engineering mechanics: statics in si units, 12e · 2019. 2. 19. · 7.3 yayılı yük ,kesme ve...
TRANSCRIPT
Internal Forces 7
Engineering Mechanics:
Statics in SI Units, 12e
1
Bölüm Hedefleri
• Bir elemandaki iç kuvvetlerin kesim metoduyla bulunması
• Develop procedure by formulating equations that describe
the internal shear and moment throughout a member
• Analyze the forces and study the geometry of cables
supporting a load
2
Bölüm Özeti
1. Yapı elemanlarında oluşan iç kuvvetler
2. Kesme ve moment denklemleri ve diyagramları
3. Yayılı yük ,kesme kuvvet ve moment arasındaki
ilişkiler
4. Kablolar
3
7.1 Yapı elemanlarında oluşan iç kuvvetler
• Yapı veya makine elemanlarının tasarımı elemana etkiyen
yüklere dayanacak malzeme kullanımı gerektirir.
• Bu iç kuvvetler kesim metoduyla bulunabilir.
4
7.1 Yapı elemanlarında oluşan iç kuvvetler
• N kuvvet bileşeni, kesitte kirişe normal (dik) etki
eder.Normal veya eksenel kuvvet denir
• V, kesite paralel etkir ve kesme kuvveti denir.
• Moment M eğilme momentidir.
5
7.1 Yapı elemanlarında oluşan iç kuvvetler
• 3 boyutlu durumlarda,kesitte genel iç kuvvet ve moment
bileşkeleri etkir.
• Ny normal kuvvet, ve Vx ve Vz kesme kuvvet bileşenleri
• My burulma momenti,ve Mx ve Mz eğilme moment
bileşenleri
6
7.1 Yapı elemanlarında oluşan iç kuvvetler
Analiz işlemi
Mesnet reaksiyonlar
• Kesimden önce , eleman mesnet reaksiyonlarını bulunuz.
• Denge denklemleri kullanılarak kesim yerinde iç kuvvetler
hesaplanır.
Serbest cisim digaramları
• Eleman üzerine etkiyen bütün yayılı yükler,kuvvet çifti
momentleri ve kuvvetleri tam yerinde tutulur.
• Kesitin bir tarafının SCD çizilir kesitteki kuvvet bileşenleri
belirtilir. 7
7.1 Yapı elemanlarında oluşan iç kuvvetler
Analiz işlemi
SCD (Continue)
• Kuvvet ,moment ve bileşke momentlerin z, y, z bileşenleri
SCD gösterilmelidir.
• Kesitte sadece N, V ve M etkir.
• Determine the sense by inspection
Denge denklemleri
• Momentler kesitte toplanmalıdır.
• Sonuç negatifse yön pozitiftir.
8
Örnek 7.3
İki elemanlı çerçevede B noktasında iç kuvvet,kesme kuvveti
ve eğilme momentini bulunuz.
9
Çözüm
Mesnet tepkileri
SCD
AC elemanı
∑ MA = 0; -400kN(4m) + (3/5)FDC(8m)= 0
FDC = 333.3kN
+→∑ Fx = 0; -Ax + (4/5)(333.3kN) = 0
Ax = 266.7kN
+↑∑ Fy = 0; Ay – 400kN + 3/5(333.3kN) = 0
Ay = 200kN 10
Çözüm
Mesnet tepkileri
AB elemanı
+→∑ Fx = 0; NB – 266.7kN = 0
NB = 266.7kN
+↑∑ Fy = 0; 200kN – 200kN - VB = 0
VB = 0
∑ MB = 0; MB – 200kN(4m) – 200kN(2m) = 0
MB = 400kN.m
11
Örnek
12
Çözüm
13
örnek
14
7.2 Kesme kuvveti ve moment denklemleri ve
diyagramları
• Kirişler – eksenlerine dik uygulanan yüklemeleri taşımak
için dizayn edilen yapısal elemanlardır.
• Basit mesnetli kiriş ,bir ucunda pimli diğerinde küçük
tekerliklidir.
• Ankastre kiriş bir ucundan sabitlenmiştir diğer ucu ise
serbesttir.
15
7.2 Kesme kuvveti ve moment denklemleri ve
diyagramları
Analiz işlemi Mesnet tepkileri
• Kirişe etkiyen bütün reaksiyon kuvvetleri ve momentleri bul.
• Bileşenlere ayır.
Kesme kuvvet ve moment reaksiyonları
• Specify separate coordinates x
• Section the beam perpendicular to its axis
• V obtained by summing the forces perpendicular to the beam
• M obtained by summing moments about the sectioned end
16
7.2 Kesme kuvveti ve moment denklemleri ve
diyagramları
Analiz işlemi
Kesme kuvvet ve moment reaksiyonları
• Kesme kuvvet diyagramı(x e göre V) ve (x e göre M) çizilir.
