Đang tải... (xem toàn văn)
Sức bền vật liệu nghiên cứu vật thể thực (công trình, chi tiết máy...). Vật thể thực có biến dạng dưới tác dụng của nguyên nhân ngoài (tải trọng, nhiệt độ, lắp ráp các chi tiết chế tạo không
http://www.ebook.edu.vn GV: Lê đức Thanh _________________________________________________________________ Chương 7: Uốn phẳng thanh thẳng 1 Chương 7 UỐN PHẲNG THANH THẲNG 7.1 KHÁI NIỆM CHUNG ♦ Thanh chòu uốn là thanh có trục bò uốn cong dưói tác dụng của ngoại lực. Thanh có trục nằm ngang chòu uốn được gọi là dầm. (Thanh có trục thẳng đứng gọi là cột) ♦ Ngoại lực: Lực tập trung P, lực phân bố q tác dụng vuông góc với trục dầm hay momen (ngẫu lực) M nằm trong mặt phẳng chứa trục dầm (H.7.1). ♦ Mặt phẳng tải trọng: Mặt phẳng ( π ) chứa ngoại lực và trục dầm. Đường tải trọng: Giao tuyến của mặt phẳng tải trọng với mặt cắt ngang. ♦Giới hạn bài toán: + Chỉ khảo sát các thanh mặt cắt ngang có ít nhất một trục đối xứng. Trục đối xứng nầy và trục thanh hợp thành mặt phẳng đối xứng. Tải trọng nằm trong mặt phẳng đối xứng. Mặt phẳng tải trọng trùng mặt phẳng đối xứng, Đường tải trọng cũng là trục đối xứng của mặt cắt ngang Trục dầm sau khi bò cong vẫn nằm trong mặt phẳng ( π )được gọi là uốn phẳng. + Mặt cắt ngang dầm có chiều rộng bé so với chiều cao. ♦ H.7.3 ,7.4,7.5 : giới thiệu một số loại dầm đơn giản thường gặp P1 P2 P3 P4 P5 01 02 H.7.1. Tải trọng tác dụng lên dầmπ http://www.ebook.edu.vn GV: Lê đức Thanh _________________________________________________________________ Chương 7: Uốn phẳng thanh thẳng 2 ♦ Nội lực: Tuỳ theo ngoại lực tác dụng mà trên mặt cắt ngang dầm có các nội lực là lực cắt Qy và mômen uốn Mx . ♦ Phân loại: Uốn thuần túy phẳng: Nội lực chỉ có mômen uốn Mx=hằng số. Uốn ngang phẳng : Nội lực gồm lực cắt Qy và mômen uốn Mx ♦ Dầm ở H.7.4 có đoạn giữa CD chòu uốn thuần túy, dầm ở H. 7.5 chòu uốn thuần túy. Đoạn dầm AC và DB của dầm ở H.7.4 chòu uốn ngang phẳng. P q a L ba) b)c)H.7.3. Các loại dầm: a) Dầm đơn giản b) Dầm chèn kẹp; c) Dầm có đầu mút thừa P + _ Pa) b) c) a)b)H.7.4. Dầm với vùng ở giữa chòu uốn thuần túy H.7.5. Dầm chòu uốn thuần túy PMP PL-2a aa Q M Pa Pa ABA BABB http://www.ebook.edu.vn GV: Lê đức Thanh _________________________________________________________________ Chương 7: Uốn phẳng thanh thẳng 3 7.2 UỐN THUẦN TÚY PHẲNG 7.2.1 Đònh nghóa: Thanh chòu uốn thuần túy phẳng khi trên mọi mặt cắt ngang chỉ có một nội lực Mx. Dấu của Mx : Mx > 0 khi căng (kéo) thớ dưới ( thớ y > 0 ) của dầm 7.2.2 Tính ứng suất trên mặt cắt ngang: 1. Thí nghiệm và quan sát biến dạng: H. 7.6 a) Thanh trước khi biến dạng b) Sau biến dạng; c) Mặt cắt ngang sau biến dạng Kẻ lên mặt ngoài một thanh thẳng chòu uốn như H.7.6a, những đường song song với trục thanh tượng