ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΣΤΑΤΙΚΗΣ ΙΙ

Transcript

1 ΤΕΙ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΤΡΙΚΑΛΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΣΤΑΤΙΚΗΣ ΙΙ ΓΡΗΓΟΡΙΟΣ ΜΑΝΟΥΚΑΣ Δρ. Πολιτικός Μηχανικός ΤΡΙΚΑΛΑ, ΑΠΡΙΛΙΟΣ 014

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το στατικό πρόβλημα Προσομοίωμα φορέα Εντασιακή και παραμορφωσιακή κατάσταση Το αντικείμενο του μαθήματος Ο ΕΠΙΠΕΔΟΣ ΔΙΣΚΟΣ Ορισμός Η κίνηση του δίσκου στο επίπεδο Η στήριξη του δίσκου στο επίπεδο Υπολογισμός αντιδράσεων δίσκου ΤΑ ΦΟΡΤΙΑ ΔΙΑΤΟΜΗΣ Γενικά Συμβατικά θετικές φορές των φορτίων διατομής Η μέθοδος των διαχωριστικών τομών Τα διαγράμματα των φορτίων διατομής Οι διαφορικές εξισώσεις ισορροπίας Οι θεμελιώδεις ιδιότητες των διαγραμμάτων των φορτίων διατομής ΑΠΛΟΙ ΙΣΟΣΤΑΤΙΚΟΙ ΦΟΡΕΙΣ Γενικά Η αμφιέρειστη δοκός Ο απλός ευθύγραμμος πρόβολος Η αρχή της ομόλογης δοκού Πορεία επίλυσης απλών ισοστατικών φορέων ΑΠΛΑ ΔΙΚΤΥΩΜΑΤΑ Ορισμός και παραδοχές υπολογισμού δικτυωμάτων Μόρφωση και στερεότητα απλών δικτυωμάτων Μέθοδοι υπολογισμού απλών δικτυωμάτων ΣΥΝΘΕΤΟΙ ΙΣΟΣΤΑΤΙΚΟΙ ΦΟΡΕΙΣ Τριαρθρωτοί φορείς Αρθρωτές δοκοί (Gerber) Σύνθετοι ισοστατικοί φορείς τυχαίας μορφής ΜΕΤΑΚΙΝΗΣΕΙΣ ΙΣΟΣΤΑΤΙΚΩΝ ΦΟΡΕΩΝ Μετακινήσεις λόγω εξωτερικών φορτίων Μετακινήσεις λόγω καταναγκασμών ΕΥΡΕΣΗ ΒΑΘΜΟΥ ΣΤΑΤΙΚΗΣ ΑΟΡΙΣΤΙΑΣ Η ΜΕΘΟΔΟΣ ΔΥΝΑΜΕΩΝ Το σκεπτικό της μεθόδου δυνάμεων

3 9. Βήμα προς βήμα διαδικασία εφαρμογής της μεθόδου δυνάμεων Η ΜΕΘΟΔΟΣ ΜΕΤΑΚΙΝΗΣΕΩΝ Σύμβαση προσήμων - Συμβολισμοί Ένταση αμφίπακτης και μονόπακτης δοκού Το σκεπτικό της μεθόδου μετακινήσεων Τεχνικές μείωσης του πλήθους των αγνώστων Βήμα προς βήμα διαδικασία εφαρμογής της μεθόδου μετακινήσεων Η ΜΕΘΟΔΟΣ CROSS Γενικά Το μονόκομβο πλαίσιο Τα πολύκομβα πλαίσια ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...78

4 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Το στατικό πρόβλημα Η Στατική είναι ο κλάδος της Μηχανικής που έχει ως αντικείμενο τον προσδιορισμό της εντασιακής και παραμορφωσιακής κατάστασης μιας κατασκευής (ενός φορέα), π.χ. ενός κτιρίου, μιας γέφυρας κτλ., υπό τα διάφορα φορτία που αναμένεται να δεχθεί (φέρει) κατά τη διάρκεια ζωής της. Ειδικότερα, η Στατική μελετά καταρχάς τη συμπεριφορά των φορέων των οποίων τα φορτία δεν είναι συναρτήσεις του χρόνου (στατικά φορτία). Η συμπεριφορά των φορέων υπό φορτία που μεταβάλλονται με το χρόνο (δυναμικά φορτία) αποτελεί αντικείμενο της Δυναμικής. Χάριν απλότητας όμως, γίνεται αποδεκτό τα δυναμικά φορτία να προσεγγίζονται από κατάλληλα στατικά φορτία. Έτσι, η επιστήμη της Στατικής μπορεί να αντιμετωπίσει το σύνολο των φορτίων που ασκούνται στις συνήθεις κατασκευές. Η γνώση της Στατικής είναι απαραίτητη κατά τη μελέτη σχεδιασμό οποιασδήποτε κατασκευής, καθώς επιτρέπει στον μελετητή σχεδιαστή να κάνει τη λεγόμενη διαστασιολόγηση του φορέα, δηλαδή να καθορίσει τις διαστάσεις και τα υλικά κατασκευής του. Παρατήρηση 1: Παλαιότερα η εφαρμογή των μεθόδων της Στατικής με το χέρι ήταν αναπόσπαστο μέρος της καθημερινής πράξης των μηχανικών σχεδιαστών και η σημασία της καλής γνώσης της προφανής. Σήμερα πλέον, η ανάλυση των κατασκευών γίνεται πλήρως αυτοματοποιημένα στον ηλεκτρονικό υπολογιστή. Τίθεται επομένως το ερώτημα: ποια η σκοπιμότητα και η πρακτική αξία της εκμάθησης από τους σπουδαστές της κλασικής Στατικής; Η απάντηση είναι ότι η βαθιά γνώση της κλασικής Στατικής διατηρεί και σήμερα ακέραια τη σημασία της, καθώς βοηθάει τον σπουδαστή και αυριανό μελετητή να κατανοήσει καλύτερα τη μηχανική συμπεριφορά των φορέων (να αναπτύξει το λεγόμενο στατικό αισθητήριο ), πράγμα που θα του επιτρέψει να χειρίζεται με επάρκεια το σχετικό λογισμικό και, κυρίως, να ελέγχει τα εξαγόμενα αποτελέσματα. Στην πράξη όλοι οι στατικοί υπολογισμοί διεξάγονται όχι επί του πραγματικού φορέα, αλλά επί ενός εξιδανικευμένου προσομοιώματος (μοντέλου) που θεωρείται ότι αποδίδει ικανοποιητικά την πραγματική μηχανική συμπεριφορά του. Έτσι, τα δεδομένα ενός στατικού προβλήματος είναι πάντα το προσομοίωμα ενός φορέα, ενώ το ζητούμενο η εντασιακή και παραμορφωσιακή του κατάσταση, δηλαδή οι 3

5 εσωτερικές δυνάμεις και ροπές που τον καταπονούν (φορτία διατομής), οι παραμορφώσεις και οι μετακινήσεις των κόμβων του. 1. Προσομοίωμα φορέα Το προσομοίωμα ενός φορέα περιλαμβάνει καταρχάς εκείνα τα μέρη (δομικά στοιχεία) του φορέα που θεωρείται ότι θα φέρουν το σύνολο των φορτίων. Τα δομικά στοιχεία αυτά αποκαλούνται φέροντα, σε αντιδιαστολή με τα μη φέροντα δομικά στοιχεία που θεωρείται ότι δεν συμβάλλουν στην παραλαβή φορτίων και συμπεριλαμβάνονται στο προσομοίωμα μόνο σε ειδικές περιπτώσεις. Για παράδειγμα σε ένα κτίριο οπλισμένου σκυροδέματος φέροντα δομικά στοιχεία θεωρούνται τα υποστυλώματα, οι δοκοί, τα τοιχώματα, οι πλάκες και τα θεμέλια, ενώ μη φέροντα οι τοιχοποιίες πλήρωσης (εκτός από ειδικές περιπτώσεις), οι επιστρώσεις των δαπέδων, οι επενδύσεις τοίχων, κτλ. Τα δομικά στοιχεία διακρίνονται στις εξής κατηγορίες: Γραμμικά στοιχεία, δηλαδή στοιχεία που η μία τους διάσταση είναι πολύ μεγαλύτερη από τις άλλες δύο. Για παράδειγμα, σε ένα κτίριο οπλισμένου σκυροδέματος γραμμικά στοιχεία είναι οι δοκοί, τα υποστυλώματα και τα τοιχώματα με μεγάλο λόγο ύψους προς μήκος διατομής. Επιφανειακά στοιχεία, δηλαδή στοιχεία που η μία τους διάσταση είναι πολύ μικρότερη από τις άλλες δύο. Για παράδειγμα, επιφανειακά στοιχεία είναι οι πλάκες και τα τοιχώματα με μικρό λόγο ύψους προς μήκος διατομής. Στοιχεία όγκου, δηλαδή στοιχεία στα οποία οι τρεις διαστάσεις είναι της ίδιας τάξης μεγέθους. Τέτοια στοιχεία είναι σπάνια (π.χ. ογκώδη θεμέλια ειδικών κατασκευών). Πέραν όμως από τα δομικά στοιχεία του φορέα, θα πρέπει να προσομοιωθούν κατάλληλα και τα φορτία τα οποία φέρει. Το μοντέλο π.χ. του ιδίου βάρους μιας τοιχοποιίας μπορεί να είναι ένα ομοιόμορφα κατανεμημένο φορτίο, ενώ το μοντέλο του βάρους ενός αντικειμένου περιορισμένων διαστάσεων μπορεί να είναι μια μοναχική δύναμη. Τα φορτία που επιβαρύνουν κάθε συνήθη κατασκευή, διακρίνονται στις εξής κατηγορίες: Μόνιμα φορτία. Είναι τα φορτία που είναι γνωστά ως προς το μέγεθος και τη θέση τους και αναμένεται να παραμείνουν στην κατασκευή καθ όλη τη διάρκεια ζωής της. Τέτοια φορτία σε ένα κτίριο είναι π.χ. το ίδιο βάρος των 4