• Kesme kuvvet ve eğilme momenti diyagramlar SCD altına
çizilir.
17
Örnek 7.7
Şaft için kesme kuvvet ve eğilme moment diyagramlarını
çiziniz. A mesnedi itme yatak C mesnedi kayma
18
Çözüm
Mesnet raksiyonları
SCD
mxkNMM
kNVFy
.5.2;0
5.2;0
mkNxM
xkNmxkNMM
kNV
VkNkNFy
.)5.210(
0)(5.2)2(5 ;0
5.2
055.2 ;0
19
Çözüm
Kesme kuvvet diyagramı
Internal shear force is always positive within the shaft AB.
Just to the right of B, the shear force
changes sign and remains at
constant value for segment BC.
Moment diagram
Starts at zero, increases linearly to
B and therefore decreases to zero.
20
Örnek
21
Çözüm
22
7.3 Yayılı Yük ,Kesme ve moment arasındaki ilişkiler
Yayılı yük
• Keyfi w = w(x) yayılı yüküne ve bir dizi tekil kuvvet ve
momente maruz AD kirişini dikkate alalım
• Yayılı yük yükleme aşağı doğru etkidiği zaman pozitiftir.
23
7.3 Yayılı Yük ,Kesme ve moment arasındaki ilişkiler
Yayılı yük
• Kirişin ∆x uzunluklu küçük bir parçası için SCD kiriş
boyunca tekil kuvvet veya momente maruz olmayan bir x
noktasında seçilmiş.
• Elde edilen sonuçlar tekil yükleme noktalarında
kullanılamaz.
• The internal shear force and
bending moments assumed
positive sense
24
7.3 Yayılı Yük ,Kesme ve moment arasındaki ilişkiler
Yayılı yük
• Distributed loading has been replaced by a resultant force
∆F = w(x) ∆x that acts at a fractional distance k (∆x) from
the right end, where 0 < k <1
2)()(
0)()(;0
)(
0)()(;0
xkxwxVM
MMxkxxwMxVM
xxwV
VVxxwVFy
25
7.3 Yayılı Yük ,Kesme ve moment arasındaki ilişkiler
Yayılı yük
Vdx
dM
)(xwdx
dV
Slope of the shear diagram
Negative of distributed load intensity
Slope of moment diagram
Shear moment diagram
VdxM BC
dxxwVBC )(
Change in shear Area under
shear diagram
Change in moment Area under shear diagram
26
7.3 Yayılı Yük ,Kesme ve moment arasındaki ilişkiler
Kuvvet ve Moment
• FBD of a small segment of the beam
• Change in shear is negative
• FBD of a small segment of the beam located at the couple
moment
• Change in moment is positive
27
Örnek 7.9
Draw the shear and moment diagrams for the overhang beam.
28
Çözüm
The support reactions are shown.
Shear Diagram
Shear of –2 kN at end A of the beam
is at x = 0.
Positive jump of 10 kN at x = 4 m
due to the force.
Moment Diagram
mkN 842004
MMMxx
29
örnek
30
7.4 Cables
• Cables and chains used to support and transmit loads
from one member to another
• In force analysis, weight of cables is neglected
• Assume cable is perfectly flexible and inextensible
• Due to its flexibility cables has no resistance to
bending
• Length remains constant before and after loading
31
7.4 Cables
Cable Subjected to Concentrated Loads
• For a cable of negligible weight, it will subject to
constant tensile force
• Known: h, L1, L2, L3 and loads P1 and P2
• Form 2 equations of equilibrium
• Use Pythagorean Theorem to relate the three
segmental lengths
32
Example 7.11
Determine the tension in each segment of the cable.
33
Example 7.11
FBD for the entire cable.
kNE
EkNkNkNkN
F
kNA
mknmkNmkNmA
M
EA
F
y
y
y
y
y
E
xx
x
10
0315412
;0
12
0)2(3)10(15)15(4)18(
;0
0
;0
34
Example 7.11
Consider leftmost section which cuts cable BC since sag
yC = 12m.
kNT
TkNkN
F
kNT
F
kNEA
mkNmkNmA
M
BCBC
BCBC
y
BCBC
x
xx
x
C
2.10,6.51
0sin412
;0
033.6cos
;0
33.6
0)5(4)8(12)12(
;0
35
7.4 Cables
Cable Subjected to a Distributed Load
• Consider weightless cable subjected to a loading
function w = w(x) measured in the x direction
36
7.4 Cables
Cable Subjected to a Distributed Load
• For FBD of the cable having length ∆
• Since the tensile force changes continuously, it is
denoted on the FBD by ∆T
• Distributed load is represented by second integration,
dxdxxwF
yH
)(1
37
Example 7.12
The cable of a suspension bridge supports half of the
uniform road surface between the two columns at A and
B. If this distributed loading wo, determine the maximum
force developed in the cable and the cable’s required
length. The span length L and, sag h are known.