trưng cho các thớ dọc và những đường vuông góc với trục thanh tượng trưng cho các mặt cắt ngang; các đường này tạo thành các lưới ô vuông (H.7.6a). Sau khi biến dạng (H.7.6b), trục thanh bò cong, các đường thẳng song song với trục thanh thành các đường cong song song với trục thanh; những đường vuông góc với trục thanh vẫn còn vuông góc với trục thanh, nghóa là các góc vuông được bảo toàn trong quá trình biến dạng. Ngoài ra, nếu quan sát thanh thì thấy các thớ bên dưới dãn ra(bò kéo) và các thớ bên trên co lại (bò nén). Như thế, từ thớ bò dãn sang thớ bò co sẽ tồn tại các thớ mà chiều dài không thay đổi trong quá trình biến dạng, gọi là thớù trung hòa. Các thớ trung hòa tạo thành lớp trung hòa. Giao tuyến của lớp trung hoà với mặt cắt ngang tạo thành đường trung hòa. Vì mặt cắt ngang có chiều rộng bé nên đường trung hòa xem như thẳng (H.7.6.c) H.7.6. a) Thanh trước khi biến dạng b) Sau biến dạng; c) Mặt cắt ngang sau biến dạng http://www.ebook.edu.vn GV: Lê đức Thanh _________________________________________________________________ Chương 7: Uốn phẳng thanh thẳng 4 Sau biến dạng các mặt cắt ngang 1-1 và 2-2 ban đầu cách nhau một đoạn vi phân dz sẽ cắt nhau tại tâm cong O’ (H.7.7b) và hợp thành một góc dθ. Gọi ρ là bán kính cong của thớ trung hòa, tức khoảng cách từ O’ đến thớ trung hòa. Độ dãn dài tương đối của một thớ ab ở cách thớ trung hòa một khoảng cách y cho bởi: () ( )yydddydzdzdyabzκρθρθρθρθρε==−+=−+=−=21210000 (a) trong đó: κ - là độ cong của dầm. Hệ thức này chứng tỏ biến dạng dọc trục dầm tỉ lệ với độ cong và biến thiên tuyến tính với khoảng cách y từ thớ trung hòa H.7.7 Đoạn dầm vi phân dz M11aO1O2bMdz22yOρdθMaO1O2bâMyσσa) Trùc biến dạngb) Sau biến dạngzPhần bò nénx y Phần bò kéo Lớp trung hoà Mặt phẳng tải trọngĐường tải trọngĐường trung hoà http://www.ebook.edu.vn GV: Lê đức Thanh _________________________________________________________________ Chương 7: Uốn phẳng thanh thẳng 5 2. Thiết lập công thức tính ứng suất: Mỗi thớ dọc của dầm chỉ chòu kéo hoặc nén (các điểm bất kỳ trên mặt cắt ngang ở trạng thái ứng suất đơn). Đònh luật Hooke ứng với trạng thái ứng suất đơn cho ta: yEEzzκ=ε=σ (b) Ứùng suất pháp tác dụng trên mặt cắt ngang biến thiên bậc nhất với khoảng cách y từ thớ trung hòa. Xét hợp lực của các ứng suất pháp trên toàn mặt cắt ngang. + Liên hệ giữa σz và Nz 0==∫∫FFzyFEdFκσ (đònh nghóa Nz =0) (c) Vì độ cong κ và môđun đàn hồi E là hằng số nên có thể đem ra ngoài dấu tích phân, ⇒ 0=∫FydF (d) (d) cho thấy mômen tónh của diện tích mặt cắt ngang đối với trục trung hoà x bằng không ⇔ trục trung hoà x đi qua trọng tâm mặt cắt ngang. Tính chất này cho phép xác đònh trục trung hoà của bất kỳ mặt cắt ngang nào. Nếu trục y là trục đối xứng, thì hệ trục (x,y) chính là hệ trục quán tính chính trung tâm. + Liên hệ giữa σz và Mx ∫∫==FFzxdFyEydFM2κσ = κEJx (e) trong đó: ∫=FxdFyJ2 (g) là mômen quán tính của mặt cắt ngang đối với trục trung hòa x. Biểu thức (e) được viết lại như sau: xxEJM==ρκ1 (7.1) EJx gọi là độ cứng uốn của dầm. Thế(7.1) vào (b) ⇒ Công thức tính ứng suất pháp tại một điểm trên mặt cắt ngang dầm: yJMxxz=σ (7.2) Ứùng suất biến thiên bậc nhất theo tung độ y.và y là khoảng cách của điểm tính ứng suất kể từ trục trung hoà x .(Mxvà y mang dấu đại số) H.7.8. Ứng suất pháp và mô men uốn trên mặt cắt ngang của dầm chòu uốn Đường trung hoàxy zσzdF Mx y 0 http://www.ebook.edu.vn GV: Lê đức Thanh _________________________________________________________________ Chương 7: Uốn phẳng thanh thẳng 6 Công thức kỹ thuật: Nếu mômen uốn dương, dầm bò căng ( bò kéo ) thớ dưới, các thớ trên bò nén . Kết quả ngược lại nếu mômen uốn âm. Do vậy trong thực hành, ta có thể sử dụng công thức kỹ thuật để tính ứng suất, || yJMxxz±=σ (7.3) ta sẽ lấy: dấu (+) nếu Mx gây kéo tại điểm cần tính ứng suất. dấu (–) nếu Mx gây nén tại điểm cần tính ứng suất. . 7.2.3 Biểu đồ ứng suất pháp - Ứng suất pháp cực trò: ♦ Biểu đồ ứng suất pháp: +Những điểm càng ở xa trục trung hòa có trò số ứng suất càng lớn. +Những điểm cùng có khoảng cách tới thớ trung hòa sẽ có cùng trò số ứng suất pháp. Biểu đồ phân bố ứng suất pháp là đồ thò biểu diễn giá trò các ứng suất tại các điểm trên mặt cắt ngang. *Trường hợp mặt cắt ngang có hai trục đối xứng (Hình tròn, chữ nhật ) cho bởi H.7.9 *Trường hợp mặt cắt ngang chỉ có một trục đối xứng (chữ I,U) cho bởi H.7.10. Dấu (+) chỉ ứng suất kéo. Dấu (-) chỉ ứng suất nén. +_ http://www.ebook.edu.vn GV: Lê đức Thanh _________________________________________________________________ Chương 7: Uốn phẳng thanh thẳng 7 H. 7.9 Biểu đồ ứng suất pháp cho các mặt cắt có hai trục đối xứng H. 7.10 Biểu đồ ứng suất pháp cho các mặt cắt có một trục đối xứng ♦ Ứng suất pháp cực trò: Tính ng suất pháp khi kéo và khi nén lớn nhất trên mặt cắt ngang dầm ở những điểm xa đường trung hòa nhất. Gọi nkyymaxmax, lần lượt là khoảng cách thớ chòu kéo và thớ chòu nén ở xa đường trung hòa nhất. Khi đó ứng suất chòu kéo lớn nhất σmax và ứng suất chòu nén lớn nhất σmin sẽ tính bởi các công thức: kxxkxxWMyJM==maxmaxσ (7.4a) nxxnxxWMyJM==maxminσ (7.4b) với: nxnxkxkxyJWyJWmaxmax ;'== (7.5) Các đại lượng kxW và nxW gọi là các suất tiết diện hoặc mômen chống uốn của mặt cắt ngang. Trường hợp đặt biệt: Nếu trục x (trục trung hoà) cũng là trục đối xứng (mặt cắt chữ nhật, tròn, Ι,…) thì: 2maxmaxhyynk== khi đó: hJWWWxxnxkx2=== (7.6) và ứng suất nén và kéo cực đại có trò số bằng nhau: xxWM=σ=σminmax (7.7) ∗ Mặt cắt ngang hình chữ nhật với bề rộng b và chiều cao h : +_ http://www.ebook.edu.vn