6 φερόντων δομικών στοιχείων, το βάρος των τοιχοποιιών πλήρωσης, των επιστρώσεων, κλπ. Κινητά ή μεταβλητά φορτία. Είναι τα φορτία που είτε η θέση τους στην κατασκευή δεν είναι σταθερή, είτε δεν θα παραμείνουν μόνιμα (πάντως όμως για αρκετά μεγάλα χρονικά διαστήματα κατά τα οποία θεωρείται ότι δεν μεταβάλλονται σε συνάρτηση με το χρόνο). Το μέγεθός τους θεωρείται κατά σύμβαση γνωστό (λαμβάνεται από κανονισμούς φορτίσεων). Τέτοια φορτία σε ένα κτίριο είναι π.χ. τα έπιπλα, οι άνθρωποι, κτλ. Τυχηματικά φορτία. Είναι φορτία με τυχαίο μέγεθος και τυχαία κατανομή στο χώρο και το χρόνο. Τέτοια φορτία είναι π.χ. ο σεισμός, η πρόσκρουση οχημάτων, οι εκρήξεις, κτλ. Δεδομένου ότι τα τυχηματικά φορτία είναι εξαρτώμενα από το χρόνο, δηλαδή είναι δυναμικά φορτία, ο ακριβής υπολογισμός της επίδρασής τους στις κατασκευές απαιτεί την εφαρμογή των αρχών της Δυναμικής. Ωστόσο, όπως προαναφέρθηκε, χάρη σε ορισμένες παραδοχές τα δυναμικά φορτία μπορούν να αντικατασταθούν από στατικά και να αντιμετωπιστούν έτσι στο πλαίσιο της Στατικής. Τέλος, το προσομοίωμα ενός φορέα περιλαμβάνει και το υπόβαθρο που αυτός στηρίζεται. Στην απλούστερη - αλλά συνηθισμένη στην πράξη - περίπτωση, το υπόβαθρο μπορεί να θεωρηθεί εντελώς απαραμόρφωτο και η σύνδεση του φορέα με αυτό να προσομοιωθεί μέσω κατάλληλων μηχανισμών στήριξης. Εναλλακτικά, οι στηρίξεις μπορεί να θεωρηθούν ενδόσιμες, πράγμα που υλοποιείται στο υπολογιστικό προσομοίωμα με τη βοήθεια κατάλληλων ελατηρίων (γραμμικών ή και στροφικών). Τέλος, σε ειδικές κατασκευές με μεγαλύτερες απαιτήσεις ακρίβειας, το υπόβαθρο μπορεί να προσομοιωθεί με δισδιάστατα ή τρισδιάστατα πεπερασμένα στοιχεία. 1.3 Εντασιακή και παραμορφωσιακή κατάσταση Κάθε φορέας υπό την επίδραση μιας συγκεκριμένης φόρτισης εμφανίζει μια αντίστοιχη εντασιακή και παραμορφωσιακή κατάσταση. Με τον όρο εντασιακή κατάσταση νοείται το σύνολο των εξωτερικών (αντιδράσεις) και εσωτερικών (φορτία διατομής) εντασιακών μεγεθών ενός φορέα. Αντιστοίχως, με τον όρο παραμορφωσιακή κατάσταση νοείται το σύνολο των εξωτερικών (μετατοπίσεις και στροφές κόμβων) και εσωτερικών (παραμορφώσεις) παραμορφωσιακών μεγεθών. Η εντασιακή και παραμορφωσιακή κατάσταση ενός φορέα συνίσταται σε 5

7 επιμέρους καταστάσεις επιπόνησης που εν γένει συνυπάρχουν σε κάθε δομικό στοιχείο. Οι καταστάσεις επιπόνησης είναι οι εξής τέσσερεις: διάταση, κάμψη, διάτμηση, στρέψη. Σε κάθε κατάσταση επιπόνησης αντιστοιχεί ένα είδος φορτίου διατομής και ένα εργικά ανταποκρινόμενο μέγεθος παραμόρφωσης, τα οποία συνδέονται αναλογικά μεταξύ τους με συντελεστή αναλογίας μια ποσότητα που ονομάζεται στιβαρότητα και εξαρτάται από το υλικό και το σχήμα της διατομής κάθε δομικού στοιχείου. Στον πίνακα 1.1 συνοψίζονται οι καταστάσεις επιπόνησης, με τα σχετιζόμενα μεγέθη (φορτία διατομής, παραμορφωσιακά μεγέθη, στιβαρότητες). Με κάθε μέγεθος δίνονται οι μονάδες μέτρησής του και οι αντίστοιχοι συμβολισμοί που χρησιμοποιούνται συνήθως στην πράξη. Πίνακας 1.1 Καταστάσεις επιπόνησης Κατάσταση Φορτίο διατομής επιπόνησης Διάταση (εφελκυσμός ή θλίψη) Κάμψη Διάτμηση Στρέψη Επεξήγηση συμβολισμών Αξονική δύναμη (εφελκυστική ή θλιπτική) N (kn) Ροπή κάμψης (knm) Τέμνουσα δύναμη Q ή V (kn) Ροπή στρέψης T (knm) Μέγεθος παραμόρφωσης Αξονική παραμόρφωση (επιμήκυνση ή επιβράχυνση) ε (-) Καμπύλωση κ (m -1 ) Γωνιακή παραμόρφωση γ (-) Συστροφή θ (m -1 ) Ε: Μέτρο ελαστικότητας υλικού (kn/m = kpa) G: Μέτρο διάτμησης ή ολίσθησης υλικού (kn/m = kpa) Α: Εμβαδόν διατομής (m ) Ι: Ροπή αδράνειας διατομής (m 4 ) A s : Επιφάνεια διάτμησης διατομής (m ) I T : Στρεπτική ροπή αδράνειας διατομής (m 4 ) Στιβαρότητα Δυστένεια EA (kn) Δυσκαμψία EI (knm ) Δυστμησία GA s (kn) Δυστρεψία GI T (knm ) Παρατήρηση 1: Εν γένει τα φορτία διατομής που καταπονούν ένα δομικό στοιχείο στο χώρο είναι έξι (και όχι τέσσερα), καθώς ροπές κάμψης και τέμνουσες δυνάμεις υπάρχουν σε δύο άξονες. Το ίδιο ισχύει και για τα αντίστοιχα παραμορφωσιακά μεγέθη. Παρατήρηση : Οι στιβαρότητες εξαρτώνται από δύο παράγοντες, ο ένας εκ των οποίων εκφράζει τη συμβολή του υλικού (Ε ή G) και ο άλλος τη συμβολή του 6

8 σχήματος της διατομής του δομικού στοιχείου (Α ή Ι ή A s ή I T ). Διευκρινίζεται ότι οι στιβαρότητες του πίνακα αναφέρονται σε επίπεδο διατομής. Στην πραγματικότητα οι στιβαρότητες ενός γραμμικού δομικού στοιχείου εξαρτώνται επιπλέον και από το μήκος και τις συνθήκες στήριξής του. Παρατήρηση 3: Πολλές φορές στην πράξη, ο όρος δυσκαμψία χρησιμοποιείται λανθασμένα για να εκφράσει το σύνολο των στιβαροτήτων μιας διατομής. Επίσης, μερικές φορές, αντί του όρου δυσκαμψία χρησιμοποιείται ο όρος ακαμψία, που στην κυριολεξία σημαίνει πρακτικώς άπειρη δυσκαμψία. Καλό είναι η χρήση των παραπάνω όρων να γίνεται προσεκτικά, ώστε να αποφεύγονται παρερμηνείες. 1.4 Το αντικείμενο του μαθήματος Όπως προκύπτει από την ανάπτυξη που προηγήθηκε, το αντικείμενο της Στατικής είναι αρκετά ευρύ. Το μάθημα της Στατικής ΙΙ περιορίζεται στη μελέτη των γραμμικών επίπεδων φορέων υπό την επίδραση εξωτερικών φορτίων (όχι καταναγκασμών) στο πλαίσιο της Γραμμικής Στατικής. Γραμμικός ονομάζεται ένας δομικός φορέας που αποτελείται αποκλειστικά και μόνο από γραμμικά δομικά στοιχεία. Επίπεδος ονομάζεται ένας δομικός φορέας του οποίου όλα τα δομικά στοιχεία και όλα τα φορτία βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο. Γραμμική Στατική ονομάζεται το υποσύνολο της Στατικής που για τη μελέτη των φορέων δέχεται απλοποιητικά ότι οι σχέσεις που συνδέουν τα εντασιακά και παραμορφωσιακά μεγέθη είναι γραμμικές. Οι παραπάνω περιορισμοί απλοποιούν σε μεγάλο βαθμό την διαδικασία επίλυσης των φορέων αφού, μεταξύ άλλων, επιφέρουν τις εξής συνέπειες: Τα φορτία διατομής περιορίζονται σε τρία από έξι (ροπή κάμψης, τέμνουσα και αξονική δύναμη). Επιτρέπεται η χρήση της Αρχής της Επαλληλίας, σύμφωνα με την οποία η ένταση ενός φορέα υπό πολλαπλά αίτια μπορεί να υπολογιστεί ανεξάρτητα για κάθε αίτιο και κατόπιν να αθροιστούν τα αποτελέσματα. Σε ότι αφορά ειδικότερα στη διδακτέα ύλη, το πρώτο μέρος του μαθήματος περιλαμβάνει μια γενική επανάληψη των βασικών αρχών της Στατικής και των μεθόδων προσδιορισμού της έντασης των απλών ισοστατικών συμπαγών φορέων. Για λόγους πληρότητας και μόνο, στις ανά χείρας σημειώσεις γίνεται αναφορά επιπλέον 7

9 στα απλά δικτυώματα και στους σύνθετους ισοστατικούς φορείς. Τέλος, το δεύτερο μέρος του μαθήματος είναι αφιερωμένο σε κάποιες από τις πιο γνωστές μεθόδους επίλυσης υπερστατικών φορέων. 8

