mechanics of materials · 2016-01-21 ·...

101
กลศาสตรวัสดุ Mechanics of Materials รองศาสตราจารย์ ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ 1 Wednesday, February 26, 14

Upload: others

Post on 09-Feb-2020

0 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  • กลศาสตรวัสดุMechanics of Materials

    รองศาสตราจารย์ ดร. ชาวสวน กาญจโนมัยภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์

    มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์

    1

    Wednesday, February 26, 14

  • 2

    สัปดาหที่ เนื้อหา เอกสาร (หนา)

    8 ความเคนและความเครียดของโครงสรางรับโมเมนตดัด 1 1 - 14

    9 ความเคนและความเครียดของโครงสรางรับโมเมนตดัด 2 15 - 28

    10 ความเคนและความเครียดของโครงสรางรับโมเมนตดัด 3 29 - 48

    11ความเคนและความเครียดของโครงสรางรับภาระผสม การวิเคราะหตำแหนงวิกฤติ

    49 - 78

    12การวิเคราะหขนาดและทิศทางของความเคนตั้งฉากสูงสุดและความเคนเฉือนสูงสุด

    49 - 78

    13 ทฤษฎีความเสียหายเบ้ืองตน 49 - 78

    14 การวัดความเคนและความเครียด 49 - 78

    15 สอบปลายภาค

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    แผนการบรรยาย

    Wednesday, February 26, 14

  • 3

    ความเคนและความเครียดของโครงสรางรับโมเมนตดัด

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    Wednesday, February 26, 14

  • • ความเครียดตั้งฉากในคาน (normal strain in beam)

    • ความเครียดในแนวขวาง (transverse strain)

    • ความเคนตั้งฉากในคาน (normal stress in beam)

    • ความเคนเฉือนในคาน (shear stresses in beam)

    • คานที่มีหนาตัดตางๆ (beam with various cross sections)

    • คานรับแรงในแนวแกน (beams with axial loads)

    4

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    หัวขอบรรยาย

    Wednesday, February 26, 14

  • 5

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • คาน (beam) หมายถึง โครงสรางที่รับแรงในแนวตั้งฉากกับแกนตามยาว (longitudinal axis) โดยแรงนี้จะสงผลใหเกิดแรงเฉือน (shear force, V) และโมเมนตดัด (bending moment, M) บนคาน

    • กำหนดคานที่มีแกนตามยาวเปนเสนตรง มีความสมมาตร (symmetric) เม่ือเทียบกับระนาบ x-y (y เปนแกนสมมาตรของหนาตัด) ภาระที่มากระทำสงผลใหเกิดการโกงตัว (deflection) เกิดบนระนาบ x-y ดังรูป

    Wednesday, February 26, 14

  • 6

    ความเครียดต้ังฉากในคาน (normal strain in beam)

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • O′ คือ จุดศูนยกลางความโคง (center of curvature) ที่ระยะ x จากจุดยึด • คือ รัศมีความโคง (radius of curvature) ที่ระยะ x จากจุดยึด

    • k หรือ 1/ คือ คาความโคง (curvature) ที่ระยะ x จากจุดยึด

    คานยื่น (cantilever beam)

    Wednesday, February 26, 14

  • 7

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    เม่ือ d เล็กมากๆ

    ถาการโกงตัวนอยมากๆ

    Wednesday, February 26, 14

  • 8

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • เคร่ืองหมายของรัศมีความโคง (radius of curvature) และคาความโคง (curvature) สามารถกำหนดตามแกนอางอิง (coordinate axis)

    Wednesday, February 26, 14

  • 9

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • การคำนวณความเครียดตั้งฉาก (normal strain) สามารถอาศัยคาความโคงและการโกงตัวของคานมาใชในการคำนวณ ซึ่งในกรณีของการดัดแบบ pure bending

    z

    • โมเมนตดัด (bending moment, M) = Mo• คานมีลักษณะสมมาตร ดังนั้นหนาตัด (cross section) m-n มีลักษณะเหมือนกับหนาตัด p-q

