Sức bền vật liệu - ôn tập về lý thuyết và bài tập sức bền vật liệu
-
Upload
phongnvt -
Category
Technology
-
view
17.439 -
download
17
Transcript of Sức bền vật liệu - ôn tập về lý thuyết và bài tập sức bền vật liệu
Trần Minh Tú – Bộ môn Sức bền Vật liệu – Đại học Xây dựng
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI
Nội dung ôn tập
I. CHƯƠNG 1 - BiỂU ĐỒ NỘI LỰC
II. CHƯƠNG 2 - THANH CHỊU KÉO (NÉN) ĐÚNG TÂM
III. CHƯƠNG 3 - TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ CÁC THUYẾT BỀN
IV. CHƯƠNG 4 - ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC MẶT CẮT NGANG
V. CHƯƠNG 5 - THANH CHỊU XOẮN THUẦN TÚY
VI. CHƯƠNG 6 - THANH CHỊU UỐN
Chương 1:
BiỂU ĐỒ NỘI LỰC
Nội lực
Lượng thay đổi lực tương tác giữa các phần tử vật chất của vật thể khi chịu tác dụng của ngoại lực
Khi có tác dụng ngoại lực => biến dạng => xuất hiện nội lực chống lại sự biến dạng
Nghiên cứu nội lực – PP mặt cắt
Nội lực – lực phân bố trên mặt cắt
1.1. Khái niệm nội lực - ứng suất
Nội lực
1.1. Khái niệm nội lực - ứng suất
• Ứng suất trung bình – Cường độ nội lực
tb
Fp
A
• Ứng suất tại điểm K thuộc mặt cắt
Ứs toàn phần
Ứng suất pháp
Ứng suất tiếp
Đơn vị: N/m2 (Pa)
0limA
N
A
0limA
Fp
A
0limA
Q
A
1.1. Khái niệm nội lực - ứng suất
1.2. Khái niệm ứng lực
Ứng lực R: Hợp lực nội lực trên mặt cắt ngang của thanh
R: phương, chiều, điểm đặt bất kỳ => dời về trọng tâm O
Nz – lực dọc
Qx, Qy - lực cắt
Mx, My – mô men uốn
Mz –mô men xoắn
6 ứng lực
y
z
x
K
O
R
y
z
xMx
My
Mz Qx
NZ
Qy
1.2. Khái niệm ứng lực
• Bài toán phẳng: Ngoại lực nằm trong mặt phẳng đi qua trục z (yOz) => Chỉ tồn tại các thành phần ứng lực trong mặt phẳng này: Nz, Mx, Qy
• Nz - lực dọc; Qy - lực cắt; Mx – mô men uốn
y
z
xMx
NZ
Qy
1.3. Biểu đồ nội lực
Qui ước dấu các thành phần ứng lực
Lực dọc: N>0 khi có chiều đi ra khỏi mặt cắt
Lực cắt: Q>0 khi có chiều đi vòng quanh phần thanh đang xét theo chiều kim đồng hồ
Mô men uốn: M>0 khi làm căng các thớ dưới
N
N
Để xác định các thành phần nội lực: PP MẶT CẮT
1.3. Biểu đồ nội lực – PP mặt cắt biến thiên
a. Xác định phản lực tại các liên kết
b. Phân đoạn thanh sao cho biểu thức của các thành phần ứng lực trên từng đoạn là liên tục
c. Viết biểu thức xác định các thành phần ứng lực N, Q, M theo toạ độ mặt cắt ngang bằng phương pháp mặt cắt
d. Vẽ biểu đồ cho từng đoạn căn cứ vào phương trình nhận được từ bước (c)
e. Kiểm tra biểu đồ nhờ vào các nhận xét mang tính trực quan, tính kinh nghiệm.
Các bước vẽ biểu đồ nội lực
1.3. Biểu đồ nội lực
Biểu đồ lực dọc, lực cắt vẽ theo qui ước và mang dấu
Biểu đồ mô men luôn vẽ về phía thớ căng
N, Q
z
M
z
1.3. Biểu đồ nội lực
NHẬN XÉT:
• Tại mặt cắt có lực tập trung thì biểu đồ lực cắt có bước
nhảy, độ lớn bước nhảy bằng giá trị lực tập trung. Xét từ
trái qua phải chiều bước nhảy cùng chiều lực tập trung.
• Tại mặt cắt có mô men tập trung thì biểu đồ mô men
có bước nhảy, độ lớn bước nhảy bằng giá trị mô men tập
trung. Xét từ trái qua phải nếu mô men quay thuận chiều
kim đồng hồ thì bước nhảy đi xuống.
• Tại mặt cắt có lực cắt bằng 0 thì biểu đồ mô men đạt
cực trị.
• Biểu đồ mô men luôn có xu hướng “hứng” lực.
Ví dụ 1: Vẽ các biểu đồ nội lực cho dầm chịu lực như hình vẽ Số liệu: a=1m; F=15 kN; M0= 9 kNm; q=6kNm
qM
F
o
2a a
V
B VC
A
AV CV
F
q
Q
N
M M
NQ
Z1 Z2
18
12
33
6
15
+
_
Q
M
kN
kNm
1
2
1
2
2a a
M
F
o q
1.3. Biểu đồ nội lực
1. Phản lực ngàm:
. . 03
25 10.3 15. 35
3
C C
C
BCM M M F AC q
M kNm
10 1( )z m
0 10 15 25C CY F q V V kN
1 0N
1 10 10Y Q F Q kN
1 1 1 1 1. 0 10M M F z M z
2. Biểu đồ lực cắt và mô men uốn:
*Đoạn AB:
Mặt cắt 1-1 : N
Q
M 1
1
1
N
F
1z
C M
1
1
F=10kN M=5kNm
q=15kN/m
2m
A B C
1m V C
1.3. Biểu đồ nội lực
VÍ DỤ 2
1.3. Biểu đồ nội lực
3
2 2 2
55 10
4M z z
2 2
2 2
0 5
2 35
z M kN
z M kN
*Đoạn BC: Mặt cắt 2-2 :
20 2( )z m
2 2
2 2
0 10
2 25
z Q kN
z Q kN
10
25
0 0
Q
kN 10
2 0N
C M
1
1
F=10kN M=5kNm
q=15kN/m
2m
A B C
1m V C
2
2
F
2z
zqM
1m
N
Q
2
2
2
M
0
35
M
kNm
0
10
5
2
2
zq z
q 215
2z
zq
2
22 2 2
1510 10
2 4z
zY Q F q z Q
0 2 2 2 2
1 1. . . 1
2 3zM M q z z F z M
Ví dụ 2.4:
Vẽ biểu đồ các thành phần ứng lực trên các mặt cắt ngang của thanh chịu tải trọng như hình vẽ.
