Βασική αρχή εργαστηριακής άσκησης Σημειώσεις Εργαστηριακής Άσκησης Διάτμηση Κοχλία Δρ. Σωτήρης Δέμης Πολιτικός Μηχανικός (Λέκτορας Π.Δ. 407/80) Αξονικό φορτίο Ανάπτυξη διατμητικών τάσεων σε στοιχεία σύνδεσης Έλασμα Α (πλάκα) συνδέεται με ελάσματα Β, C (δίχαλο) με κοχλία Εφαρμόζεται εφελκυστικό φορτίο B C A 1
Βασική αρχή εργαστηριακής άσκησης Έως τώρα Αξονικό φορτίο Ανάπτυξη διατμητικών τάσεων σε στοιχεία σύνδεσης Έλασμα Α (πλάκα) συνδέεται με ελάσματα Β, C (δίχαλο) με κοχλία Εφαρμόζεται εφελκυστικό φορτίο Αξονική φόρτιση σε δομικό στοιχείο ανάπτυξη ορθών τάσεων σy (+) Το εφελκυστικό φορτίο «μεταβιβάζεται» στο κοχλία στα σημεία επαφής με τη πλάκα και το δίχαλο Αναπτύσσονται διατμητικές τάσεις στην εγκάρσια διατομή του κοχλία (επιφάνειες a-a, b-b) σx σx (+) Ορθή διεύθυνση σy Πλάκα Α a b a b Β C Δίχαλο /2 /2 Αξονική φόρτιση σε δομικό στοιχείο ανάπτυξη διατμητικών τάσεων (σε στοιχεία συνδέσεων) τyx (+) τxy (+) Εφαπτομενική διεύθυνση 2
Μορφές Καταπόνησης Εισαγωγή στη έννοια της Διατμητικής τάσης F μ Q F Q μ Q ν N σf τf ν N Θλίψη Εφελκυσμός Κάμψη Στρέψη Διάτμηση Διάτμηση (Διά τμήση)? Οι ορθές τάσεις αναπτύσσονται κάθετα (ή ορθά ως προς) στις επιφάνειες υλικών]. Ορθή διεύθυνση Εφαπτομενική διεύθυνση Οι διατμητικές τάσεις δρουν (αναπτύσσονται) εφαπτομενικά ως προς επιφάνειες υλικών 3
Εισαγωγή στη έννοια της Διατμητικής τάσης/παραμόρφωσης Εισαγωγή στη έννοια της Διατμητικής τάσης/παραμόρφωσης F μ Q F Q μ Q ν N σf τf ν N Q F G Μέση Διατμητική τάση (Συνολική Τέμνουσα δύναμη Q σε μία επιφάνεια / εμβαδόν της Μέτρο Διάτμησης (Χαρακτηριστική ιδιότητα Υλικού) E G 2(1 ) Γωνιακή (διατμητική) παραμόρφωση πρίσματος Πολύ μικρές μεταβολές στην αρχική γωνία μεταξύ δύο υποθετικών επιπέδων στο στοιχείο ' 4
Καταστατικοί νόμοι τ-γ Αξονικό Φορτίο Διατμητική Τάση? Όπως και στη περίπτωση ορθών τάσεων, για γραμμικά ελαστικά υλικά τ, γ ανάλογες Στην περίπτωση όλκιμων υλικών, ο καταστατικός νόμος είναι μη γραμμικός Τόσο η μέγιστη ορθή όσο και η διατμητική τάση είναι καθοριστική για σχεδιασμό δομικών στοιχείου σε εφελκυσμό. Σε γενικές γραμμές στα όλκιμα υλικά, η μέγιστη διατμητική τάση λαμβάνεται ως κριτήριο, λόγω του ότι όταν οι διατμητικές τάσεις ξεπεράσουν ένα κρίσιμο όριο, το υλικό αρχίζει να ρέει. η πλαστική παραμόρφωση των μεταλλικών υλικών (σε μακροσκοπική κλίμακα) συντελείται με την ολίσθηση κρυσταλλικών επιπέδων (σε μικροσκοπική κλίμακα) μέσω διατμητικών τάσεων 5
Συνδέσεις Επιφανειών Χαρακτηριστικό Παράδειγμα στις Συνδέσεις Διεπιφανειών Κοχλιώσεις Χαρακτηριστικό Παράδειγμα στις Κοχλιώσεις Αξονικές δυνάμεις σε δομικά στοιχεία ανάπτυξη διατμητικών τάσεων σε διεπιφάνειες Δύναμη Φόρτισης Ρ από έλασμα σε έλασμα στους κοχλίες Μια κοχλίωση σχεδιάζεται προκειμένου να παραλάβει: Διατμητική δύναμη - κάθετη στον άξονα του κορμού Εφελκυστική δύναμη - παράλληλη στον άξονα του κορμού Διατμητική και εφελκυστική δύναμη ταυτόχρονα Δύναμη Φόρτισης Ρ Τέμνουσα στη διεπιφάνεια υπολογισμός μέσης διατμητικής τάσης 6
Γεωμετρικά στοιχεία κοχλία Αστοχία Κοχλιωτών Συνδέσεων λόγω και διάτμησης Επιφάνεια Διατομής Α δίνεται Έστω κοχλίας ονομαστικής διαμέτρου 10 mm, με επιφάνεια διατομής 58 mm 2 Διαρροή μέλους Εφελκυστική αστοχία μέλους Διατμητική απόσχιση κορμού Σύνθλιψη άντυγας οπής Διατμητική αστοχία κοχλία Από Πανεπιστημιακές παραδώσεις κ. Παπανικολάου 7
