ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ- 2015

Transcript

1 ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δικτυώματα Κώστας Γαλιώτης, καθηγητής Τμήμα Χημικών Μηχανικών 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 1

2 Σκοποί ενότητας Να είναι σε θέση ο φοιτητής να μπορεί να ελέγχει την ισο-στατικότητα και την στερεότητα ενός δικτυώματος. Να μπορεί να επιλύσει ένα δικτύωμα. Να μπορεί να χαρακτηρίσει τις τάσεις που φέρει η κάθε ράβδος μια δικτυωτής κατασκευής. 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 2

3 Περιεχόμενα ενότητας Βασικές αρχές δικτυώματος Δικτυώματα στην καθημερινή ζωή Στοιχεία δικτυώματος Παραδοχές Κριτήρια στερεότητας-ισοστατικότητας Επίλυση δικτυωμάτων με μέθοδο κόμβων Επίλυση δικτυωμάτων με μέθοδο Ritter Δοκός Gerber 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 3

4 Βασικές έννοιες δικτυωμάτων Σύστημα λεπτών, αβαρών, ευθύγραμμων στερεών φορέων που συνδέονται μεταξύ τους με ελεύθερα στρεπτές αρθρώσεις και σχηματίζουν έναν στερεό σχηματισμό ονομάζεται δικτύωμα. Οι αρθρώσεις ονομάζονται κόμβοι και οι στερεοι φορείς ράβδοι. Διακρίνονται σε απλά και σύνθετα ανάλογα με τον τρόπο συναρμολόγησης όπως και σε χωρικά και επίπεδα ανάλογα με το αναπτύσσονται στις δύο ή στις τρείς διαστάσεις. Ένα δικτύωμα μπορεί να είναι είτε ισοστατικό είτε υπερστατικό ή υποστατικό 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 4

5 Δικτυώματα στην καθημερινή ζωή Στις διαφάνειες που ακολουθουν παρατίθενται διάφορα χαρακτηριστικά είδη δικτυωμάτων όπως αυτά απαντώνται στην φύση και στην καθημερινή ζωή. 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 5

6 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 6

7 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 7

8 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 8

9 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 9

10 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 10

11 Στοιχεία δικτυωμάτων Οι άξονες των ράβδων και οι εξωτερικές δυνάμεις στο ίδιο επίπεδο (π.χ. δικτύωμα γέφυρας) Οι ράβδοι δεν φορτίζονται εγκάρσια. Το φορτίο μεταφέρεται στους κόμβους. Τα βάρη των ράβδων εφαρμόζονται και αυτά στους κόμβους με ισοκατανομή. Οι κόμβοι είναι ισοδύναμοι με ελεύθερα στρεπτές αρθρώσεις. Δηλαδή δεν μεταφέρουν ροπή, αλλά μόνο δύναμη. Με την εφαρμογή δύναμης F σε κάποιο κόμβο, εμφανίζονται αντιδράσεις στα σημεία στήριξης και εσωτερικές δυνάμεις, αξονικές, στις ράβδους, που ονομάζονται τάσεις. Ο καθορισμός των τάσεων αποτελεί την «ανάλυση» του δικτυώματος. 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 11

12 Παραδοχές α) Οι ράβδοι συνδέονται με αρθρώσεις και δέχονται μόνο αξονικά φορτία. β) Τα φορτία επενεργούν μόνο στους κόμβους. γ) Οι κεντροβαρικοί άξονες των ράβδων διέρχονται από τους κόμβους. 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 12

13 Επίλυση δικτυώματος 1) Απόδειξη ισοστατικότητας φορέα. 2) Απόδειξη στερεότητας σχηματισμού φορέα. 3) Σχεδιασμός διαγράμματος ελευθέρου σώματος (ΔΕΣ). 4) Υπολογισμός αντιδράσεων. 5) Υπολογισμός δυνάμεων (τάσεων) στις ράβδους. 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 13

14 Κριτήρια στερεότητας Στερεότητα: Κριτήρια ελέγχου: I. Αν ένα δικτύωμα είναι απλή παράθεση τριγώνων. II. Αν δύο στερεά συνδέονται μεταξύ τους με τρεις ράβδους που οι διευθύνσεις του δεν συντρέχουν. III. Αν τρία στερεά συνδέονται ανά δύο με ράβδους που τέμνονται σε σημεία μη συνευθειακά. 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 14

