…ptf.unze.ba/wp/wp-content/uploads/2020/10/mehmat-i_g... · 2020. 10. 14. · istorijat mehanike...

175
Aleksandar Karač zgrada MF, kancelarija 1111 tel: 032 44 91 20 [email protected] 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 [email protected] MEHANIKA MATERIJALA I

Upload: others

Post on 02-Feb-2021

4 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  • Aleksandar Karač

    zgrada MF, kancelarija 1111

    tel: 032 44 91 20

    [email protected]

    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

    [email protected]

    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 !!!