Giáo trình Cơ học kết cấu II - Chương 5: Tính hệ siêu tĩnh bằng phương pháp lực
CƠ HỌC KẾT CẤU II
Page 1
CHƯƠNG 5: TÍNH HỆ SIÊU TĨNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP LỰC
ß1. KHÁI NIỆM VỀ HỆ SIÊU TĨNH - BẬC SIÊU TĨNH
I. Hệ siêu tĩnh:
1. Định nghĩa: Hệ siêu tĩnh là những hệ mà chỉ với các phương trình cân
bằng tĩnh học không thôi thì chưa đủ để xác định toàn bộ các phản lực và nội lực
trong hệ. Nói cách khác, đó là hệ bất biến hình và có liên kết thừa.
2. Ví dụ: Xét hệ trên hình (H.5.1a)
- Phần hệ BC là tĩnh định vì có thể
xác định được ngay nội lực bằng các
phương trình cân bằng tĩnh học.
MA
P
A
B
HA
- Phần hệ AB chưa thể xác định
được phản lực chỉ bằng các phương trình
cân bằng tĩnh học (4 phản lực VA, HA, MA,
VA
H.5.1a
VB
VB nhưng chỉ có 3 phương trình) nên cũng chưa thể xác định được nội lực.
Vậy theo định nghĩa, hệ đã cho là hệ siêu tĩnh.
II. Tính chất của hệ siêu tĩnh:
1. Tính chất 1:
Nội lực, biến dạng và chuyển vị trong hệ siêu tĩnh nói chung là nhỏ hơn so
với hệ có cùng kích thước và tải trọng tác dụng.
Hệ tĩnh định
Hệ siêu tĩnh
q
q
A
B
A
B
EJ
C
EJ
l/2
C
l/2
l/2
l/2
ql2
ql2
12
12
M
M
ql2
H.5.1b
ql2
H.5.1c
8
8
ql2
5 ql4
ql2
1 ql4
M
=
, ymax = yC =
M
=
, ymax= yC =
max
max
8
384 EJ
12
384 EJ
2. Tính chất 2: Trong hệ siêu tĩnh có xuất hiện nội lực do các nguyên nhân:
biến thiên nhiệt độ, chuyển vị cưỡng bức của các gối tựa và do chế tạo, lắp ráp
không chính xác gây ra.
a. Nguyên nhân biến thiên nhiệt độ:
Hệ tĩnh định
Hệ siêu tĩnh
(t2 > t1)
t1
MA≠ 0
A
t1
B
HA = 0
VA = 0
t2
t2
A
B
(t2 > t1)
H.5.1e
VB = 0
H.5.1d
CƠ HỌC KẾT CẤU II
Page 2
Các liên kết không ngăn cản biến
dạng của dầm nên không làm xuất
hiện phản lực và nội lực
Các liên kết tại A, B ngăn cản biến
dạng của dầm nên làm xuất hiện
phản lực và nội lực.
b. Nguyên nhân chuyển vị cưỡng bức của các gối tựa:
Hệ tĩnh định
Hệ siêu tĩnh
A
B
A
B
C
∆
∆
HA = 0
VA = 0
VA ≠ 0
H.5.1f
VB ≠ 0
H.5.1g
VB = 0
VC ≠ 0
Các liên kết khộng ngăn cản
chuyển vị tại gối B nên dầm chỉ bị
nghiên đi mà không biến dạng nên
không làm xuất hiện phản lực và
nội lực
Các liên kết tại A, B có xu hướng
ngăn cản chuyển vị tại gối C làm cho
dầm bị uốn cong do đó làm xuất hiện
phản lực và nội lực
c. Nguyên nhân chế tạo, lắp ráp không chính xác:(H.5.1h)
Dầm tĩnh định AB nếu được ráp
VC ≠ 0
thêm thanh CD vào sẽ trở thành hệ siêu
tĩnh. Nếu thanh CD do chế tạo hụt 1 đoạn
∆ thì khi ráp vào, nó sẽ bị kéo dãn ra đồng
thời dầm AB sẽ bị uốn cong nên sẽ làm
phát sinh phản lực và nội lực trong hệ.