GIẢI: 1. Xác định phản lực
5
3 03 2
B A
a aM V a qa qa
13
18AV qa
0A BY V V qa qa
23
18BV qa
a
A B
q
2a
C
AV BV
1.3. Biểu đồ nội lực
1.3. Biểu đồ nội lực
2. Cắt và xét từng phần thanh như hình vẽ
Đoạn AC:
Đoạn BC:
10 2z a
1 1 1
10
2AY Q V q z z
2 1
1 1 1 04 3
O A
zqM M V z z
a
1Q
1M
1
1
a
A B
q
2a
C
AV BV
AV
1z
O
1zq
2
2
2Q
2M
1 1
1 12 2
q z z qq z z
q a a
2
1 1
13
4 18
q qaQ z
a
3
1 1 1
13
12 18
q qaM z z
a
20 z a
2 2 2 2
230
18B
qaY Q qz V Q qz
22
2 2 2 2 2 2
230
2 2 18O B
z q qaM M qz V z M z z
BV
2z
O
q
1.3. Biểu đồ nội lực
3. Vẽ biểu đồ
a
A B
q
2a
C
AV BV
2
1 1 1
13 0 2
4 18
q qaQ z z a
a
yQ
1,7a
13
18qa
23
18qa
5
18qa
parabol
1 1
1 1
130
18
52
18
A
C
Q Q z qa
Q Q z a qa
1 '' 02
a Parabol lồi
1 1 1,max' 0 0 AQ z Q Q
1 10 1,7Q z a
2 2 2
23 0
18
qaQ qz z a
2 2
2 2
230
18
5
18
B
C
Q Q z qa
Q Q z a qa
1.3. Biểu đồ nội lực
3. Vẽ biểu đồ
a
A B
q
2a
C
AV BV
3
1 1 1 1
13 0 2
12 18
q qaM z z z a
a
yQ
xM
1,7a
13
18qa
23
18qa
5
18qa
20,82qa
20,78qa
parabol
parabol đường bậc 3
1 1
2
1 1
0 0
2 0,78
A
C
M M z
M M z a qa
1 1'' 02
qM z
a
Đường cong bậc 3 lồi 2
1 1 1,max' 0 1,7 0,82M z a M qa
2
2 2 2 2
23 0
2 18
q qaM z z z a
2 2
2
2 2
0 0
0,78
B
C
M M z
M M z a qa
với 10 2z a
2 '' 0M q Parabol lồi
2 2' 0 2,56M z a a
M2 không có cực trị trên [0,a]
Cơ sở: Dựa vào mối liên hệ vi phân giữa Q, M và q(z)
Biết tải trọng phân bố =>nhận xét dạng biểu đồ Q, M => xác định số điểm cần thiết để vẽ được biểu đồ
q=0 => Q=const => QA=? (hoặc QB)
M bậc 1 => MA=? và MB=?
q=const => Q bậc 1 => QA=? QB=?
M bậc 2 => MA=?; MB=?; cực trị?
tính lồi, lõm,..?
1.4. Biểu đồ nội lực – PP vẽ theo điểm đặc biệt
2
2( )
d M dQq z
dz dz
Các giá trị QA, QB, MA, MB, cực trị - là giá trị các điểm đặc biệt. Được xác định bởi:
Quan hệ bước nhảy của biểu đồ
Phương pháp mặt cắt
Qphải = Qtrái + Sq (Sq - Dtích biểu đồ q) Mphải = Mtrái + SQ (SQ - Dtích biểu đồ Q)
1.4. Biểu đồ nội lực – PP vẽ theo điểm đặc biệt
VAVD
A B C
D
1m 1m 1.5m
F=36kN q=24kN
D A
1,5 1 2M =V .3,5 - F.2,5 - q.1,5.(1+ ) - q. . = 0
2 2 3
V = 46 (kN)A
A D
1,5 1 1M =V .3,5 - F.1 - q.1,5.(1 + ) - q. .(2,5 + ) = 0
2 2 3
DV = 38 (kN)
1.4. Biểu đồ nội lực – PP vẽ theo điểm đặc biệt
Vẽ biểu đồ nội lực của dầm có liên kết và chịu tải trọng như hình vẽ.
1. Xác định phản lực
1.4. Biểu đồ nội lực – PP vẽ theo điểm đặc biệt
0q
46 (kNm)A AQ V Q const
46 (kNm)B A qM M S
q const
46 36B BQ Q F
10 (kNm)BQ
26 (kN)C B qQ Q S
34 (kNm)C A QM M S
max 48.08 (kNm)M
* Đoạn BC:
* Đoạn AB:
VAVD
A B C
D
1m 1m 1.5m
F=36kN q=24kN
2. Biểu đồ lực cắt và mô men uốn:
38 (kN)D C qQ Q S
0DM
*ĐoạnCD:
0
46
10
0,417
1,083
2638
0
46
Q
kN
M
kNm
ax 48.08M 34
M bậc 1:
=> Q bậc 1:
M bậc 2:
q bậc 1:
=> Q bậc 2:
=> M bậc 3:
CHƯƠNG 2
THANH CHỊU KÉO (NÉN) ĐÚNG TÂM
CHƯƠNG 2: THANH CHỊU KÉO (NÉN) ĐÚNG TÂM
2.1. Nội lực
Lực dọc - Nz – phương trùng phương trục thanh
Qui ước dấu của Nz: chiều dương khi đi ra khỏi mặt
cắt (chịu kéo), và chiều âm khi hướng vào trong mặt cắt
ngang đang xét (chịu nén).
2.2. Ứng suất
zz
N
A
A - diện tích mặt cắt ngang, Nz - lực dọc trên mặt cắt ngang
(2.1)
z const
0
l
zN dzl
EA
zNconst
EA
2.3. Biến dạng
- Biến dạng dài tuyệt đối dọc trục thanh
Nz – lực dọc
EA – độ cứng
zN L
EAl
L – chiều dài thanh
CHƯƠNG 2: THANH CHỊU KÉO (NÉN) ĐÚNG TÂM
Nếu thanh gồm n đoạn, chiều dài và độ cứng khi kéo (nén) trên mỗi đoạn là li và (EA)i , lực dọc trên mỗi đoạn là Nzi
1 1 ( )
n nzi i
ii i i
N ll l
EA
CHƯƠNG 2: THANH CHỊU KÉO (NÉN) ĐÚNG TÂM
CHƯƠNG 2: THANH CHỊU KÉO (NÉN) ĐÚNG TÂM
2.4. Chuyển vị
• Khi thanh thẳng chịu kéo (nén) đúng tâm trục thanh vẫn thẳng,
các mặt cắt ngang không có chuyển vị xoay mà chỉ có chuyển vị
tịnh tiến theo phương dọc trục. Tại toạ độ z của mặt cắt ngang,
chuyển vị theo phương dọc trục là w:
0
0
z
zN dzw w
EA
Trong đó w0 là chuyển vị của mặt cắt
ngang tại z=0
• Khi tính chuyển vị của các điểm thuộc hệ thanh liên kết khớp,
trước tiên xác định lực dọc trong các thanh, từ đó tính được biến
dạng của từng thanh riêng biệt. Từ sơ đồ biến dạng của hệ tìm
mối liên hệ hình học của chuyển vị điểm cần tìm với biến dạng
của từng thanh riêng biệt.
wphải = w trái + SN/EA Hoặc: SN – Diện tích biểu đồ lực dọc
2.5. Tính toán điều kiện bền và điều kiện cứng
Trình tự tính toán điều kiện bền của thanh theo ứng suất cho
phép:
• Vẽ biểu đồ lực dọc Nz của thanh
• Căn cứ vào biểu đồ lực dọc và diện tích mặt cắt ngang trên từng
đoạn, tìm mặt cắt ngang nguy hiểm là mặt cắt ngang có ứng suất
pháp cực trị.