    Wednesday, February 26, 14

  • 10

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • ระยะ m-p ยาวขึ้น (ความเครียดตั้งฉากเปนบวก) หรือเกิดการดึง ในขณะที่ระยะ n-q หดสั้นลง (ความเครียดตั้งฉากเปนลบ) หรือเกิดการอัด

    • ระหวาง m-p และ n-q จะมีพื้นผิวซึ่งไมมีการยืดหรือหด ซึ่งแสดงไดดวยเสนประ s-s โดยเรียกพื้นผิวนี้วาพื้นผิวเปนกลางของคาน (neutral surface of beam)

    Wednesday, February 26, 14

  • 11

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • รอยตัดระหวางพื้นผิวเปนกลาง (neutral surface) กับหนาตัด (cross section) เรียกวา แกนเปนกลางของหนาตัด (neutral axis of cross section)

    • เม่ือตอเสนตรงจาก m-n และ p-q บนคานที่โกงตัว พบวาจะตัดกันที่จุดศูนยกลางความโคง (O′) โดยมุมที่ทำระหวางระนาบ m-n และ p-q เปน d และ

    ระยะจาก O′ ไปยังพื้นผิวเปนกลางเปนรัศมีความโคง ()

    Wednesday, February 26, 14

  • 12

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • พิจารณาเสน e-f ซึ่งอยูหางเปนระยะ y จากพื้นผิวเปนกลาง โดย e-f ยาว dx กอนที่จะเกิดการโกงตัว และ e-f ยาว L1 หลังจากที่เกิดการโกงตัวแลว

    Wednesday, February 26, 14

  • 13

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • ความเครียดในแนวตั้งฉาก (normal strain)

    Wednesday, February 26, 14

  • 14

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • ความเครียดในแนวตั้งฉาก (normal strain)

    • y เปนบวก k เปนบวก x เปนลบ หดตัว

    • y เปนลบ k เปนบวก x เปนบวก ขยายตัว

    Wednesday, February 26, 14

  • 15

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    ตัวอยางที่ 4.1 คาน AB ยาว 4 เมตร ถูกดัดดวยโมเมนต Mo โดยระยะจากผิวดาน

    บนของคานไปยังพื้นผิวเปนกลาง (neutral surface) เปน 150 มม. จงหา , k, ในแนวด่ิงของจุดก่ึงกลางคาน โดย x ที่ผิวดานบนของคานเปน 0.0014

    Wednesday, February 26, 14

  • 16

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    Wednesday, February 26, 14

  • 17

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • เนื่องจากคานมีการโกงตัว (deflection) เปนสวนหนึ่งของวงกลม (arc) โดยมีรัศมีความโคง (radius of curvature) เปน ดังนั้น

    Wednesday, February 26, 14

  • 18

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • อัตราสวนระหวางความยาวของคานตอการโกงตัวเปน

    • ซึ่งแสดงใหเห็นวาคานเกือบจะไมมีการโกงตัว เม่ือเทียบกับความยาวของคาน

    Wednesday, February 26, 14

  • • ความเครียดตั้งฉากในคาน (normal strain in beam)

    • ความเครียดในแนวขวาง (transverse strain)

    • ความเคนตั้งฉากในคาน (normal stress in beam)

    • ความเคนเฉือนในคาน (shear stresses in beam)

    • คานที่มีหนาตัดตางๆ (beam with various cross sections)

    • คานรับแรงในแนวแกน (beams with axial loads)

    19

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    หัวขอบรรยาย

    Wednesday, February 26, 14

  • 20

    ความเครียดในแนวขวาง (transverse strain)

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • จากผลกระทบของปวซองส (poison’s effect) ทำใหโครงสรางเกิดความเครียดในแนวขวาง (transverse strain) เม่ือมีภาระใดๆ มากระทำ

    ใหเกิดความเครียดตั้งฉาก (normal strain, x) โดย

    Wednesday, February 26, 14

  • 21

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • ความเครียดตั้งฉาก (x) ทำใหเกิดความเครียดขวาง (z) ซึ่งทำใหหนาตัด (cross section) ของคานมีการเปล่ียนแปลงรูปรางไปจากเดิม

    Wednesday, February 26, 14

  • 22

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • สวนบนของคานซึ่งมี x เปนบวก ดังนั้น z มีคาเปนลบ ทำใหสวนบนของหนาตัดสั้นลง