3. Tính chất 3:
Nội lực trong hệ siêu tĩnh phụ thuộc
vào độ cứng của các cấu kiện trong hệ (EJ,
FF, GF…)
C
D
∆
A
B
H.5.1h
VA ≠ 0
*Nhận xét: Hệ siêu tĩnh chịu lực tốt
hơn hệ tĩnh định.
VB ≠ 0
III. Bậc siêu tĩnh:
1. Định nghĩa: Bậc siêu tĩnh là số các liên kết thừa tương đương với liên kết
loại 1 ngoài số liên kết cần thiết để cho hệ bất biến hình. Ký hiệu n
2. Cách xác định:
Có thể sử dụng các công thức liên hệ giữa số lượng các miếng cứng và các
liên kết giữa chúng trong phần cấu tạo hình học của hệ để xác định.
n = T + 2K + 3H + C – 3D
n = T + 2K + 3H – 3(D - 1)
n = D – 2M + C
(Cho hệ bất kỳ có nối đất)
(Cho hệ bất kỳ không nối đất)
(Cho hệ dàn có nối đất)
n = D – 2M + 3
(Cho hệ dàn không nối đất)
Ví dụ: Xác định bậc siêu tĩnh của hệ trên hình (H.5.1i & H.5.1j)
3
1
2
H.5.1j
H.5.1i
4
6
5
CƠ HỌC KẾT CẤU II
Page 3
- Hệ trên hình (H.5.1i) có n = 0 + 2.0 + 3.0 + 6 – 3.1 = 3
- Hệ trên hình (H.5.1j) có n = 11 – 2.6 + 3 = 2.
Cách phân tích các chu vi kín của hệ:
Xét 1 chu vi hở trên hình (H.5.1k). Đây là hệ tĩnh định.
MỐI HÀN
1
P
P P
P
P
P
P
P
k
H.5.1n
- Nếu nối chu vi đó bằng 1 liên kết thanh (H.5.1l) thì hệ thu được là hệ siêu
tĩnh bậc 1 (n = 1).
- Nếu nối chu đó bằng 1 liên kết khớp (H.5.1m) thì hệ thu được là hệ siêu
tĩnh bậc 2 (n = 2)
- Nếu nối chu vi đó bằng một liên kết hàn (H.5.1n) thì hệ thu được có bậc
1
H.5.1l
H.5.1k
H.5.1m
siêu tĩnh bằng 3 (n = 3). Hệ lúc này còn được gọi là chu vi kín.
Phân tích ngược lại ta thấy 1chu vi kín có bậc siêu tĩnh bằng 3, nếu thêm vào
1 khớp đơn giản thì bậc siêu tĩnh sẽ giảm đi 1. Vậy nếu gọi V là số chu vi kín, K là
số liên kết khớp đơn giản của hệ thì bậc siêu tĩnh của hệ được tính bằng công thức:
n = 3V – K
(5-1)
Ví dụ: Xác định bậc siêu tĩnh của các hệ cho trên hình vẽ bên dưới.
H.5.1o
H.5.1p
H.5.1u
- Hệ trên hình (H.5.1o) có n = 3.1 – 0 = 3
- Hệ trên hình (H.5.1p) có n = 3.2 – 5 = 1
- Hệ trên hình (H.5.1u) có n = 3.3 – 7 = 2
- Hệ trên hình (H.5.1v) có n = 3.4 – 0 = 12
H.5.1v
Chú ý: Cần quan niệm trái đất là 1
chu vi hở (miếng cứng tĩnh định) trong
biểu thức (5 - 1)
Nếu quan niệm hệ gồm 4 chu vi kín
như trên hình vẽ (H.5.1x) thì bậc siêu tĩnh
của hệ n = 12. Đây là quan niệm sai vì trái
đất tạo thành 1 chu vi kín. Quan niệm hệ
gồm 3 chu vi kín như trên hình (H.5.1y) là
quan niệm đúng. Và n = 3.3 – 0 = 9
H.5.1y
H.5.1x
CƠ HỌC KẾT CẤU II
Page 4
ß2. NỘI DUNG CỦA PHƯƠNG PHÁP LỰC
I. Hệ cơ bản của phương pháp lực:
Hệ cơ bản của phương pháp lực là hệ được suy ra từ hệ đã cho bằng cách loại
bỏ một số hay tất cả các liên kết thừa.