GV: Lê đức Thanh _________________________________________________________________ Chương 7: Uốn phẳng thanh thẳng 8 6 ;1223bhWbhJxx== (7.8) ∗ Mặt cắt ngang hình tròn: 33441,032 ;05,064ddWddJxx≈=≈=ππ (7.9) ∗ Mặt cắt ngang hình vành khăn : đường kính ngoài D, trong, d )1(32 ;)1(644344ηπηπ−=−=DWDJxx với η = d/ D ∗ Mặt cắt ngang hình Ι, C: Tra bảng thép đònh hình. Ý nghóa vật lý của mômen chống uốn: khi mômen chống uốn càng lớn dầm chòu được mômen uốn càng lớn. 7.2.4 Điều kiện bền- Ba bài toán cơ bản Điều kiện bền: + Dầm bằng vật liệu dòn: [σ] k ≠ [σ] n ⏐σmin⏐≤ [σ] n σmax ≤ [σ] k (7.10a) + Dầm bằng vật liệu dẻo: [σ] k = [σ] n = [σ] max ⏐σz⏐≤ [σ] (7.10b) Ba bài toán cơ bản: +Bài toán kiểm tra bền,(Đây là bài toán thâûm kế.) +Bài toán chọn kích thước mặt cắt ngang,(bài toán thiết kế). +Bài toán chọn tải trọng cho phép.(bài toán sữa chữa,nâng cấp) Bài toán cơ bản 1: Kiểm tra bền- Kiểm tra thanh chòu lực có đảm bảo độ bền hay không. Dùng (7.10a) hay (7.10b) để kiểm tra. Thí dụ 7.1 Trên mặt cắt ngang của một dầm chữ T ngược (H.7.11), mômen uốn Mx = 7200 Nm. Dầm làm bằng vật liệu có ứng suất cho phép khi kéo và nén khác nhau: ` [σ ]k = 20 MN/m2; [σ]n = 30 MN/m2 ` ` Kiểm tra bền biết rằng: Jx = 5312,5 cm4 Giải. Ta có: ykmax = 75 mm= 7,5.10–2 m ynmax = 125 mm = 12,5.10–2 m H. 7.11 z 125 75Dầm chữ T chòu uốnMx y x O http://www.ebook.edu.vn GV: Lê đức Thanh _________________________________________________________________ Chương 7: Uốn phẳng thanh thẳng 9 3628maxm103,708105,7105,5312−−−×=××==kxkxyJW 3628maxm10425105,12105,5312−−−×=××==nxnxyJW []kkxxWMσ<=×=×==σ−2266maxMN/m 20,10N/m1020,10103,7087200 []nnxxWMσ<=×=×==σ−2266minMN/m 17N/m1017104257200 vậy dầm đủ bền. Bài toán cơ bản 2: Chọn kích thước mặt cắt ngang sao cho dầm thỏa điều kiện bền. Từ điều kiện bền tổng quát (7.10a,b) ⇒ mômen chống uốn và kích thước của mặt cắt ngang sẽ được xác đònh. Thí dụ 7.2 Cho dầm chòu lực như H.7.12. Dầm làm bằng hai thép chữ , Chọn số hiệu của thép chữ để dầm thỏa điều kiện bền. Biết [σ ] = 16 kN/cm2. Giải. Dầm chòu uốn thuần túy; trên mọi mặt cắt ngang của dầm có mômen uốn Mx=60 kNm. Áp dụng công thức (7.7) và (7.10b) ta được: 3maxcm 37516100.60][==σ≥MWx Tra bảng thép hình ta chọn 2 20 có Wx = 2 × 184 = 368 cm3. Kiểm tra lại điều kiện bền ta có: 2maxmaxkN/cm 3,16368100.60===σxWM sai số tương đối:%9,1%10016163,16=×−; vậy dầm đủ bền. Chọn 2 20 Bài toán cơ bản 3: Đònh tải trọng cho phép [P] để dầm thỏa điều kiện bền. Thí dụ 7.3 Một dầm bằng gang có mặt cắt ngang như H.7.13. Xác đònh trò số mômen uốn cho phép(mômen có chiều như hình vẽ). Biết: [σ ] κ = 1,5 kN/cm2 . Hỏi với trò số mômen uốn cho phép đó, ứng suất nén lớn nhất trong dầm là bao nhiêu? Cho biết Jx = 25470 cm4 xH.7.12 M= 60 kNmM= 60 KNm http://www.ebook.edu.vn