• Xem vật liệu thanh là dẻo hay giòn để viết điều kiện bền cho
đúng
Vật liệu dẻo:
z chzmax z min
Nmax , max
A n
CHƯƠNG 2: THANH CHỊU KÉO (NÉN) ĐÚNG TÂM
CHƯƠNG 2: THANH CHỊU KÉO (NÉN) ĐÚNG TÂM
•Vật liệu giòn: k
bzmax k n
n
bz min n n
Ba dạng bài toán cơ bản
a. Bài toán kiểm tra điều kiện bền
c. Bài toán tìm giá trị cho phép của tải trọng
b. Bài toán chọn kích thước mặt cắt ngang thanh
2.6. Bài toán siêu tĩnh
- Khi số ẩn phản lực > số pt cân bằng tĩnh học có thể viết =>
Bài toán siêu tĩnh.
- Cần viết thêm pt bổ sung: Pt biểu diễn điều kiện biến dạng
b a
B
A2
F2 F1
A1
C D
Bài 1: Cho thanh có tiết diện thay đổi chịu tải trọng dọc trục như hình vẽ. 1. Vẽ biểu đồ lực dọc. 2. Xác định trị số ứng suất pháp lớn nhất 3. Xác định chuyển vị theo phương dọc trục của trọng tâm tiết diện D.
Biết F1=10kN; F2=25kN; A1=5cm2; A2=8cm2 a=b=1m; E=2.104kN/cm2
Bài giải
1. Dùng PP mặt cắt viết biểu thức lực dọc trên mỗi đoạn thanh
z1
F1
D NCD
1 10CDN F kN
a
F2 F1
C D
z2
NBC
1 2 15BCN F F kN
CHƯƠNG 2: THANH CHỊU KÉO (NÉN) ĐÚNG TÂM
b a
B
A2
F2 F1
A1
C D
10
N kN
15
Biểu đồ lực dọc:
2. Xác định trị số ứng suất pháp lớn nhất
2
1
102( / )
5
CDCD
NkN cm
A
2
2
151,875( / )
8
BCBC
NkN cm
A
22( / )max
kN cm
3. Chuyển vị của điểm D
2 1
. .BC CDD BD BC CD
N b N aw L l l
EA EA
2 22
4
1 15.10 10.100,0625.10 ( )
2.10 8 5Dw cm
=> Chuyển dời sang phải
CHƯƠNG 2: THANH CHỊU KÉO (NÉN) ĐÚNG TÂM
CHƯƠNG 2: THANH CHỊU KÉO (NÉN) ĐÚNG TÂM
Bài 1: Cho các thanh chịu lực như hình vẽ.
Vẽ biểu đồ lực dọc, ứng suất và chuyển vị
của các mặt cắt ngang.
Biết a=1m; A2=2A1=15cm2; F1=25kN;
F2=60 kN; q=10kN/m; E=104kN/cm2
Giải:
1 45( )AN R kN
2) Nội lực trong các đoạn thanh:
- Đoạn AB:
1) Xác định phản lực:
Giải phóng liên kết ngàm tại A:
1 2 . 0AZ R F F q a
2 1. 60 10.1 25 45( )AR F q a F kN
A2
B
A
F2 F1
A1
q
RA
C
a a
A
RA N1
z B
A
F2 q
RA N3
- Mặt cắt trong đoạn BC: 0 ≤ z ≤ a
3 2 . 15 10AN F R q z z
CHƯƠNG 2: THANH CHỊU KÉO (NÉN) ĐÚNG TÂM
4. Tính ứng suất trên các tiết diện:
- Đoạn AB:
2
3
453( / )
15
ABAB
NkN cm
A
- Đoạn BC:
2
1
2
1
0 15( )
152( / )
7,5
1( ) 25( )
253,33( / )
7,5
BC
BCB
BC
BCC
z N kN
NkN cm
A
z m N kN
NkN cm
A
3. Vẽ biểu đồ lực dọc
45
N
kN
A2
B
A
F2 F1
A1
q
RA
C
a a
3
kN/cm2
2 3,33
1 45( )N kN
3 15 10N z
15 25
CHƯƠNG 2: THANH CHỊU KÉO (NÉN) ĐÚNG TÂM
4. Tính chuyển vị tại các đoạn:
- Chuyển vị đoạn AB: 0 ≤ z1 ≤ 100(cm) 1
411 A 1 14
30
45.w w 0 3.10 ( )
. 10 .15.
z
ABN zdz z cm
E A
- Chuyển vị đoạn BC: 0 ≤ z2 ≤ 100(cm)
2 2
2 3 2
10 0
2
2 22
4'
2 3
4''
2
(15 10 )w w 0,03
. 75000
15 5w 0,03 ( )
75000
2.10w (3 2 )
3
4.10w 0
3
z z
BCB
N zdz dz
E A
z zcm
z
Hàm lõm quay xuống dưới. 0,03
0,657
w
cm
A2
B
A
F2 F1
A1
q
RA
C
a a
CHƯƠNG 2: THANH CHỊU KÉO (NÉN) ĐÚNG TÂM
D
2A
B C
A
a 3a
P RB RD
Bài 3: Cho thanh tiết diện thay đổi chịu
tải trọng như hình vẽ. Vẽ biểu đồ lực
dọc.
Bài giải
1. Giả sử phản lực tại ngàm B và D có
phương, chiều như hình vẽ.
Pt cân bằng:
B DR R P (1) Bài toán siêu tĩnh
0BD BC CDL L L (2)
Điều kiện biến dạng:
30
2
BC CDBD
N a N aL
EA EA (3)
RD NCD
NBC
C
P RD
D
CD DN R BC DN R P
CHƯƠNG 2: THANH CHỊU KÉO (NÉN) ĐÚNG TÂM
RB
D
2A
B C
A
a 3a
P RD
.30
2
D DR P a R a
EA EA
2 3 0D DR P R
2
5DR P
2
5CDN P
3
5BCN P
2
5P
3
5P
N
Bài 2.3: Cho hệ thanh chịu lực như hình vẽ.
Xác định lực dọc trong các thanh và chuyển
vị điểm C. Biết độ cứng các thanh là EA,
chiều cao h
Giải:
1. Xác định lực dọc:
Tách nút C: Lực dọc N1, N2
Phương trình cân bằng:
1 2
1 2
0 sin sin 0X N N
N N
1 2
1
0 os o 0
2 os
Y N c N c P
N c P
(1)
(2)
1 2(1) (2)2cos
PN N
P
C
N1 N2
X
Y
EA EA
P
D
C
E
h
CHƯƠNG 2: THANH CHỊU KÉO (NÉN) ĐÚNG TÂM
2. Xác định chuyển vị tại C:
EA EA
D
C
E
h
C’
Do hệ đối xứng, C di chuyển theo phương
thẳng đứng xuống C’.
Khi đó ta có:
1L
yC
1C
Ly
cos
1 1
1
N LL
EA
12cos
PN
Mà
1cos
hL
1 22
PhL
EAcos
32
C
Phy
EAcos
CHƯƠNG 2: THANH CHỊU KÉO (NÉN) ĐÚNG TÂM
EA EA
D
C
E
L
F L
L1 L2
EA EA
D
C
E
L
F L C’
A K B
K’
B’
yB
yC
' C CKKK y L cos
CDC
Ly
2EA
CHƯƠNG 2: THANH CHỊU KÉO (NÉN) ĐÚNG TÂM
1. Xác định lực dọc:
Tách nút C ta được N1, N2, N3
Phương trình cân bằng:
1 3
1 3
0 sin30 sin30 0o oX N N
N N
(1)
(2)
1 3 2
1 2
0 ( ). os30 0
3
oY N N c N P
N N P
N3 30o 30o
C
N1
N2
P
Điều kiện biến dạng o
1 3 2 2
3os30
2L L L c L
1 21 2
2 .3 3
2 43
N H N HN N
EAEA
A A
30o 30o
C
A
P
H
(3)
2L
1L
A A
30o 30o
C
A
P
H
Bài 2.3: Cho hệ thanh chịu lực như hình vẽ.