+ Nếu loại bỏ tất cả các liên kết thừa thì hệ cơ bản sẽ là hệ tĩnh định. (thường
sử dụng cách này)
+ Nếu loại bỏ một số các liên kết thừa thì hệ cơ bản là hệ siêu tĩnh bậc thấp
hơn.
Yêu cầu: Hệ cơ bản phải là hệ bất biến hình và nên thuận tiện cho việc tính
tính toán.
Ví dụ: Lập hệ cơ bản phương pháp lực của hệ siêu tĩnh trên hình (H.5.2.1)
Hệ đã cho có bậc siêu tĩnh n = 3. Với hệ cơ bản là tĩnh định có thể được tạo
như trên các hình (H.5.2.2abc)
(…)
H.5.2.1
H.5.2.2a
H.5.2.2b
H.5.2.2c
Nhận xét: Với một hệ siêu tĩnh đã cho, có thể có vô số hệ cơ bản được tạo ra.
II. Hệ phương trình cơ bản của phương pháp lực:
Khi tính hệ siêu tĩnh, ta không tính trực tiếp trên hệ đó mà tính hệ cơ bản của
nó. Tuy nhiên, hệ cơ bản và hệ ban đầu là có sự khác nhau. Để hệ cơ bản làm việc
giống hệ siêu tĩnh ban đầu của nó ta cần so sánh và bổ sung thêm các điều kiện.
Ta đi so sánh hệ siêu tĩnh (H5.2.3) và hệ cơ bản của nó (H5.2.4)
Hệ siêu tĩnh
Hệ cơ bản
P
P
C
C
B
B
H.5.2.4
X1
H.5.2.3
HD
D
A
D
A
MD
X3
VD
X2
-Tại D tồn tại các phản lực {VD, HD, MD}. -Tại D không tồn tại phản lực
-Tại D không tồn tại chuyển vị
-Tại D nói chung là tồn tại chuyển vị
{∆xD, ∆yD, ∆ϕD}
Vậy để cho hệ cơ bản làm việc giống hệ siêu tĩnh ban đầu thì trên hệ cơ bản
cần:
+ Đặt thêm vào D các lực (X1, X2, X3) tương đương thay thế (HD, VD, MD).
+ Thiết lập điều kịên chuyển vị tại D do (X1, X2, X3, P) gây ra bằng không:
∆x (X , X , X , P) = 0
D
1
2
3
∆y (X , X , X , P) = 0
D
1
2
3
∆ϕD (X1 , X 2 , X3 , P) = 0
CƠ HỌC KẾT CẤU II
Page 5
Tổng quát: Cho hệ siêu tĩnh chịu các nguyên nhân: tải trọng (P), biến thiên
nhiệt độ (t), chuyển vị cưỡng bức tại các gối tựa (Z) và chọn hệ cơ bản bằng cách
loại bỏ n liên kết thừa. Để hệ cơ bản làm việc giống hệ siêu tĩnh ban đầu, trên hệ cơ
bản cần:
+ Đặt thêm các lực (X1, X2,....., Xn) tương ứng vị trí và phương các liên kết bị
loại bỏ, có chiều tùy ý. Những lực này chưa biết và giữ vai trò ẩn số.
+ Thiết lập điều kiện chuyển vị tương ứng vị trí và phương các liên kết bị
loại bỏ do các nguyên nhân (X1, X2..... Xn, P, t, Z) = 0 (chính xác hơn là bằng như
trên hệ siêu tĩnh ban đầu). Điều kiện này có thể viết dưới dạng:
∆X (X , X ,...X , P,t, Z) = 0
1
1
2
n
∆X (X , X ,...X , P,t,Z) = 0
2
1
2
n
(5-2)
.....