GV: Lê đức Thanh _________________________________________________________________ Chương 7: Uốn phẳng thanh thẳng 10 Giải. Từ điều kiện bền kxxkxxWMyJM==maxmaxσ ≤ [σ] k ⇒ [][]Ncm5,35378,10254705,1maxkyJMkxkx=×==σ Tương ứng ta có: []2maxminN/cm 67,2 19,2 547025,3537kyJMnxx−=×−=−=σ 7.2.5 Hình dáng hợp lý của mặt cắt ngang. Hình dáng hợp lý là sao cho khả năng chòu lực của dầm là lớn nhất nhưng đồng thời ít tốn vật liệu nhất. Điều kiện: kkxxyJMσσ==maxmax , nnxxyJMσσ==maxmin Lập tỉ số các ứng suất : []ασσ==nknkyymaxmax - Nếu vật liệu dòn: α < 1 vì : nkσσp nên nkyymaxmaxp Ta chọn mặt căùt ngang không đối xứng qua trục trung hoà. - Nếu vật liệu dẻo: α =1 nên nkyymaxmax= Ta chọn mặt căùt ngang đối xứng qua trục trung hoà. Theo biểu đồ ứng suất ta thấy càng gần trục trung hoà ứng suất càng nhỏ, nên tại đó vật liệu làm việc ít hơn ở những điểm xa trục trung hòa, vì vậy thường cấu tạo hình dáng mặt cắt sao cho vật liệu xa trục trung hòa . ví dụ hình chữ I,U,vành khăn ,hình rỗng… H.7.13 z 192mm108mmM y x [...]... hình vẽ. 1/ Vẽ biểu đồ M x và Q y. 2/ Tính ứng suất pháp và ứng suất tiếp lớn nhất tại mặt cắt m-m (bên trái c). 3/Tính ứng suất chính tại điểm K(mặt cắt tiếp giáp lòng và đế)mặt m-m, Theo TB3. 4 413 88 cmJ X ,= Tại mặt cắt m-m cónội lực : mkNqaM x −=×××== 54 211 10 4 17 4 17 2 , kNqLQ y 52 71 1 0 4 11 4 11 ,=××== cmycmy nk 674 4 ,,,, maxmax == 2 4 71 3 44 cmkNy J M k x x mm /,, 13 88,4 4250 ... [] k k x x W M σ<=×= × ==σ − 226 6 max MN/m 20 ,10 N/m1020 ,10 10 3 ,70 8 72 00 [] n n x x W M σ<=×= × ==σ − 226 6 min MN/m 17 N/m1 0 17 10 425 72 00 vậy dầm đủ bền. Bài toán cơ bản 2: Chọn kích thước mặt cắt ngang sao cho dầm thỏa điều kiện bền. Từ điều kiện bền tổng quát (7 .10 a,b) ⇒ mômen chống uốn và kích thước của mặt cắt ngang sẽ được xác định. Thí dụ 7. 2 Cho dầm chịu lực như H .7 .12 . Dầm làm bằng hai thép chữ... _________________________________________________________________ Chương 7: Uốn phaúng thanh thaúng 26 Thí du 7 .10 :Cho dầm ABC chịu lực như hình vẽ . Định [q] cho[ σ ] = 16 kN/cm 2. [ τ ]=9kN/cm 2 h=20cm,b=0 ,76 cm d =0 ,72 cm,t=0,9cm J X =15 20cm 4 ,W X =15 2cm 3 S X = 87, 8cm 3 , Tính: 42 3 6 570 211 6 510 12 13 16 2 cmJJ xX =+××+ × = )),(( [] σσ ≤= x x z W M Max max , với 3 35 97 11 6 570 2 cm H J W X x ,=== ... có: kN 923 ,75 3,4 4 7 4 7 =×== PQ y ⇒ 22 max kN/cm 8 2 ][ ][kN/cm 046,2 45, 019 8 2353,4 4 7 = σ =τ<= × × ×=τ ⇒ phân tố này thỏa điều kiện bền. ++ Phân tố ở TTỨS phẳng đặc biệt; ở nơi tiếp giáp giữa lòng và đế tại mặt cắt có: kNm 342,68,053,4 4 7 4 7 =××== PaM x và kN 923 ,7 4 7 == PQ y 3 cm 37 ,18 2 )72 , 010 ( 72 ,05,5 = − ××= ′ c x S 2 kN/cm 634 ,1 45, 019 8 37 ,18 53,4 4 7 = × ×× =τ zy ... kiện bền. Biết [ σ ] = 16 kN/cm 2 . Giải. Dầm chịu uốn thuần túy; trên mọi mặt cắt ngang của dầm có mômen uốn M x =60 kNm. Áp dụng công thức (7. 