-Xác định lực dọc trong các thanh.
- Tìm chuyển vị điểm C.
Biết A=5cm2 , E =2.104kN/cm2, P= 50kN, H=4m
Giải:
CHƯƠNG 2: THANH CHỊU KÉO (NÉN) ĐÚNG TÂM
Bài 2.4: Cho hệ thanh chịu lực như hình vẽ.
Xác định lực dọc trong các thanh.Tìm chuyển vị
điểm C. Biết ABD = ACE =5cm2; E =2.104kN/cm2;
P= 50kN; L=2m; Thanh AC tuyệt đối cứng.
Cắt hệ thanh thành hai phần:
2
3.2..0
LPLNLNM CEBDA
PNN CEBD 342
(2)
2
1..
.2
1
2
1
2'
'
CECE
CE
BD
BDBD
CE
BD
LN
AE
AE
LN
L
L
L
L
CC
BB
(1)
CEBDCE
BD NNN
N 2
2
1
;30
;15
KNN
KNN
CE
BD
;06,0' cm
EA
LNLCC
CE
CECECE
Giải:
L P
L L
L/2
E
B
D
C A
P
L L
L/2
B C A
NCE NBD
C’
B’
CHƯƠNG 2: THANH CHỊU KÉO (NÉN) ĐÚNG TÂM
L
L L/2
F
B D
C
K
Bài 2.5: Cho hệ thanh gồm
thanh BCD tuyệt đối cứng,
thanh treo CK có độ cứng EA,
chịu lực như hình vẽ.
• Xác định lực dọc trong thanh
CK
• Tìm chuyển vị điểm D theo
phương thẳng đứng.
Biết = 300 K
Bài giải:
1. Xác định lực dọc trong thanh CK
L L/2
F
B D
C
NCK
3 1 3sin . . 0
2 2 2B CK CK
L LM N L F N L F
3CKN F
CHƯƠNG 2: THANH CHỊU KÉO (NÉN) ĐÚNG TÂM
L
L L/2
F
B D
C
K
2. Tìm chuyển vị điểm D theo phương thẳng đứng.
C’ D’
yD
Sơ đồ biến dạng
LCK
' 2
' / 2 3
CC L
DD L L
3' '
2Dy DD CC
'sin
CKLCC
. 3 . / sin 3
sin
CK CKCK
N L F L FLL
EA EA EA
2
3'
sin
FLCC
EA
2 2
3 3 9'
2 sin 2 sinD
FL FLy DD
EA EA
CHƯƠNG 2: THANH CHỊU KÉO (NÉN) ĐÚNG TÂM
N
L L/2
F
B D
C
K
N
L
L L/2
F
B D
C
K
L
q
q
CHƯƠNG 2: THANH CHỊU KÉO (NÉN) ĐÚNG TÂM
L F
B D
C
K
G
G’
D’ C’
yG
G D DGy y L
'Dy CC
' CKCC L
CHƯƠNG 2: THANH CHỊU KÉO (NÉN) ĐÚNG TÂM
CHƯƠNG 3
TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT- CÁC THUYẾT BỀN
3.1. Khái niệm về trạng thái ứng suất tại một điểm
- Nội lực: Lượng thay đổi lực tương tác - phân bố trên mặt cắt
thuộc vật thể chịu lực.
- Ứng lực: Hợp lực của nội lực trên mặt cắt ngang của thanh.
- Ứng suất: tại một điểm trên một mặt cắt
- Trạng thái ứng suất: tại một điểm
- Định nghĩa: trạng thái ứng suất tại một điểm là tập hợp tất cả
những thành phần ứng suất trên tất cả các mặt đi qua điểm đó. Nghiên cứu trạng thái ứng suất tại một điểm: tách phân tố lập phương vô
cùng bé chứa điểm đang xét, biểu diễn các thành phần ứng suất trên tất cả các
mặt vuông góc với ba trục toạ độ x, y, z. Trên mỗi mặt ứng suất toàn phần có
phương, chiều bất kỳ được phân tích thành ba thành phần: 1 thành phần ứng
suất pháp vuông góc với mặt cắt và 2 thành phần ứng suất tiếp nằm trong mặt
cắt.
CHƯƠNG 3: Trạng thái ứng suất – các thuyết bền
z
y
x
x
y
z
xy
xz
yx
yz
zy
zx
Ký hiệu ứng suất: ij -chỉ số i – phương pháp tuyến; chỉ số j –
phương của ứng suất
3.2. Mặt chính – ứng suất chính – phương chính
• Mặt chính: Là mặt không có tác dụng của ứng suất tiếp.
• Phương chính: là phương pháp tuyến của mặt chính.
• Ứng suất chính: là ứng suất pháp tác dụng trên mặt chính.
• Phân tố chính: ứng suất tiếp trên các mặt bằng 0
Tại 1 điểm luôn tồn tại ba mặt chính vuông góc với nhau với ba ứng suất chính tương ứng ký hiệu là Theo qui ước:
1 2 3, ,
1 2 3
CHƯƠNG 3: Trạng thái ứng suất – các thuyết bền
Mặt vuông góc với trục z là mặt chính có ứng suất chính = 0 => Chỉ tồn tại các thành phần ứng suất trong xOy
x xy
y
x
y
z
yx
x
y
x
xy
y
O
yx
Phân loại TTƯS: TTƯS đơn, TTƯS phẳng, TTƯS khối
3.3. Trạng thái ứng suất phẳng
CHƯƠNG 3: Trạng thái ứng suất – các thuyết bền
Qui ước dấu Ứng suất pháp dương khi có chiều đi ra khỏi phân tố Ứng suất tiếp có chiều dương khi đi vòng quanh phân tố
theo chiều kim đồng hồ
|xy| = |yx|
a) Định luật đối ứng của ứng suất tiếp
TTƯS phẳng xác định bởi: x ,y, xy
b) Ứng suất trên mặt nghiêng (//z) u
uv
y
x
xy x y x y
u xycos sin
2 22 2
x y
uv xysin2 cos 22
CHƯƠNG 3: Trạng thái ứng suất – các thuyết bền
>0 – từ x đến u theo chiều ngược kim đồng hồ
c) Ứng suất pháp cực trị là các ứng suất chính
0
01,02 0
0 90
0
21
2
xy
x y
arctg
2
2
1,2(3)2 2 xy
x y x y
max, min
22
xy
x y
tg
Hoặc:
1
max
xy
y
tg
2
min
xy
y
tg
Hai phương chính vuông góc với nhau
CHƯƠNG 3: Trạng thái ứng suất – các thuyết bền
d) Ứng suất tiếp cực trị: mặt có ứng suất tiếp cực trị hợp với mặt chính góc 450
2
2
2
xy
x y
max,min
e) Bất biến của TTƯS phẳng: tổng các ứng suất pháp trên hai mặt bất kỳ vuông góc với nhau tại một điểm có giá trị không đổi
x y u v const