    • สวน s-s หรือพื้นผิวเปนกลางโดยมี x =0 ดังนั้น z =0 ทำใหสวนแกนเปนกลาง (neutral axis) หรือแกน z ไมมีการเปล่ียนแปลงขนาด

    • สวนลางของคานซึ่งมี x เปนลบ ดังนั้น z มีคาเปนบวก ทำใหสวนลางของหนาตัดยาวขึ้น

    Wednesday, February 26, 14

  • 23

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • ผลกระทบปวซองสสงผลใหเกิดการเปล่ียนขนาดของหนาตัด ซึ่งเปนสัดสวนโดยตรงกับระยะ y จึงทำใหดานขางของหนาตัดเอียงเขาหากัน โดยมีจุดศูนยกลางความโคงในแนวขวาง (transverse center of curvature) อยูที่ O’’ และมีรัศมีความโคงในแนวขวาง (transverse radius of

    curvature) เปน 1 โดย

  • • ความเครียดตั้งฉากในคาน (normal strain in beam)

    • ความเครียดในแนวขวาง (transverse strain)

    • ความเคนตั้งฉากในคาน (normal stress in beam)

    • ความเคนเฉือนในคาน (shear stresses in beam)

    • คานที่มีหนาตัดตางๆ (beam with various cross sections)

    • คานรับแรงในแนวแกน (beams with axial loads)

    24

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    หัวขอบรรยาย

    Wednesday, February 26, 14

  • 25

    ความเค้นต้ังฉากในคาน (normal stress in beam)

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • คานที่มีพฤติกรรมแบบอิลาสติกเชิงเสน (linear elastic) สามารถหาความเคนตั้งฉาก (normal stresses, x) ที่กระทำกับหนาตัด (cross section) ไดจากความเครียดตั้งฉาก (normal strain, x) โดยพิจารณา

    Wednesday, February 26, 14

  • 26

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • ซึ่งเราพบวา x มีการเปล่ียนแปลงตามระยะ y (ระยะจากพื้นผิวเปนกลางไปยังตำแหนงที่พิจารณา) และคาความโคง (curvature, k)

    Wednesday, February 26, 14

  • 27

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • จากรูปพิจารณาความเคนตั้งฉาก (x) ในพื้นที่เล็กๆ (dA) พบวาแรงที่เกิดขึ้นมีขนาดเปน x dA ซึ่งแรงแนวแกน x และโมเมนตดัด M ตองอยูในสภาพสมดุล

    Wednesday, February 26, 14

  • • ดังนั้น หรือโมเมนตของพื้นที่คร้ังที่หนึ่ง (first moment of the area) เปนศูนยเม่ือเทียบกับแกน z

    • แกน z ผานจุดเซนทรอยด (centroid) ของหนาตัด คือ แกนเปนกลาง (neutral axis) ซึ่งเปนจริงเสมอในกรณีที่วัสดุมีพฤติกรรมแบบอิลาสติกเชิงเสน

    และแกน y เปนแกนสมมาตร (axis of symmetry) 28

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • พิจารณาแรงรวมตลอดพื้นที่หนาตัด

    Wednesday, February 26, 14

  • • กำหนดให คือ โมเมนตอินนิเชียของหนาตัดเม่ือเทียบแกน z

    29

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • พิจารณาโมเมนตรวมตลอดพื้นที่หนาตัด

    • โดย EI คือ flexural rigidity

    Wednesday, February 26, 14

  • • เรียกสมการนี้วา flexure formula และเรียก x วาความเคนดัด (bending stress)

    30

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    Wednesday, February 26, 14

  • • กำหนดให 1 และ 1 คือ ความเคนตั้งฉากสูงสุดและต่ำสุด ดังนั้น

    31

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    โดย

    โดย

    • กำหนดให S1 และ S1 คือ section moduli ของพื้นที่หนาตัด

    Wednesday, February 26, 14

  • • กรณีหนาตัดรูปวงกลม (circular cross section)

    32

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    Wednesday, February 26, 14

  • • กรณีหนาตัดเปนรูปสี่เหล่ียม (rectangular cross section)

    33

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    Wednesday, February 26, 14