10 . Ο ΕΠΙΠΕΔΟΣ ΔΙΣΚΟΣ.1 Ορισμός Δίσκος είναι ένα σώμα, που υπό την παραδοχή ότι όλα τα επιμέρους δομικά του στοιχεία είναι απαραμόρφωτα, είναι και αυτός στο σύνολό του απαραμόρφωτος. Πρακτικά δίσκος θεωρείται οποιοδήποτε συνεχές τμήμα ενός φορέα που δεν διακόπτεται από εσωτερικούς μηχανισμούς, π.χ. εσωτερικές αρθρώσεις. Όταν όλα τα δομικά στοιχεία ενός δίσκου βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο, τότε αυτός καλείται επίπεδος.. Η κίνηση του δίσκου στο επίπεδο Έστω ένας επίπεδος δίσκος που αποτελείται από ένα γραμμικό δομικό στοιχείο (η επιλογή της απλούστερης αυτής μορφής δίσκου δεν περιορίζει την γενικότητα των συμπερασμάτων που θα εξαχθούν). Ο δίσκος (σχ..1) μετακινείται στο επίπεδο από την αρχική του θέση ΑΒ στην τελική Α Β. Η κίνηση αυτή μπορεί να αναλυθεί σε τρεις επιμέρους μετακινήσεις ως εξής: καταρχάς ο δίσκος υφίσταται μια παράλληλη μετατόπιση στη θέση Α Β που περιλαμβάνει μια κατακόρυφη συνιστώσα u y και μια οριζόντια u x. Στη συνέχεια υφίσταται μια περιστροφή φ γύρω από το σημείο Α. Οι τρεις αυτές δυνατότητες μετακίνησης (u x, u y, φ) που διαθέτει ένας δίσκος στο επίπεδο ονομάζονται ελευθερίες κίνησης ή βαθμοί ελευθερίας. Σχήμα.1 Η κίνηση του δίσκου στο επίπεδο 9

11 .3 Η στήριξη του δίσκου στο επίπεδο Προκειμένου ένας επίπεδος δίσκος να στηριχθεί στερεά θα πρέπει να αρθούν οι τρεις διαθέσιμες ελευθερίες κίνησης. Αυτό επιτυγχάνεται με τη βοήθεια των δεσμικών ράβδων. Οι δεσμικές ράβδοι μπορεί να είναι είτε δρομικές είτε στροφικές. Κάθε δρομική δεσμική ράβδος απαγορεύει τη μετατόπιση κατά τη διεύθυνσή της και παράλληλα εισάγει μια αντίδραση-δύναμη κατά την ίδια διεύθυνση. Κάθε στροφική δεσμική ράβδος απαγορεύει τη στροφή γύρω από το σημείο τοποθέτησής της και παράλληλα εισάγει μια αντίδραση-ροπή. Στην απλούστερη περίπτωση ένας δίσκος μπορεί να στηριχτεί μόνο με δρομικές δεσμικές ράβδους (σχ..). Δεδομένου ότι οι ελευθερίες κίνησης του επίπεδου δίσκου είναι τρεις, τόσος είναι και ο ελάχιστος απαιτούμενος αριθμός δεσμικών ράβδων ώστε η στήριξη να είναι στερεή. Ωστόσο, η ύπαρξη του ελάχιστου αριθμού δεσμικών ράβδων δεν αρκεί για να εξασφαλίσει την στερεότητα στήριξης (αναγκαία συνθήκη, αλλά όχι ικανή). Θα πρέπει επιπλέον οι δεσμικές ράβδοι να είναι και κατάλληλα διατεταγμένες, ώστε να αποφεύγονται ασταθείς (χαλαρές) μορφές στήριξης. Για παράδειγμα, όταν ο δίσκος στηρίζεται με δρομικές δεσμικές ράβδους, τότε αυτές δεν πρέπει να είναι όλες παράλληλες, ούτε οι φορείς τους να τέμνονται όλοι στο ίδιο σημείο. (α) (β) (γ) Σχήμα. Στήριξη δίσκου με δρομικές δεσμικές ράβδους (α) στερεή (β), (γ) χαλαρή Στην πράξη οι φορείς στηρίζονται στο στερεό υπόβαθρο μέσω κατάλληλων μηχανισμών-εφεδράνων που ονομάζονται στηρίξεις. Οι συνηθέστερες είναι οι εξής: Κύλιση. Η κύλιση αντιστοιχεί σε στήριξη με μια δρομική δεσμική ράβδο. Έτσι, απαγορεύει τη μετατόπιση κατά τη διεύθυνση της ράβδου και εισάγει μια αντίδραση-δύναμη κατά την ίδια διεύθυνση. Άρθρωση. Η άρθρωση αντιστοιχεί σε στήριξη με δύο δρομικές δεσμικές ράβδους που τέμνονται σε ένα σημείο. Έτσι, απαγορεύει τη μετατόπιση του σημείου προς οποιαδήποτε διεύθυνση και εισάγει δύο αντιδράσεις-δυνάμεις κατά τους δύο άξονες του συστήματος συντεταγμένων. 10

12 Πάκτωση. Η πάκτωση αντιστοιχεί σε στήριξη με δύο δρομικές και μία στροφική δεσμική ράβδο. Έτσι, απαγορεύει τη στροφή και τη μετατόπιση του σημείου τοποθέτησής της προς οποιαδήποτε διεύθυνση, ενώ παράλληλα εισάγει δύο αντιδράσεις-δυνάμεις κατά τους δύο άξονες του συστήματος συντεταγμένων και μια αντίδραση-ροπή. Στον πίνακα.1 δίνονται οι συνήθεις συμβολισμοί των τριών βασικών μηχανισμών στήριξης. Πίνακας.1 Συνήθεις συμβολισμοί μηχανισμών στήριξης Μηχανισμός Συμβολισμοί Κύλιση Άρθρωση Πάκτωση.4 Υπολογισμός αντιδράσεων δίσκου Για τον υπολογισμό των αντιδράσεων ενός στερεά εδραζόμενου επίπεδου δίσκου υπό οποιαδήποτε φορτία εφαρμόζεται η αρχή της αποδεσμεύσεως του Lagrange σε συνδυασμό με τις συνθήκες ισορροπίας. Σύμφωνα με την αρχή της αποδεσμεύσεως του Lagrange, αν καταλύσουμε τις στηρίξεις ενός ισορροπούντος φορέα και στις θέσεις τους προσάγουμε τις αντίστοιχες αντιδράσεις, τότε η εντασιακή κατάσταση του φορέα δεν μεταβάλλεται και αυτός εξακολουθεί να βρίσκεται σε ισορροπία. Πρακτικά, για τον υπολογισμό των αντιδράσεων ενός επίπεδου δίσκου, σαν αυτόν του σχήματος.3.α, ακολουθούνται τα εξής βήματα: 1. Καταλύονται οι στηρίξεις.. Στη θέση των στηρίξεων προσάγονται οι αντίστοιχες αντιδράσεις. Από τη διαδικασία αυτή προκύπτει το λεγόμενο Διάγραμμα Ελεύθερου Σώματος (ΔΕΣ) (σχ..3.β). 11

13 3. Καταστρώνονται οι εξισώσεις ισορροπίας, από τις οποίες προκύπτουν οι άγνωστες αντιδράσεις. Ως γνωστόν, στο επίπεδο διατίθενται τρεις εξισώσεις ισορροπίας και συγκεκριμένα οι δύο εξισώσεις ισορροπίας δυνάμεων: F x 0 και F y 0 (.1) και μια εξίσωση ισορροπίας ροπών ως προς ένα σημείο i του επιπέδου: i 0 (.) (α) (β) Σχήμα.3 Επίπεδος δίσκος (α) και Διάγραμμα Ελεύθερου Σώματος αυτού (β) Παρατήρηση 1: Η φορά προσαγωγής των αντιδράσεων κατά το βήμα μπορεί καταρχάς να επιλέγεται τυχαία. Αν από τη διαδικασία της επίλυσης προκύψει θετική τιμή για κάποια αντίδραση, σημαίνει ότι η πραγματική της φορά συμπίπτει με την αρχικά επιλεγείσα. Στην αντίθετη περίπτωση, αν δηλαδή προκύψει αρνητική τιμή για κάποια αντίδραση, σημαίνει ότι η πραγματική της φορά είναι αντίθετη με την αρχικά επιλεγείσα. Στην πράξη πολλές φορές μπορεί να γίνει διαισθητικά μια προεκτίμηση της πραγματικής φοράς των αντιδράσεων, ώστε να αποφευχθούν αρνητικές τιμές. Παρατήρηση : Σε περίπτωση ύπαρξης λοξών φορτίων, κατά τη σχεδίαση του Διαγράμματος Ελεύθερου Σώματος του φορέα θα πρέπει αυτά να αναλύονται σε δύο συνιστώσες παράλληλες με τους δύο άξονες του συστήματος συντεταγμένων. Παρατήρηση 3: Κατά την κατάστρωση των εξισώσεων ισορροπίας, η οποία γίνεται πάντα στο γενικό σύστημα συντεταγμένων Oxy, θα πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στα πρόσημα των μεγεθών που υπεισέρχονται. Έτσι, όταν η (αρχικά επιλεγείσα) φορά μιας αντίδρασης ή η (πραγματική) φορά ενός φορτίου ταυτίζονται με τη θετική φορά ενός εκ των δύο αξόνων αναφοράς, τότε τα μεγέθη εισάγονται στις εξισώσεις ισορροπίας με θετικό πρόσημο. Στην αντίθετη περίπτωση, δηλαδή όταν η (αρχικά επιλεγείσα) φορά μιας αντίδρασης ή η (πραγματική) φορά ενός φορτίου είναι αντίθετες με τη θετική φορά ενός εκ των δύο αξόνων αναφοράς, τότε τα μεγέθη εισάγονται στις εξισώσεις ισορροπίας με αρνητικό πρόσημο. Το ίδιο ισχύει και για τις ροπές (φορτία ή αντιδράσεις). Ως θετική φορά των ροπών λαμβάνεται η 1