CHƯƠNG 3: Trạng thái ứng suất – các thuyết bền
3.4. Quan hệ ứng suất – biến dạng (Định luật Hooke)
1
x x y zE
1
y y x zE
1
z z x yE
xy
xyG
xz
xzG
yz
yzG
1x x y
E
1y y x
E
xy
xyG
Trạng thái ứng suất phẳng:
CHƯƠNG 3: Trạng thái ứng suất – các thuyết bền
Thuyết bền: Các giả thiết về nguyên nhân gây ra sự phá hoại vật liệu
Thuyết bền 1 - Thuyết bền ứng suất pháp lớn nhất
Thuyết bền 2 - Thuyết bền biến dạng dài tương đối lớn nhất
Thuyết bền 3 - Thuyết bền ứng suất tiếp lớn nhất
3 1 3t
Thuyết bền 4 - Thuyết bền thế năng biến đổi hình dáng cực đại
2 2 2
4 1 2 3 1 2 1 3 2 3t k
Thuyết bền 5 - Thuyết bền Mohr
CHƯƠNG 3: Trạng thái ứng suất – các thuyết bền
5 1 3
kt k
n
[] n
u
uv
[ ]k O2 O3 O1
CHƯƠNG 3: Trạng thái ứng suất – các thuyết bền
Thuyết bền 5 - Thuyết bền Mohr
• Dựa vào kết quả thí nghiệm => Vẽ vòng tròn ứng suất giới hạn => Vẽ đường bao => Xác định miền an toàn của vật liệu
• Chỉ phù hợp vật liệu giòn
Cho phân tố ở TTƯS phẳng có các thành phần ứng suất trên các mặt như hình vẽ. Tìm phương chính, ứng suất chính của TTƯS tại điểm đó. Biết β =60o
GiẢI
210 / ;u kN cm
u
6KN/cm2
4KN/cm2
10KN/cm2
β
6KN/cm2
4KN/cm2
β
x
y
• Gắn hệ trục xy cho phân tố như hình vẽ
• Pháp tuyến u của mặt nghiêng tạo với phương ngang góc
Ta có: 24 / ;y kN cm
26 / ;xy kN cm
150o
CHƯƠNG 3: Trạng thái ứng suất – các thuyết bền
CHƯƠNG 3: Trạng thái ứng suất – các thuyết bền
2sin2cos22
xyyxyx
u
218,928 /x kN cm
• Phương chính:
22
xy
x y
tg
Lại có: u
6KN/cm2
4KN/cm2
β
x
y
1 2 119,4 ; 90 109,4o o o
2
2
2,122
xy
yxyx
• Ứng suất chính: 2
1 21,041 /KN cm
2
2 1,887 /KN cm
CHƯƠNG 4
ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC MẶT CẮT NGANG
1. Mô men tĩnh của diện tích A đối với trục Ox, Oy:
( )
x
A
S ydA ( )
y
A
S xdA
Trục trung tâm: trục có mô men tĩnh của diện tích A đối với nó bằng 0. Trọng tâm: Giao điểm của hai trục trung tâm => mô men tĩnh của hình phẳng đối với trục đi qua trọng tâm bằng 0 Cách xác định trọng tâm C (xC, yC) của hình phẳng:
y
C
Sx
A x
C
Sy
A
Chương 4. Đặc trưng hình học mặt cắt ngang
Cách xác định trọng tâm của hình ghép từ nhiều hình đơn giản
• Hình đơn giản: toạ độ trọng tâm dễ xác định
• Chọn hệ trục ban đầu Oxy, biểu diễn kích thước và toạ độ trọng tâm C(xC, yC) trong hệ trục này
• Nếu mặt cắt ngang A ghép từ nhiều hình đơn giản có diện tích Ai với tọa độ trọng tâm mỗi hình đơn giản là Ci(xCi,yCi) trong hệ toạ độ ban đầu, thì:
1
1
n
Ci iy i
C n
i
i
x AS
xA
A
1
1
n
Ci i
x iC n
i
i
y AS
yA
A
x
C1
C2
C3
xC1
yC1
Chương 4. Đặc trưng hình học mặt cắt ngang
Chú ý
Chọn hệ trục toạ độ ban đầu hợp lý: Nếu hình có trục đối xứng thì chọn trục đối xứng làm một trục của hệ trục tọa độ ban đầu, trục còn lại đi qua trọng tâm của càng nhiều hình đơn giản càng tốt.
Nếu hình bị khoét thì diện tích bị khoét mang giá trị âm.
Chương 4. Đặc trưng hình học mặt cắt ngang
2. Mô men quán tính của mặt cắt ngang A đối với trục x, y
2
( )
x
A
I y dA 2
( )
y
A
I x dA
3. Mô men quán tính độc cực
2
( )
p x y
A
I dA I I
4. Mô men quán tính ly tâm
( )
xy
A
I xydA
Hệ trục quán tính chính của diện tích mặt cắt ngang: là hệ
trục mà mô men quán tính ly tâm của diện tích mặt cắt ngang
đối với nó bằng 0.
Hệ trục quán tính chính trung tâm của diện tích mặt cắt ngang:
là hệ trục quán tính chính, có gốc tọa độ trùng với trọng tâm
mặt cắt ngang.
Chương 4. Đặc trưng hình học mặt cắt ngang
Hình chữ nhật
Hình tròn
Hình tam giác
3
12x
bhI
3
12y
hbI
4 440,1
2 32p
R DI D
4 440,05
4 64x y
R DI I D
3
12x
bhI
h
b
x
y
D
x
y
b
h
x
Chương 4. Đặc trưng hình học mặt cắt ngang
Mặt cắt ngang ngang A trong hệ trục ban đầu Oxy có các đặc trưng hình học mặt cắt ngang là Sx, Sy, Ix, Iy, Ixy.
Hệ trục mới O'uv có O'u//Ox, O'v//Oy và:
Các đặc trưng hình học mặt cắt ngang A trong hệ trục O'uv là:
u x b v y a
x
y
A
O
u
v
a
b
dA
x
u
y v
.u xS S a A
.v yS S b A
22u x xI I aS a A 22v y yI I bS b A
uv xy y xI I aS bS abA
Công thức chuyển trục song song
Chương 4. Đặc trưng hình học mặt cắt ngang
Nếu O đi qua trọng tâm C:
2
u xI I a A 2
v yI I b A
uv xyI I abA
C C
Chương 4. Đặc trưng hình học mặt cắt ngang
- Mặt cắt ngang ngang A trong
hệ trục ban đầu Oxy có các đặc
trưng hình học mặt cắt ngang là
Sx, Sy, Ix, Iy, Ixy.