  • 34

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    ตัวอยางที่ 4.2 ลวดเหล็กเสนผาศูนยกลาง d ถูกดัดรอบทรงกระบอกรัศมี r

    จงคำนวณหาความเคนดัดสูงสุด (max) และโมเมนตดัดสูงสุด (Mmax) ถา E = 200 GPa, d = 4 mm และ r = 0.5 m

    Wednesday, February 26, 14

  • 35

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • จากรูปพบวา

    • ความเคนดัดสูงสุด (max)

    Wednesday, February 26, 14

  • 36

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • ลวดเหล็กมีหนาตัดแบบสมมาตรรอบแกน z (double symmetry) ดังนั้นความเคนดัด

    ต่ำสุด (min)

    Wednesday, February 26, 14

  • 37

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • จาก flexure formula

    • ความเคนดัดสูงสุด (Mmax)

    Wednesday, February 26, 14

  • 38

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    ตัวอยางที่ 4.3 เขื่อนไมถูกสรางโดยมีเสาในแนวตั้ง (vertical post) หนาตัดสี่เหล่ียมจัตุรัส (b×b) โดย S = 0.8 เมตร เม่ือระดับน้ำ h = 2 เมตร จงหาคานอยที่สุดของ b ถา σall ของไมเปน 8 MPa

    Wednesday, February 26, 14

  • 39

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • กำหนดใหแรงสูงสุดที่กระทำโดยน้ำคือ qo ดังนั้น

    • γ คือ น้ำหนักจำเพาะของน้ำ (specific weight of water)

    • h คือ ความสูงของระดับน้ำ

    • s คือ ระยะหางระหวางเสา

    Wednesday, February 26, 14

  • 40

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • จากแผนภาพแรง (loading diagram)

    Wednesday, February 26, 14

  • 41

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • คาโมดูลัสของหนาตัด (section modulus, S) ของคานหนาตัดสี่เหล่ียมเปน

    Wednesday, February 26, 14

  • 42

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • b นอยที่สุดที่ไมทำใหความเคนเกิน σall ของไมเปน 199 มม

    • คาโมดูลัสของหนาตัด (section modulus, S) ของคานหนาตัดสี่เหล่ียมเปน

    Wednesday, February 26, 14

  • • ความเครียดตั้งฉากในคาน (normal strain in beam)

    • ความเครียดในแนวขวาง (transverse strain)

    • ความเคนตั้งฉากในคาน (normal stress in beam)

    • ความเคนเฉือนในคาน (shear stresses in beam)

    • คานที่มีหนาตัดตางๆ (beam with various cross sections)

    • คานรับแรงในแนวแกน (beams with axial loads)

    43

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    หัวขอบรรยาย

    Wednesday, February 26, 14

  • 44

    ความเค้นเฉือนในคาน (shear stresses in beam)

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • คาของความเคนเฉือนในแนวด่ิงจะมีคาเทากับความเคนเฉือนในแนวระดับ

    • ที่จุดสูงสุดหรือจุดต่ำสุดของหนาตัดจะมีความเคนเฉือนเปนศูนยทั้งในแนวด่ิงและแนวระดับ

    Wednesday, February 26, 14

  • 45

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • พิจารณาหนา pn พบวาชิ้นสวน dA มีแรงมากระทำ

    • ดังนั้นแรงกระทำทั้งหมดบนหนา pn เปน

    โดยอินทีเกรทตั้งแต y = y1 ถึง y = h/2

    Wednesday, February 26, 14

  • 46

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • ดังนั้นแรงกระทำทั้งหมดบนหนา p1n1 เปน

    โดยอินทีเกรทตั้งแต y = y1 ถึง y = h/2

    Wednesday, February 26, 14

  • 47

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • หนา pp1 มีแรงเฉือนมากระทำเปน

    Wednesday, February 26, 14

  • 48

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • จากสมการสมดุล

    Wednesday, February 26, 14

  • 49

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • จากแรงเฉือนและโมเมนตดัดของคาน ดังนั้น