∆Xn (X1 , X2 ,...X n , P,t, Z) = 0
Hệ (5-2) gọi là hệ phương trình cơ bản của phương pháp lực.
*Chú ý:
X1
X3
X3
- Nếu tạo hệ cơ bản bằng
cách loại bỏ liên kết giữa miếng
cứng và miếng cứng thì trên hệ cơ
bản phải đặt vào những cặp lực
lực trực đối nhau tại các liên kết bị
loại bỏ và điều kiện chuyển vị
chính là chuyển vị tương đối giữa
X2
X2
P
P
X1
H.5.2.5
H.5.2.6
2 tiết diện 2 bên liên kết bị loại bỏ bằng không. Ví dụ hệ cơ bản (H.5.2.6) của hệ
trên hình (H.5.2.5)
- Trường hợp liên kết trong hệ chịu chuyển vị cưỡng bức và khi tạo hệ cơ
bản ta loại bỏ liên kết này. Ví dụ xét hệ siêu tĩnh trên hình (H.5.2.7) và hệ cơ bản
của nó trên hình (H.5.2.8).
P
P
P
B
B
B
X1
m
n
a
(t, Z)
(t, Z)
H.5.2.8
(t, Z)
X1
X1
H.5.2.9
H.5.2.7
A
A
A
Lúc này chuyển vị tại B theo phương X1 sẽ bằng chuyển vị cưỡng bức. Hệ
phương trình cơ bản sẽ là:
∆X1(X1, P, t, Z) = -a.
Lấy dấu âm trước a khi X1 ngược chiều chuyển vị cưỡng bức.
- Cũng trong trường hợp chuyển vị cưỡng bức nhưng nếu tạo hệ cơ bản bằng
cách bỏ liên kết này, ví dụ hệ cơ bản tạo trên hình (H.5.2.9).
Có thể xem đây là trường hợp loại bỏ liên kết giữa miếng cứng và miếng
cứng nên trên hệ cơ bản ta đặt thêm cặp X1. Dù rằng tại tiết diện bị cắt m, n có tồn
tại chuyển vị do liên kết bị chuyển vị cưỡng bức nhưng chuyển vị tương đối của
chúng theo phương X1 vẫn bằng không nên hệ phương trình cơ bản:
∆X1(X1, P t, Z) = 0
CƠ HỌC KẾT CẤU II
Page 6
III. Hệ phương trình chính tắc của phương pháp lực:
Xét phương trình thứ k của hệ phương trình cơ bản:
∆Xk(X1, X2.... Xn, P, t, Z) = 0
Áp dụng nguyên lý cộng tác dụng, khai triển:
∆Xk(X1) + ∆Xk(X2) + ... ∆Xk(Xn) + ∆Xk(P) + ∆Xk(t)+ ∆Xk(Z) = 0
Gọi δkm là chuyển vị tương ứng với vị trí và phương Xk do riêng Xm = 1 gây
ra trên hệ cơ bản, ta có:
∆Xk(Xm) = δkm.Xm
Gọi ∆kp, ∆kt, ∆kZ lần lượt là chuyển vị tương ứng vị trí và phương Xk do riêng
P, t, Z gây ra trên hệ cơ bản, ta có:
∆Xk(P) = ∆kP, ∆Xk(t) = ∆kt, ∆Xk(Z) = ∆kZ
Cho m = 1, n và thay tất cả vào, ta được:
δk1X1 + δk2X2 + ...+ δknXn + ∆kP + ∆kt + ∆kZ = 0
Cho k = 1, n ta được hệ phương trình:
δ X + δ X + ...δ X + ∆ + ∆ + ∆ = 0
11
1
12
2
1n
n
1P
1t
1z
δ X + δ X + ...δ X + ∆ + ∆2t + ∆2z = 0
21
1
22
2
2n
n
2P
(5-3)
.....
δn1 X1 + δn2 X 2 + ...δnn Xn + ∆nP + ∆nt + ∆nz = 0
Hệ phương trình (5-3) gọi là hệ phương trình chính tắc của phương pháp lực
với các ẩn số (X1,X2,...Xn).