- Hệ trục mới O'uv xoay góc q
ngược chiều kim đồng hồ
u
x
y
v
u xcos y sin
v x sin y cos
- Các đặc trưng hình
học mặt cắt ngang
trong hệ trục mới O'uv
là Su, Sv, Iu, Iv, Iuv
x y x y
u xy
x y x y
v xy
x y
uv xy
I I I II cos I sin
I I I II cos I sin
I II sin I cos
2 22 2
2 22 2
2 22
Công thức xoay trục
Chương 4. Đặc trưng hình học mặt cắt ngang
Ví dụ 4.1. Cho mặt cắt ngang có hình
dạng và kích thước như hình vẽ.Xác định
các mô men quán tính chính trung tâm của
mặt cắt ngang
Giải: Chọn hệ trục toạ độ ban đầu x0y0
như hình vẽ. Chia mặt cắt ngang làm hai
hình đơn giản và 1 2
1
2
x0
y0
1. Xác định toạ độ trọng tâm, ta có:
- xC=0 (y0 - trục đối xứng)
Chương 4. Đặc trưng hình học mặt cắt ngang
1
2
x0
y0
- Dựng hệ trục quán tính chính trung tâm Cxy
- Các mô men quán tính chính trung tâm:
Chương 4. Đặc trưng hình học mặt cắt ngang
Chương 4. Đặc trưng hình học mặt cắt ngang
Ví dụ 4.2. Cho hình phẳng có hình
dạng và kích thước như hình vẽ. Xác
định các mô men quán tính chính trung
tâm của hình phẳng
Giải: Chọn hệ trục toạ độ ban đầu x0y0
như hình vẽ. Chia hình phẳng làm hai
hình đơn giản và 1 2
1
2 1
2
+
Chương 4. Đặc trưng hình học mặt cắt ngang
Ta có:
1. Xác định toạ độ trọng tâm:
i= Xi [m] yi [m] Ai [m2] xiAi [m
2] yiAi [m2]
1 0,5 2,0 4 2 8
2 2,0 0,5 2 4 1
6 6 9
1
2
Ci i
C
i
x Ax ( m )
A
61
6
Ci i
C
i
y Ay , ( m )
A
91 5
6
2. Qua C, dựng hệ trục quán tính trung tâm Cxy:
C
y
x
1.5m
3. Các mô men quán tính đối với hệ trục quán tính
trung tâm Cxy:
a1= - 0,5m; b1=0,5m; a2=1m; b2= - 1m
Chương 4. Đặc trưng hình học mặt cắt ngang
1
2
x
y
.A I , . , ( m )
.I , . , ( m )
31 2 4
1
31 2 4
1 40 5 4 6 33
12
4 10 5 4 1 33
12
x
y
.A I . , ( m )
.I . , ( m )
32 2 4
2
32 2 4
2 11 2 2 17
12
1 21 2 2 67
12
4. Các mô men quán tính đối với hệ trục quán tính
chính trung tâm Cuv:
x x xI I I , , , ( m ) 1 2 46 33 2 17 8 5
y y yI I I , , ( m ) 1 2 41 33 2 67 4
xy xy xyI I I a b A a b A ( m ) 1 2 4
1 1 1 2 2 20 3
Chương 4. Đặc trưng hình học mặt cắt ngang
4. Các mô men quán tính đối với hệ trục quán tính chính trung tâm Cuv:
2
2 4
1 10( )2 2 xy
x y x yI I I II I m
2
2 4
2 2,5( )2 2 xy
x y x yI I I II I m
5. Góc xác định hệ trục quán tính chính trung tâm Cuv:
xy
y x
Itan ,
I I
0
22 1 333
'
'
0
1
0 0
2 1
26 34
90 116 34
1
2
C
y
x
1.5m
v
u
1
CHƯƠNG 5
THANH CHỊU XOẮN THUẦN TÚY
1. NỘI LỰC: mô men xoắn Mz nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục thanh
Qui ước dấu của Mz
Nhìn từ bên ngoài vào mặt cắt ngang, nếu Mz có chiều thuận chiều kim đồng hồ thì nó mang dấu dương và ngược lại.
zM > 0
y
z
x
z
y
x
Chương 5. Thanh tròn chịu xoắn thuần túy
2. Ứng suất: Ứng suất tiếp có phương vuông góc với bán kính, chiều cùng chiều mô men xoắn nội lực
z
p
M
I
– toạ độ điểm tính ứng suất
Ip – mô men quán tính độc
cực của mặt cắt ngang
Mz – mô men xoắn nội lực
ax .W
z zm
p p
M MR
I
43W / / 2 0,2
32p
DD D
Chương 5. Thanh tròn chịu xoắn thuần túy
2. Biến dạng của thanh tròn chịu xoắn Góc xoắn (góc xoay) tương đối giữa hai mặt cắt ngang A và B
L
A B
Oa b
c 0
A L
z zAB
p pB
M dz M dzrad
GI GI
z
p
Md
dz GI
Góc xoắn tỉ đối
z
p
Mconst
GI
zAB
p
M L
GI
1
nz
AB i
i p i
Ml
GI
Chương 5. Thanh tròn chịu xoắn thuần túy
1. Điều kiện bền
2. Điều kiện cứng
ax
pW
z
m
Mmax max
0
n
- nếu dùng thực nghiệm tìm 0
2
- nếu dùng thuyết bền 3
3
- nếu dùng thuyết bền 4
ax
ax
/zm
p m
Mrad m
GI
Nếu [] cho bằng độ/m => đổi ra rad/m
Chương 5. Thanh tròn chịu xoắn thuần túy
3. Ba bài toán cơ bản: a) Bài toán 1: Kiểm tra điều kiện bền (hoặc điều kiện
cứng)
b) Bài toán 2: Chọn kích thước thanh theo điều kiện bền (hoặc điều kiện cứng)
c) Bài toán 3: Xác định giá trị cho phép của tải trọng tác dụng (là giá trị lớn nhất của tải trọng đặt lên hệ mà thanh vẫn đảm bảo điều kiện bền hoặc điều kiện cứng)
ax
pW
z
m
M
pW zM
pW .zM
Chương 5. Thanh tròn chịu xoắn thuần túy
Ví dụ 5.1: Cho trục tròn có diện tích mặt cắt ngang thay đổi chịu tác dụng của mô men xoắn ngoại lực như hình vẽ
1. Vẽ biểu đồ mô men xoắn nội lực
2. Xác định trị số ứng suất tiếp lớn nhất
3. Tính góc xoắn của mặt cắt ngang D
Biết M=5kNm; a=1m; D=10cm; G=8.103 kN/cm2
2a
B
a
C D
D
M 3M
2D
Chương 5. Thanh tròn chịu xoắn thuần túy
1. Biểu đồ mô men xoắn
Đoạn CD
Đoạn BC
2a
B
a
C D
D
M 3M
2D
MzkNm
15
10
10 z a
3 15CD
zM M kNm
2 10BC
zM M kNm
20 2 z a MzCD
3M
z1
3M M
z2 a Mz
BC
Chương 5. Thanh tròn chịu xoắn thuần túy
2. Trị số ứng suất tiếp lớn nhất
3. Góc xoắn tại D
2a
B
a
C D
D
M 3M
2D
MzkNm
15
10
2max 2
3 3
15 107,5( / )
0,2 0,2 10CD
CD
zMkN cm
D
2max 2
3 3
10 100,625( / )
0,2 200,2 2BC
BC
zMkN cm
D
D BC CD 2CD BC
z zD CD BC
p p
M a M a
GI GI
2 2 2 2
3 4 3 4
15 10 10 10 10 2 100,02( )
8 10 0,1 10 8 10 0,1 20D rad
2
max 7,5( / )kN cm
Chương 5. Thanh tròn chịu xoắn thuần túy
Giả sử phản lực tại ngàm MA, MD có chiều như hình vẽ.
