.
 

Рис. 46. Эпюры изгибающих и крутящих моментов

Применяя третью теорию прочности

и учитывая, что и , получаем:

Для подбора сечения находим требуемый момент сопротивления

Многие элементы строительных конструкций (колонны, стойки, опоры) находятся под воздействием сжимающих сил, приложенных не в центре тяжести сечения. На рис. 12.9 показана колонна, на которую опирается балка перекрытия. Как видно, сила действует по отношению к оси колонны с эксцентриситетом е, и таким образом, в произвольном сечении а—а колонны наряду с продольной силой N = —Р возникает изгибающий момент, величина которого равна Ре. Внецентренное растяжение (сжатие) стержня представляет такой вид деформирования, при котором равнодействующие внешних сил действуют вдоль прямой, параллельной оси стержня. В дальнейшем будем рассматривать главным образом задачи внецентренного сжатия. При внецентренном растяжении во всех приводимых расчетных формулах следует изменить знак перед силой Р на противоположный.

Пусть стержень произвольного поперечного сечения (рис. 12.10) нагружен на торце внецентренно приложенной сжимающей силой Р, направленной параллельно оси Ох. Примем положительные

Рис. 12.9

Рис. 12.10

направления главных осей инерции сечения Оу и Oz таким образом, чтобы точка приложения силы Р находилась в первой четверти осей координат. Обозначим координаты точки приложения силы Р через ур и zP-

Внутренние усилия в произвольном сечении стержня равны

Знаки минус у изгибающих моментов обусловлены тем, что в первой четверти осей координат эти моменты вызывают сжатие. Величины внутренних усилий в данном примере не изменяются по длине стержня, и таким образом, распределение напряжений в сечениях, достаточно удаленных от места приложения нагрузки, будет одинаковым.

Подставляя (12.11) в (12.1), получим формулу для нормальных напряжений при внецентренном сжатии:

Эту формулу можно преобразовать к виду

где i , i— главные радиусы инерции сечения. При этом

Положив в (12.12) о = 0, получим уравнение нулевой линии:

Здесь у0 и z0 — координаты точек нулевой линии (рис. 12.11). Уравнение (12.14) является уравнением прямой, не проходящей через центр тяжести сечения. Чтобы провести нулевую линию, найдем точки ее пересечения с осями координат. Полагая в (12.14) последовательно у0 = 0 и z0 = 0, соответственно найдем

где az и ау — отрезки, отсекаемые нулевой линией на осях координат (рис. 12.11).

Рис. 12.11

Рис. 12.12

Установим особенности положения нулевой линии при вне- центренном сжатии.

• 1. Из формул (12.15) следует, что ау и az имеют знаки, противоположные знакам соответственно ур и zP- Таким образом, нулевая линия проходит через те четверти осей координат, которые не содержат точку приложения силы (рис. 12.12).
• 2. С приближением точки приложения силы Р по прямой к центру тяжести сечения координаты этой точки ур и zP уменьшаются. Из (12.15) следует, что при этом абсолютные значения длин отрезков ау и az увеличиваются, то есть нулевая линия удаляется от центра тяжести, оставаясь параллельной самой себе (рис. 12.13). В пределе при ZP=yP = 0 (сила приложена в центре тяжести) нулевая линия удаляется в бесконечность. В этом случае в сечении напряжения будут постоянными и равными о = -P/F.
• 3. Если точка приложения силы Р находится на одной из главных осей, нулевая линия параллельна другой оси. Действительно, положив в (12.15), например, ур = 0, получим, что ау = то есть нулевая линия не пересекает ось Оу (рис. 12.14).
• 4. Если точка приложения силы перемещается по прямой, не проходящей через центр тяжести, то нулевая линия поворачивается вокруг некоторой точки. Докажем это свойство. Точкам приложения сил Рх и Р2, расположенным на осях координат, соответствуют нулевые линии 1 — 1 и 2—2, параллельные осям (рис. 12.15), которые пересекаются в точке D. Так как эта точка принадлежит двум нулевым линиям, то напряжения в этой точке от одновременно приложенных сил Рх и Р2 будут равны нулю. Поскольку любую силу Р3, точка приложения которой расположена на прямой Р{ Р2, можно

Рис. 12.13

Рис. 12.14

Рис. 12.15

разложить на две параллельные составляющие, приложенные в точках Pj и Р2, то отсюда следует, что напряжения в точке D от действия силы Р3 также равны нулю. Таким образом, нулевая линия 3—3, соответствующая силе Р3, проходит через точку D.

Другими словами, множеству точек Р, расположенных на прямой Р{Р2, соответствует пучок прямых, проходящих, через точку D. Справедливо и обратное утверждение: при вращении нулевой линии вокруг некоторой точки точка приложения силы перемещается по прямой, не проходящей через центр тяжести.

Если нулевая линия пересекает сечение, то она делит его на зоны сжатия и растяжения. Так же как и при косом изгибе, из гипотезы плоских сечений следует, что напряжения достигают наибольших значений в точках, наиболее удаленных от нулевой линии. Характер эпюры напряжений в этом случае показан на рис. 12.16, а.

Если нулевая линия расположена вне сечения, то во всех точках сечения напряжения будут одного знака (рис. 12.16, б).