    • กำหนดให คือ โมเมนตของพื้นที่ pp1n1 ดังนั้น

    • โดย V, I, b คงที่ และเรียกสมการนี้วาสูตรการเฉือน (shear formula)

    ydA =Qy=y1

    y=h 2

    Wednesday, February 26, 14

  • • กรณีหนาตัดเปนรูปสี่เหล่ียม (rectangular cross section)

    50

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    *

    y1

    Wednesday, February 26, 14

  • • Q สามารถหาไดจากผลคูณระหวางพื้นที่ (A) กับระยะ (D) จากจุดเซนทรอยด (centroid) ของหนาตัดไปยังแกนเปนกลาง (neutral axis)

    51

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    D*A

    y1

    Wednesday, February 26, 14

  • • ดังนั้นความเคนเฉือนของคานหนาตัดสี่เหล่ียมเปน

    52

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    Wednesday, February 26, 14

  • • ที่แกนเปนกลาง (neutral axis) ความเคนเฉือนของคานหนาตัดสี่เหล่ียมเปน

    53

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    Wednesday, February 26, 14

  • • ที่แกนเปนกลาง (neutral axis) ความเคนเฉือนของคานหนาตัดสี่เหล่ียมเปน

    54

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    Wednesday, February 26, 14

  • 55

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    ตัวอยางที่ 4.4 จงคำนวณความเคนดัด (σ) และความเคนเฉือน (τ) ที่จุด C บนคาน AB ดังรูป

    Wednesday, February 26, 14

  • 56

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    V = Ra − qx =qL2

    − qx

    M = − qx2

    2+ Rax

    = − qx2

    2+ qLx2

    Wednesday, February 26, 14

  • 57

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • จากแผนภาพโมเมนตดัด (bending moment diagram) และแผนภาพแรงเฉือน (shear diagram)

    • ที่ x = 800 mm

    Wednesday, February 26, 14

  • 58

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    Wednesday, February 26, 14

  • 59

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    Wednesday, February 26, 14

  • • ความเครียดตั้งฉากในคาน (normal strain in beam)

    • ความเครียดในแนวขวาง (transverse strain)

    • ความเคนตั้งฉากในคาน (normal stress in beam)

    • ความเคนเฉือนในคาน (shear stresses in beam)

    • คานที่มีหนาตัดตางๆ (beam with various cross sections)

    • คานรับแรงในแนวแกน (beams with axial loads)

    60

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    หัวขอบรรยาย

    Wednesday, February 26, 14

  • 61

    คานหน้าตัดรูปวงกลม (beam of circular cross section)

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • ความเคนเฉือนไมสามารถมีทิศทางขนานกับแกน y ไดทั้งหมด เหมือนกรณีคานหนาตัดรูปสี่เหล่ียม

    • ความเคนเฉือนสูงสุด (max) จะอยูบริเวณแกนเปนกลางของหนาตัด มีทิศทางขนานกับแกน y และมีขนาดคงที่ตามแนวพื้นผิวเปนกลาง pq

    Wednesday, February 26, 14

  • 62

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • พิจารณาแกนเปนกลางของหนาตัดวงกลม ทิศทางขนานกับแกน y

    โดย

    I = πr4

    4

    Wednesday, February 26, 14

  • 63

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • พิจารณาแกนเปนกลางของหนาตัดวงกลม ทิศทางขนานกับแกน y

    โดย

    Wednesday, February 26, 14

  • 64

    คานหน้าตัดรูปตัวไอ (I-beam)

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • แรงเฉือน (shear force, V) และความเคนเฉือน (shear stress, ) สวนใหญกระจายอยูในแกนกลาง (web)

    • ตั้งสมมุติฐานวาความเคนเฉือนกระทำขนานกับแกน y และมีการกระจายคงที่ตามความหนาของแกนกลาง (t)

    flange

    web

    Wednesday, February 26, 14

  • 65

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • พิจารณาสวนแรเงา

    Wednesday, February 26, 14

  • 66

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • พิจารณา Q ของสวนแรเงา

    Wednesday, February 26, 14

  • 67

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • พิจารณา I ของพื้นที่หนาตัดทั้งหมด

    Wednesday, February 26, 14

  • 68

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • ความเคนเฉือน () ที่ระยะ y1 จากแกนกลาง