7) và (7 .10 b) ta được: 3 max cm 375 16 10 0.60 ][ == σ ≥ M W x Tra bảng thép hình ta chọn 2 20 có W x = 2 × 18 4 = 368 cm 3 . Kiểm tra lại điều kiện bền ta có: 2 max max kN/cm 3 ,16 368 10 0.60 ===σ x W M sai số tương đối: %9 ,1% 100 16 16 3 ,16 =× − ;... c x c xy zy bJ SQ = τ -Tính ứng suất chính của phân tố. 22 31 4 2 1 2 τσ σ σ +±= , Điều kiện bền (chương 5): + Dầm làm bằng vật liệu deûo: Theo TB 3: (7. 26) ][4 22 313 σ≤τ+σ=σ−σ=σ zyzt Theo TB 4: ][3 22 4 σ≤τ+σ=σ zyzt (7. 27) + Dầm làm bằng vật liệu dòn: Dùng TB 5 ][4 2 1 2 1 22 5 σ≤τ+σ + +σ − =σ zyzzt mm (7. 28) Từ đây cũng có ba bài toán cơ bản: Bài toán cơ bản 1: Kiểm tra bền Bài toán... suất chính tại K. 2 17 40 18 413 88 415 85 27 cm k , , ,, = × × = τ , ( ) 33 415 822 418 cmcmS c x ,, =×× () 2 kN/cm,, , 2 214 44 413 88 4250 =−×= z k σ Theo thuyết bền 3: () ( ) /,,, 2 2 2 22 3 22 274 042 214 cmkN KKt =+=+= τσσ Thí dụ 7. 6 Xác định kích thước mặt cắt ngang hình chữ nhật , cho[ σ ] = 1 kN/cm 2. , L=1m ,h=2b .Tính max τ 22 2 2 610 012 6 )( max, max bbhb qa W M x × ××× = × × == σ ≤ 1. .. 2 kN/cm 71 , 1 372 ,0 2 10 19 8 2,634 = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −×=σ z Theo thuyết bền ứng suất tiếp cực đại: () () 22 22 22 3 kN/cm 16 ][kN/cm 09 ,14 634 ,14 71 , 134 =σ<= ×+=τ+σ=σ zyzt ♦ Kết luận: Tải trọng cho phép [P] = 4,53 kN http://www.ebook.edu.vn GV: Lê đức Thanh _________________________________________________________________ Chương 7: Uốn phẳng thanh thẳng 21 Thí dụ 7. 9 Cho... x y zx J th x b Q ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −× ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −× = 222 τ (7 .19 ) Ứng suất tiếp τ zx phân bố bậc nhất theo x , biểu đồ phân bố như H .7. 21 http://www.ebook.edu.vn GV: Lê đức Thanh _________________________________________________________________ Chương 7: Uốn phẳng thanh thẳng 9 36 2 8 max m103 ,70 8 10 5 ,7 10 5,5 312 − − − ×= × × == k x k x y J W 36 2 8 max m10425 10 5 ,12 10 5,5 312 − − − ×= × × == n x n x y J W ... cmkNy J M k x x mm /,, 13 88,4 4250 max max =×== − σ 7, 6cm 4,4cm 3ql A qa ql q 3L L L L B C D H m m ql 2 qL 4 13 qa 4 11 qL 4 15 4cm 8cm 12 cm 3cm 3cm X Y 4 qL qL 4 11 _ qL 4 13 qL 4 1 ql 2 ql 2 4 17 qL http://www.ebook.edu.vn GV: Lê đức Thanh _________________________________________________________________ Chương 7: Uốn phẳng thanh thẳng 12 3. Công thức . 3628maxm1042 510 5 ,12 105,5 312 −−−×=××==nxnxyJW []kkxxWMσ<=×=×==σ−2266maxMN/m 20 ,10 N/m1020 ,10 103 ,70 872 00 []nnxxWMσ<=×=×==σ−2266minMN/m 17 N/m1 0 17 1042 572 00. tra bền biết rằng: Jx = 5 312 ,5 cm4 Giải. Ta có: ykmax = 75 mm= 7, 5 .10 –2 m ynmax = 12 5 mm = 12 ,5 .10 –2 m H. 7 .11 z 12 5 75 Dầm