…ptf.unze.ba/wp/wp-content/uploads/2020/10/mehmat-i_g... · 2020. 10. 14. · istorijat mehanike...
TRANSCRIPT
-
Aleksandar Karač
zgrada MF, kancelarija 1111
tel: 032 44 91 20
www.ptf.unze.ba
http://ptf.unze.ba/mehanika-materijala-i/
https://classroom.google.com/u/3/c/MTUwNTIzODQ4NTIy
Alma Žiga
Kancelarija 1102
tel: 449 120, lok 141
MEHANIKA MATERIJALA I
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 1
Izvođenje nastave• predavanja: 3 časa sedmično
• vježbe (auditorne) : 2 časa sedmično
Obaveze studenata• redovno prisustvo na predavanjima i vježbama
• urađene zadaće (ukupno 2 zadaće) – PREDATE U ZADANOM ROKU!!!
O kursu Mehanika Materijala I .....
Cilj predmeta • Razviti analitičke vještine i vještine rješavanja problema• Uspostaviti vezu između vanjskih opterećenja koja djeluju na deformabilna tijela i
napona i deformacija koje ta opterećenja izazivaju,• Dati osnovne izraze za računanje napona i deformacija uzrokovanih raznim vrstama
opterećenja
Kompetencije (Ishodi učenja)
Po završetku kursa studenti će biti u stanju:•razlikovati različite vrste opterećenja, te izračunavati odgovarajuće napone ideformacije koje oni uzrokuju,•dizajnirati i analizirati jednostavnije konstrukcije na osnovu kriterija čvrstoće ikrutosti,•izračunavati glavne normalne i maksimalne tangencijalne napone u tijelu, koristećianalitičke izraze i Mohrov krug napona,•razlikovati statički određene i neodređene probleme, te primijeniti odgovarajućemetode za njihovo rješavanje.
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 2
Provjera znanja
Konačna ocjena
• dvije zadaće u toku semestra (zadaci)
• dva testa/kolokvija u toku semestra (teorija, kviz pitanja)
• pismeni ispit (zadaci)
• prisustvo nastavi: 0 %
• zadaća: 30 %
• testovi/seminarski: 20 %
• pismeni ispit: 50 % (na ispitu se koristi lista formula/tabela dostupna na stranici kursa)!!!
Napomena: Svaka od stavki mora biti ispunjena minimalno 51%!!!
O kursu Mehanika Materijala I .....
Ocjena 6 55-65%
Ocjena 7 65-75%
Ocjena 8 75-85%
Ocjena 9 85-95%
Ocjena 10 95-100%
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 3
Sadržaj/program kursa
(1) Naponi i deformacije, osobine materijala 2 sedmice
(2) Aksijalno naprezanje 2 sedmice
(3) Uvijanje 2 sedmice
TEST I
(4) Savijanje 3 sedmice
(5) Ravno stanje napona i primjena 3 sedmice
(6) Hipoteze o razaranju materijala 1 sedmica
TEST II/integralni
O kursu Mehanika Materijala I .....
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 44
LITERATURA
dodatna
osnovna • Predavanja, vježbe (sve dostupno na web stranici)• Grupa autora, Elastostatika I, Tehnički fakultet, Bihać, 2003. • Grupa autora, Elastostatika II, Tehnički fakultet, Bihać, 2004.• Rašković D., Otpornost materijala, Naučna knjiga, Beograd, 1990.• Rašković D., Tablice iz otpornosti materijala, Naučna knjiga, Beograd, 1990.• Dž. Kudumović, S. Alagić, Zbirka Rješenih Zadataka iz Otpornosti Materijala, UNTZ, Tuzla, 2000.• A. Karač, Riješeni ispitni zadaci iz Otpornosti materijala, MF-UNZE, e-izdanje, 2014.
• RC Hibbeler, Mechanics of Materials, Prentice Hall, Eight Edition, 2011.• JM Gere, BJ Goodno, Mechanics of Materials, Cengage Learning, Seventh Edition, 2009.• JM Gere, BJ Goodno, An Instructors Solution Manual to Accompany: Mechanics of Materials, Cengage
Learning, Seventh Edition, 2009.• FP Beer, ER Johnson Jr., JT DeWolf, DF Mazurek, Mechanics of materials, McGraw-Hill Education, Seventh
Edition, 2015.• WA Nash, Theory and Problems of Strength of Materials, Schaum’s outline series, McGraw-Hill, 1998.• WC Young, RG Budynas, Roark’s formulas for Stress and Strain, McGraw-Hill, Seventh Edition, 2002.
O kursu Mehanika Materijala I .....
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 5
ZADAĆA 1: (1) + (2) + (3)
Zadata: 29. oktobar 2020.Rok za predaju: 18. decembar 2020. (petak)
ZADAĆA 2: (4) + (5) + (6)
Zadata: 10. decembar 2020. Rok za predaju: 29. januar 2021. (petak)
Obaveze studenata
Provjera znanja
TEST 1: (1) + (2) + (3) 10. decembar 2020.
TEST 2 (ili integralni): (4) + (5) + (6) 28. januar 2021.
Konsultacije
Radnim danom od 10.00-11.00
O kursu Mehanika Materijala I .....
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 6
Korisne web stranice
• MecMovies to Accompany Mechanics of Materialshttp://web.mst.edu/~mecmovie/
• Strength of Materials (SOM) - Notes, Tutorialshttp://www.onesmartclick.com/engineering/strength-of-material.html
• CosmoLearning, Strength of Materialshttp://www.cosmolearning.com/courses/strength-of-materials/
• Elastic Beam Deflection Calculatorhttp://www.aps.anl.gov/APS_Engineering_Support_Division/Mechanical_Operations_and_
Maintenance/Calculators/ElasticBeam2.html
• Free Mechanical Engineering Online Calculatorshttp://www.freebyte.com/cad/calculator.htm
• FREE STRUCTURAL SOFTWAREShttp://www.taxlians.com/html/freesoft.html
O kursu Mehanika Materijala I .....
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 7
Mehanika materijala – grana primijenjene mehanike koja se bavi ponašanjem čvrstih tijela izloženih različitim tipovima opterećenja.
Osnovni cilj: određivanje napona, deformacija i pomjeranja u konstrukcijama i njihovim komponentama usljed opterećenja koja na njih djeluju.
Otpornost materijalaNauka o čvrstoćiMehanika materijala
Strength of MaterialsMechanics of MaterialsMechanics of Deformable Bodies
FestigkeitslehreStärke von Materialien
Résistance des matériaux
forca e materialeve
sterkte van materiale
супраціў матэрыялаў
съпротивление на материалите
材料强度
styrken af materialer
sterkte van de materialen
lakas ng mga materyales
lujuusopin
αντοχή των υλικών
חוזק חומרים
Szilárdságtanقوة المواد
силата на материјали
fasthetslæreresistenza dei materiali
材料の強さ
vires materiae
Отпорност материјала
trdnost materiala
resistencia de los materiales
nguvu ya vifaa
Mukavemet
שטַארקייַט פון מַאטעריַאלס
сопротивление материалов
O kursu Mehanika Materijala I .....
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 8
Istorijat otpornosti materijala*
Leonardo da Vinci
XVII vijek: Galileo, Robert Hooke, Marriote
Elastične linije: (Jacob) Bernoulli, Euler, Lagrange,
XVIII vijek: Parent, Coulomb - mehaničke osobine materijala
1800-1830: Navier, Poncelet, Young,
Teorija elastičnosti: Cauchy, Poisson, Lamé, Clapeyron, Teorija ploča: (Jaques) Bernoulli, Germain
* SP Timoshenko, History of Strength of Materials, McGraw-Hill, 1953.
O kursu Mehanika Materijala I .....
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 9
Istorijat mehanike materijala
1830-1870: Fairbairn, Hodgkinson, Weisbach, Redtenbacher, Grashof, Saint-Venant, Jourawski, Bresse, Winkler, Culmann, Rankine, Maxwell, Stokes, Duhamel, Phillips, Neumann, Clebsch, Kelvin,
kontinuirane grede – neodređeni nosači (Navier)
jednačina tri momenta (Bertot, Clapeyron)
razvoj željeznica, zamor materijala (Wöhler), udarna opterećenja, rešetkasti nosači (Ritter)
Teorija elastičnosti: Green, Wertheim, Kupffer
1870-1900 Baushinger, Mohr, Castigliano, Jasinsky, Föppl, Joukowski, Boussinesq, Reyleigh, Lamb, Love, Pearson, Voigt, Hertz,
laboratorije za mehanička ispitivanja
energija deformacije
statiči određeni i neodređeni rešetkasti nosači, ugibi
O kursu Mehanika Materijala I .....
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 10
Istorijat mehanike materijala
XX(I) vijek: Griffith, Klein, Prandtl,
lom krtih materijala, testiranja duktilnih materijala
teorije čvrstoće
puzanje, zamor metala
eksperimentalna naponska analiza, približne metode rješavanja
trodimezionalni problemi
savijanje ploča i ljuski, vibracije
brodske konstrukcije (Krylov)
computer-aided design (CAD),
computer-aided engineering (CAE)
O kursu Mehanika Materijala I .....
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 11
Napon, deformacija, osobine materijala *Ravnoteža u deformabilnom tijelu
• Spoljašnja opterećenja: površinske i zapreminske sile
• Reakcije oslonaca
• Jednačine ravnoteže
Koncentrisana sila(idealizacija)
Zapreminska sila
Površinskasila
Linearna raspodjelaopterećenja • unutrašnja opterećenja
*JM Gere, BJ Goodno, Mechanics of Materials, Cengage Learning, Seventh Edition, 2009.
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 12
Vrste opterećenja:
• Aksijalno oterećenje
• Smicanje
• Uvijanje
• Savijanje
• Izvijanje*
Napon, deformacija, osobine materijala Ravnoteža u deformabilnom tijelu
• unutrašnja opterećenja
Moment uvijanja
Moment savijanja
Smicajnasila
Normalnasila
Čvrstoća konstrukcije – sposobnost prenošenja određenog opterećenja bez loma, oštećenja ili plastičnih deformacija.
Krutost konstrukcija – otpornost konstrukcije prema deformisanju.
*Elastična stabilnost konstrukcije – sposobnost konstrukcije da izdrži početni ravnotežni oblik pod određenim opterećenjem.