15 Κριτήρια ισοστατικότητας Ισοστατικότητα: ρ εξ. + ρ εσ. = 2k όπου ρ εξ. = αριθμός ράβδων του δικτυώματος ρ εσ = αριθμός αγνώστων αντιδράσεων ή αριθμός ράβδων στήριξης του δικτυώματος στο έδαφος, k= αριθμός κόμβων. Υπερστατικό: ρ εξ. + ρ εσ. > 2k Δικτυωτός φορέας (ρ εξ. + ρ εσ. - 2k) φορές υπερστατικός. Υποστατικό: ρ εξ. + ρ εσ. < 2k Δικτυωτός φορέας [2k- (ρ εξ. + ρ εσ. )] φορές υποστατικός. 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 15

16 Βασικές μέθοδοι ανάλυσης δικτυώματος α) Μέθοδος κόμβων β) Μέθοδος τομών Ritter γ) Μέθοδος Bow-Cremona* *Δεν θα συζητηθεί 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 16

17 Μέθοδος κόμβων 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 17

18 Βήματα μεθόδου κόμβων Βήμα 1ο Θέλουμε να βρούμε τις δυνάμεις που ασκούνται στις δοκούς του δικτυώματος. Θεωρούμε ότι κάθε δοκός φέρει μια άγνωστη δύναμη κατά τη διεύθυνσή της. Ο υπολογισμός των δυνάμεων των δοκών θα γίνει μέσω του υπολογισμού των δυνάμεων στους κόμβους. Βήμα 2ο Υπολογίζουμε τις εξωτερικές αντιδράσεις του δικτυώματος γράφοντας τις εξισώσεις ισορροπίας για ολόκληρο το δικτύωμα. Εφόσον το δικτύωμα είναι στερεό σώμα μπορούμε να γράψουμε εξισώσεις ισορροπίας για τον υπολογισμό αγνώστων αντιδράσεων. 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 18

19 Βήματα μεθόδου κόμβων Βήμα 3ο Απομονώνουμε από το δικτύωμα τις δοκούς και τους κόμβους. Γράφουμε τις εξισώσεις ισορροπίας για κάθε κόμβο. Ξεκινάμε τη μέθοδο υπολογισμού από τον κόμβο στον οποίο συντρέχουν το πολύ δύο άγνωστες δυνάμεις, δηλαδή το πολύ δύο δοκοί. Τυπικά σχεδιάζουμε τις άγνωστες δυνάμεις στον κόμβο ώστε η φορά τους να είναι από τον κόμβο προς τη δοκό. Βήμα 4ο Τελειώνοντας με έναν κόμβο προχωρούμε στο γειτονικό στον οποίο και πάλι πρέπει να συντρέχουν το πολύ δύο άγνωστες δυνάμεις. Βήμα 5ο Έχοντας βρει τις δυνάμεις στους κόμβους μεταφέρουμε τις δυνάμεις των κόμβων στις δοκούς και καταγράφουμε τις τιμές κάθε καταπόνησης σε ένα πίνακα. 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 19

20 Συμβάσεις μεθόδου κόμβων Θεωρούμε ότι όταν : Μια αξονική δύναμη πλησιάζει τον κόμβο είναι θλιπτική ενώ όταν μία αξονική δύναμη απομακρύνεται από τον κόμβο είναι εφελκυστική Αρχικά: θεωρούμε όλες τις άγνωστες εσωτερικές δυνάμεις θετικές. Στον κόμβο που αναλύουμε οι άγνωστες δυνάμεις όχι πάνω από δύο. 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 20

21 Επίπεδα Δικτυώματα Στο επίπεδο δικτύωμα (πχ το δικτύωμα γέφυρας) οι άξονες των ράβδων και οι εξωτερικές δυνάμεις που το φορτίζουν βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο. Συμβολισμοί Αρθρώσεις με: A, B, Γ Κόμβοι με λατινικούς: I, II, III, IV Ράβδοι με αραβικούς: 1, 2, 3,.. Τάσεις με: S n Αντιδράσεις με: V, H 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 21

22 Παράδειγμα με μέθοδο κόμβων (1/2) Να υπολογιστούν οι εσωτερικές αξονικές δυνάμεις των ράβδων του παρακάτω δικτυώματος. Δίνονται: P 1 =600N, P 2 =200N, φ=60 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ ΣP x = 0 : P 2 - H B = 0 => H B =200N ΣΜ Α = 0: P P 2 (2,5 tan60 ) V B 10 = 0 => V B = 386,6N ΣΜ Β = 0: V Α 10 - P P 2 (2,5 tan60 ) = 0 => V Α = 213,4N Επαλήθευση: ΣP y = 0 : V Α - P 1 + V B = 0 => 213,4N 600N + 386,6N = 0 => 0 = 0! 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 22