Παραδείγματα Κοχλιωτών Συνδέσεων Παραδείγματα Κοχλιωτών Συνδέσεων 8
Κατηγορία Ποιότητας Κοχλία Μ a.b Μονότμητη και Δίτμητη Σύνδεση Κατηγορία Ποιότητας Κοχλία Μ a.b Εφελκυστική Αντοχή a: 1/100 αντοχής σε εφελκυσμό => αντοχή σε εφελκυσμό (fu) = 100 a, (π.χ. 400 Ma, για κοχλία ποιότητας Μ4.6). Κατηγορία Ποιότητας fu (N/mm 2 ) fy (N/mm 2 ) 4.6 400 240 5.6 500 300 6.6 600 360 8.8 800 640 10.9 1000 900 Ένα επίπεδο διάτμησης (n=1) /2 Όριο Διαρροής /2 a b: 1/10 του ορίου διαρροής σε εφελκυσμό => όριο διαρροής σε εφελκυσμό (fy) = 10 a b (π.χ. 240 Ma, για κοχλία ποιότητας Μ4.6). Δύο επίπεδα διάτμησης (n=2) 9
Όλα ξεκινούν από την αξονική φόρτιση Τάσεις Επαφής /2 1 Πλάκα /2 Δίχαλο 3 2 Δύναμη Φόρτισης Ρ από έλασμα σε έλασμα στους κοχλίες Υπό την εφαρμογή του αξονικού φορτίου Ρ, πλάκα και δίχαλο θα βρουν αντίσταση στον κοχλία, στον οποίον θα αναπτυχθούν τάσεις λόγω επαφής. Η πλάκα και το δίχαλο τείνουν να τμήσουν τον κοχλία. Τάσεις επαφής δίχαλου-κοχλία αναπτύσσονται στις περιοχές 1 & 3 Τάσεις επαφής πλάκας-κοχλία αναπτύσσονται στην περιοχή 2 Αυτή η τάση αναχαιτίζεται από την ανάπτυξη διατμητικών τάσεων στον κοχλία. 10
Τάσεις Επαφής Τάσεις Επαφής /2 1 /2 3 2 11
Τάσεις Επαφής Μέση Διατμητική Τάση σε Κοχλιωτή Σύνδεση Εάν υποθέσουμε ομοιόμορφη κατανομή τάσεων, μπορούμε να υπολογίσουμε τη μέση τάση επαφής ως: Fb b A b Επιφάνεια Α b : προβαλλόμενη επιφάνεια καμπύλης επιφάνειας που φέρει δύναμη επαφής (σε επίπεδο κάθετο προς διεύθυνση αυτής). Ορθογωνική με ύψος ίσο με πάχος δίχαλου και πλάτος ίσο με διάμετρο κοχλία. b A t d Δύναμη επαφής Εμβαδόν επιφάνειας που φέρει δύναμη επαφής Κοχλίας τείνει να τμηθεί κατά μήκος διατομών mn & pq. Διατμητικές δυνάμεις V(=/2) δρουν επί τις επιφάνειες τμήσης κοχλία. Διατμητική Αντοχή Κοχλία /2 /2 avg 1 3 max 2 A 2 2 /2 /2 /2 /2 Από Πανεπιστημιακές παραδώσεις κ. Παπανικολάου 12
Άρα Διατμητική μορφή αστοχίας κοχλία /2 /2 Από Πανεπιστημιακές παραδώσεις κ. Παπανικολάου 13
Σύνθλιψη Άντυγας Οπών Κατηγορία Ποιότητας Κοχλία Μ a.b Κατηγορία Ποιότητας Κοχλία Μ a.b a: 1/100 αντοχής σε εφελκυσμό => αντοχή σε εφελκυσμό (fu) = 100 a, (π.χ. 400 Ma, για κοχλία ποιότητας Μ4.6). a b: 1/10 του ορίου διαρροής σε εφελκυσμό => όριο διαρροής σε εφελκυσμό (fy) = 10 a b (π.χ. 240 Ma, για κοχλία ποιότητας Μ4.6). Αντοχή σε διάτμηση (τ max )? Κατηγορία Ποιότητας fu (N/mm 2 ) fy (N/mm 2 ) 4.6 400 240 5.6 500 300 6.6 600 360 8.8 800 640 10.9 1000 900 14
Κριτήρια Αστοχίας (παρένθεση) Θεωρία της μέγιστης διατμητικής τάσης (κριτήριο Tresca) Κριτήρια Αστοχίας (παρένθεση) Θεωρία της μέγιστης ειδικής ενέργειας σύνογκης (ή διατμητικής παραμόρφωσης) Κριτήριο von Mises Από το βιβλίο «Μηχανική Των Υλικών» του κ. Τριανταφύλλου τ max = fy / 3 15
Κριτήρια Αστοχίας (παρένθεση) Εργαστηριακή Άσκηση Βάση κριτηρίων αστοχίας όλκιμων υλικών σε μονοαξονική φόρτιση, όριο αντοχής σε διάτμηση: Tresca Von Mises τ max = f y /2 = 0.50 f y τ max = / f y 3 = 0.58 f y Σύγκριση καμπυλών αστοχίας von Mises / Tresca στην επίπεδη εντατική κατάσταση Από το βιβλίο «Μηχανική Των Υλικών» του κ. Τριανταφύλλου 16
Εργαστηριακή Άσκηση 17