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 13
Napon, deformacija, osobine materijalaPojam napona
20
Nlim =PamA
FA
Pretpostavke:
• Materijal je kontinuum
• Materijal je kohezivan
Normalni napon – djeluje normalno na površinu
0lim zz A
FA
Smičući (tangencijalni) napon – djeluje po površini
0
0
lim
lim
xzx A
yzy A
FAFA
(1.1)
(1.2)
(1.3)
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 14
Napon, deformacija, osobine materijalaSrednji normalni napon
sr 2
N =Pam
FA
Istezanje – pozitivan napon
Pritisak – negativan napon
Ograničenja jednačine (1.4):
• vrijedi samo ako je napon jednoliko raspoređen po poprečnom presjeku (ukoliko sila P prolazi kroz težište!)
• bilo koji poprečni presjek udaljen od koncentracije napona za veličinu najveće dimenzije
(1.4)
Normalni naponi teže da promijene dužinu/volumen elementa na koji djeluju, ne mijenjajući pri tome njegov oblik!!!
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 15
Napon, deformacija, osobine materijalaSrednji tangencijalni i noseći napon
Sila P se prenosi s ‘viljuške’ na ploču preko vijka kontaktom (tzv. noseći naponi) između vijka i viljuške (1 i 3, sl. (c)), te vijka i ploče (2, sl. (c)) .
• noseći napon
Pabbb
FA
(1.5)
Površina Ab je projektovana površina na kojoj djeluje sila (za zakrivljenu površinu vijka predstavlja pravougaonik stranica d (prečnik vijka) i l (dužina dodirne površine))
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 16
sr PaVA
Tangencijalni naponi teže da promijene oblik elementa na koji djeluju!
(1.6)
Napon, deformacija, osobine materijalaSrednji tangencijalni i noseći napon
• srednji smičući (tangencijalni) napon
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 17
Napon, deformacija, osobine materijalaDozvoljeni napon i opterećenje
Čvrstoća konstrukcije – sposobnost konstrukcije da izdrži ili prenese opterećenje
Stepeni sigurnosti
Obično odnos dvije kvantitativne veličine sa istom jedinicom (čvrstoća/napon, kritični napon/primijenjen napon, maksimalna brzina/brzina rada, ...)
Izbor zavisi od mnogo faktora i predstavlja mjeru nesigurnosti dizajnera u analitički model, teoriju razaranja, podataka o osobinama materijala, vrste materijala (krt, duktilan)
Za krte materijale važi da se dizajniraju prema najvećoj čvrstoći, tj. lomu, dok se duktilni materijali pod statičkim naponom dizajniraju prema granici tečenja. Zato je faktor sigurnosti krtih materijala dva puta veći od onih za duktilne pod istim uslovima.
stvarna čvrstoćazahtjevana čvrstoća
S (1.7)
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 18
Napon, deformacija, osobine materijalaDozvoljeni napon i opterećenje
Podaci o osobinama materijala iz testiranja
Uslovi okoline u kojima se proizvod koristi
Analitički modeli opterećenja i napona
Stvarni materijal koji se koristi je testiran 1.3Osobine materijala (iz tablica) su na raspolaganju 2Približne osobine materijala (iz tablica) su na raspolaganju 3Loše osobine materijala (iz tablica) su na raspolaganju 5+
Identični sa uslovima testa 1.3U osnovi okolina na sobnoj temperaturi 2Srednje teški uslovi okoline 3Veoma zahtijevne osobine okoline 5+
Modeli poređeni sa eksperimentima 1.3Modeli tačno predstavljaju sistem 2Modeli približno predstavljaju sistem 3Modeli su gruba aproksimacija sistema 5+
S1
S2
S3
S=MAX(S1,S2,S3)Za duktilne materijale
S=2MAX(S1,S2,S3)Za krte materijale
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 19
Napon, deformacija, osobine materijalaDozvoljeni napon i opterećenje
napon pri otkazudozvoljeni naponstepen sigurnosti
( )eH ydoz
RS
( )eH y
doz
RS
Duktilni materijali
( )mdoz
RS
( )mdoz
RS Krti materijali
dozvoljeno opterećenje dozvoljeni napon površina
doz dozP A doz dozP A
(1.8)
(1.9)
(1.10)
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 20
Napon, deformacija, osobine materijala
Primjer 1.1: Čelična šipka (vješalo) konstrukcije na slici, prikačena je na oslonac pomoću vijčane veze. Glavni dio šipke ima pravougaoni oblik širine b1=38mm i debljine t=12mm. U području veze, šipka je proširena na b2=75 mm. Vijak, koji prenosi opterećenje sa vješala na dva držača, ima prečnik d= 25mm. Odrediti vrijednosti dozvoljenog opterećenja P za sljedeće slučajeve:
a) Dozvoljeni zatezni napon u glavnom dijelu je 110 MPa
b) Dozvoljeni zatezni napon u vješalu u poprečnompresjeku kroz rupu vijeka je 75 MPa (dozvoljeninapon u ovom dijelu je manji zbog koncentracijenapona oko rupe)
c) Dozvoljeni noseći napon između vješala i vijkaje 180 MPa
d) Dozvoljeni smicajni napon je 45 MPa
vijakpodloška
držač
vješalo
b1=38mmt=12mm
d=25mmb2=75mm
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 21
Primjer 1.2: Na slici je dat probijač za pravljenje rupa u čeličnoj ploči. Pod pretpostavkom da je prečnik probijača d=20 mm, ploča debljine 8 mm (kao na slici), a sila probijanja P=110 kN izračunati prosječni tangencijalni (smicajni) napon u ploči, te prosječni pritisni napon.
Napon, deformacija, osobine materijala
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 22
Napon, deformacija, osobine materijalaPojam deformacije
Deformacija – promjena veličine i oblika tijela usljed djelovanja vanjskih sila.
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 23
Napon, deformacija, osobine materijala
-L
(1.11)
Normalne deformacije
Prije deformacije Poslije deformacije
sr duž 'lim -
B A n
s ss
(1.12)
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 24
Napon, deformacija, osobine materijalaTangencijalne deformacije
Prije deformacije Poslije deformacije
(1.13) duž duž
lim ' -2nt B A n
C A t
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 25
Primjer 1.3: Dio od gume početnog pravougaonog oblika ABCD deformiše se u oblik prikazan isprekidanim linijama na slici dole. Odrediti srednju tangencijalnu deformaciju u tačkama A, B i C, te srednje normalne deformacije dužina AB , AC i AD.
Napon, deformacija, osobine materijala
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 26
Mehaničke osobine materijala
Uređaji za određivanje mehaničkih osobina
Kidalicazatezanje pritisak
Epruvete za ispitivanje na zatezanje/pritisak
Napon, deformacija, osobine materijala
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021.
Mehaničke osobine materijala
Dijagram napon-deformacija (zatezanje)
Granicačvrstoće
Granica tečenja
Granica proporcionalnosti
Linearnopodručje
Idealna plastičnost ilitečenje
Očvršćavanje Pojava vrata
Lommaterijala
Područjeloma
Pojavavrata
Napon, deformacija, osobine materijala
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 28
Mehaničke osobine materijala
Dijagram napon-deformacija (zatezanje)
Konstrukcioni čelik Legura aluminija
Guma Krti materijal
Napon, deformacija, osobine materijala
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 29
Mehaničke osobine materijalaNapon, deformacija, osobine materijala
Beton Drvo (crveni hrast)
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 30
Mehaničke osobine materijala
Dijagram napon-deformacija (zatezanje)
Napon, deformacija, osobine materijala
Jabuka i krompir Čokolada
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 31
Mehaničke osobine materijala
Dijagram napon-deformacija (pritisak)
Napon, deformacija, osobine materijala
Bakar Sivi Liv
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 32
Mehaničke osobine materijala
Dijagram napon-deformacija
Elastično ponašanje Plastično ponašanje
Napon, deformacija, osobine materijala
Elastično plastično Zaostala deformacija
Elastičnarelaksacija
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 33
Mehaničke osobine materijala
Hooke-ov (Hukov) zakon
Linearna zavisnost između napona i deformacije za šipku opterećenu na zatezanje:
Pa E
– napon – deformacija E – konstanta proporcionalnosti, (Young (Jang)-ov) modul elastičnosti
čelik: 210 GPaliveno gvožđe: 83-170 GPalegure aluminijuma: 70-79 GPabeton (pritisak): 17-31 GPadrvo: 11-13 GPaplastični materijali: 0.7-14 GPa
E)( tg:
Napon, deformacija, osobine materijala
(1.14)
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 34
Mehaničke osobine materijala
Poisson-ov (Poasonov) koeficijent
Prije opterećenja
Poslije opterećenja
Za linearno elastične materijale vrijedi da je poprečna deformacija proporcionalna uzdužnoj i predstavlja osobinu materijala poznatu kao Poisson-ov koeficijent
'
adeformacij uzdužnaadeformacij poprecna
Poprečna deformacija
'
čelik: 0.3 beton (pritisak): 0.1-0.2guma: 0.5pluto: 0auksetični ‘materijali’ < 0!!!
Napon, deformacija, osobine materijala
(1.15)
(1.16)
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 35
Primjer 1.4: Čelična cijev dužine L=1 m, vanjskog prečnika d2=15 mm i unutrašnjeg prečnika d1= 10 mm, opterećena je na pritisak aksijalnom silom P=60 kN.Treba odrediti: a) napon,
b) uzužnu deformaciju, c) skraćenje , d) poprečnu deformaciju,e) promjenu unutrašnjeg i vanjskog prečnikaf) promjenu debljine cijevi
Osobine materijala: E=210 Gpa, =0.3
Napon, deformacija, osobine materijala
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 36
Napon, deformacija, osobine materijala
Hooke-ov (Hukov) zakon u smicanju
Pa G
– tangencijalni napon – tangencijalna (ugaona) deformacija G – konstanta proporcionalnosti, modul klizanja
)1(2
EG
(1.17)
(1.18)
Mehaničke osobine materijala
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 37
Napon, deformacija, osobine materijala
Primjer 1.5: Na slici je dat noseći pometač, koji se koristi za oslanjanje mašina i mosnih nosača. Sastoji se od linearnog elastičnog materijala (elastomer kao guma) poklopljenog čeličnom pločom. Ako pretpostavimo da je visina elastomera h, a dimenzije ploče a×b, te da je čelična ploča izložena tangencijalnoj sili V, odrediti prosječni tangencijalni napon u elastomeru i horizontalno pomjeranje ploče, d.
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 38
Mehaničke osobine materijala
U toku kursa, ukoliko se to ne naglasi, materijal će se smatrati:
- linearno elastičan- homogen – jednak sastav- izotropan – sve osobine su jednake u svim pravcima.