14 αριστερόστροφη, για λόγους συμβατότητας με το δεξιόστροφο σύστημα αξόνων που κατά κανόνα χρησιμοποιείται. Παρατήρηση 4: Δεδομένου ότι οι διαθέσιμες εξισώσεις ισορροπίας στο επίπεδο είναι τρεις, συνεπάγεται ότι ο μέγιστος αριθμός αντιδράσεων ενός δίσκου που μπορεί να προσδιοριστεί με την παραπάνω διαδικασία είναι επίσης τρεις. Στην περίπτωση αυτή η στήριξη του δίσκου ονομάζεται ισοστατική. Αν ο αριθμός των αντιδράσεων είναι μεγαλύτερος, τότε οι εξισώσεις ισορροπίας δεν αρκούν για τον προσδιορισμό τους και η στήριξη ονομάζεται υπερστατική. Παρατήρηση 5: Η μία ή και οι δύο εξισώσεις ισορροπίας δυνάμεων μπορούν να αντικατασταθούν από εξισώσεις ισορροπίας ροπών ως προς οποιαδήποτε σημεία του επιπέδου (πλην του i). Σε κάθε περίπτωση όμως, αυτές οι επιπλέον εξισώσεις είναι εξαρτημένες με τις προηγούμενες και ο μέγιστος αριθμός των αντιδράσεων που μπορούν να προσδιοριστούν παραμένει τρεις. Παρατήρηση 6: Στην πράξη θα πρέπει να γίνεται έξυπνη επιλογή τόσο των σημείων ως προς τα οποία καταστρώνονται οι εξισώσεις ισορροπίας ροπών, όσο και της σειράς κατάστρωσης των εξισώσεων. Για παράδειγμα, στο φορέα του σχήματος.3 μια έξυπνη επιλογή είναι η εξίσωση ισορροπίας ροπών στο σημείο Α, καθώς τα δύο από τα τρία άγνωστα μεγέθη (Α x και A y ) έχουν μηδενικές ροπές (αφού διέρχονται από το Α). Ως εκ τούτου στην εξίσωση υπεισέρχεται μόνο ένα άγνωστο μέγεθος (Β y ) το οποίο μπορεί να υπολογιστεί άμεσα χωρίς την επίλυση συστήματος εξισώσεων. Για τον ίδιο λόγο, η κατάστρωση της ισορροπίας ροπών ως προς το Α θα πρέπει να προηγηθεί της κατάστρωσης της ισορροπίας δυνάμεων κατά τον άξονα y. 13

15 3. ΤΑ ΦΟΡΤΙΑ ΔΙΑΤΟΜΗΣ 3.1 Γενικά Οι δομικοί φορείς υπό την επίδραση των φορτίων τους εμφανίζουν εσωτερική ένταση. Έστω για παράδειγμα η δοκός του σχήματος 3.1, από την οποία αποκόπτουμε ένα τμήμα ΓΔ με μια κλειστή διαχωριστική τομή. Δεδομένου ότι ο φορέας ισορροπεί, έπεται ότι και κάθε τμήμα του ισορροπεί. Όμως, τα φορτία που ασκούνται στο αποκομμένο τμήμα είναι φανερό ότι δεν εξισορροπούνται μεταξύ τους, συνεπώς προκειμένου να διατηρηθεί η ισορροπία αναπτύσσονται στις διατομές Γ και Δ δυνάμεις και ροπές που αποκαλούνται εσωτερικά εντασιακά μεγέθη ή φορτία διατομής. Γενικά, σε κάθε διατομή αναπτύσσεται μια ροπή που ονομάζεται ροπή κάμψης Μ και μια δύναμη που μπορεί να αναλυθεί σε δύο συνιστώσες. Η συνιστώσα που είναι παράλληλη με τον άξονα της δοκού καλείται ορθή ή αξονική δύναμη Ν, ενώ η συνιστώσα που είναι κάθετη στον άξονα της δοκού καλείται τέμνουσα δύναμη Q. Λόγω του 3 ου νόμου του Νεύτωνα (δράση-αντίδραση) στις απέναντι όχθες των τομών, δηλαδή στις διατομές Γ και Δ, θα ασκούνται ίσα κατ απόλυτη τιμή και αντίθετα εντασιακά μεγέθη. Παρατήρηση 1: Το παραπάνω σκεπτικό οφείλεται στον Euler και ουσιαστικά συνιστά γενίκευση της αρχής της αποδεσμεύσεως του Lagrange. Σχήμα 3.1 Ανάπτυξη εσωτερικών εντασιακών μεγεθών 3. Συμβατικά θετικές φορές των φορτίων διατομής Για πρακτικούς λόγους θα πρέπει να οριστούν οι συμβατικά θετικές φορές των φορτίων διατομής. Για το σκοπό αυτό εισάγεται η έννοια της ίνας αναφοράς. Ως ίνα αναφοράς επιλέγεται μία ίνα κάθε δομικού στοιχείου (άνω ή κάτω για οριζόντια στοιχεία, αριστερή ή δεξιά για κατακόρυφα). Στην πράξη έχει επικρατήσει σε οριζόντια στοιχεία να επιλέγεται η κάτω ίνα, ενώ σε κατακόρυφα και κεκλιμένα στοιχεία η επιλογή γίνεται έτσι ώστε να εξασφαλίζεται κατά το δυνατόν η συνέχεια 14

16 των ινών αναφοράς των δομικών στοιχείων του φορέα. Η ίνα αναφοράς συμβολίζεται με μια διακεκομμένη γραμμή. Οι θετικές φορές των φορτίων διατομής ορίζονται κατά σύμβαση ως εξής (σχ. 3.): Η αξονική δύναμη θεωρείται θετική όταν είναι εφελκυστική (δηλαδή όταν εξέρχεται από τη διατομή). Η τέμνουσα δύναμη θεωρείται θετική όταν στο δεξί άκρο ενός τμήματος δομικού στοιχείου (αριστερή όχθη τομής) έχει φορά προς την ίνα αναφοράς και στο αριστερό άκρο ενός τμήματος δομικού στοιχείου (δεξιά όχθη τομής) έχει την αντίθετη φορά. Ένας εναλλακτικός και αρκετά πρακτικός τρόπος για να καθοριστεί η θετική φορά των τεμνουσών δυνάμεων είναι και ο εξής: το διάνυσμα (βέλος) που αναπαριστά μια θετική τέμνουσα δύναμη προκύπτει από το διάνυσμα της θετικής αξονικής δύναμης αν αυτό στραφεί γύρω από τη βάση του κατά 90 ο δεξιόστροφα. Η ροπή κάμψης θεωρείται θετική όταν εφελκύει την ίνα αναφοράς. Σχήμα 3. Συμβατικά θετικές φορές φορτίων διατομής 3.3 Η μέθοδος των διαχωριστικών τομών Για τον υπολογισμό των φορτίων διατομής σε μια συγκεκριμένη θέση ενός φορέα εφαρμόζεται η μέθοδος των διαχωριστικών τομών. Η μέθοδος βασίζεται στο σκεπτικό που αναπτύχθηκε στην παράγραφο 3.1 και περιλαμβάνει τα εξής βήματα (συνήθως προαπαιτείται ο υπολογισμός των αντιδράσεων στήριξης): 1. Γίνεται μία νοητή διαχωριστική τομή που τέμνει το φορέα στο σημείο όπου ζητούνται τα φορτία διατομής. Έτσι, ο φορέας χωρίζεται σε δύο τμήματα.. Αποσπάται το ένα τμήμα του φορέα και σχεδιάζεται το Διάγραμμα Ελεύθερου Σώματος, στο οποίο περιλαμβάνονται τα εξωτερικά φορτία και οι αντιδράσεις που ασκούνται μόνο στο υπόψη τμήμα. Επιπλέον, στη 15

17 διατομή που τμήθηκε ο φορέας προσάγονται τα άγνωστα φορτία διατομής με τη συμβατικά θετική τους φορά. 3. Καταστρώνονται οι τρείς εξισώσεις ισορροπίας του αποκομμένου τμήματος. Δεδομένου ότι τα άγνωστα εντασιακά μεγέθη είναι τρία, οι εξισώσεις ισορροπίας επαρκούν για τον προσδιορισμό τους. Παρατήρηση 1: Κατά το βήμα μπορεί να επιλεγεί οποιοδήποτε από τα δύο τμήματα του φορέα. Κατά προτίμηση επιλέγεται το μικρότερο ή αυτό με τα λιγότερα φορτία ή αντιδράσεις, ώστε να ελαχιστοποιείται ο όγκος των απαιτούμενων πράξεων. Παρατήρηση : Τα άγνωστα εντασιακά μεγέθη πρέπει να προσάγονται στο Διάγραμμα Ελεύθερου Σώματος του αποκομμένου τμήματος πάντοτε με τη συμβατικά θετική τους φορά. Αν από τη διαδικασία της επίλυσης προκύψει θετική τιμή για κάποιο μέγεθος, σημαίνει ότι η πραγματική του φορά συμπίπτει με τη συμβατικά θετική. Στην αντίθετη περίπτωση, αν δηλαδή προκύψει αρνητική τιμή για κάποιο μέγεθος, σημαίνει ότι η πραγματική του φορά είναι αντίθετη με τη συμβατικά θετική. Όλα τα γνωστά μεγέθη, εξωτερικά φορτία ή αντιδράσεις, συνιστάται (χωρίς να είναι δεσμευτικό) να προσάγονται με την πραγματική τους φορά και την απόλυτη τιμή του μέτρου τους. Παρατήρηση 3: Κατά την κατάστρωση των εξισώσεων ισορροπίας, η οποία γίνεται πάντα στο γενικό σύστημα συντεταγμένων Oxy, θα πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στα πρόσημα των μεγεθών που υπεισέρχονται. Έτσι, όταν η φορά μιας δύναμης (γνωστής ή άγνωστης) ταυτίζεται με τη θετική φορά ενός εκ των δύο αξόνων αναφοράς, τότε η δύναμη εισάγεται στις εξισώσεις ισορροπίας με θετικό πρόσημο. Στην αντίθετη περίπτωση, δηλαδή όταν η φορά μιας δύναμης είναι αντίθετη με τη θετική φορά ενός εκ των δύο αξόνων αναφοράς, τότε η δύναμη εισάγεται στις εξισώσεις ισορροπίας με αρνητικό πρόσημο. Το ίδιο ισχύει και για τις ροπές (φορτία ή αντιδράσεις ή ροπές κάμψης). Υπενθυμίζεται ότι η θετική φορά των ροπών είναι η αριστερόστροφη. Προσοχή: Παρόλο που τα φορτία διατομής προσάγονται στο Διάγραμμα Ελεύθερου Σώματος πάντα με τη συμβατικά θετική φορά τους, στις εξισώσεις ισορροπίας μπορεί να εισάγονται είτε με θετικό είτε με αρνητικό πρόσημο, ανάλογα αν η φορά αυτή συμπίπτει ή όχι με τη θετική φορά του γενικού συστήματος συντεταγμένων. Παρατήρηση 4: Σε αντίθεση με τη διαδικασία υπολογισμού αντιδράσεων (παρ..4), η αντικατάσταση των εξισώσεων ισορροπίας δυνάμεων από επιπλέον εξισώσεις ισορροπίας ροπών δεν προσφέρει κανένα πλεονέκτημα και δεν συνηθίζεται στην 16