Ta có: MA + MD = M (1)
Điều kiện biến dạng
AD = 0 (2)
d
a 2a
D
M MA D
A
M
B2d
D
M DM
z
z
CD
2AB BD
z zAD AB BD AB BD
p p
M a M a
GI GI
BD
z DM MAB
z DM M M
4 4
20
0,10,1 2
D DAD
M M a M a
G dG d
1 32;
33 33D AM M M M
Mz
M/33
32M/33
Chương 5. Thanh tròn chịu xoắn thuần túy
CHƯƠNG 6
THANH CHỊU UỐN NGANG PHẲNG
Giới hạn nghiên cứu: Dầm với mặt cắt ngang có ít nhất 1 trục đối xứng (chữ I, T, chữ nhật, tròn,…); mặt phẳng tải trọng trùng mặt phẳng đối xứng của dầm => Uốn phẳng
Phân loại uốn phẳng Uốn thuần túy phẳng Uốn ngang phẳng
Chương 6. Thanh chịu uốn ngang phẳng
1. THANH CHỊU UỐN THUẦN TÚY PHẲNG
1.1. Nội lực: mô men uốn Mx (hoặc My)
Lớp trung hoà Đường trung hoà Đường trung hoà đi qua trọng tâm của mặt cắt
ngang
y
z
x
dA
x
y
z
K
Mx
Thớ trung hoà : không bị co, không bị dãn=>
Bán kính cong:
1 x
x
M
EI
EIx – độ cứng của dầm chịu uốn
Mx – mô men uốn nội lực
– bán kính cong của thớ trung hoà
xz
x
My
I
Chương 6. Thanh chịu uốn ngang phẳng
Mặt cắt ngang có hai trục đối xứng
max2
x x
x x
M Mh
I W
min2
x x
x x
M Mh
I W
max min
/ 2
xx
IW
h - mô men chống uốn của mặt cắt ngang
x
y
min
max
h/2
h/2
2
6x
bhW
330,1
/ 2 32
xx
I DW D
D
Hình chữ nhật: Hình tròn:
Hình vành khăn: 3
4 3 41 0,1 1/ 2 32
xx
I DW D
D
d
D với
z
Mx
Chương 6. Thanh chịu uốn ngang phẳng
x
y
th
b min
max
ynmax
ykmax
max max
x xk
k
x x
M My
I W
min max
x xn
n
x x
M My
I W
max
k xx k
IW
y
max
n xx n
IW
y
ykmax - khoảng cách xa ĐTH nhất thuộc vùng chịu kéo
ynmax - khoảng cách xa ĐTH nhất thuộc vùng chịu nén
z
Mx
Chương 6. Thanh chịu uốn ngang phẳng
4. Điều kiện bền
Dầm làm bằng vật liệu dẻo
Dầm bằng vật liệu giòn
Ba bài toán cơ bản
Kiểm tra điều kiện bền:
Xác định kích thước của mặt cắt ngang:
Xác định tải trọng cho phép:
max minmax ,
max min ; k n
max
x
x
M
W
x
x
MW
x xM W
Chương 6. Thanh chịu uốn ngang phẳng
2. THANH CHỊU UỐN NGANG PHẲNG
Mx => ứng suất pháp Qy => ứng suất tiếp
2.1. Nội lực:
xz
x
My
I
2.2. Ứng suất:
c
y x
zy
x c
Q S
I b
h
b=b
y
§THx
y
Ac
c
Qy là lực cắt theo phương y tại mặt cắt ngang.
Ix là mômen quán tính của mặt cắt ngang đối với trục x.
bc chiều rộng của mặt cắt ngang tại điểm tính ứng suất
là phần diện tích bị cắt (là phần diện tích giới hạn bởi chiều rộng mặt cắt ngang tại điểm tính ứng suất và mép ngoài của mặt cắt ngang).
là mô men tĩnh của phần diện tích bị cắt c
xS
CA
Chương 6. Thanh chịu uốn ngang phẳng
x
y
h
b=
y
bc
max
AC
3
2
yQ
bh
Chương 6. Thanh chịu uốn ngang phẳng
4. Điều kiện bền K, N - trạng thái ứng suất đơn C- trạng thái ứng suất trượt thuần túy B- trạng thái ứng suất phẳng đặc biệt
x
y
N
K
C
B
Mx
z
max
min
max
h/2
h/2
maxmax
minmin
max
max
B
B
B
B
Chương 6. Thanh chịu uốn ngang phẳng
Kiểm tra bền cho trạng thái ứng suất đơn
Mặt cắt ngang nguy hiểm: mặt cắt có mô men uốn lớn nhất (vật liệu dẻo: trị tuyệt đối của mô men lớn nhất, vật liệu giòn: mô men âm và mô men dương lớn nhất)
Vật liệu dẻo:
Vật liệu giòn:
max minmax ,
max min ; k n
Chương 6. Thanh chịu uốn ngang phẳng
Kiểm tra bền cho trạng thái ứng suất trượt thuần túy
Mặt cắt nguy hiểm: Mặt cắt có trị tuyệt đối Qy lớn nhất
Vật liệu dẻo:
Vật liệu giòn: Dùng thuyết bền Mohr
axmmax
0
n
- nếu dùng thực nghiệm tìm 0
2
- nếu dùng thuyết bền 3
3
- nếu dùng thuyết bền 4
max
1
k
k
n
Chương 6. Thanh chịu uốn ngang phẳng
Kiểm tra bền cho trạng thái ứng suất phẳng đặc biệt
Mặt cắt ngang nguy hiểm: có trị tuyệt đối Mx và Qy cùng lớn
Điểm kiểm tra: điểm có ứng suất pháp và ứng suất tiếp cùng lớn (điểm tiếp giáp giữa lòng và đế với mặt cắt ngang chữ I)
Dầm bằng vật liệu dẻo:
Dầm bằng vật liệu giòn:
2 2
t® z zy( ) 4( ) (TB3)
2 2
t® z zy( ) 3( ) (TB4)
2 21 14
2 2z z zy k
Chương 6. Thanh chịu uốn ngang phẳng
1. Khái niệm chung
Đường đàn hồi: Đường cong của trục dầm sau khi chịu uốn
Trọng tâm mặt cắt ngang của dầm
K - trước biến dạng
K’ – sau biến dạng
KK’ – chuyển vị của trọng tâm mặt cắt ngang
Biến dạng bé: u(z)<<v(z)
v(z) => độ võng: y(z)=>
B
F
L
K
K’
K
K’
z
v(z)
u(z)
KK’
v(z) - chuyển vị đứng
u(z) - chuyển vị ngang
Độ võng của dầm chịu uốn là chuyển vị theo phương thẳng đứng của trọng tâm mặt cắt ngang
Chương 6. Thanh chịu uốn ngang phẳng
CHUYỂN VỊ CỦA DẦM CHỊU UỐN
- Tại K’ dựng tiếp tuyến t với đường đàn hồi, đường vuông góc với tiếp tuyến t tại K’=>
- Mặt cắt ngang dầm sau biến dạng tạo với mặt cắt ngang dầm trước biến dạng góc => góc xoay z
Góc xoay: góc hợp bởi mặt cắt ngang dầm trước và sau biến dạng
Biến dạng bé: (z) = tg = y’(z) => Đạo hàm bậc nhất của độ võng là góc xoay
B
F
L
K
K’
z
Chương 6. Thanh chịu uốn ngang phẳng
•Gt: Khi chịu uốn vật liệu thanh làm việc trong miền đàn hồi:
2. Phương trình vi phân gần đúng của đường đàn hồi
( )1 x
x
M z
EI
32 2
1 "( )"( )
(1 ' )
y zy z
y
•Hình học giải tích:
Biến dạng bé
'' ( )x
x
M zy
EI
z
M
M>0
''( ) 0y z
z
M ''( ) 0y z
M<0
( )"( ) x
x
M zy z
EI - Phương trình vi phân gần đúng
đường đàn hồi
Chương 6. Thanh chịu uốn ngang phẳng
3. Các phương pháp xác định đường đàn hồi
a. Phương pháp tích phân trực tiếp
Từ phương trình vi phân gần đúng lấy tích phân lần thứ nhất ta được góc xoay.