Napon, deformacija, osobine materijala
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 39
Aksijalno naprezanje*
Aksijalno napregnuti elementi su elementi izloženi samo na zatezanje ili pritisak.
*RC Hibbeler, Mechanics of Materials, Prentice Hall, Eight Edition, 2011.JM Gere, BJ Goodno, Mechanics of Materials, Cengage Learning, Seventh Edition, 2009.
IV
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 40
Aksijalno naprezanjeSaint-Venant-ov (Sen-Venan) princip
Opterećenje iskrivljuje linije u blizininjegove primjene
a-a
Opterećenje iskrivljuje linije u blizini oslonaca
Linije koje su daleko od primjene opterećenjai oslonaca su prave
b-b c-c
Napon i deformacija koji se javljaju u tačkama tijela koje su dovoljno daleko od područja primjene tog opterećenja biće isti kao napon i deformacija bilo kojeg opterećenja koje ima istu,statički ekvivalentnu, rezultantu i koji su primijenjeni u istoj oblasti.
⇔
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 4141
Aksijalno naprezanje*
I) konstantan poprečni presjek i opterećenje
FA
E L
*RC Hibbeler, Mechanics of Materials, Prentice Hall, Eight Edition, 2011.
L LE (2.1)
Izduženje aksijalno opterećenog elementa
FLEA
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 4242
Aksijalno naprezanje
II) promjena parametara po segmentima
i i
i i i
F LA E
Ukoliko je šipka podijeljena na nekoliko aksijalnih sila uzdužno, ili se mijenja poprečni presjek ili modul elastičnosti, ukupno izduženje je jednako zbiru izduženja pojedinačnih segmenata u kojima su ove veličine konstantne.
(2.2)
Čelična cijev
Al – cijev
Izduženje aksijalno opterećenog elementa
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 43
Aksijalno naprezanje
III) proizvoljan poprečni presjek i/ili opterećenje
( )( )
F xA x
E
ddx
( )( )
F x dxdA x E
0
( )( )
L F x dxA x E
(2.3)
F(x)F(x)
Izduženje aksijalno opterećenog elementa
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 44
Aksijalno naprezanje
Primjer 2.1: Stub za jednu zgradu je napravljen od čelične cijevi (E=200 GPa, =12×10-6 1/°C) kvadratnog poprečnog presjeka dimenzija na slici (b). Na stub djeluju sile PA i PB kao što je prikazano na slici (a). Treba odrediti:a) napon, izduženje i deformaciju u pojedinim segmentima stuba,b) vertikalno pomjeranje kraja A i B,c) maksimalnu silu PA, ako je dozvoljeni napon materijala 300 Mpa,d) promjenu temperature dijela AB tako da ukupno izduženje usljed djelovanja temperature i opterećenja bude jednako nuli.
Ostali podaci: LAB=LBC=0.8 m.
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 45
Aksijalno naprezanje
Primjer 2.2: Element ABC na slici, dužine L, sastavljen je od dva dijela iste dužine (0.6 m), ali različitih prečnika, i izložen sili od P=110 kN. Dio AB ima prečnik d1=100 mm, a segment BC d2=60 mm. Segment AB je uzužno izbušen do polovine dužine (0.3 m). Dio je napravljen od plastike modula elastičnosti E=4 MPa.
a) Ukoliko je dozvoljeno sabijanje dijela 8mm, koliko je maksimalno dozvoljeni prečnik rupe?b) Ako je maksimalni prečnik rupe jednak d2/2, na kojoj udaljenosti od tačke C treba primijeniti silu P da se šipka ne skrati 8 mm.c) Ako je maksimalni prečnik rupe jednak d2/2, a sila primijenjena na krajevima, koja je dozvoljena dubina rupe ako je skraćenje ograničeno na 8 mm.
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 46
Aksijalno naprezanje
Primjer 2.3: Stub koji se koristi kao oslonac za opremu u laboratoriji je obrađen uniformno kao na slici čitavom dužinom H. Svaki poprečni presjek stuba je kvadrat, pri čemu je vrh dimenzija bb, a baza 1.5b1.5b.
Izvesti formulu za deformaciju d usljed sile P koja djeluje na vrh. Pri tome pretpostaviti da je ugao zakošenja mali i da težina stuba nema uticaj na deformaciju.
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021.
Aksijalno naprezanjeStatički neodređeni aksijalno opterećeni elementi
Dodatni uslov za određivanje sile reakcije su:
uslovi kompatibilnosti ili kinematski uslovi
specificiraju ograničenja u pomjeranju koja se javljaju u osloncima ili bilo kojoj drugoj tački u elementu.
Problem je statički naodređen ako jednačine ravnoteže nisu dovoljne da bi se odredile sile reakcije.
0 0B AF F F P
47
Nedovoljno da bi se odredile reakcije!!!
0A B
Zadatak možemo riješiti koristeći dijagram sila u štapu, ili pomoću metode superpozicije.
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 48
Aksijalno naprezanjeStatički neodređeni aksijalno opterećeni elementi
⇔ ⇔
0 0B AF F F P
0A B
0A AC B CBF L F LAE AE
CB ACA BL LF P F PL L
Dijagram aksijalnih sila
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 49
Aksijalno naprezanje
Princip superpozicije
Princip superpozicije: rezultujući naponi ili pomjeranja u nekoj tački mogu se odrediti algebarskim sabiranjem napona ili pomjeranja koja su uzrokovana svakom komponentom pojedinačno.
Uslovi za primjenu uslova superpozicije:
1. Opterećenje mora biti linearno u odnosu na napon ili pomjeranje koje treba odrediti
2. Opterećenje ne smije značajno promijeniti početnu geometriju ili konfiguraciju elementa na koji djeluje
Statički neodređeni aksijalno opterećeni elementi
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 50
Aksijalno naprezanje
Metod fleksibilnosti ili metod sila (jednačina kopatibilnosti predstavljena principom superpozicije)
Statički neodređeni aksijalno opterećeni elementi
⇔ +
ACP
PLEA
B CBBF L
EA
0 0 ACP B AC B BLPL F L F PL
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 51
Aksijalno naprezanje
Primjer 2.4: Dio ABCD s fiksiranim krajevima sastoji se od tri prizmatična segmenta, kao na slici. Krajnji segmenti imaju površinu poprečnog presjeka od A1=840 mm2 i dužinu L1=200 mm. Srednji segment ima površinu poprečnog presjeka od A2=1260 mm2 i dužinu L2=250 mm. Opterećenja su: PB=25.5 kN i PC=17.0 kN.
a) Odrediti reakcije RA i RD u fiksiranim osloncima. b) Odrediti pritisnu aksijalnu silu FBC u srednjem segmentu.
V
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 52
Aksijalno naprezanje
(Villot-ov) Plan pomjeranja (rešetkasti nosači)
Statički neodređeni aksijalno opterećeni elementi
Za male uglove rotacije dužina luka može se zamijeniti tangentom dijela kružnice
• pomjeranje se nanosi pod uglom 90º.
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 53
Aksijalno naprezanje
Primjer 2.5: Kruta šipka AB dužine L oslonjena je u tački A i ovješana pomoću dvije vertikalne žice u tačkama C i D. Obe žice imaju isti poprečni presjek A, i izrađene su od istog materijala modula elastičnosti E. a) Odrediti napone C i D u žicama usljed opterećenja P koje djeluje u tački B.b) Naći pomjeranje tačke B,c) temperaturu u užetu C tako da kruta poluga ostane u horizontalnom položaju.d) uraditi a-c, ako nema štapa D.
Podaci: L=1700 mm, A=18 mm2, E=210GPa, h=450 mm, c=500 mm, d=1250 mm, P=750 N.
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 54
Aksijalno naprezanje
Primjer 2.6: Kruta poluga ABC, okačena o uže CD i oslonjena na elastični štap BE, nosi kontinuiranoopterećenje, kao što je prikazano na slici desno. Odrediti:
a) sile i napone u štapu BE i užetu CD,b) deformaciju užeta CD i štapa BE,c) vertikalno pomjeranje tačke C.d) temperaturu u užetu tako da kruta poluga ostane u horizontalnom položaju.e) uraditi a-c, ako nema štapa BE.
Podaci: poluga ABC – LAB = 1.5 m, LAC = 2 m; uže CD – ECD = 200 GPa, ACD = 3 cm2, LCD = 2.5 m, = 30º; štap BE – EBE = 20 GPa, ABE = 20 cm2, LBE = 200 mm; q = 20 kN/m.
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 55
Aksijalno naprezanje
Primjer 2.7: Za sistem štapova na slici odrediti sile u štapovima, te pomjeranje tačke C pod djelovanjem sile F.
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 56
Aksijalno naprezanjeIzduženje aksijalno opterećenog elementa: utjecaj temperature
Promjene temperature u elementu proizvode širenje ili skupljanje elementa, stvarajući tako tzv. termičke deformacije i napone.
T T
– koeficijent termalnog širenja materijala, [1/K]
(2.4)
( )T T E T E (2.5)
Deformacija:
Napon:
( )T T L T L (2.6)Izduženje:
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021.
Aksijalno naprezanje
Primjer 2.8: Plastična šipka ACB sačinjena od dva različita puna dijela cilindričnog poprečnog presjeka nalazi se između dva kruta oslonca kao na slici. Šipka je izložena povećanju temperature od 30C.
a) Odrediti silu koja vlada u šipki,b) maksimalni napon u tački C,c) pomjeranje u tački C.
Podaci: E=6 GPa, =100·10-6 1/C.
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 58
Aksijalno naprezanjeStatički neodređeni aksijalno opterećeni elementi – problemi
Opšti princip rješavanja statički neodređenih aksijalno opterećenih elemenata
1. Postaviti jednačine ravnoteže (statičke, kinetičke jednačine)
2. Postaviti jednačine kompatibilnosti (geometrijske, kinematičke jednačine, jednačine konzistentne deformacije)
3. Postaviti relacije sila-deformacija (konstitutivne relacije)
4. Riješiti sistem jednačine dobiven kroz korake 1-3
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 59
Aksijalno naprezanjeStatički neodređeni aksijalno opterećeni elementi – problemi
M1 M2
M3
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 60
Aksijalno naprezanjeNapon u kosom presjeku
Pojam elementa napona – izolovani segment nekog elementa s ucrtanim naponima koji djeluju na njegove površine/stranice.