18 πράξη. Επίσης, για πρακτικούς λόγους, είναι σκόπιμο η εξίσωση ισορροπίας ροπών να καταστρώνεται ως προς το σημείο που τμήθηκε ο φορέας (έτσι ώστε να μηδενίζονται οι ροπές της αξονικής και της τέμνουσας δύναμης). 3.4 Τα διαγράμματα των φορτίων διατομής Στη Στατική κατά κανόνα ζητούμενο δεν είναι απλώς ο υπολογισμός των φορτίων διατομής σε μεμονωμένα σημεία του εξεταζόμενου φορέα, αλλά σε όλη την έκτασή του. Σε ένα γραμμικό δομικό στοιχείο ενός φορέα η τιμή των φορτίων διατομής υπό συγκεκριμένη φόρτιση σε οποιοδήποτε σημείο είναι συνάρτηση της θέσης του, όπως αυτή προσδιορίζεται με την τετμημένη του x επί του άξονα του δομικού στοιχείου με αρχή ένα από τα δύο άκρα (συνήθως το αριστερό). Έτσι, είναι δυνατόν να προσδιοριστούν συναρτήσεις των φορτίων διατομής Μ(x), Q(x), Ν(x) για κάθε δομικό στοιχείο. Οι γραφικές παραστάσεις των συναρτήσεων αυτών, που σχεδιάζονται σε σκαριφήματα του φορέα, αποτελούν τα διαγράμματα των φορτίων διατομής. Στην πράξη τα διαγράμματα των φορτίων διατομής χαράσσονται υπολογίζοντας με τη μέθοδο των διαχωριστικών τομών (παρ. 3.3) τις τιμές των φορτίων διατομής σε ορισμένα μόνο χαρακτηριστικά σημεία (άκρα δομικών στοιχείων, στηρίξεις, θέσεις μοναχικών φορτίων, θέσεις έναρξης ή πέρατος κατανεμημένων φορτίων). Στη συνέχεια, μεταξύ των χαρακτηριστικών σημείων τα διαγράμματα των φορτίων διατομής προσδιορίζονται με εκμετάλλευση των θεμελιωδών ιδιοτήτων τους (παρ. 3.6), οι οποίες προκύπτουν ως συνέπεια των διαφορικών εξισώσεων ισορροπίας (παρ. 3.5). Για τη σχεδίαση των διαγραμμάτων των φορτίων διατομής τίθενται ορισμένοι συμβατικοί κανόνες. Έτσι, έχει επικρατήσει καθολικά οι θετικές τιμές των ροπών κάμψης να σχεδιάζονται προς την πλευρά της ίνας αναφοράς, ενώ οι αρνητικές τιμές προς την αντίθετη πλευρά. Σε ότι αφορά στα διαγράμματα τεμνουσών και αξονικών δυνάμεων, στις ανά χείρας σημειώσεις ακολουθείται ο αντίστροφος κανόνας, ο οποίος άλλωστε υιοθετείται στα περισσότερα συγγράμματα Στατικής. Σε κάθε διάγραμμα, σημειώνονται οι τιμές του φορτίου διατομής στα χαρακτηριστικά σημεία και το πρόσημο κάθε περιοχής του διαγράμματος εντός παρενθέσεως. Στο σχήμα 3.3 δίνονται ως παράδειγμα τα διαγράμματα Μ, Q ενός απλού ισοστατικού φορέα (αμφιπροέχουσας δοκού). Για τη συγκεκριμένη φόρτιση του σχήματος το διάγραμμα Ν είναι μηδενικό. 17

19 Παρατήρηση 1: Στη συνήθη περίπτωση ενός δομικού στοιχείου που φέρει συνεχές ομοιόμορφο φορτίο, όπως π.χ. τα δομικά στοιχεία AC και ΑΒ στη δοκό του σχήματος 3.3, το διάγραμμα ροπών κάμψης είναι παραβολικό. Για το σαφή καθορισμό του απαιτείται και η αναγραφή των τιμών των ροπών σε μερικά επιπλέον ενδιάμεσα σημεία και συγκεκριμένα στο μέσο κάθε δομικού στοιχείου και στο σημείο που εμφανίζεται η μέγιστη τιμή της ροπής. Αναλυτικοί τύποι για τον υπολογισμό των τιμών αυτών θα δοθούν στην παράγραφο 4.5. Επίσης, στην περίπτωση αυτή χαράσσεται (με διακεκομμένη γραμμή) η κλείουσα, δηλαδή η ευθεία που ενώνει τις τιμές στα δύο άκρα του δομικού στοιχείου. Σχήμα 3.3 Διαγράμματα Μ, Q αμφιπροέχουσας δοκού 18

20 3.5 Οι διαφορικές εξισώσεις ισορροπίας Έστω ένα τμήμα AB ενός γραμμικού δομικού στοιχείου στοιχειώδους μήκους dx (σχ. 3.4) που φέρει κατανεμημένα φορτία n (x) και q (x) παράλληλα και κάθετα στον άξονά του αντίστοιχα. Στις δύο ακραίες διατομές ασκούνται επιπλέον και τα εσωτερικά εντασιακά μεγέθη (Μ, Q, N στο αριστερό άκρο και Μ + d, Q + dq, N + dn στο δεξί). Καταστρώνοντας τις τρεις εξισώσεις ισορροπίας, και θεωρώντας το διαφορικό ης τάξης πρακτικά αμελητέο, προκύπτουν τα εξής: ΣF x = 0 - N + N + dn + n (x) dx = 0 dn dx n (3.1) (x) ΣF y = 0 - Q + Q + dq + q (x) dx = 0 dq dx q (3.) (x) Σ B = 0 - Q dx d + q (x) dx = 0 d dx d dq q (x) (3.3) dx dx Οι παραπάνω εξισώσεις αποτελούν τις διαφορικές εξισώσεις ισορροπίας του στοιχειώδους δομικού στοιχείου. Από αυτές συνάγεται ότι η παράγωγος της συνάρτησης της αξονικής δύναμης είναι ίση με το αντίθετο του παράλληλου στον άξονα του στοιχείου φορτίου n (x), ενώ η παράγωγος της συνάρτησης της τέμνουσας δύναμης είναι ίση με το αντίθετο του κάθετου στον άξονα του στοιχείου φορτίου q (x). Επίσης, η πρώτη παράγωγος της συνάρτησης της ροπής είναι ίση με την τέμνουσα δύναμη και η δεύτερη παράγωγος ίση με το αντίθετο του q (x). Παρατήρηση 1: Από τις διαφορικές εξισώσεις ισορροπίας του στοιχειώδους δομικού στοιχείου προκύπτει ότι οι παράγωγοι της ροπής κάμψης και της τέμνουσας δύναμης συνδέονται μεταξύ τους και με το φορτίο q (x), ενώ η παράγωγος της αξονικής δύναμης εξαρτάται μόνο από το n (x) και δεν συνδέεται με τα άλλα μεγέθη (αποσύζευξη διάτασης από κάμψη - διάτμηση). Αυτό σημαίνει ότι η μεταβολή της ροπής κάμψης και της τέμνουσας δύναμης κατά μήκος ενός δομικού στοιχείου εξαρτάται μόνο από τα κάθετα στον άξονα του στοιχείου φορτία που τυχόν υπάρχουν, ενώ αντίθετα η μεταβολή της αξονικής δύναμης επηρεάζεται μόνο από τα φορτία που είναι παράλληλα στον άξονα του στοιχείου. Q 19