23 Παράδειγμα με μέθοδο κόμβων (2/2) 1) Άρθρωση (Κόμβος) Α A V A φ S 1 S 6 S 5 ΣP x = 0: +S 1 cosφ + S 5 =0 => S 5 = - S 1 cosφ ΣP y = 0: V A + S 1 sinφ =0 => S 1 = - V A /sinφ = -213,4Ν/sin60 => S 1 = -246,4N (θλιπτική) S 5 = 123,2Ν (εφελκυστική) 2) Κόμβος I φ S S 2 1 S 6 ΣP x = 0: -S 1 cosφ + S 2 cosφ =0 => S 2 = S 1 = - 246,4Ν (θλιπτική) ΣP y = 0: -S 1 sinφ S 6 - S 2 sinφ =0 => S 6 = (- 246,4N - 246,4N)sin60 => S 6 = - 492,8 sin60 => S 6 = 426,8N (εφελκυστική) 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 23

24 3) Κόμβος II S 6 S 7 S 5 φ P 1 4) Κόμβος III S2 S 4 ΣP x = 0: -S 5 + S 7 cosφ + S 4 =0 => S 4 = S 5 - S 7 cosφ= 123,2Ν - S 7 cos60 ΣP y = 0: -P 1 + S 6 + S 7 sinφ =0 => S 7 = (600N - (- 426,8N)/sin60 => S 7 = 200N (εφελκυστική), S 4 = 23,2Ν (εφελκυστική) ΣP x = 0: - S 7 cosφ - S 2 cosφ + S 3 cosφ + P 2 =0 => φ P 2 s7 S3 5) Άρθρωση (Κόμβος) B => Επαλήθευση S 4 S 3 S 3 cos60 S 3 sin60 V B H B ΣP y = 0 => V B + S 3 sin60 = 0 => 386,6N -446,4 0,866 = 386,6 386,6 = 0 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 24

25 Μέθοδος τομών RITTER 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 25

26 Έννοιες και βασικές παραδοχές Χρησιμοποιείται είτε για τον υπολογισμό των τάσεων των ράβδων ενός σύνθετου δικτυώματος, είτε για την ταχύτερη εύρεση της δύναμης μιας ράβδου. Συνίσταται στην πραγματοποίηση μίας ή και περισσότερων τομών, καθεμιά από τις οποίες τέμνει το μικρότερο δυνατό αριθμό ράβδων (max 3 ράβδοι με άγνωστες εσωτερικές τάσεις). Η τομή χωρίζει το δικτύωμα σε δύο ανεξάρτητα τμήματα τα οποία ισορροπούν. Θεωρώντας τις άγνωστες εσωτερικές τάσεις σαν εξωτερικές και χρησιμοποιώντας συνθήκες ισορροπίας τις υπολογίζουμε. Και σε αυτήν την περίπτωση δεχόμαστε αρχικά εφελκυστικές, δηλ. θετικές όλες τις άγνωστες τάσεις. Η τομή Ritter δεν διέρχεται ποτέ από κόμβο. 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 26

27 Βήματα μεθόδου τομών RITTER Βήμα 2ο Κάνουμε μια τομή σε το πολύ τρεις διαδοχικές δοκούς. Βήμα 3ο Χωρίζουμε το δικτύωμα σε δύο, ένα δεξιά και ένα αριστερά της τομής. Βήμα 4ο Στο σημείο της τομής αντικαθιστούμε κάθε μια από τις δοκούς που τέμνονται με μια άγνωστη δύναμη. Κατά σύμβαση σχεδιάζουμε τις δυνάμεις με φορά από τον κόμβο προς τη δοκό. Βήμα 5ο Μελετάμε το δικτύωμα ώς προς την ισοστατικότητα και την στερεότητα και γράφουμε τις εξισώσεις ισορροπίας για τον υπολογισμό αγνώστων δυνάμεων. 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 27

28 Mέθοδος Τομών- Ritter Δικτύωμα πρό τομών ΔΕΣ αριστερής και δεξιάς τομής 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 28