Element napona
VI
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 61
Aksijalno naprezanjeNapon u kosom presjeku
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 62
Aksijalno naprezanjeNapon u kosom presjeku
cos sinN P V P
2
1
P= cosA
NA
1
P= sin cosA
VA
Istezanje – pozitivan znakPritisak – negativan znak
Pozitivan znak ako tangencijalni napon teži rotirati materijal suprotno kretanju kazaljke na satu.
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 63
Aksijalno naprezanjeNapon u kosom presjeku
2 2
1
P= cos cosA x
NA
1
P= sin cos sin cosA x
VA
2 1cos (1 cos 2 )2
1sin cos sin 22
(1 cos 2 )2
x
sin 22
x
(2.7)
(2.8)
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 64
Aksijalno naprezanjeNapon u kosom presjeku
Maksimalni normalni i tangencijalni napon
max
min
za 0 ( 0)0 za 90 ( 0)
x
max
min
za 45 ( )2 2
za 45 ( )2 2
x x
x x
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 65
Aksijalno naprezanje
Primjer 2.9: Plastična šipka, pravougaonog poprečnog presjeka, je ugrađena između krutih oslonaca, ali bez početnog napona. Kada se temperatura u šipki poveća 40 C, u ravni pq se javi pritisni napon od 12 MPa.
a) izračunati tangencijalni napon u ravni pq.b) nacrtaj element napona orijentisan prema ravni pq i pokaži napone koji djeluju na sve površi elementa.
Podaci: =108·10-6 1/K, E=3 GPa, b=37.5 mm, h=75mm
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 66
Aksijalno naprezanje
Primjer 2.10: Dvije ploče su spojene ljepljenjem, kao što je prikazano na slici. Radi lakšeg rezanja i ljepljenja, ugao između ljepljene površine i površine ploča mora biti između 10 i 40. Normalni napon u ploči pod djejstvom sile P je 4.9 MPa. Treba uraditi sljedeće:
a) izračunati normalne i tangencijalne napone u ljepljenom spoju ako je =20,
b) Ako je dozvoljeni tangencijalni napon u spoju 2.25 MPa, koji je najveći dopušteni ugao ,
c) Koji ugao bi se trebao koristiti da bi tangencijalni napon u ljepljenom spoju bio dvostruko veći od normalnog.
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 67
Aksijalno naprezanjeDeformacioni rad
1 10W Pd
Izduženje šipke proizvodi deformaciju, čime se povećava energija šipke, tzv. energiju deformacije ili deformacioni rad.
1 10U W Pd
(2.9)
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 68
Aksijalno naprezanje
1 10
12
U W Pd P
Linearno elastično ponašanje materijala
Deformacioni rad
(2.10)
2
2P LUEA
(2.11)
2
2EAU
L
(2.12)
Nejednake šipke
2
2i i
ii i i
P LU UA E
2
0
( )2 ( )
L P x dxU
A x E (2.13)
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 69
Uvijanje
*JM Gere, BJ Goodno, Mechanics of Materials, Cengage Learning, Seventh Edition, 2009.*Grupa autora, Elastostatika I, Tehnički fakultet, Bihać, 2003
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 70
UvijanjeOsnovni pojmovi
Moment sprega sila, [Nm]
1 1 1 2 2 2 T Pd T P d
Moment sprega sila – vektorska reprezenacija
(pravilo desne ruke)
Moment sprega sila – reprezentacija uvijenom strelicom
Momenti koji uvijaju neki element nazivaju se uvojni ili torzioni momenti.
(3.1)
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 71
Uvijanje
Čisto uvijanje – svi jednaki poprečni presjeci opterećeni istim momentom uvijanja– ugao uvijanja (rotacije)
Element abcd postaje ab’c’d, kojem se ne mijenjaju stranice, ali se mijenja ugao između njih – čisto smicanje (element izložen samo tangencijalnim deformacijama)!
Deformacije štapova (i cijevi) kružnog presjeka
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 72
Uvijanje
max'bb rd
ab dx
ddx
maxrrL
maxr
Maksimalan ugao uvijanja
Odnos tangencijalne deformacije i ugla uvijanja na površini šipke
Promjena ugla uvijanja
Za čisto uvijanje
Tangencijalna deformacija
(3.2)
(3.3)
(3.4)
Deformacije štapova (i cijevi) kružnog presjeka
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 73
UvijanjeDeformacije štapova (i cijevi) kružnog presjeka
2max
rL
1 1min max
2
r rr L
(3.5)
Sve prethodne relacije važe za sve materijale, bez obzira da li su linearni ili nelinearni, elastični ili neelastični, ali za male uglove uvijanja i male deformacije!
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 74
Uvijanje
Veza deformacija i napona
max Gr
maxr
G
Linearna zavisnost napona i udaljenosti od ose uvijanja!!!
Uzdužni i transferzalni naponiUvijanje = čisto smicanje = dvoosno naponsko stanje bez tangencijalnih napona
(3.6)
Deformacije štapova (i cijevi) kružnog presjeka
VII
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 75
Uvijanje
Formula uvijanja2maxdM dA dA
r
maxr
(3.6)2 2max maxA A A A
T dM dA dA dAr r
2 4 mo
A
I dA – polarni moment inercije poprečnog presjeka4
32odI – za kružni poprečni presjek
maxo o
Tr TI W
(3.7)
oW – polarni moment otpora presjeka
3
16odW – za kružni poprečni presjek
Formula uvijanja
maxo
Tr I (3.8)Opšta formula uvijanja
Veza deformacija i napona
Deformacije štapova (i cijevi) kružnog presjeka
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 76
Uvijanje
Veza deformacija i napona
Ugao uvijanja – konstantni parametri
o
TGI
o
TLLGI
(3.8)
i
i ii
i i i o
T LG I
(3.9)
Promjena parametera po segmentima
Deformacije štapova (i cijevi) kružnog presjekamax Gr max
o o
Tr TI W
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 77
Uvijanje
( )( ) ( )oL
T x dxG x I x
(3.10)
Proizvoljan uzdužni (kružni) poprečni presjek i/ili opterećenje
max Gr maxo o
Tr TI W
Deformacije štapova (i cijevi) kružnog presjeka
Veza deformacija i napona
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 78
Uvijanje
Primjer 3.1: Puni štap kružnog poprečnog presjeka, prečnika 40 mm, dužine 1350 mm i modula klizanja 80 GPa, opterećen je momentom uvijanja na svojim krajevima, kao što je dato na slici. Odrediti:
a) Maksimalan tangencijalni napon u šipki, te ugao uvijanja ako je moment uvijanja 340 Nm
b) Maksimalan mogući moment uvijanja, ako je dozvoljeni tangencijalni napon 40 MPa, a maksimalni dozvoljeni ugao uvijanja 2.5
40 mm
1350 mm
RC Hibbeler, Mechanics of Materials, Prentice Hall, Eight Edition, 2011.
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 79
Uvijanje
Primjer 3.2: Vratilo cilindričnog poprečnog presjeka od čelika, izrađeno u dvije varijante, kao puno i šuplje (slika), treba prenese moment uvijanja od 1200 Nm bez prekoračenja dozvoljenog tangencijalnog napona od 40MPa i dozvoljenog uzdužnog uvijanja od 0.75/m. Treba odraditi:
a) Prečnik punog vratila
b) Potrebni vanjski prečnik šupljeg vratila ako je debljina stjenke vratila jedna desetina vanjskog prečnika
c) Odnos prečnika (d2/d1) i težina oba vratila
RC Hibbeler, Mechanics of Materials, Prentice Hall, Eight Edition, 2011.
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 80
Uvijanje
Primjer 3.3: Momenti uvijanja djeluju na puno čelično vratilo kao što je prikazano na slici desno. Odrediti:a) Ugao uvijanja diskova A i B u odnosu na disk C,b) Maksimalni napon u vratilu BC,c) Dimenzije šupljeg vratila od aluminijuma koje bi trebalo zamijeniti dio CD, ako se zna da je odnos vanjskog i unutrašnjeg prečnika 1.2. Proračun uraditi prema kriterijumu čvrstoće.
Podaci: TA = 200 Nm, TB = 400 Nm, TC = 100 Nm, dAB = 20 mm, dBC = 30 mm, dCD = 25 mm, LAB = 200 mm, LBC = 300 mm, LCD = 250 mm.
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 81
Uvijanje
Ograničenja u korištenju prethodnih jednačina
Deformacije štapova (i cijevi) kružnog presjeka
• Samo za kružne poprečne presjeke (pune ili šuplje)
• Linearno elastični materijali
• Za dijelove vratila udaljene od koncentracija napona
• Ne mogu se koristiti za druge poprečne presjeke jer:
Poprečni presjek ne ostaje u ravni
Maksimalni naponi nisu uvijek u najudaljenijim tačkama presjeka
Naprednije metode analize napona neophodne za rješavanje
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 82
UvijanjeStatički neodređeni problemi
Šipka (1)
Cijev (2)
Cijev (2)
Cijev (2)
Šipka (1)
Šipka (1)
Fiksna
ploča
1 2T T T
1 2
Jednačine ravnoteže
Jednačine kompatibilnosti
Konstitutivne relacije
1
11
1 0
T LG I
2
22
2 0
T LG I
1
1 2
1 01
1 0 2 0
G IT T
G I G I
2
1 2
2 02
1 0 2 0
G IT T
G I G I
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 83
UvijanjeStatički neodređeni problemi
1. Postaviti jednačine ravnoteže (statičke, kinetičke jednačine) – moment uvijanja
2. Postaviti jednačine kompatibilnosti (geometrijske, kinematičke jednačine, jednačine konzistentne deformacije) – ugao uvijanja
3. Postaviti relacije moment uvijanja-ugao uvijanja (konstitutivne relacije)
4. Riješiti sistem jednačine dobiven kroz korake 1-3
Opšti princip rješavanja statički neodređenih elemenata opterećenih na uvijanje
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 84
Uvijanje
Primjer 3.5: Vratilo ABC je uklješteno na oba kraja i opterećeno momentom uvijanja T0 u tački C. Segmenti AC i CB vratila imaju prečnike dA i dB dužina LA i LB i polarnih momenata inercije I0A i I0B, respektivno. Potrebno je izvesti formule:a) za momente u uklještenjima A i Bb) za maksimalan tangencijalni napon AC i CB u svakom segmentu vratilac) ugao rotacije C u poprečnom presjeku gdje je primijenjen moment uvijanja T0
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 85
UvijanjeDeformacioni rad
2TU W
220
02 2GIT LU
GI L
V ht
h
2VU W
2
2h tU
2 2
2 2 2Gu
G
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 86
Savijanje*
*JM Gere, BJ Goodno, Mechanics of Materials, Cengage Learning, Seventh Edition, 2009.*Grupa autora, Elastostatika I, Tehnički fakultet, Bihać, 2003
VIII
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 87
Geometrijske karakteristike poprečnih presjeka*Savijanje
*Grupa autora, Elastostatika I, Tehnički fakultet, Bihać, 2003
Karakteristike poprečnih presjeka neophodnih za proračun napona:
1. Površina poprečnog presjeka – aksijalno neprezanje
2. Moment površine prvog reda – statički moment površine – raspodjela tangencijalnih napona u poprečnim presjecima grede izložene savijanju silama
3. Momenti površine drugog reda (momenti inercije):
a. Aksijalni moment inercije – računanje normalnih napona i deformacija greda izloženih savijanju
b. Polarni moment inercije – računanje napona pri uvijanju
c. Centrifugalni momenti inercije – određivanje ekstremnih vrijednosti aksijalnih momenata inercije ravne površine
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 88
Savijanje
Težište – geometrijski centar površine
yA
A
xdAS
xAdA
xA
A
ydASyAdA
Konačan broj jednostavnih oblika
i ii
ii
x Ax
A
i ii
ii
y Ay
A
Sx – statički moment inercije s obzirom na x osu
Sy – statički moment inercije s obzirom na y osu
xA
S ydA
yA
S xdA
Centralne (težišne) ose – prolaze kroz težište -centralni momenti jednaki nuli!!!