    แทนคา I ของพื้นที่หนาตัด

    Wednesday, February 26, 14

  • 69

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • ความเคนเฉือนสูงสุด (max) เกิดขึ้นที่แกนเปนกลาง (neutral axis, y1 = 0)

    Wednesday, February 26, 14

  • 70

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • ความเคนเฉือนต่ำสุด (min) เกิดขึ้นที่ y1 = h1/2 และ -h1/2 )

    Wednesday, February 26, 14

  • 71

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    ตัวอยางที่ 4.5 จงคำนวณความเคนเฉือนสูงสุด (max) ในแกนคานหนาตัดรูปตัวไอ เม่ือมีแรงเฉือน V = 45 N มากระทำ

    Wednesday, February 26, 14

  • 72

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    AI

    AII

    • พิจารณาจุดศูนยกลางพื้นที่ โดยมีระยะ C เทียบกับขอบบน

    Wednesday, February 26, 14

  • กรณีหนาตัดเปนรูปสี่เหล่ียม

    • Ic รอบจุด centroid (O) เปน

    73

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • I ขอบบนและลางเปน

    Ic =bh3

    12

    I = bh3

    12+ bh( ) h

    2⎛⎝⎜

    ⎞⎠⎟

    2

    = bh3

    12+ bh

    3

    4= bh

    3

    3

    • I ที่ระยะ d จาก centroid (O) เปน I = Ic +Ad2

    Wednesday, February 26, 14

  • 74

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • พิจารณา I ของพื้นที่ AI รอบ nn

    = 75.77 mm I =bh3

    3=

    100 mm( ) 24 mm( )33

    = 460,800 mm4

    • พิจารณา I ของพื้นที่ AII รอบ nn

    I = bh3

    3=

    24 mm( ) 176 mm( )33

    = 43,614,208 mm4

    O

    • พิจารณา I ของพื้นที่ทั้งหมด (AI + AII) รอบ nn

    Inn = 460,800 + 43,614,208 = 44,075,008 mm4

    Wednesday, February 26, 14

  • 75

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    = 75.77 mmO

    • จาก โดย Ic คือ I ของพื้นที่รอบจุด centroid (O) และ d คือ ระยะจาก nn ไปยัง O

    I = Ic +Ad2

    Ic = Inn − Ad2

    = 44,075,008 mm4( ) − 2,400 mm2 + 4,224 mm2( ) 75.77 - 24 mm( )2 = 26,321,807.67 mm4 = 26.32 × 106 mm4

    Wednesday, February 26, 14

  • 76

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    = 75.77 mm

    • ความเคนเฉือนสูงสุด (max) เกิดขึ้นที่ neutral axis หรือ แกนที่ผานจุด centroid (O) ดังนั้น Q เปน

    Q = A ⋅D= 24 mm( ) ⋅ 176 - 75.77 + 24 mm( ) ⋅ 176 - 75.77 + 24 mm( )2

    = 185,197.11 mm3 = 185.20 × 103 mm3

    Wednesday, February 26, 14

  • 77

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    = 75.77 mm

    • ความเคนเฉือนสูงสุด (max) เกิดขึ้นที่ neutral axis หรือ แกนที่ผานจุด centroid (O) ดังนั้น

    τmax =VQIt

    =45×103 N( ) 185.20×103 mm3( )

    26.32×106 mm4( ) 24 mm( ) = 13.19 MPa

    Wednesday, February 26, 14

  • • ความเครียดตั้งฉากในคาน (normal strain in beam)

    • ความเครียดในแนวขวาง (transverse strain)

    • ความเคนตั้งฉากในคาน (normal stress in beam)

    • ความเคนเฉือนในคาน (shear stresses in beam)

    • คานที่มีหนาตัดตางๆ (beam with various cross sections)

    • คานรับแรงในแนวแกน (beams with axial loads)

    78

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    หัวขอบรรยาย

    Wednesday, February 26, 14

  • 79

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • แรง P กระทำที่จุดเซนทรอยด (centroid) ของหนาตัด

    • แรง P สามารถแยกสวนประกอบออกเปนแรง Q และ S ซึ่งสงผลใหเกิดแรงเฉือน (V), โมเมนตดัด (M) และแรงในแนวแกน (N) ในคาน