Пример 12.3. Построим эпюру нормальных напряжений в произвольном сечении внецентренно сжатой колонны прямоугольного сечения с размерами b х h (рис. 12.17). Квадраты радиусов инерции сечения согласно (12.22) равны

Рис. 12.16

Отрезки, отсекаемые нулевой линией на осях координат, определяются по формулам (12.15):

Подставляя последовательно в (12.12) координаты наиболее удаленных от нулевой линии точек С и В (рис. 12.18)

найдем

Рис. 12.17

Рис. 12.18

Эпюра о показана на рис. 12.18. Наибольшие сжимающие напряжения по абсолютной величине в четыре раза превосходят значения напряжений, которые были бы в случае центрального приложения силы. Кроме того, в сечении появились значительные растягивающие напряжения. Заметим, что из (12.12) следует, что в центре тяжести (у = z = 0) напряжения равны о = —P/F.

Пример 12.4. Полоса с вырезом нагружена растягивающей силой Р (рис. 12.19, а). Сравним напряжения в сечении ЛВ, достаточно удаленном от торца и места выреза, с напряжениями в сечении CD в месте выреза.

В сечении АВ (рис. 12.19, б) сила Р вызывает центральное растяжение и напряжения равны а = P/F = P/bh.

Рис. 12.19

В сечении CD (рис. 12.19, в) линия действия силы Р не проходит через центр тяжести сечения, и поэтому возникает внецентренное растяжение. Изменив знак в формуле (12.12) на противоположный и приняв ур = 0, получим для этого сечения

Принимая

найдем

Нулевая линия в сечении CD параллельна оси Оу и пересекает ось Oz на расстоянии а = —i2y/zP— Ь/12. В наиболее удаленных от нулевой линии точках сечения C(z — —Ь/4) и D(z — Ь/4) напряжения согласно (12.16) равны

Эпюры нормальных напряжений для сечений ЛВ и CD показаны на рис. 12.19, б, в.

Таким образом, несмотря на то что сечение CD имеет площадь в два раза меньшую, чем сечение АВ, за счет внецентренного приложения силы растягивающие напряжения в ослабленном сечении возрастают не в два, а в восемь раз. Кроме того, в этом сечении появляются значительные по величине сжимающие напряжения.

Следует заметить, что в приведенном расчете не учитываются дополнительные местные напряжения, возникающие вблизи точки С из-за наличия выточки. Эти напряжения зависят от радиуса выточки (с уменьшением радиуса они увеличиваются) и могут значительно превысить по величине найденное значение ас = 8P/bh. При этом характер эпюры напряжений вблизи точки С будет существенно отличаться от линейного. Определение местных напряжений (концентрация напряжений) рассматривается в главе 18.

Многие строительные материалы (бетон, кирпичная кладка и др.) плохо сопротивляются растяжению. Их прочность на растяжение во много раз меньше, чем на сжатие. Поэтому в элементах конструкций из таких материалов нежелательно появление растягивающих напряжений. Чтобы это условие выполнялось, необходимо, чтобы нулевая линия находилась вне сечения. В противном случае нулевая линия пересечет сечение и в нем появятся растягивающие напряжения. Если нулевая линия является касательной к контуру сечения, то соответствующее положение точки приложения силы является предельным. В соответствии со свойством 2 нулевой линии, если точка приложения силы будет приближаться к центру тяжести сечения, нулевая линия будет удаляться от него. Геометрическое место предельных точек, соответствующих различным касательным к контуру сечения, является границей ядра сечения. Ядром сечения называется выпуклая область вокруг центра тяжести, обладающая следующим свойством: если точка приложения силы находится внутри или на границе этой области, то во всех точках сечения напряжения имеют один знак. Ядро сечения является выпуклой фигурой, поскольку нулевые линии должны касаться огибающей контура сечения и не пересекать его.

Через точку А (рис. 12.20) можно провести бесчисленное множество касательных (нулевых линий); при этом только касательная АС является касательной к огибающей, и ей должна соответствовать определенная точка контура ядра сечения. В то же время, например, нельзя провести касательную к участку АВ контура сечения, поскольку она пересекает сечение.

Построим ядро сечения для прямоугольника (рис. 12.21). Для касательной 1 — 1 а7 — Ь/2; а = . Из (12.15) находим для точки 1, соответствующей этой касательной, zP= -i2y / а 7=-Ь/6; у р — 0. Для касательной 2—2 ау — к/2; а7=°°, и координаты точки 2 будут равны ур — —h/6; zP — 0. Согласно свойству 4 нулевой линии точки приложения силы, соответствующие различным касательным к правой нижней угловой точке сечения, расположены на прямой 1—2. Положение точек 3 и 4 определяется из условий симметрии. Таким образом, ядро сечения для прямоугольника представляет собой ромб с диагоналями Ь/3 и И/З.

Рис. 12.20

Рис. 12.21

Чтобы построить ядро сечения для круга, достаточно провести одну касательную (рис. 12.22). При этом а = R; а = °о.

‘У У ^ ^

Учитывая, что для круга iу— Jу/F — R /4, из (12.15) получим

Таким образом, ядро сечения для круга представляет собой круг с радиусом R/4.

На рис. 12.23, а, 6 показаны ядра сечения для двутавра и швеллера. Наличие четырех угловых точек ядра сечения в каждом из этих примеров обусловлено тем, что огибающая контура и у двутавра и у швеллера является прямоугольником.

Рис. 12.23

Рис 12.22