(4.1)
(4.2)
Geometrijske karakteristike poprečnih presjeka
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 89
Savijanje
Momenti inercije – momenti inercije drugog reda
2x
A
I y dA
2y
A
I x dA
xyA
I xydA
– aksijalni moment inercije s obzirom na x osu
– aksijalni moment inercije s obzirom na y osu
– centrifugalni moment inercije s obzirom na x i y osu
20
A
I r dA – polarni moment inercije s obzirom na tačku 0
2 2 20 ( ) x y
A A
I r dA x y dA I I
(4.3)
(4.4)
(4.5)
(4.6)
(4.7)
Geometrijske karakteristike poprečnih presjeka
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 90
Savijanje
Momenti inercije – momenti inercije drugog reda
• Polarni moment inercije za tačku se ne mijenja s rotacijom koordinatnog sistema – zbir centralnih momenata inercije je konstantan
• Centralni momenti inercije su pozitivne veličine
• Centrifuglani moment inercije može biti pozitivan, negativan ili nula; jednak je nuli u odnosu na ravan simetrije, ako se jedna od težišnih osa podudara s ravni simetrije
• Momenti inercije u odnosu na težišne ose su centralni ili sopstveni momenti inercije
Poluprečnici inercije
xx
IiA
yyI
iA
(4.8)
Geometrijske karakteristike poprečnih presjeka
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 91
SavijanjeGeometrijske karakteristike poprečnih presjeka
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 92
SavijanjeGeometrijske karakteristike poprečnih presjeka
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 93
Savijanje
Steiner-ova (Štajner) teorema – teorema paralelnih osa – promjena momenata inercije s translacijom koordinatnog sistema
2 2 2 21 1 1 1( ) 2 Cx C C C x
A A A A
I y d dA y dA d y dA d dA I Ad 2
1Cx xI I Ad
22Cy y
I I Ad
Moment inercije površine u odnosu na bilo koju osu u ravni jednak je momentu inercije u odnosu na paralelnu težišnu osu i proizvoda površine i kvadrata udaljenosti između dvije ose
1 2
1 2 1 2
( )( )
xy C CA
C C C CA A A A
I x d y d dA
x y dA d y dA d x dA d d dA
1 2Cxy xyI I Ad d
(4.9)
(4.10)
(4.11)
Geometrijske karakteristike poprečnih presjeka
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 94
Savijanje
Promjena momenata inercije s rotacijom koordinatnog sistema
2x
A
I y dA 2yA
I x dA xyA
I xydA
1 cos sinx x y
1 sin cosy x y
1
1
1
2 21
2 2 2 2
2 2
( sin cos )
sin cos 2sin cos
cos sin sin 2
xA A
xA A A
x x y xy
I y dA x y dA
I x dA y dA xydA
I I I I
2 1cos ( ) (1 cos(2 ))2
21sin ( ) (1 cos(2 ))2
1cos(2 ) sin(2 )
2 2x y x y
x xy
I I I II I
(4.12)
Geometrijske karakteristike poprečnih presjeka
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 95
Savijanje
Promjena momenata inercije s rotacijom koordinatnog sistema
1cos(2 ) sin(2 )
2 2x y x y
x xy
I I I II I
1cos(2 ) sin(2 )
2 2x y x y
y xy
I I I II I
1 1
1 1
1 1
2 2 2 2
( cos sin )( sin cos )
cos sin sin cos sin cos
x yA A
x yA A A A
I x y dA x y x y dA
I xydA xydA x dA y dA
1 1
1 ( )sin 2 cos 22x y x y xy
I I I I
(4.12)
(4.13)
(4.14)
Geometrijske karakteristike poprečnih presjeka
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 96
Savijanje
Invarijante momenata inercije
(4.12) + (4.13) + (4.14) 1 1I o x y x y
I I I I I I - prva invarijanta momenta inercije
- druga invarijanta momenta inercije2II x y xyI I I I
Glavni momenti inercije
1 ( )sin(2 ) 2 cos(2 ) 0x x y xydI
I I Id
2tg xy
x y
II I
(4.15)
• Ugao određuje ravan maksimalnog/minimalnog momenta inercije• Jednačina (4.15) ima dva korijena u domenu (0,2), a oni ovise od predznaka xy i (x-y) – ovi korijeni se nazivaju i uglovi glavnih momenata inercije
Geometrijske karakteristike poprečnih presjeka
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 97
Savijanje
22
1 2 2x y x y
xy
I I I II I
22
2 2 2x y x y
xy
I I I II I
12 0I
Geometrijske karakteristike poprečnih presjeka
Glavni momenti inercije
(4.16)
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 98
Savijanje
Primjer 4.1: Za ravni presjek dat na slici odrediti glavne centralne momente inercije i položaj glavnih centralnih osa inercije.
Primjeri D.1-D.5 (str. 307-310), Grupa autora, Elastostatika I, Tehnički fakultet, Bihać, 2003.
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 99
Savijanje
Jednostavno oslonjena greda
Konzolna greda
Greda s prepostom
Usljed primijenjenog opterećenja u gredi se razvijaju tangencijalne (transferzalne) sile i momenti savijanja. U svrhu dimenzionisanja neophodno je odrediti maksimalne tangencijalne napone i momente!
Vrste greda Konvencija o predznaku opterećenja
Pozitivno orijentisano kontinuirano opterećenje
Pozitivno unutrašnje tangencijalno opterećenje
Pozitivni unutrašnji moment savijanja
RC Hibbeler, Mechanics of Materials, Prentice Hall, Eight Edition, 2011.
Dijagrami transferzalnih sila i momenta savijanja
IX
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 100
SavijanjeVeze opterećenja, transferzalnih sila i momenata savijanja
Područje kontinuiranog opterećenja
02
0, ( ) ( ) 0
( )
0, ( ) ( ) ( ) 0
( ) ( )
i
i
yi
i
F V w x x V V
V w x x
M V x M w x x k x M M
M V x w x k x
( ) dV w xdx
(4.17)
(4.18)
(4.17)
dM Vdx
(4.18)
Nagib dijagrama transferzalnih sila = intenzitetu kontinutiranog opterećenja
Nagib dijagrama momenta savijanja = transferzalna sila
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 101
Savijanje
Područje koncentrisanih sila i momenata
0, ( ) 0
iyi
F V F V V
V F
(4.19)
(4.20)
Ukoliko sila F djeluje nadole, transferzalna sila na dijagramu ‘skače’ nadole!
0 0
0
0, 0
0,
ii
M M M M V x M
x M M
Ukoliko moment M djeluje u smjeru kazaljke na satu, moment na dijagramu momenata ‘skače’ nagore!
Veze opterećenja, transferzalnih sila i momenata savijanja
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 102
SavijanjeČisto savijanje
Čisto savijanje se odnosi na savijanje grede pod konstantnim momentom savijanja; dešava se samo tamo gdje su transferzalne sile jednake nuli!!!
Centralni dio grede u čistom savijanju, a krajevi u nejednakom savijanju!!!
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 103
SavijanjeČisto savijanje
Vertikalne linijeostaju ravne
Horizontalne linijesu zakrivljene
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 104
SavijanjeZakrivljenjost grede
1
– zakrivljenost grede
– radijus zakrivljenja grede
1 dd dsds
1za male deformacije(ugibe): ddx
(4.21)
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 105
SavijanjeČisto savijanje – uzdužne deformacije u gredi
Neutralna površina – s profilom se siječe u neutralnoj osi (d=dx)
' ( )efdx yL y d d dx dx
Uzdužna deformacija je sada:
' 'ef ef efx
ef
L L L dx y yL dx
Deformacije grede pri čistom savijanju mijenjaju se linearno s udaljenošću od neutralne površine bez obzira na model materijala (njegovu zavisnost napon-deformacija)
Uzdužni elementi grede pri čistom savijanju su izloženi jednoosnom naponskom stanju.
(4.22)
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 106
SavijanjeČisto savijanje – normalni naponi u gredi
x xEyE E y
Gdje se nalazi neutralna osa u odnosu na koju se računa y?!
Kod čistog savijanja aksijalna sila je nula rezultantna sila u xpravcu je nula
Neutralna osa prolazi kroz težište poprečnog presjeka grede za materijal koji se ponaša po Hooke-ovom zakonu i ukoliko na njega ne djeluju aksijalne sile
0xA A
dA E ydA
0xA
ydA S z-osa mora proći kroz težište!!!
X
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 107
Savijanje
Rezultantni moment jednak je momentu M
Relacija moment savijanja – zakrivljenost grede
2
1
x
xA A A
zz
dM ydA
M ydA EyydA E y dA
MM EIEI
x E y
EI – savojna krutost!!!
xz
MyI
Formula savijanja!!!! (4.23)
Čisto savijanje – normalni naponi u gredi
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 108
SavijanjeČisto savijanje – normalni naponi u gredi
Maksimalni naponi u poprečnom presjeku
Zatezni naponiPritisni naponi
Pritisni naponiZatezni naponi
11
1x
Mc MI S
22
2x
Mc MI S
S1 i S2 – sekcijski moduli poprečnog presjeka
(4.24)
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 109
Savijanje
Ograničenja u korištenju formule savijanja
• važi samo za homogene, linearno elastične materijale izložene čistom savijanju• ne važi za nejednako savijanje, jer transferzalne sile uzrokuju deformaciju poprečnog presjeka izvan ravni
• ne daje tačne rezultate za područja oko oslonaca, promjena poprečnog presjeka, diskontinuiteta u opterećenju (koncentracija napona!!!)