    Wednesday, February 26, 14

  • 80

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • แรงในแนวแกน (axial force, N) ทำใหเกิดความเคนที่กระจายตัวอยางสม่ำเสมอบนหนาตัดของคาน

    Wednesday, February 26, 14

  • 81

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • โมเมนตดัด (bending moment, M) ทำใหเกิดความเคนตั้งฉากที่มีการเปล่ียนแปลงแบบเชิงเสน (linearly varying stress) ตามแกน y

    Wednesday, February 26, 14

  • 82

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • ความเคนตั้งฉากทั้งหมดที่กระทำบนหนาตัดเปน

    Wednesday, February 26, 14

  • 83

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • ความเคนตั้งฉากทั้งหมดที่กระทำบนหนาตัดเปน

    • เม่ือมีแรงในแนวแกน และโมเมนตดัดกระทำบนหนาตัดพรอมๆ กัน พื้นผิวเปนกลาง (neutral surface) จะไมผานจุดเซนทรอยด (centroid) ของหนาตัด

    Wednesday, February 26, 14

  • 84

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    • แรงเฉือน (shear force, V) ทำใหเกิดความเคนเฉือนบนหนาตัดของคาน

    Wednesday, February 26, 14

  • 85

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    การบาน 13

    1) แผนเหล็กยาว L = 0.8 ม. หนา t = 2 มม. ถูกกระทำดวยแรงคูควบ Mo

    ถาระยะโกงตัว d = 143 มม. จงหา (a) รัศมีความโคง () ของแผนเหล็กและ (b) ความเครียดตั้งฉาก () ในแนวยาวของแผนเหล็ก โดยกำหนดใหพื้นผิวสมมาตร (neutral surface) อยูที่ก่ึงกลางความหนาของแผนเหล็ก

     

    Wednesday, February 26, 14

  • 86

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    2) ลวดเหล็ก (E = 200 GPa) เสนผาศูนยกลาง d = 0.8 มม. ถูกงอรอบลูก

    ลอกรัศมี r = 200 มม. จงหา (a) ความเคนสูงสุดที่เกิดในลวด (max) และ (b) ความสัมพันธระหวางความเคนสูงสุดในเสนลวดกับรัศมีของลอก

     

    Wednesday, February 26, 14

  • 87

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    3) จงหาความเคนตั้งฉากสูงสุด (max) ภายใตโมเมนตดัด (M) ของเพลาที่มีหนาตัดตางๆ (a) ทรงกระบอกกลวง d1 = d และ d2 = 1.5d , (b) ทรงกระบอก

    ปาดผิวเสนผาศูนยกลาง d และ = 45o, และ (c) หกเหล่ียมซึ่งมีดานยาว b

     

    Wednesday, February 26, 14

  • 88

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    4) รถ ABC เคล่ือนที่ในแนวระดับดวยความเรง ao จงหาความเคนตั้งฉาก

    สูงสุด (max) ใน AB เม่ือกำหนดใหความหนาแนนของวัสดุที่ใชทำรถเปน

     

    Wednesday, February 26, 14

  • 89

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    การบาน 14

    5) คานยาว L = 3 ม. และมีแรง P = 90 kN มากระทำที่ก่ึงกลาง จงหาความ

    เคนดึงสูงสุด (t) และความเคนอัดสูงสุด (c) โดยกำหนดให b = 450 มม., h = 180 มม. และ t = 30 มม.

     

    Wednesday, February 26, 14

  • 90

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    6) โครงสราง ABCD ทำจากทรงกระบอกตัน โดยมีแรง P = 36 N กระทำ

    ที่จุด D จงหาเสนผาศูนยกลางต่ำสุด (dmin) ที่ไมทำใหเกิดความเสียหาย

    ถาความเคนดัดที่วัสดุสามารถรับไดเปน all = 30 MPa และ b = 100 มม. (ไมคิดน้ำหนักของโครงสราง)

     

    Wednesday, February 26, 14

  • 91

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    7) จงหาโมดูลัสหนาตัด (section modulus, S) ต่ำที่สุดของคาน ถาคาน