Trong đó:
δkk gọi là hệ số chính, δkk > 0
δkm (k ≠ m) gọi là hệ số phụ, δkm = δmk
∆kp, ∆kt, ∆kZ là các số hạng tự do.
IV. Xác định các hệ số của hệ phương trình chính tắc:
Như đã nói trong phần hệ phương trình chính tắc, ý nghĩa của các hệ số và
các số hạng tự do là chuyển vị trên hệ cơ bản do các nguyên nhân tương ứng gây ra.
Vậy việc xác định chúng là đi thực hiện bài toán tìm chuyển vị.
1. Hệ số chính và phụ:(δkm)
+ Trạng thái "m": tính hệ cơ bản chịu nguyên nhân Xm = 1. Xác định nội lực
, N m ,Q
M m
m
+ Tạo trạng thái "k": đặt lực Pk = 1 tương ứng phương và vị trí của lực Xk
trên hệ cơ bản. Xác định nội lực
, N k ,Q . Áp dụng công thức Maxwell-Morh:
M k
k
Qm
M m
N m
EF
δkm =
M k .
ds +
N k .
ds +
νQk .
ds (5-4)
∑
∑
∑
∫
∫
∫
EJ
GF
Nếu cho phép áp dụng phép "nhân biểu đồ" Vêrêxaghin:
δkm =(M m )(M k ) + (N m )(N k ) + (Qm )(Qk ) (5-5)
2. Số hạng tự do:
a. Do tải trọng: (∆kp)
+ Trạng thái "m": Tính hệ cơ bản chịu tải trọng. Xác định nội lực:
M Po , NPo ,QPo
+ Tạo trạng thái "k": tương tự lúc xác định δkm.
CƠ HỌC KẾT CẤU II
Page 7
Áp dụng công thức Maxwell-Morh:
M Po
NPo
EF
QPo
∆kP =
M k .
ds +
N k .
ds +
ν Qk .
∑
∫
ds (5-6)
∑
∑
∫
∫
EJ
GF
Nếu cho phép áp dụng phép "nhân biểu đồ" Vêrêxaghin:
∆kP =(M m )(M o ) + (N m )(N o ) + (Q )(Qo )
(5-7)
P
P
m
P
b. Do biến thiên nhiệt độ (∆kt):
+ Trạng thái "m": là hệ cơ bản chịu nguyên nhân biến thiên nhiệt độ. Nếu hệ
cơ bản là tĩnh định, nguyên nhân này sẽ không gây ra nội lực. Công thức thiết lập
dưới đây chỉ xét cho trường hợp này.
+ Trạng thái "k": tương tự lúc xác định δkm
Áp dụng công thức Maxwell-Morh:
α
h
∆ =
(t2m − t )M k ds +
αtcm N k ds
(5-8)
∑
∑
∫
kt
1m
∫
Trong trường hợp α, h, t2m, t1m, tcm = const trên từng đoạn thanh thì:
α
h
∆ =
(t2m − t )Ω(M k ) + αt Ω(N k )
(5-9)
∑
∑
kt
1m
cm
Ý nghĩa cụ thể và dấu của các đại lượng, xem trong chương chuyển vị.
c. Do chuyển vị cưỡng bức của các gối tựa: (∆kz)
- Trạng thái "m": là hệ cơ bản chịu nguyên nhân là chuyển vị cưỡng bứccủa
các gối tựa. Nếu hệ cơ bản là tĩnh định, nguyên nhân này không gây ra nội lực.
Công thức thiết lập dưới đây chỉ xét cho trường hợp này.
- Trạng thái "k": tương tự khi xác định δkm, nhưng chỉ xác định R jk .
Áp dụng công thức Maxwell-Morh:
∆kZ = − R .Z (5-10)
∑
j
jk
Ý nghĩa cụ thể và dấu của các đại lượng, xem trong chương chuyển vị.
*Chú ý: Nếu lực Xk lấy bằng 1 thì có thể lấy Xk thay thế cho Pk = 1 khi tạo
trạng thái "k" để xác định các hệ số.