IPAK, i u slučaju nejednakih momenata savijanja formula savijanja se može koristiti!!!
Čisto savijanje – normalni naponi u gredi
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 110
Savijanje
Primjer 4.2: Za gredu datu na slici odrediti maksimalne zatezne i pritisne napon u gredi usljed kontinuiranog opterećenja.Zadatak prvo uraditi za gredu pravougaonog poprečnog presjeka vanjskih dimenzija presjeka na slici.
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 111
Savijanje
Primjer 4.3: Privremena drvena brana napravljena je od horizontalnih dasaka A oslonjenih na dva vertikalna stuba B. Stubovi su kvadratnog poprečnog presjeka (bb) postavljeni na udaljenosti 0.8 m, kao na slici. Pretpostaviti da je dubina vode do vrha brane, h=2 m. Odrediti najmanju dimenziju b stuba ako je dozvoljeni napon drveta doz=8 MPa.
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 112
SavijanjeTangencijalni naponi u gredi
Pretpostavke:
• Tangencijalni naponi su paralelni s transferzalnim silama• Tangencijalni naponi su uniformno raspoređeni po širini grede (ali mogu da se mijenjaju po visini)
Vrijedi:
• Tangencijalnim naponima na elementu odgovaraju uzdužni naponi• na gornjem i donjem rubu tangencijalni naponi su nula
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 113
Savijanje
1z
MyI
2( )
z
M dM yI
1z
MydA dAI
1 1
zA A
MyF dA dAI
2 2( )
zA A
M dM yF dA dAI
3A
dMF ydAI
3F bdx
3 2 1F F F
1
A
dM ydAdx Ib
A
Q ydA
VQIb
Formulatangencijalnih napona!!!
Tangencijalni naponi u gredi
(4.25)
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 114
Savijanje
Pravougaoni poprečni presjek
1
A
dM ydAdx Ib
A
Q ydA
VQIb
1
/ 2 22
12 4
h
A y
b hQ ydA bydy y
22
12 4VQ V h yIb I
1
2 22
max 1
0
32 4 8 2
y
V h Vh VyI I A
Tangencijalni naponi u gredi
(4.26)
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 115
SavijanjeTangencijalni naponi u gredi
Ograničenja u korištenju formule tangencijalnih napona
• važi samo za homogene, linearno elastične materijale s malim deformacijama• za pravougaone poprečne presjeke tačnost zavisi i od odnosa širina-visina – što je presjek uži, tačnija je: za
kvadratni poprečni presjek maksimalan napon je 13% viši od onog datog izrazom (4.26)• izraz (4.25) ne važi za mnoge poprečne presjeke (trouglasti, polukrug, ...)• izraz (4.25) važi samo ako su ivice paralelne s y-osom (tangencijalni naponi djeluju paralelno y-osi)• izraz (4.25) važi samo ako je tangencijalni napon ravnomjeran po širini poprečnog presjeka• formula je primjenjiva samo na prizmatične poprečne presjeke
I u slučaju nejednakih momenata savijanja formula savijanja se može koristiti!!!
• parabolička promjena tangencijalnih napona uzrokuje paraboličku promjenu tangencijalnih deformacija = vitoperenje
• pokazuje se da ‘vitoperenje’ usljed tangencijalnih napona ne mijenja značajnije uzdužne deformacije čak i kada se tangencijalne sile mijenjaju duž grede
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 116
Savijanje
Primjer 4.4: Drvena greda, pravougaonog poprečnog presjeka bh=100150 mm, AB je opterećena kao na slici. Koncentrisana sila djeluje na udaljenosti a=0.5 m od svakog oslonca.Odrediti maksimalnu dozvoljenu silu P ako je dozvoljeni napon na savijanje 11 MPa (i za zatezanje i za pritisak), a dozvoljeni napon na tangencijalni napon 1.2 MPa. Uticaj težine grede zanemariti.
XI
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 117
Savijanje
Kružni poprečni presjek – približan proračun
Tangencijalni naponi u gredi
• Tangencijalni naponi nisu paralelni s y-osom (vidi tačku m)• Ipak, tangencijalni naponi su najveći na neutralnoj osi, i pretpostavimo
da su uzduž p-q jednaki – moguće koristiti formulu (4.25)
VQIb
4
4rI
2 34 22 3 3cr r rQ Ay
2b r
max43
VQ VIb A
(4.27)
Kružni prsten
4 42 1( )
4r rI 3 32 1
2 ( )3
Q r r 2 12( )b r r
2 22 2 1 1
max 2 22 1
4 ( )3
r r r rVQ VIb A r r
(4.28)
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 118
Savijanje
Profili
Tangencijalni naponi u gredi
Javljaju se tangencijalni naponi i u horizontalnom (mnogo veći) i u vertikalnom pravcu
Javljaju se tangencijalni naponi samo vertikalnom pravcu (kao za pravougaoni poprečni presjek)
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021.
Savijanje
Profili
Tangencijalni naponi u gredi
11 2 2
hhA b
12 12
hA t y
1 11
11 2 1
2 2 2 21 1 1
2 2 22 2 2
48 8
h hh yhQ A A y
b tQ h h h y
2 2 2 21 1 148VQ V b h h t h yIb It
333 3 31
1 1( ) 1 ( )
12 12 12b t hbhI bh bh th
2 2 2max 1 1( )8
V bh bh thIt
2 2min 1 max min( ) (1.1 1.6)8
Vb h bhIt
(4.29)
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 120
Savijanje
Profili – tangencijalna sila
Tangencijalni naponi u gredi
1 min 1 max min
1max min
2 ( )3
23
dijagramV A t h h t
thV
Tangencijalna sila u vertikalnom dijelu nosi 90-98% ukupne tangencijalne sile!!!
1sr
Vth
Obično se koristi pojednostavljena formula koja daje 10% grešku u odnosu na izraz (4.29)
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 121
Savijanje
Primjer 4.5: Greda s poprečnim presjekom kao na slici izložena je transferzalnoj sili V=45 kN. Odrediti maksimalan i minimalan tangencijalni napon, te ukupnu silu koja djeluje na vertikalni dio profila. Dimenzije poprečnog presjeka su: b=165 mm, t=7.5 mm, h=320 mm i h1=290 mm.
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 122
Savijanje
Primjer 4.6: Greda s poprečnim presjekom kao na slici izložena je transferzalnoj sili V=45 kN. Odrediti tangencijalni napon u presjeku n-n, te maskimalan tangencijalni napon. Dimenzije poprečnog presjeka su: b=100 mm, t=25 mm, h=200 mm i h1=175 mm.
h=200 mmh1=175 mm
b=100 mm
t=25 mm
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 123
Maksimalni naponi u grediSavijanje
xz
MyI
Formula savijanja!!!! (4.23)
VQIb
Formula tangencijalnih napona!!! (4.25)
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 124
SavijanjeDimenzionisanje
• Savojni i tangencijalni naponi ne prelaze dozvoljene napone• Grede su obično duge, pa su momenti savijanja veliki, a tangencijalni naponi služe kao konačna provjera.• Sekcijski modul treba ispunjavati:
• Za jednostavne poprečne presjeke jednostavno je naći potrebne dimenzije, dok se za složene izabere oblik, pa onda dimenzije.
• Nakon izbora provjerava se tangencijalni napon koristeći jedan od izraza
• Iako prethodni izraz ne predstavlja problem, za kratke i grede opterećene velikim tangencijalnim silama, te grede od drveta, neophodno je uzeti u obzir tangencijalne napone.
maxz gr
doz
MS S
maxdoz
VQIt S
max maxdoz
M yI S
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 125
Savijanje
Primjer 4.7: Slojevita drvena greda data na slici izložena je kontinuiranom opterećenju od 12 kN/m. Ako odnos visine i širine grede mora biti 1.5, odraditi najmanju širinu koja može izdržati opterećenje. Dozvoljeni napon na savijanje je 9 MPa, a na smicanje 0.6 MPa. Težinu grede zanemariti.
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 126
Savijanje
Primjer 4.8: Za gredu kružnog prstenastog poprečnog presjeka vanjskog prečnika d=50 mm, opterećenu kao na slici, odredi dimenzije poprečnog presjeka, ako je dozvoljeni napon na savijanje 100 MPa, a dozvoljeni tangencijalni napon je 50 Mpa
Podaci: LAB=0.4 m, LAC=1 m, LAD=1.2 m, FB=5 kN, MD=1 kNm.
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 127
SavijanjeDeformacioni radČisto savijanje Transferzalna sila
22 12 2V V
MyU dV dAdxE E I
2
0 2
L M dxUEI
22 12 2V V
VQU dV dAdxG G It
2 2
2 20 2
L
A
V QU dA dxGI t
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 128
*JM Gere, BJ Goodno, Mechanics of Materials, Cengage Learning, Seventh Edition, 2009.
Ravno stanje napona i primjena*
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 129
*Grupa autora, Elastostatika I, Tehnički fakultet, Bihać, 2003
Tenzor napona
Opšte stanje napona
Normalni napon je pozitivan ako se njegov smjer poklapa sa smjerom vanjske normale na elementu površine
Tangencijalni napon je pozitivan ako je na gornjoj i desnoj površini elementa usmjeren ka pozitivnom smjeru ose.
Normalni napon: indeksi pokazuju površinu na koju djeluje.
Tangencijalni napon: prvi indeks pokazuje površinu na koju napon djeluje, a drugi pravac u kojem djeluje.
