Позацентрове розтягання – стискання бруса

Окремим випадком сумісної дії згинання та розтягання (стискання) є так зване позацентрове розтягання (стискання). Такий вид складного опору має місце, якщо на брус довільного перерізу діє сила , паралельна до осі бруса Z, що прикладена у точці Р, яка не співпадає з центром ваги перерізу (рис.18). Точку Р з координатами називають полюсом, а найкоротшу відстань від неї до центру ваги перерізу – ексцентриситетом .

Для того щоб зробити висновки щодо напружено – деформованого стану бруса необхідно привести позацентрову силу до центра ваги перерізу. Згідно з законами теоретичної механіки, при паралельному переносі сили в площині переносу з’являється додатковий момент, рівний добутку сили з плечем переносу.

Рисунок 18

 

 

Приведення сили до центра ваги О можна здійснити у два етапи (рис.19).

 

Рисунок 19

 

Спочатку перенесемо силу в площині паралельній на відстань з точки P до точки С. У площині переносу з’являється момент .

Наступним кроком є перенос сили (і моменту ) на відстань з точки С до точки О. Цей перенос здійснюється у площині , тому в точці О з’являється момент .

Момент , згідно з аксіомою теоретичної механіки, може бути перенесеним до будь якої точки конструкції без порушення її загальної рівноваги. Перенос моменту здійснюється паралельно площині його дії без зміни величини та напряму повороту.

Таким чином в центрі ваги перерізу діють три силові фактори:

 

(27)

 

Із виразів (27) випливає незмінність внутрішніх зусиль уздовж осі . У разі позацентрового розтягання (стискання) усі перерізи стержня є рівнонебезпечними.

Отже, напружений стан у довільній точці перерізу В складається з напружень від поздовжньої сили та напружень від чистого згинання моментами , згідно з (19) та з урахуванням (27)

 

, (28)

 

де – радіуси інерції відносно головних осей перерізу X та Y відповідно.

Для пошуку небезпечної точки у разі складного профілю перерізу, треба побудувати нейтральну лінію. Небезпечною буде точка, найвіддаленіша від нейтральної лінії.

Оскільки нейтральна лінія, за її визначенням, є геометричним місцем точок з нульовими напруженнями , то з (28) випливає

 

 

де – координати точки, що належить до нейтральної лінії.

Рівняння нейтральної лінії

 

(29)

 

Відрізки, що відсікає нейтральна лінія на координатних осях, відповідно дорівнюють

 

. (30)

 

Співвідношення (30) також можна здобути із (24) за допомогою підстановки (27). Треба зазначити, що формули (24) мають більш широкий спектр дії, ніж (30). Наприклад, якщо до конструкції прикладено декілька позацентрових навантажень, то поздовжня сила і згинальні моменти , у (24) є алгебраїчними сумами відповідних компонентів у перерізі.

Із залежностей (30) випливає, що нейтральна лінія перетинає координатні осі в точках, які належать квадрантам, протилежним тому, де знаходиться полюс Р (рис. 20).

 

Рисунок 20

 

Якщо проведемо паралельно до нейтральної лінії дотичні до контуру перерізу в обидва боки, знайдемо найбільш напружені точки K та L у розтягнутій і стислій зонах перерізу відповідно (рис. 20). Якщо позначити та координати точок K і L відповідно, то умови міцності для них мають вигляд:

 

(31)

 

З урахуванням (27) умови (31) тотожні умовам (20). Тому, при різних формах перерізів і властивостей матеріалу, в разі позацентрового розтягання (стискання) треба користуватися раніше наведеними сполученнями (20-21.2).

Аналізуючи співвідношення (30) можна дістати висновку, що нейтральна лінія не завжди перетинає переріз та не проходить через центр ваги перерізу.

Якщо полюс співпадає з центром ваги (), то нейтральна лінія проходить у нескінченості (напруження розподілені рівномірно по площі перерізу і мають один знак). Із збільшенням ексцентриситету „е” нейтральна лінія наближається до перерізу і у певний момент стає дотичною до нього. Таке значення „е” вказує на межу ядра перерізу. При подальшому збільшенні ексцентриситету нейтральна лінія перетне переріз і розподілить його на зони з різними знаками напружень (рис. 20). Це важливо для стержнів з крихких матеріалів, що погано чинять опір розтяганню (наприклад, чавун, бетон і т.п.).

Отже, ядром перерізу називають замкнену зону навколо центра ваги перерізу, яка має таку властивість: якщо позацентрове навантаження розміщене в зоні ядра, то нормальні напруження в усіх точках перерізу мають однакові знаки.

Для побудови ядра перерізу задаються різними положеннями нейтральної лінії, дотичними до контуру перерізу, і обчислюють за допомогою (30) координати відповідних граничних точок ядра (точок, до яких має бути прикладена позацентрова сила)

 

. (32)

 

При обертанні нейтральної лінії навколо фіксованої точки контуру перерізу, полюс переміщується вздовж прямої лінії.