21 Σχήμα 3.4 Στοιχειώδες τμήμα γραμμικού δομικού στοιχείου 3.6 Οι θεμελιώδεις ιδιότητες των διαγραμμάτων των φορτίων διατομής Ως συνέπεια των διαφορικών εξισώσεων ισορροπίας προκύπτουν μια σειρά από ιδιότητες που διευκολύνουν σημαντικά τη σχεδίαση των διαγραμμάτων των φορτίων διατομής: Αν σε ένα δομικό στοιχείο (ή σε τμήμα αυτού) ενεργεί κάθετα στον άξονά του συνεχές φορτίο q (x), όπου q (x) μια πολυωνυμική συνάρτηση βαθμού κ, τότε οι συναρτήσεις της τέμνουσας δύναμης και της ροπής κάμψης θα είναι επίσης πολυωνυμικές, με βαθμό κ + 1 και κ + αντίστοιχα. Έτσι, σε αφόρτιστα τμήματα (q = 0) η τέμνουσα δύναμη θα είναι σταθερή, δηλαδή το διάγραμμά της θα είναι ευθεία γραμμή παράλληλη στον άξονα του δομικού στοιχείου και η ροπή κάμψης θα μεταβάλλεται γραμμικά, δηλαδή το διάγραμμά της θα είναι ευθεία γραμμή με κλίση ως προς τον άξονα του στοιχείου (στην οριακή περίπτωση που η τέμνουσα είναι μηδενική, η ροπή κάμψης είναι σταθερή, ενδεχομένως και μηδενική). Σε τμήματα με συνεχές ομοιόμορφο φορτίο (κ = 0) το διάγραμμα της τέμνουσας δύναμης θα είναι ευθεία γραμμή με κλίση ως προς τον άξονα του στοιχείου, ενώ το διάγραμμα της ροπής θα είναι παραβολή ου βαθμού. Αν σε ένα δομικό στοιχείο (ή σε τμήμα αυτού) ενεργεί παράλληλα στον άξονά του συνεχές φορτίο n (x), όπου n (x) μια πολυωνυμική συνάρτηση βαθμού κ, τότε η συνάρτηση της αξονικής δύναμης θα είναι επίσης πολυωνυμική, με βαθμό κ + 1. Έτσι, σε αφόρτιστα τμήματα (n = 0) η αξονική δύναμη θα είναι σταθερή (στην οριακή περίπτωση μηδενική), δηλαδή το διάγραμμά της θα είναι ευθεία γραμμή παράλληλη στον άξονα του δομικού στοιχείου. 0

22 Σε σημεία μηδενισμού της φόρτισης q (x) η τέμνουσα δύναμη εμφανίζει ακρότατο (μέγιστο ή ελάχιστο), ενώ η ροπή κάμψης σημείο καμπής. Σε σημεία μηδενισμού της φόρτισης n (x) η αξονική δύναμη εμφανίζει ακρότατο (μέγιστο ή ελάχιστο). Σε σημεία μηδενισμού της τέμνουσας δύναμης η ροπή κάμψης εμφανίζει ακρότατο (μέγιστο ή ελάχιστο). Σε σημεία εφαρμογής μοναχικών φορτίων-δυνάμεων κάθετων στον άξονα του δομικού στοιχείου το διάγραμμα των τεμνουσών δυνάμεων εμφανίζει άλμα κατ απόλυτη τιμή ίσο με το φορτίο, ενώ το διάγραμμα των ροπών κάμψης εμφανίζει απότομη αλλαγή κλίσης (γόνατο). Το διάγραμμα των αξονικών δυνάμεων δεν επηρεάζεται. Σε σημεία εφαρμογής μοναχικών φορτίων-δυνάμεων παράλληλων στον άξονα του δομικού στοιχείου το διάγραμμα των αξονικών δυνάμεων εμφανίζει άλμα κατ απόλυτη τιμή ίσο με το φορτίο. Τα διαγράμματα των τεμνουσών δυνάμεων και των ροπών κάμψης δεν επηρεάζονται. Σε σημεία εφαρμογής μοναχικών φορτίων-ροπών το διάγραμμα των ροπών κάμψης εμφανίζει άλμα κατ απόλυτη τιμή ίσο με το φορτίο. Τα διαγράμματα των αξονικών και τεμνουσών δυνάμεων δεν επηρεάζονται. 1

23 4. ΑΠΛΟΙ ΙΣΟΣΤΑΤΙΚΟΙ ΦΟΡΕΙΣ 4.1 Γενικά Απλοί καλούνται οι ισοστατικοί φορείς που αποτελούνται από έναν και μόνο δίσκο. Χαρακτηριστικά παραδείγματα απλών ισοστατικών φορέων είναι η αμφιέρειστη (σχ. 4.1.α), η μονοπροέχουσα (σχ 4.1.β) και η αμφιπροέχουσα δοκός (σχ. 4.1.γ), οι πρόβολοι (σχ. 4.1.δ, ε) και τα αμφιέρειστα πλαίσια (σχ. 4.1.στ, ζ). Σχήμα 4.1 Χαρακτηριστικοί τύποι απλών ισοστατικών φορέων 4. Η αμφιέρειστη δοκός Η αμφιέρειστη δοκός είναι ο απλός ισοστατικός φορέας που αποτελείται από ένα ευθύγραμμο δομικό στοιχείο (συνήθως οριζόντιο) που στηρίζεται στο ένα άκρο του με μια άρθρωση και στο άλλο με μια κύλιση. Στο σχήμα 4. δίνονται τα διαγράμματα των φορτίων διατομής της Μ, Q, για ορισμένες χαρακτηριστικές περιπτώσεις φόρτισης (συνεχές ομοιόμορφο φορτίο, μοναχικό κατακόρυφο φορτίο στο μέσο του ανοίγματος, μοναχική ροπή στο μέσο του ανοίγματος, μοναχικές ροπές στα άκρα). Για τις συγκεκριμένες φορτίσεις το διάγραμμα Ν είναι μηδενικό. Τα διαγράμματα αυτά έχουν ιδιαίτερη σημασία, γιατί αποτελούν βάση για το σχεδιασμό διαγραμμάτων και συνθετότερων φορέων.

24 Σχήμα 4. Διαγράμματα φορτίων διατομής αμφιέρειστης δοκού 4.3 Ο απλός ευθύγραμμος πρόβολος Ο απλός ευθύγραμμος πρόβολος είναι ο απλός ισοστατικός φορέας που αποτελείται από ένα ευθύγραμμο δομικό στοιχείο (συνήθως οριζόντιο) που στηρίζεται στο ένα άκρο του με μια πάκτωση. Στο σχήμα 4.3 δίνονται τα διαγράμματα των φορτίων διατομής του Μ, Q, για ορισμένες χαρακτηριστικές περιπτώσεις φόρτισης (συνεχές ομοιόμορφο φορτίο, μοναχικό κατακόρυφο φορτίο στο ελεύθερο άκρο, μοναχική ροπή στο ελεύθερο άκρο). Για τις συγκεκριμένες φορτίσεις το διάγραμμα Ν είναι μηδενικό. Τα διαγράμματα αυτά έχουν ιδιαίτερη σημασία, γιατί αποτελούν βάση για το σχεδιασμό διαγραμμάτων και συνθετότερων φορέων. 3

25 Σχήμα 4.3 Διαγράμματα φορτίων διατομής προβόλου 4.4 Η αρχή της ομόλογης δοκού Η αρχή της ομόλογης ή αλλιώς της υποκατάστατης αμφιέρειστης δοκού βασίζεται στην αρχή της επαλληλίας, σύμφωνα με την οποία τα εντασιακά μεγέθη ενός φορέα υπό πολλαπλά φορτία μπορούν να υπολογιστούν ξεχωριστά για κάθε αίτιο (φορτίο ή συνδυασμό φορτίων) και κατόπιν να αθροιστούν. Έτσι, εφόσον είναι γνωστές οι ροπές κάμψης Μ Α και Μ Β στα άκρα ενός δομικού στοιχείου ΑΒ που ανήκει σε κάποιο φορέα, τότε το δομικό στοιχείο μπορεί να θεωρηθεί ως μια αμφιέρειστη δοκός υπό δύο διαφορετικές φορτιστικές καταστάσεις: Η πρώτη περιλαμβάνει όλα τα φορτία που υπάρχουν στο άνοιγμα του δομικού στοιχείου (κατάσταση 0 ). Η δεύτερη περιλαμβάνει μοναχικά φορτία-ροπές Μ Α και Μ Β στα άκρα Α και Β αντίστοιχα (κατάσταση Δ ). Σύμφωνα με την αρχή της επαλληλίας, η τιμή ενός φορτίου διατομής S (, Q, N) είναι ίση με το άθροισμα των τιμών που προκύπτουν από τις δύο παραπάνω καταστάσεις, δηλαδή: 4

26 S = S 0 + Δ S (4.1) Δεδομένου ότι η εντασιακή κατάσταση της αμφιέρειστης δοκού για τα συνηθέστερα στην πράξη φορτία είναι γνωστή (σχ. 4.) η εφαρμογή του παραπάνω τύπου δεν παρουσιάζει ιδιαίτερη δυσκολία. Η αρχή της ομόλογης δοκού έχει ιδιαίτερα μεγάλη πρακτική σημασία για τον υπολογισμό των τεμνουσών δυνάμεων των δομικών στοιχείων, όταν είναι ήδη γνωστές οι ροπές κάμψης στα άκρα τους. Έτσι λοιπόν, αν είναι γνωστές οι ροπές Μ Α και Μ Β στα άκρα ενός δομικού στοιχείου ΑΒ που έχει μήκος L και φέρει ένα συνεχές ομοιόμορφο φορτίο q, οι τέμνουσες δυνάμεις στα άκρα του προκύπτουν από τις εξής σχέσεις (βλ. σχ. 4.): Q A = Q A0 + Δ Q AΒ = Q B = Q B0 + Δ Q ΑΒ = Ανάλογες σχέσεις ισχύουν και για άλλες περιπτώσεις φόρτισης. ql B A (4.) L ql B A (4.3) L 4.5 Πορεία επίλυσης απλών ισοστατικών φορέων Η επίλυση ενός απλού ισοστατικού φορέα ακολουθεί γενικά τα εξής βήματα: 1. Έλεγχος στερεότητας. Θα πρέπει να ελέγχεται αν ο φορέας στηρίζεται με τρεις δεσμικές ράβδους και αν αυτές είναι κατάλληλα διατεταγμένες. Στο πλαίσιο του μαθήματος εξετάζονται μόνο στερεοί φορείς, κατά συνέπεια το βήμα αυτό μπορεί να παραλείπεται.. Σχεδίαση του Διαγράμματος Ελεύθερου Σώματος του φορέα και υπολογισμός των αντιδράσεων, σύμφωνα με όσα αναπτύχθηκαν στην παράγραφο Υπολογισμός των φορτίων διατομής σε χαρακτηριστικά σημεία με τη μέθοδο των διαχωριστικών τομών, σύμφωνα με όσα αναπτύχθηκαν στην παράγραφο Αν υπάρχουν δομικά στοιχεία που φέρουν συνεχές ομοιόμορφο φορτίο q, θα πρέπει να υπολογιστούν οι τιμές των ροπών κάμψης σε επιπλέον ενδιάμεσα σημεία και συγκεκριμένα στο μέσο κάθε δομικού στοιχείου (Μ i ) και στο σημείο που εμφανίζεται η μέγιστη τιμή της ροπής ( max ). Σε τυχόν δομικό στοιχείο ΑΒ, οι τιμές αυτές δίνονται από τους παρακάτω τύπους: 5