    สามารถรับความเคนดัด (bending stress) ไดไมเกิน 100 MPa (ไมคิดน้ำ

    หนักของโครงสราง)

     

    Wednesday, February 26, 14

  • 92

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    8) คานซึ่งมีหนาตัดดังรูป รับโมเมนตดัดรอบแกน z จงหาความหนา t ที่ทำให

    อัตราสวนระหวางความเคนดัดที่จุดบนสุดตอความเคนดัดที่จุดลางสุดเปน 7:3

     

    Wednesday, February 26, 14

  • 93

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    9) จงคำนวณหาอัตราสวนระหวางน้ำหนักของโครงสรางทั้งสาม ถาโครงสรางทั้ง

    สามทำจากวัสดุชนิดเดียวกัน ยาวเทากัน รับโมเมนตดัดสูงสุดไดเทากัน และเกิด

    ความเคนดัดสูงสุดเทากัน

     

    การบาน 15

    Wednesday, February 26, 14

  • 94

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    10) กำแพงไมซึ่งประกอบดวยไมแผนตามแนวขวาง และเสาไมในแนวด่ิง โดย

    ขนาดของโครงสราง และแรงดันที่มากระทำถูกแสดงดังรูป ถาไมสามารถรับ

    ความเคนไดไมเกิน 8 MPa จงคำนวณหาระยะหางระหวางเสาไม (s) สูงสุดโดย

    ไมทำใหเกิดความเสียหาย

     

    Wednesday, February 26, 14

  • 95

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    11) จงคำนวณหาความเคนเฉือนสูงสุด (max) และความเคนดัดสูงสุด (max) ในเสาทรงกระบอกตัน โดย L = 2 ม., d = 150 มม. และ P = 2.5 kN

     

    Wednesday, February 26, 14

  • 96

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    12) ทอนไมสามทอนประกอบกันดวยกาวเปนคานยาว 1 เมตร ถากาวสามารถ

    ทนความเคนเฉือน (all) ได 0.35 MPa และความเคนดัด (all) ได 11 MPa ถานำไมทอนนี้ไปทำคานยื่น (cantilever beam) จงคำนวณหาแรงสูงสุดที่กระทำที่

    ปลายของคาน (Pmax) โดยมาทำใหคานเสียหาย (ไมคิดน้ำหนักของโครงสราง)

     

    Pmax

    1 m

    Wednesday, February 26, 14

  • 97

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    การบาน 16

    14) โครงสราง ABC ดังรูป จงหา (a) แรง P มากที่สุดที่ไมทำใหความเคนบิด

    สูงเกิน 8 MPa และ (b) แรง P มากที่สุดที่ไมทำใหความเคนเฉือนสูงเกิน 0.7

    MPa (ไมคิดน้ำหนักของโครงสราง)

     

    Wednesday, February 26, 14

  •  

    A

    98

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    15) จงหาความเคนเฉือนสูงสุดและต่ำสุดที่ (a) neutral surface, และ (b) ขอบ

    ดานซายและขวาของคาน (จุด A) ซึ่งมีหนาตัดสี่เหล่ียมจตุรัสกลวง เม่ือมีแรง

    เฉือน V = 60 kN มากระทำ

    Wednesday, February 26, 14

  • 99

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    16) จงหาความเคนเฉือนสูงสุดและต่ำสุดของชิ้นสวนในแนวตั้ง (web)

    เม่ือมีแรงเฉือน V = 62 kN มากระทำ โดย b = 220 มม., h = 300 มม.,

    และ h1 = 275 มม.

     

    Wednesday, February 26, 14

  • 100

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    27) คานหนาตัดรูปวงกลม ถูกกระทำดวยแรงดึงตามแนวแกน T = 26 kN

    และโมเมนตดัด M = 3.2 kN.m ถาวัสดุที่ใชทำคานสามารถรับความเคนดึงได

    all = 120 MPa จงหาเสนผาศูนยกลางนอยที่สุด (dmin) ของคานที่จะไมเกิดความเสียหาย (ไมคิดน้ำหนักของคาน)

     

    Wednesday, February 26, 14

  • จบการบรรยาย

    101

    รศ.ดร. ชาวสวน กาญจโนมัย ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร

    Wednesday, February 26, 14