Značenje indeksa
Konvencija o predznaku napona
Ravno stanje napona i primjena*
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 130
Ravno stanje napona
Ravno stanje napona – jedinstveno predstavljeno s dvije komponente normalnog napona i jednom komponentom tangencijalnog napona koji djeluju na element s određenim položajem u tački elementa.
xy yx 1 1 1 1x y y x
Ravno stanje napona i primjena
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 131
Naponi na kosoj ravni
1 0 0 0
0 0
sec( ) cos( ) sin( )
tg( )sin( ) tg( ) cos( ) 0x x xy
y yx
A A A
A A
10x i
iF
(5.1)
1 1 0 0 0
0 0
sec( ) sin( ) cos( )
tg( ) cos( ) tg( )sin( ) 0x y x xy
y yx
A A A
A A
10y i
iF
(5.2)
1
2 2cos ( ) sin ( ) 2 sin( )cos( )x x y yx
1 1
2 2( )sin( )cos( ) 2 (cos ( ) sin ( ))x y x y yx
(5.3)
(5.4)
Ravno stanje napona i primjena
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 132
1
2 2cos ( ) sin ( ) 2 sin( )cos( )x x y yx
1 1
2 2( )sin( )cos( ) 2 (cos ( ) sin ( ))x y x y yx
(5.3)
(5.4)
2 1cos ( ) (1 cos(2 ))2
21sin ( ) (1 cos(2 ))2
1sin( )cos( ) sin(2 )2
1cos(2 ) sin(2 )
2 2x y x y
x xy
1 1sin(2 ) cos(2 )
2x y
x y xy
(5.5)
(5.6)
Naponi na kosoj ravni
Ravno stanje napona i primjena
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 133
2cos(2 ) sin(2 )
2 2x y x y
x xy
(5.7)
1 1x y x y (5.8)
Naponi na kosoj ravni
1cos(2 ) sin(2 )
2 2x y x y
x xy
1 1sin(2 ) cos(2 )
2x y
x y xy
Ravno stanje napona i primjena
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 134
Glavni normalni naponi i najveći tangencijalni naponi
1 ( ) sin(2 ) 2 cos(2 ) 0x x y xydd
(5.8)
2tg(2 ) xy
x y
(5.8) (5.9)
• Ugao određuje ravan maksimalnog/minimalnog normalnog napona• Jednačina (3.9) ima dva korijena u domenu (0,2), a oni ovise od predznaka xy i (x-y) – ovi korijeni se nazivaju i uglovi glavnih ravni
1cos(2 ) sin(2 )
2 2x y x y
x xy
(5.5)
Ravno stanje napona i primjenaXII
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 135
22
2x y
xyR
cos(2 )2
x y
R
sin(2 ) xyR
1cos(2 ) sin(2 )
2 2x y x y
x xy
1 1sin(2 ) cos(2 )
2x y
x y xy
(5.5)
(5.6)
22
1 2 2x y x y
xy
22
2 2 2x y x y
xy
1 1 1 2x y x y (5.7)
U ravni glavnih normalnih napona ne djeluju tangencijalni naponi, tj. 12=0
(5.10)
(5.11)
Glavni normalni naponi i najveći tangencijalni naponi
Ravno stanje napona i primjena
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 136
1 1 ( ) cos(2 ) 2 sin(2 ) 0x y x y xydd
(5.12)
1tg(2 )2 tg(2 )x y
xy
(5.12) (5.13)
• Ugao određuje ravan maksimalnog/minimalnog tangencijalnog napona• Jednačina (3.13) ima dva korijena u domenu (0,2), a oni ovise od predznaka xy i (x-y) – za ugao prema (3.13) vrijedi
= 45
1 1sin(2 ) cos(2 )
2x y
x y xy
(5.6)
Glavni normalni naponi i najveći tangencijalni naponi
Ravno stanje napona i primjena
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 137
22
2x y
xyR
cos(2 )2
xy
R
sin(2 ) x yR
1cos(2 ) sin(2 )
2 2x y x y
x xy
1 1sin(2 ) cos(2 )
2x y
x y xy
(5.5)
(5.6)
1 1 1 2x y x y (5.7)
22 1 2
max,min 2 2x y
xy
(5.14)
U ravni najvećih tangencijalnih napona djeluju normalni naponi
1 2
2 2x y
Glavni normalni naponi i najveći tangencijalni naponi
(5.15)
Ravno stanje napona i primjena
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 138
Mohr-ov (Mor) krug napona (grafičko određivanje naponskog stanja)
1cos(2 ) sin(2 )
2 2x y x y
x xy
1 1sin(2 ) cos(2 )
2x y
x y xy
(5.5)
(5.6)
Jednačine za računanje napona mogu se predstaviti grafički pomoću Mohr-ovog kruga napona. Iz jednačina (3.5) i (3.6) se eliminiše ugao 2
Jednačine za računanje napona mogu se predstaviti grafički pomoću Mohr-ovog kruga napona. Iz jednačina (3.5) i (3.6) se eliminiše ugao tako što se obje jednačine kvadriraju i saberu, pa se dobije:
1 1 1
2 22 2
2 2x y x y
x x y xy
(5.16)
1 1 12 2 2
srx x y R (5.16a)
Ravno stanje napona i primjena
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 139
Mohr-ov (Mor) krug napona – konstrukcija
Dva načina crtanja Mohr-ovog kruga napona
Ravno stanje napona i primjena
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 140
Mohr-ov (Mor) krug napona – konstrukcija
• Nacrta se koordinatni sistem s abscisom x1 (n), pozitivna na desno, i ordinatom xy (n), pozitivna na dole
• U dijagramu se ucrta tačka A s koordinatama (x,xy) – predstavlja naponsko stanje na pozitivnoj x površi (površ A)
• U dijagramu se ucrta tačka B s koordinatama (y,-xy) – predstavlja naponsko stanje na pozitivnoj y površi (površ B)
• Povuče se duž od AB koja predstavlja prečnik kruga napona s centrom u tački C.
• Koristeći tačku C kao centar nacrta se kružnica koja prolaziu kroz tačke A i B.
• Ugao koji određuje ravan normalnih napona određuje se na osnovu ugla 22p
• Ugao koji određuje ravan maksimalnih tangencijalnih napona određuje se na osnovu ugla 2 2s
Ravno stanje napona i primjena
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 141
Mohr-ov (Mor) krug napona – konstrukcija
JM Gere, BJ Goodno, Mechanics of Materials, Cengage Learning, Seventh Edition, 2009.
Ravno stanje napona i primjena
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 142
Mohr-ov (Mor) krug napona – određivanje napona za proizvoljnu ravan
*Grupa autora, Elastostatika I, Tehnički fakultet, Bihać, 2003
Ravno stanje napona i primjena
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 143
Primjer 5.1: Element je izložen naponima kao na slici: x=85 MPa, y=-29 MPa, xy=-32.5 MPa.a) Odrediti glavne napone i prikaži na skici elementa naponab) Odrediti maksimalni tangencijalni napon i pokaži na elementu naponac) rezultate pod a) i b) potvrdi konstrukcijom Mohr-ovog kruga napona
-32.5MPa
85MPa
-29MPa
Ravno stanje napona i primjena
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 144
Hooke-ov zakon za ravno stanje napona
⇔ + +
xx E
xy E
yx E
yy E
xy yx G
2(1 )EG
1 ( )x x yE
1 ( )y y xE + utjecaj temperature
1 ( )x x y TE
1 ( )y y x TE (5.17)
xz E
yz E
( )z x yE ( )z x y TE
Ravno stanje napona i primjena
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 145
Hooke-ov zakon za ravno stanje napona
1 ( )x x yE
1 ( )y y xE + utjecaj temperature
1 ( )x x y TE
1 ( )y y x TE
(5.17)
2 ( )1x x yE
+ utjecaj temperature (5.18)2 ( )1 1x x y
E E T
2 ( )1 1y y xE E T
2 ( )1y y xE
( )z x yE ( )z x y TE
0z
Ravno stanje napona i primjena
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 146
Promjena zapremine i deformacioni rad
0V abc
1 ( )( )( ) (1 )(1 )(1 )x y z x y zV a a b b c c abc
1 0 (1 )(1 )(1 )x y zV V
1 0 (1 )x y zV V
1 0 0 ( )x y zV V V V
22 2
1 ( )21 ( 2 )
2 2
x x y y xy xy
xyx y x y
W
WE G
Promjena zapremine
Deformacioni rad
Specifična promjena zapremine (dilatacija):0
1 2 ( )x y z x yVe
V E
(5.19)
(5.20)
(5.21)
Ravno stanje napona i primjena
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 147
Specijalni slučajevi dvoosnog naponskog stanja
Aksijalno naprezanje
1
12
2x
1cos(2 ) sin(2 )
2 2x y x y
x xy
1 1sin(2 ) cos(2 )
2x y
x y xy
1(1 cos(2 ))
2x
x
1 1sin(2 )
2x
x y
Ravno stanje napona i primjenaXIII
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 148
Specijalni slučajevi dvoosnog naponskog stanja
Čisto smicanje (bez normalnih napona)
12
12
1cos(2 ) sin(2 )
2 2x y x y
x xy
1 1sin(2 ) cos(2 )
2x y
x y xy
1sin(2 )x xy
1 1cos(2 )x y xy
Ravno stanje napona i primjena
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 149
Element izložen čistom smicanju (nema normalnih napona)
Naponi na kosoj ravni
1sin(2 )x
1 1cos(2 )x y
Specijalni slučajevi dvoosnog naponskog stanja
Čisto smicanje (bez normalnih napona)
Ravno stanje napona i primjena
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 150
G max (1 )E E E
Tangencijalna deformacija je promjena ugla između dvije linije koje su prije opterećenja zaklapale ugao od 90 stepeni.
Specijalni slučajevi dvoosnog naponskog stanja
Čisto smicanje (bez normalnih napona)
Ravno stanje napona i primjena
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 151
Veza modula elastičnosti i modula klizanja
max2 (1 )bdL h
2 2 2 22 cos( )2bd
L h h h
2 2max max max(1 ) 1 cos( ) 1 2 1 sin2
max 2
max (1 )E E E
G
)1(2
EG(3.12)
Specijalni slučajevi dvoosnog naponskog stanja
Čisto smicanje (bez normalnih napona)
Ravno stanje napona i primjena
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 152
Specijalni slučajevi dvoosnog naponskog stanja
Dvoosno naprezanje, bez tangencijalnih napona
1cos(2 ) sin(2 )
2 2x y x y
x xy
1 1sin(2 ) cos(2 )
2x y
x y xy
1cos(2 )
2 2x y x y
x
1 1sin(2 )
2x y
x y
1
12
12
Ravno stanje napona i primjena
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 153
Maksimalni naponi u grediPravougaoni poprečni presjek
Normalni i tang. naponi Glavni normalni naponi Maksimalni tang. naponi
22
1,2 2 2x y x y
xy
22
max,min 2x y
xy
Ravno stanje napona i primjena
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 154
Maksimalni naponi u grediProfili
Ravno stanje napona i primjena
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 155
Primjer 5.2: Prosta greda AB dužine L=1.8 m opterećena je koncentričnom silom P= 48 kN koja djeluje na udaljenosti c=0.6 m od desnog oslonca. Greda je izrađena od čelika pravougaonog poprečnog presjeka bh=50 150 mm. Analiziraj glavne normalne i maksimalni tangencijalni napon u presjeku m-n koji se nalazi na udaljenosti x= 225 mm od lijevog oslonca.