27 Μ i = A max = B ql 8 (4.4) Q A A (4.5) q Η θέση που εμφανίζεται η μέγιστη τιμή της ροπής έχει τετμημένη (με αφετηρία το Α): x max = Q A (4.6) q 5. Χάραξη των διαγραμμάτων των φορτίων διατομής με εκμετάλλευση των ιδιοτήτων τους, σύμφωνα με όσα αναπτύχθηκαν στις παραγράφους 3.4 και 3.6. Παρατήρηση 1: Χαλαρές μορφές στήριξης με τρεις δεσμικές ράβδους που θα πρέπει να ελέγχεται η αποφυγή τους είναι οι εξής: Στήριξη με τρεις παράλληλες δρομικές δεσμικές ράβδους. Στήριξη με τρεις συντρέχουσες στο ίδιο σημείο δρομικές δεσμικές ράβδους. Στήριξη με δύο παράλληλες δρομικές δεσμικές ράβδους και μία στροφική. Στήριξη με περισσότερες από μία στροφικές δεσμικές ράβδους. Παρατήρηση : Υπενθυμίζεται ότι χαρακτηριστικά σημεία αποτελούν τα άκρα δομικών στοιχείων, οι στηρίξεις, οι θέσεις έναρξης ή πέρατος κατανεμημένων φορτίων και οι θέσεις πριν και μετά από μοναχικά φορτία (δυνάμεις ή ροπές). Ειδικά στις τελευταίες, επειδή τα φορτία διατομής μεταβάλλονται απότομα (άλματα), απαιτούνται γενικώς δύο τομές, αριστερά και δεξιά των υπόψη σημείων. Παρατήρηση 3: Στην πράξη, αν γίνει σωστή εκμετάλλευση των ιδιοτήτων των διαγραμμάτων των φορτίων διατομής, ο αριθμός των απαιτούμενων διαχωριστικών τομών μπορεί να περιοριστεί. Για παράδειγμα, σε ένα αφόρτιστο δομικό στοιχείο με μηδενική ροπή στο ένα άκρο του (είτε γιατί είναι ελεύθερο είτε γιατί στηρίζεται σε άρθρωση ή κύλιση), απαιτείται να γίνει μόνο μία τομή στο απέναντι άκρο, καθώς η αξονική και η τέμνουσα δύναμη παραμένουν σταθερές σε όλο το μήκος του στοιχείου. Επίσης, μετά την απόκτηση κάποιας σχετικής εμπειρίας, είναι δυνατός ο υπολογισμός των φορτίων διατομής κάνοντας τις διαχωριστικές τομές νοερά, χωρίς δηλαδή να σχεδιάζεται το Διάγραμμα Ελεύθερου Σώματος του εξεταζόμενου τμήματος του φορέα (βλέπε και παρατήρηση 7).. 6

28 Παρατήρηση 4: Η ροπή κάμψης στο μέσο των δομικών στοιχείων που φέρουν συνεχές ομοιόμορφο φορτίο μπορεί να υπολογιστεί και γραφικά (βλ. σχ. 3.3), αν από το μέσο της κλείουσας φέρουμε ευθύγραμμο τμήμα (κατά τη φορά του φορτίου) με μήκος f = ql. Το μήκος f ονομάζεται βέλος. 8 Παρατήρηση 5: Αν από τη σχέση υπολογισμού της τετμημένης x max κατά το βήμα 4, προκύψει αρνητική τιμή ή τιμή μεγαλύτερη από το μήκος του δομικού στοιχείου που εξετάζεται, αυτό σημαίνει ότι η συνάρτηση της ροπής κάμψης δεν παρουσιάζει ακρότατο. Παρατήρηση 6: Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας υπολογισμού συνιστάται να πραγματοποιούνται ισορροπιακοί έλεγχοι για την επαλήθευση των αποτελεσμάτων. Για παράδειγμα, μετά τον υπολογισμό των αντιδράσεων είναι σκόπιμο να ελέγχεται η συνθήκη μηδενισμού της συνισταμένης ροπής ως προς κάποιο σημείο του επιπέδου (προφανώς αυτή η συνθήκη δεν θα πρέπει να έχει ήδη χρησιμοποιηθεί κατά τον υπολογισμό). Παρατήρηση 7: Εναλλακτικά προς το βήμα 3, μπορεί να ακολουθηθεί η εξής διαδικασία: 3α) Υπολογισμός αρχικά μόνο των ροπών κάμψης στα χαρακτηριστικά σημεία με τη μέθοδο των διαχωριστικών τομών. Ο αριθμός των απαιτούμενων τομών μπορεί να περιοριστεί σημαντικά, δεδομένου ότι σε πολλά χαρακτηριστικά σημεία είναι γνωστό εκ των προτέρων ότι η ροπή κάμψης ισούται με μηδέν. Τέτοια σημεία είναι τα άκρα δομικών στοιχείων που είτε στηρίζονται σε αρθρώσεις ή κυλίσεις είτε είναι ελεύθερα (αρκεί να μη φέρουν μοναχικό φορτίο-ροπή). Επιπλέον, μετά την απόκτηση κάποιας εμπειρίας, οι τομές μπορούν να γίνονται «αυτόματα» (νοερά) ακολουθώντας το παρακάτω σκεπτικό: Ο φορέας τέμνεται στο σημείο όπου ζητείται η ροπή κάμψης και απομονώνεται ένα από τα δύο τμήματά του (συνήθως το μικρότερο ή αυτό με τις λιγότερες δυνάμεις). Καταγράφονται οι ροπές των φορτίων και των αντιδράσεων που ασκούνται μόνο στο υπόψη τμήμα ως προς το σημείο που ζητείται η ροπή κάμψης. Το αλγεβρικό άθροισμα των παραπάνω ροπών ισούται με τη ζητούμενη ροπή κάμψης. ΠΡΟΣΟΧΗ: ΣΕ ΑΥΤΗ ΤΗ ΦΑΣΗ, ΤΟ ΠΡΟΣΗΜΟ ΤΗΣ ΡΟΠΗΣ ΚΑΘΕ ΦΟΡΤΙΟΥ Ή ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ ΔΕΝ ΚΑΘΟΡΙΖΕΤΑΙ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΟ 7

29 ΓΕΝΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΩΝ (ΔΗΛΑΔΗ ΑΝ ΕΙΝΑΙ ΑΡΙΣΤΕΡΟΣΤΡΟΦΗ Ή ΔΕΞΙΟΣΤΡΟΦΗ). ΚΑΘΟΡΙΖΕΤΑΙ ΑΠΟ ΤΟ ΑΝ ΕΦΕΛΚΥΕΙ (+) Ή ΘΛΙΒΕΙ (-) ΤΗΝ ΙΝΑ ΑΝΑΦΟΡΑΣ ΣΤΟ ΣΗΜΕΙΟ ΠΟΥ ΖΗΤΕΙΤΑΙ Η ΡΟΠΗ ΚΑΜΨΗΣ. Επισημαίνεται ότι σε σημεία τομής δύο δομικών στοιχείων (κόμβοι τύπου Γ) χωρίς μοναχικό φορτίο-ροπή, οι ροπές εκατέρωθεν του κόμβου είναι ίσες, συνεπώς απαιτείται ο υπολογισμός μόνο μίας από αυτές. Αντίθετα, σε σημεία τομής περισσότερων των δύο δομικών στοιχείων (κόμβοι τύπου Τ, + κτλ.), θα πρέπει να υπολογιστούν τόσες ροπές, όσα και τα δομικά στοιχεία που τέμνονται. 3β) Υπολογισμός των τεμνουσών δυνάμεων με βάση την αρχή της ομόλογης δοκού. 3γ) Υπολογισμός των αξονικών δυνάμεων. Η όλη διαδικασία ξεκινάει από τα άκρα του φορέα και απλοποιείται σε μεγάλο βαθμό αν ληφθούν υπόψη τα εξής: Σε άκρα του φορέα που δεν ασκείται δύναμη (είτε φορτίο είτε αντίδραση) παράλληλη με τον άξονα του δομικού στοιχείου που απολήγει στο υπόψη άκρο, τότε η αξονική δύναμη στο σημείο αυτό ισούται με μηδέν. Σε άκρα του φορέα που ασκείται δύναμη (είτε φορτίο είτε αντίδραση) παράλληλη με τον άξονα του δομικού στοιχείου που απολήγει στο υπόψη άκρο, τότε η αξονική δύναμη στο σημείο αυτό ισούται κατά απόλυτη τιμή με την εφαρμοζόμενη δύναμη και το πρόσημό της είναι: Θετικό, όταν η εφαρμοζόμενη δύναμη απομακρύνεται από το δομικό στοιχείο (δηλ. το εφελκύει). Αρνητικό, όταν η εφαρμοζόμενη δύναμη κατευθύνεται προς το δομικό στοιχείο (δηλ. το συμπιέζει / το θλίβει). Σύμφωνα με τις ιδιότητες των διαγραμμάτων των φορτίων διατομής (παράγραφος 3.6), σε δομικό στοιχείο χωρίς φορτία παράλληλα με τον άξονά του, η αξονική δύναμη παραμένει σταθερή. Αν σε κάποια χαρακτηριστικά σημεία δεν είναι δυνατόν να υπολογιστεί η αξονική δύναμη με βάση τα παραπάνω, τότε σε αυτά εφαρμόζεται η γνωστή διαδικασία των διαχωριστικών τομών που περιλαμβάνουν ένα τμήμα του φορέα ή ακόμη και ένα μεμονωμένο κόμβο. 8