Tích phân lần thứ hai ta được biểu thức tính độ võng
x
x
Mdyz dz C
dz EI
x
x
My(z) dz C .dz D
EI
Chương 6. Thanh chịu uốn ngang phẳng
trong đó C và D là hai hằng số tích phân, được xác định nhờ vào điều kiện biên chuyển vị .
P
A B C
Điều kiện liên tục:
C Cy y
C C
Chương 6. Thanh chịu uốn ngang phẳng
VD 6.1: Xác định độ võng tại đầu tự do của dầm công-xôn chịu tác dụng của tải tập trung như hình vẽ
Ta có:
M F L z
B
F
L-z
L
EIx
z
'' x
x x
F L zM (z)y (z)
EI EI
2
x x
F L z) F zz dz C Lz C
EI EI 2
2 3
x
F z zy z L Cz D
EI 2 6
0 0 0z C
0 0 0z y D
2
B
x
FLz L
2EI
Điều kiện biên
3
B
x
FLy y z L
3EI
Chương 6. Thanh chịu uốn ngang phẳng
Phương pháp thông số ban đầu để xác định đường đàn hồi Xét dầm chịu uốn ngang phẳng gồm n đoạn, đánh số thứ tự 1,2,…,i, i+1,..,n từ trái sang phải. Độ cứng mỗi đoạn là E1I1, E2I2,…, EnIn. Xét hai đoạn kề nhau thứ i và i+1 có liên kết dạng đặc biệt sao cho độ võng và góc xoay tại đây có bước nhảy , tại mặt cắt ngang giữa hai đoạn có lực tập trung và mô men tập trung, đồng thời lực phân bố cũng có bước nhảy
0
0F
0M
y0
y
Fa
aMq0
iq
qi+1
z=a
iy
i+1y
(a)
(a)
(a)i
(a)i+1
z
ya
1 2 i i+1 n
Chương 6. Thanh chịu uốn ngang phẳng
Chương 6. Thanh chịu uốn ngang phẳng
Bằng các phép biến đổi toán học (khai triển Taylor hàm độ võng tại z=a), sử dụng quan hệ vi phân giữa các thành phần ứng lực và tải phân bố, ta nhận được công thức truy hồi của hàm độ võng (hàm độ võng trên đoạn thứ i+1 được xác định khi biết hàm độ võng trên đoạn thứ i)
- Khi độ cứng của dầm EI=const trên cả chiều dài
Với
độ võng đoạn thứ nhất
1
2 3 4 5'
( ) ( ) ( )
1 ( ) ( ) ( ) ( )...
2! 3! 4! 5!a
i i a a
a a a
y z y z y z a
z a z a z a z a M Q q q
EI
a aM M
a aQ Q
1( ) ( )a i iq q a q a
' ' '
1( ) ( )a i iq q a q a
2 3 4 5'
1 0 0 0 0 0 0
1( ) ...
2! 3! 4! 5!
z z z zy z y z M Q q q
EI
Chương 6. Thanh chịu uốn ngang phẳng
Các thông số gọi là các thông số ban đầu và được xác định từ điều kiện biên.
Chú ý:
Chiều dương của mô men tập trung, lực tập trung, tải trọng phân bố như hình vẽ.
Nếu liên kết giữa hai đoạn thứ (i) và (i+1) là khớp treo thì
Nếu hai đoạn thứ (i) và (i+1) là liền nhau thì
Ví dụ
0ay
0a ay
'
0 0 0 0 0 0, , , , , ,...y M Q q q
Chương 6. Thanh chịu uốn ngang phẳng
Ví dụ 6.2:
Dùng phương pháp thông số ban đầu, xác định độ võng tại C và góc xoay tại D của dầm chịu tải trọng như hình vẽ.
Bài giải:
1. Xác định phản lực
2. Lập bảng thông số ban đầu
B
11V qa
4
D
9V qa
4
1 2 3 DB
M=qaP=4qa
aaa
2q
A C
2a
3a
z = 0 z = a z = 2a
0 0y
0 0
0 0M
0 0Q
0q q ,
0 0q
0ay
0a
0aM
a BQ V
aq q , 0aq
0ay
0a
0aM
aQ P
, 0aq
0aq Tìm yC => hàm độ võng y2
Tìm D => hàm góc xoay y3’
VB VD
1
2 3 4 5'
( ) ( ) ( )
1 ( ) ( ) ( ) ( )...
2! 3! 4! 5!a
i i a a
a a a
y z y z y z a
z a z a z a z a M Q q q
EI
Công thức truy hồi:
Xét đoạn 1(AB): 0 ≤ z ≤ a
4
1 o o
x
qzy (z) y z
24EI
z = 0 z = a z = 2a
0 0y
0 0
0 0M
0 0Q
0q q ,
0 0q
0ay
0a
0aM
a BQ V
aq q , 0aq
0ay
0a
0aM
aQ P
, 0aq
0aq Xét đoạn 2 (BC): a ≤ z ≤ 2a
4 4 3
B2 o o
x x x
qz q(z a) V (z a)y (z) y z
24EI 24EI 6EI
Chương 6. Thanh chịu uốn ngang phẳng
z = 0 z = a z = 2a
0 0y
0 0
0 0M
0 0Q
0 0q ,
0 0q
0ay
0a
0aM
a BQ V
aq q , 0aq
0ay
0a
0aM
aQ P
, 0aq
0aq
1
2 3 4 5'
( ) ( ) ( )
1 ( ) ( ) ( ) ( )...
2! 3! 4! 5!a
i i a a
a a a
y z y z y z a
z a z a z a z a M Q q q
EI
Xét đoạn 3 (CD): 2a ≤ z ≤ 3a
4 4 3 3
B3 o o
x x x x
qz q(z a) V (z a) P(z 2a)y (z) y z
24EI 24EI 6EI 6EI
Chương 6. Thanh chịu uốn ngang phẳng
Ta có phương trình độ võng trên từng đoạn:
4
1 o o
x
qzy (z) y z
24EI
4 4 3
B2 o o
x x x
qz q(z a) V (z a)y (z) y z
24EI 24EI 6EI
4 4 3 3
B3 o o
x x x x
qz q(z a) V (z a) P(z 2a)y (z) y z
24EI 24EI 6EI 6EI
y0, 0 ???
Chương 6. Thanh chịu uốn ngang phẳng
4
o
x
5qay
24EI
3
o
x
qa
6EI
4
C 2
x
7qay y (z 2a)
24EI
3
D 3
x
qay' (z 3a)
6EI
Để xác định 2 thông số ban đầu là y0 và 0 ta xét điều kiện liên kết của dầm:
z = a => y1(z=a) = 0
z = 3a => y3(z=3a) = 0
Từ hai phương trình độ võng y1(z) và y3(z), áp dụng điều kiện biên:
Từ đó tính được:
Chương 6. Thanh chịu uốn ngang phẳng
Chương 6. Thanh chịu uốn ngang phẳng
BÀI TOÁN SIÊU TĨNH
Chương 6. Thanh chịu uốn ngang phẳng
Xin trân trọng cảm ơn!