38
Solution
Note w(x) = wo
Perform two integrations
Boundary Conditions at x = 0
Therefore,
Curve becomes
This is the equation of a parabola
Boundary Condition at x = L/2
dxdxwF
y o
H
1
21
2
2
1CxC
xw
Fy o
H
0/,0,0 dxdyxy
021 CC
2
2x
F
wy
H
o
hy
39
Solution
For constant,
Tension, T = FH/cosθ
Slope at point B
Therefore
Using triangular relationship
2
2
2 4 and
8x
L
hy
h
LwF o
H
2
4 222
max
LwFT
oH
)cos( max
maxHF
T
H
o
LxH
o
Lx F
Lw
F
w
dx
dy
2tantan 1
max
2/
max
2/
40
Solution
For a differential segment of cable length ds,
Determine total length by integrating,
Integrating yields,
dxxL
hds
L
2/
0
2
2
812
L
h
h
L
L
hL 4sinh
4
41
2
1
2
dxdx
dydydxds
2
221
41
7.4 Cables
Cable Subjected to its Own Weight
• When weight of the cable is considered, the loading
function becomes a function of the arc length s rather
than length x
• FBD of a segment of the cable is shown
42
7.4 Cables
Cable Subjected to its Own Weight
• Apply equilibrium equations to the force system
• Replace dy/dx by ds/dx for direct integration
dsswFdx
dy
dsswT
FT
H
H
)(1
)(sin
cos
1
2
22
dx
ds
dx
dy
dydxdsT
43
7.4 Cables
Cable Subjected to its Own Weight
• Therefore
• Separating variables and integrating
2/1
2
2)(
11 dssw
F
dsx
H
2/1
2
2)(
11
dssw
Fdx
ds
H
44
Example 7.13
Determine the deflection curve, the length, and the
maximum tension in the uniform cable. The cable weights
wo = 5N/m.
45
Solution
For symmetry, origin located at the center of the cable.
Deflection curve expressed as y = f(x)
Integrating term in the denominator
2/12
1
2/11 CswF
dsx
oH
2/1
22/11 dswF
dsx
oH
46
Solution
Substitute
So that
Perform second integration
or
1/1 CswFu oH
dsFwdu Ho )/(
2
1sinh Cuw
Fx
o
H
21
1 1sinh CCsw
Fw
Fx o
Ho
H
47
Solution
Evaluate constants
or
dy/dx = 0 at s = 0, then C1 = 0
To obtain deflection curve, solve for s
dswFdx
dyo
H
1
1
1Csw
Fdx
dyo
H
x
F
w
w
Fs
H
o
o
H sinh
48
Solution
Hence
Boundary Condition y = 0 at x = 0
For deflection curve,
This equations defines a catenary curve.
x
F
w
dx
dy
H
osinh
3cosh CxF
w
w
Fy
H
o
o
H
o
H
w
FC 3
1cosh x
F
w
w
Fy
H
o
o
H
49
Solution
Boundary Condition y = h at x = L/2
Since wo = 5N/m, h = 6m and L = 20m,
By trial and error,
1cosh x
F
w
w
Fh
H
o
o
H
1
50cosh
/56
H
H
F
N
mN
Fm
NFH 9.45
50
Solution
For deflection curve,
x = 10m, for half length of the cable
Hence
Maximum tension occurs when θ is maximum at
s = 12.1m
m
mmN
mN
mN
mxy
2.24
1.12109.45
/5sinh
/5
9.45
2
1109.0cosh19.9
51
Solution
NNF
T
N
mmN
dx
dy
H
ms
9.758.52cos
9.45
cos
8.52
32.19.45
1.12/5tan
max
max
max
max
1.12
52
QUIZ
1. In a multi-force member, the member is generally
subjected to an internal _________.
A) Normal force B) Shear force
C) Bending moment D) All of the above.
2. In mechanics, the force component V acting tangent to,
or along the face of, the section is called the _________ .
A) Axial force B) Shear force
C) Normal force D) Bending moment
53
QUIZ
3. A column is loaded with a vertical 100 N force. At
which sections are the internal loads the same?
A) P, Q, and R B) P and Q
C) Q and R D) None of the above.
4. A column is loaded with a horizontal 100 N force. At
which section are the internal loads largest?
A) P B) Q
C) R D) S
54
QUIZ
5. Determine the magnitude of the internal loads
(normal, shear, and bending moment) at point C.
A) (100 N, 80 N, 80 N m)
B) (100 N, 80 N, 40 N m)
C) (80 N, 100 N, 40 N m)
D) (80 N, 100 N, 0 N m )
2. A column is loaded with a horizontal 100 N force. At
which section are the internal loads the lowest?
A) P B) Q
C) R D) S
55