Ravno stanje napona i primjena
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 156
Kombinovana opterećenja - općenito
Postupak rješavanja:
• Odabrati (kritičnu) tačku u kojoj želimo odrediti napone i deformacije. Kritične tačke su one u kojima se nalaze najveći normalni ili tangencijalni naponi preko formule za savijanje ili formule za tangencijalne napone.
• Za svako opterećenje, odrediti rezultante opterećenja u poprečnom presjeku u kojem se nalazi odabrana tačka• Izračunati normalne i tangencijalne napone u izabranoj tački za svaku od rezultanti opterećenja• Kombinovati pojedinačne napone kako bi se dobile komponente napona, tj. x, y, xy• Odrediti glavne normalne i najveće tangencijalne napone za izabranu tačku• Odrediti deformacije u izabranoj tački, koristeći Hooke-ov zakon• Izabrati dodatne tačke i ponoviti proces. Proces ponavljati sve dok se ne analizira neophodan broj tačaka.
Ravno stanje napona i primjenaXIV
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 157
Postupak rješavanja – primjer: analizirati napone u tačkama A i B (+ C i D)
Kombinovana opterećenja - općenito
1 3
2
o
Tr TI r
3
4A
Mr MI r
2 2
4 43 3V VA r
Tačka A
Tačka B
Ravno stanje napona i primjena
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 158
Primjer 5.3: Vratilo elise helikoptera pokreće elisu koja obezbjeđuje podižuću silu kako bi se helikopter održao u zraku. Kao posljedica se javlja kombinacija uvijanja i aksijalnog naprezanja. Ako je prečnik vratila 50 mm, moment uvijanja 2.4 kNm i zatežuća sila 125 kN, odrediti maksimalan zatežući, maksimalan pritisni napon te maksimalan tangencijalni napon vratila.
Ravno stanje napona i primjena
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 159
Primjer 5.4: Tabla dimenzija 2 x 1.2 m, kao na slici, postavljena je na stub u obliku cijevi unutrašnjeg prečnika 220 mm i vanjskog prečnika 180 mm. Početak znaka je 0.5 m od ose cijevi stuba, te 6 m iznad zemlje. Odrediti glavne napone i maksimalan tangencijalni napon u tačkama A i B na dnu stuba ako na znak djeluje vjetar koji izaziva pritisak 2 kPa.
Ravno stanje napona i primjenaXIV
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 160
Primjer 5.5: Stub od cijevi kvadratnog poprečnog presjeka služi kao nosač horizontalne platforme. Vanjska dimezija cijevi je 150 mm a debljina stjenke je 12.5 mm. Platforma ima dimenzije 170 x 610 mm i nosi kontinuirano opterećenje od 140 kPa koje djeluje na gornjoj površini. Rezultanta ovog opterećenja je vertikalna sila od 14.5 kN i djeluje na sredini platforme, udaljenom 230 mm od ose cijevi. Druga sila od 3.5 kN djeluje horizontalno na stub 1.3 m od osnove. Odrediti glavne normalne napone i maksimalan tangencijalni napon u tačkama A i B na osnovi.
75 mm
75 mm
12.5 mm
b=150 mm
t=12.5 mm
1.4 kNd=230 mm
h=1.3 m
P2=3.5 kN
Ravno stanje napona i primjena
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 161
Primjer 5.6: Pravougaoni blok izložen je vertikalnoj sili od 40 kN, s napadnom tačkom u uglu bloka (slika). Odrediti najveći napon koji djeluje u presjeku ABCD. Težinu bloka zanemariti.
Ravno stanje napona i primjenaXV
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 162
Hipoteze o razaranju materijala (teorije loma)*
*Grupa autora, Elastostatika II, Tehnički fakultet, Bihać, 2003*JM Gere, BJ Goodno, Mechanics of Materials, Cengage Learning, Seventh Edition, 2009.
Granica napona koja definiše slom materijala:• Duktilni/žilavi materijali – početak tečenja materijala• Krti materijali – čvrstoća materijala
• Jednostavno za jednostavna opterećenja; za kompleksna opterećenja koriste se teorije o razaranju• Nijedna teorija se ne može primijeniti na sve materijale niti na isti materijal pod različitim uslovima
(temperatura, brzina deformacije, ..)• Prvo se odrede normalni i tangencijalni naponi tamo gdje su najveći, pa se odrede glavni naponi, a onda odredi
ekvivalentni napon zavisno od teorije koja se primjenjuje!!!
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 163
Hipoteze o razaranju materijala (teorije loma)Duktilni materijali
Teorija (hipoteza) maksimalnog tangencijalnog napona (Tresca)
Lüderove linije pri ispitivanju čelika
max 2eHR ReH se uzima iz testa na zatezanje
1
2
1 2
eH
eH
eH
R
R
R
Kada 1 i 2 imaju isti znak
Kada su 1 i 2 različitog znaka
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 164
Hipoteze o razaranju materijala (teorije loma)Duktilni materijali
Teorija (hipoteza) najvećeg specifičnog deformacionog rada (Huber, von Mises, Hencky)
1 1 2 2 3 3
2 2 21 2 3 1 2 1 3 2 3
1 1 1 12 2 2 21 2
2
U
UE
2 2 21 2 1 3 2 316d
UE
Test na zatezanje 213d eH
U RE
Biaksijalno opterećenje 2 2 21 1 2 2 eHR
Čisto smicanje Y eH
R
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 165
Hipoteze o razaranju materijala (teorije loma)Krti materijali
Teorija (hipoteza) najvećeg normalnog napona (Rankine)
Test na zatezanje Test na uvijanje
1
2
m
m
R
R
ult mR
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 166
Hipoteze o razaranju materijala (teorije loma)Krti materijali
Mohr-ov kriterij (hipoteza)
• Za materijal s različitim osobinama na zatezanje i pritisak• Neophodno uraditi tri testa (jednoosno zatezanje, jednoosni pritisak,
test na uvijanje)
Kriva loma
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 167
Hipoteze o razaranju materijala (teorije loma)Krti materijaliKrti materijali
Mohr-ov kriterij (hipoteza) – pojednostavljeni model
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 168
Hipoteze o razaranju materijala (teorije loma)
• Otkaz duktilnih (žilavih) materijala određen je tečenjem materijala (granica tečenja) – definiše se klizanjem između kristala koji čine materijal, a koje se dešava usljed tangancijalnih napona, a teorija maksimalnog tangencijalnog napona se zasniva na ovoj ideji
• Otkaz krtih materijala određen je lomom materijala (čvrstoća) –dešava se samo usljed maksimalnih normalnih zateznih napona, a ne pritisnih, pa se koristi teorija najvećih normalnih napona (ukoliko je dijagram napon-deformacija isti za zatezanje i pritisak). Ukoliko materijal ima različite dijagame napon-deformacija, koristi se Mohr-ova teorija. Ipak, zbog nesavršenosti materijala, teško je predvidjeti lom krtih materijala, pa se rezultati moraju uzeti s oprezom!
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 169
Hipoteze o razaranju materijala (teorije loma)
Primjer 6.1: Puno vratilo od sivog liva izloženo je momentu uvijanja od 550 Nm. Odrediti najmanji poluprečnik pri kojem vratilo neće otkazati. Epruveta sivog liva izložena zatezanju ima zateznu čvrstoću od 140MPa.
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 170
Hipoteze o razaranju materijala (teorije loma)
Primjer 6.2: Puno vratilo izrađeno od čelika s granicom tečenja ReH =250 MPa ima poluprečnik 12.5mm. Odrediti da li će vratilo otkazati koristeći hipoteze sloma za duktilne materijale, ukoliko je izloženo aksijalnoj sili od 65kN i momentu uvijanja od 360 Nm.
132.4 MPa
117.3 MPa
12.5 mm
65 kN
T=360Nm
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 171
Hipoteze o razaranju materijala (teorije loma)
Primjer 6.3: Šipka od livenog aluminijuma izrađena je od legure s čvrstoćom na zatezanje od 60 MPa i čvrstoćom na pritisak od 120 MPa. Koristeći Mohrovu hipotezu odredi moment uvijanja pri kojem se može očekivati lom.
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021. 172
Hipoteze o razaranju materijala (teorije loma)
Primjer 6.4: Element od legure aluminijuma kvadratnog poprečnog presjeka stranice 20 mm, opterećen je silom pritiska od 10 kN i smicanjem silom 5 kN. Za najugroženiji dio poprečnog presjeka odrediti:
• glavne normalne i maksimalni tangencijalni napon,
• stepen sigurnosti koristeći von Mises hipotezu,
• najveću silu smicanja, koja se može primijeniti uz konstantnu silu pritiska, a da ne dođe do otkaza materijala. Stepen sigurnosti protiv plastičnih deformacija je 2. Koristiti Tresca kriterij.
Granica tečenja materijala je ReH=150 MPa.
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021.
Informacije o polaganju pismenog dijela ispita
1. Ispit sadrži 4-5 zadataka, od kojih svaki nosi 15-35% bodova.
2. Na ispitu je dozvoljeno koristiti Listu formula (može se naći na web-stranici kursa), kalkulator i pribor za pisanje.
3. Uz kalkulator i pribor za pisanje, obavezno ponijeti 2-3 prazne dvolisnice A4 format.
4. Mobiteli se ne mogu koristiti umjesto kalkulatora.
5. Ne mogu se koristiti urađeni zadaci, zbirke zadataka i sl., niti se oni mogu dodati na Listu formula.
3. Studenti koji budu ‘uhvaćeni’ u prepisivanju ili korištenju nedozvoljenih sredstava, biće udaljeni s ispita sa zabranom izlaska na pismeni ispit na dva sljedeća termina.
3. Minimalan prolaz na pismenom ispitu je 51%, ali može biti i veći zavisno od broja osvojenih bodova u zadaćama i testovima (učešće pojedinih provjera znanja u konačnoj ocjeni: zadaće/programi 30%, testovi 20%, pismeni ispit 50%)
-
MEHANIKA MATERIJALA I 2020/2021.
S R E T N O !!!