29 Υπολογισμός δυνάμεων- Ritter (1/2) 1) Υπολογισμός της S 5 (κόμβος Ι)- αριστερή πλευρά Χρησιμοποιούμε τη συνθήκη ισορροπίας ΣΜ=0 ώστε να τέμνονται οι άλλες δύο ράβδοι και να μη δίνουν ροπές 0 : V 5 S 0 (1) όπου λ 1 είναι η κάθετη απόσταση της S 5 από τον κόμβο Ι. Από τις σχέσεις (1) και (2) έχουμε 2) Υπολογισμός της S 2 (κόμβος ΙΙ)- δεξιά πλευρά II 0 : P2 h S2 2 VB 5 0 (1) όπου λ 2 είναι η απόσταση της S 2 από τον κόμβο ΙΙ. Επίσης είναι I A tan m (2) S N (εφελκ.) sin m (2) Από τις σχέσεις (1), (2) και (3) έχουμε h m (3) S N (θλιπτ.) Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 29

30 Υπολογισμός δυνάμεων- Ritter (2/2) 3) Υπολογισμός της S 6 Λαμβάνουμε συνθήκη ισορροπίας ΣP y = 0 για το πιο απλό τμήμα του δικτυώματος. (στην περίπτωσή μας το αριστερό ). P 0 : V S S sin S sin 60 S N (εφελκ.) y A Με όμοιο τρόπο, αν φέρουμε τις κατάλληλες τομές, μπορούμε να υπολογίσουμε όλες τις τάσεις της ράβδου. Παρατηρούμε πως και με τις δύο μεθόδους, καταλήγουμε στα ίδια αποτελέσματα. 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 30

31 Δοκοί GERBER Σχήμα α. Η δοκός Gerber είναι ένας συνδιασμός από αμφιέρειστες και προέχουσες δοκούς που ενώνονται με αρθρώσεις οι οποίες δεν μεταφέρουν αξονικά φορτία. Από τις υπόλοιπες στηρίξεις η μία είναι άρθρωση και όλες οι άλλες κυλίσεις. Στο σχήμα β βλέπουμε πώς αναλύονται οι δυνάμεις στο ΔΕΣ. Σχήμα β. 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 31

32 Δοκός Gerber (1/2) Για τον καθορισμό τέλος των αντιδράσεων στήριξης, χρησιμοποιούμε τις εξισώσεις ισορροπίας της δοκού P 0, P 0, M 0 x y A καθώς και τη συνθήκη της άρθρωσης M 0 είτε για το αριστερό είτε για το δεξιό τμήμα της δοκού Gerber ως προς την άρθρωση Δ. 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 32

33 Δοκός Gerber (2/2) Παράδειγμα Να προσδιοριστούν οι αντιδράσεις στήριξης της δοκού Gerber του εάν Ρ 1 =20 ΚΝ και Ρ 2 =15 ΚΝ. Επίσης δίνεται ότι l 1 =6 m και l 2 =2 m. 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 33

34 Δοκός Gerber- Παράδειγμα (1/3) Παρατηρούμε ότι όλες οι αντιδράσεις είναι κατακόρυφες αφού δεν υπάρχουν οριζόντια φορτία. Για τον καθορισμό των αντιδράσεων θα χρησιμοποιήσουμε συνθήκες ισορροπίας για κάθε δοκό ξεχωριστά: α) Αμφιέρειστη δοκός ΑΔ P 0 : V V P 0 (1) y A 1 Pl 20 2 M V l Pl V 12 0 : A A 6.7 KN (2) l1 6 από τις σχέσεις (1), (2) έχουμε επίσης V P1 V ΚΝ (3) 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 34

35 Δοκός Gerber- Παράδειγμα (2/3) β) Μονοπροέχουσα δοκός ΔΓ P 0: V V V P 0 V V P V (4) y Από τις σχέσεις (4), (5) έχουμε 2 l1 M 0 : V ( l1 l2) V l1 P2 0 2 l V l V l l P V 1 1 ( 1 2) V KN (5) V P2 V V KN 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 35

36 Δοκός Gerber- Παράδειγμα (3/3) Επομένως συνοπτικά, οι αντιδράσεις στήριξης είναι V 6.7 ΚΝ, V 25.2 ΚΝ, V 3.1 ΚΝ Είναι δυνατό να γίνει έλεγχος για τη συνολική δοκό. Θα πρέπει ΣΜ Α = 0. Πράγματι είναι l1 M A P1 ( l1 l2) V ( l1 l2) P2 ( l1 l2 ) V ( l1 l2 l1) Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 36

37 Τέλος Ενότητας 2. Δικτυώματα/ Μηχανική Υλικών 37