30 5. ΑΠΛΑ ΔΙΚΤΥΩΜΑΤΑ 5.1 Ορισμός και παραδοχές υπολογισμού δικτυωμάτων Δικτύωμα είναι ένας δομικός φορέας αποτελούμενος από ευθύγραμμα δομικά στοιχεία που ενώνονται αρθρωτά στους κόμβους (σχ. 5.1). Αν όλοι οι κόμβοι ανήκουν στο ίδιο επίπεδο, τότε το δικτύωμα καλείται επίπεδο, ενώ σε διαφορετική περίπτωση καλείται χωρικό (χωροδικτύωμα). Η επίλυση των δικτυωμάτων βασίζεται στις εξής παραδοχές: Οι συνδέσεις στους κόμβους είναι ιδανικές αρθρώσεις (χωρίς τριβές). Οι άξονες των δομικών στοιχείων είναι ευθύγραμμοι. Οι άξονες όλων των δομικών στοιχείων που συμβάλλουν σε έναν κόμβο τέμνονται στο ίδιο σημείο (κεντρική σύνδεση). Όλα τα φορτία ασκούνται είτε πάνω στους κόμβους είτε παράλληλα στους άξονες των δομικών στοιχείων (η τελευταία περίπτωση είναι σπάνια και δεν θα εξεταστεί στις ανά χείρας σημειώσεις). Συνεπεία των παραπάνω παραδοχών, τα δομικά στοιχεία των δικτυωμάτων καταπονούνται μόνο σε ορθή ένταση, δηλαδή αναπτύσσουν μόνο θλιπτική ή εφελκυστική αξονική δύναμη (όχι ροπές κάμψης ή τέμνουσες δυνάμεις) και ως εκ τούτου ονομάζονται ράβδοι. Η αξονική δύναμη κάθε ράβδου ονομάζεται τάση και στη συνήθη περίπτωση απουσίας παράλληλων με τον άξονά της φορτίων παραμένει σταθερή σε όλο το μήκος της. Σύμφωνα με τους κανόνες προσήμανσης των φορτίων διατομής (παρ. 3.) η τάση είναι θετική όταν προκαλεί εφελκυσμό και αρνητική όταν προκαλεί θλίψη. Στα περισσότερα δικτυώματα μπορούμε να διακρίνουμε: Τις ράβδους των δύο πελμάτων (άνω και κάτω) οι οποίες είναι οριζόντιες ή σχεδόν οριζόντιες. Τις ράβδους πλήρωσης μεταξύ των πελμάτων που είναι κατακόρυφες (οπότε ονομάζονται ορθοστάτες) ή διαγώνιες. Οι ράβδοι των δικτυωμάτων πολλές φορές συμβολίζονται με ένα γράμμα του γερμανικού αλφαβήτου που δηλώνει το είδος της ράβδου (O για τις ράβδους του άνω πέλματος, U για τις ράβδους του κάτω πέλματος, V για τις κατακόρυφες ράβδους πλήρωσης και D για τις διαγώνιες ράβδους πλήρωσης) και ένα δείκτη-αύξοντα αριθμό (σχ.5.1.α). Εναλλακτικά, συμβολίζονται με το γράμμα S και ένα δείκτη- 9

31 αύξοντα αριθμό ή δύο δείκτες που δηλώνουν τους κόμβους αρχής και πέρατος κάθε ράβδου (σχ. 5.1.β). Σχήμα 5.1 Παραδείγματα δικτυωμάτων 30

32 5. Μόρφωση και στερεότητα απλών δικτυωμάτων Απλά ονομάζονται τα δικτυώματα που μορφώνονται με βασικό συστατικό στοιχείο έναν τριγωνικό ραβδοδίσκο (δηλαδή ένα σχηματισμό τριών ράβδων που τέμνονται ανά δύο) στον οποίο προσαρτούνται διαδοχικά ζεύγη μη συνευθειακών ράβδων που τέμνονται σε έναν επιπλέον κόμβο (σχ. 5.1.α, β, γ). Για παράδειγμα το απλό δικτύωμα του σχήματος 5.1.α μπορεί να θεωρηθεί ότι συντίθεται από τον τριγωνικό ραβδοδίσκο στον οποίο προσαρτούνται κατά σειρά τα ζεύγη ράβδων U 1 -V (που τέμνονται στον κόμβο ), D -O (που τέμνονται στον κόμβο 6) και U -V 3 (που τέμνονται στον κόμβο 3). Δικτυώματα που μορφώνονται με οποιοδήποτε άλλο τρόπο χαρακτηρίζονται μη απλά ή σύνθετα. Ένα σύνθετο δικτύωμα μπορεί να προκύψει και με αρθρωτή σύνδεση δύο (σχ. 5.1.δ) ή περισσοτέρων απλών. Ένα απλό δικτύωμα είναι στερεό και ισοστατικό όταν στηρίζεται με τρεις κατάλληλα διατεταγμένες δρομικές δεσμικές ράβδους (για τις χαλαρές μορφές στήριξης ισχύουν και εδώ όσα αναφέρθηκαν στις παραγράφους.3 και 4.5). Γενικότερα ο Βαθμός Στατικής Αοριστίας των δικτυωμάτων Ν (δηλαδή ο αριθμός των άγνωστων μεγεθών που δεν μπορούν να υπολογιστούν με τη χρήση των εξισώσεων ισορροπίας και μόνο) προκύπτει από τον παρακάτω τύπο: Ν = ρ + α κ (5.1) όπου ρ ο αριθμός των ράβδων, α ο αριθμός των αντιδράσεων και κ ο αριθμός των κόμβων. Το άθροισμα ρ + α αντιπροσωπεύει τον αριθμό των άγνωστων εντασιακών μεγεθών και το γινόμενο κ τον αριθμό των διατιθέμενων εξισώσεων ισορροπίας (σε κάθε κόμβο μπορούν να καταστρωθούν μόνο δύο εξισώσεις ισορροπίας δυνάμεων, καθώς η εξίσωση ισορροπίας ροπών, λόγω των παραδοχών που αναφέρθηκαν στην παράγραφο 5.1, είναι ταυτότητα). Ανάλογα με την τιμή του Ν διακρίνονται οι εξής περιπτώσεις: Ν < 0 το δικτύωμα είναι χαλαρό. Ν = 0 το δικτύωμα είναι στερεό και ισοστατικό. Ν > 0 το δικτύωμα είναι στερεό και Ν φορές υπερστατικό ή στατικά αόριστο. Παρατήρηση 1: Ο τύπος Ν = ρ + α κ γενικά ισχύει για τον υπολογισμό του Βαθμού Στατικής Αοριστίας και των σύνθετων δικτυωμάτων, θα πρέπει όμως να εφαρμόζεται με ιδιαίτερη προσοχή, καθώς η συνθήκη Ν 0 αποτελεί μόνο αναγκαία και όχι ικανή συνθήκη για να είναι ένα σύνθετο δικτύωμα στερεό. 31

33 5.3 Μέθοδοι υπολογισμού απλών δικτυωμάτων Η επίλυση των ισοστατικών δικτυωμάτων γίνεται είτε με τη μέθοδο των κόμβων είτε με τη μέθοδο των τομών Ritter είτε με συνδυασμό των δύο. Σύμφωνα με την μέθοδο των κόμβων, σε κάθε κόμβο του δικτυώματος καταστρώνονται οι δύο εξισώσεις ισορροπίας δυνάμεων. Έτσι σχηματίζεται ένα κ x κ σύστημα εξισώσεων από το οποίο προκύπτουν όλα τα ζητούμενα άγνωστα μεγέθη. Η μέθοδος αυτή είναι και η πλέον κατάλληλη για προγραμματισμό στον ηλεκτρονικό υπολογιστή. Παρατήρηση 1: Κατά την χειρονακτική επίλυση των δικτυωμάτων συνήθως υπολογίζονται πρώτα οι τρεις αντιδράσεις με την ίδια διαδικασία που εφαρμόζεται και για τους συμπαγείς φορείς (βλ. παρ..4) και στη συνέχεια καταστρώνονται κ 3 εξισώσεις ισορροπίας στους κόμβους. Οι υπόλοιπες τρεις εξισώσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν για επαλήθευση των αποτελεσμάτων. Παρατήρηση : Στην πράξη η επίλυση συστήματος εξισώσεων μπορεί στις περισσότερες περιπτώσεις να αποφευχθεί, αν γίνει έξυπνη επιλογή της σειράς κατάστρωσης των εξισώσεων ισορροπίας στους κόμβους. Παρατήρηση 3: Κατά την κατάστρωση των εξισώσεων ισορροπίας κάθε κόμβου θα πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στις φορές των δυνάμεων που υπεισέρχονται. Για την αποφυγή λαθών συνιστάται η σχεδίαση στο Διάγραμμα Ελεύθερου Σώματος κάθε κόμβου όλων των ήδη γνωστών δυνάμεων με την πραγματική τους φορά και την απόλυτη τιμή του μέτρου τους, ενώ τα άγνωστα μεγέθη θα πρέπει πάντα να σχεδιάζονται με τη συμβατικά θετική τους φορά. Υπενθυμίζεται ότι θετική θεωρείται μια τάση ράβδου όταν είναι εφελκυστική. Αυτό σημαίνει ότι η συμβατικά θετική της φορά είναι τέτοια που να εξέρχεται από τον κόμβο με κατεύθυνση προς τη ράβδο. Για παράδειγμα στο σχήμα 5. φαίνεται το Διάγραμμα Ελεύθερου Σώματος του κόμβου 1 του δικτυώματος τους σχήματος 5.1.α, όπου προϋποτίθεται ότι έχουν υπολογιστεί οι αντιδράσεις της άρθρωσης 1x και 1y και η πραγματική τους φορά είναι προς τα δεξιά και πάνω αντίστοιχα. Σχήμα 5. Σχεδίαση Διαγράμματος Ελεύθερου Σώματος κόμβου 3