V. Cách tìm nội lực trong hệ siêu tĩnh:
a. Cách tính trực tiếp:
Sau khi giải hệ phương trình chính tắc xác định các ẩn số Xk (k = 1, n ), ta
xem chúng như các ngoại lực tác dụng lên hệ cơ bản cùng với các nguyên nhân tác
dụng lên hệ siêu tĩnh ban đầu. Giải hệ cơ bản chịu các nguyên nhân này sẽ tìm được
các nội lực của hệ. Vì hệ cơ bản thường là hệ tĩnh định nên có thể sử dụng các
phương pháp đã quen biết để tìm nội lực.
b. Cách áp dụng nguyên lý cộng tác dụng:
Xét 1 đại lượng nghiên cứu S nào đó (nội lực, phản lực, chuyển vị, biểu đồ
nội lực...). Theo cách tính trực tiếp nói trên, ta có thể thay thế việc xác định S trên
hệ siêu tĩnh bằng cách xác định đại lượng S trên hệ cơ bản chịu nguyên nhân tác
dụng lên hệ siêu tĩnh ban đầu và các lực Xk đồng thời tác dụng.
S = S(X1, X2,... Xn, P, t, Z )
Áp dụng nguyên lý cộng tác dụng:
S = S(X1) + S(X2) + ... S(Xn) + S(P) + S(t) + S(Z)
Gọi
là đại lượng S do riêng Xk = 1gây ra trên hệ cơ bản, ta có:
S k
S(Xk) =
.X
S k
k
CƠ HỌC KẾT CẤU II
Page 8
Gọi SPo , Sto , SZo lần lượt là đại lượng S do riêng P, t, Z gây ra trên hệ cơ bản,
thế thì:
S(P) = SPo , S(t) = Sto , S(Z) = SZo
Cho k = 1, n thay tất cả vào ta được:
S = S1.X + S 2 .X + ......S n .X + S o + So + S o
(5-11)
1
2
n
p
t
Z
Chú ý:
- Đại lượng S có thể được xác định ngay nếu có sẵn
, S o , S o , S o
S k
P
t
Z
- Nếu đại lượng S là phản lực hay nội lực và hệ cơ bản là tĩnh định thì các đại
lượng SPo , Sto , SZo sẽ không tồn tại.
Sau đây ta sẽ vận dụng biểu thức (5-11) để vẽ các biểu đồ nội lực.
a. Biểu đồ mômen uốn (M):
Đối với những hệ dầm và khung gồm những thanh thẳng, trong các bước tính
toán trung gian, người ta thường bỏ qua ảnh hưởng của lực dọc và lực cắt đến
chuyển vị. Do đó, khi xác định các hệ số người ta không vẽ các biểu đồ (Q), (N) mà
chỉ vẽ biểu đồ mômen (M). Trong những trường hợp này, biểu đồ mômen của hệ
được vẽ theo biểu thức (5-11) là tiện lợi nhất. Thay đại lượng S bằng biểu đồ (M) ta
được:
(M ) = (M1 ).X + (M 2 ).X +......(M n ).X + (M o ) + (M o ) + (M o ) (5-12)
1
2
n
p
t
Z
b. Biểu đồ lực cắt (Q):
λl
µl
Như phân tích trên, sẽ không thuân
lợi nếu vẽ biểu đồ (Q) theo biểu thức (5-
11). Sau đây sẽ trình bày cách vẽ biểu đồ
lực cắt theo biểu đồ (M) đã vẽ. Để tiện lợi
cho việc áp dụng, ta đi thiết lập công thức
tổng quát xác định lực cắt ở 2 đầu 1 đoạn
thanh thẳng ab tách ra từ hệ chịu tải trọng
phân bố liên tục hướng theo 1 phương bất
kỳ và có qui luật bất kỳ như trên hình vẽ
(H.5.2.10)
ωq
q
Mph
Nph
Mtr
a
b
Qtr
Qph
α
Tải trọng tác dụng được mô tả trên
(H.5.2.10). Trong đó q, Mtr, Mph đã biết,
Qtr, Ntr, Qph, Nph chưa biết, giả thiết có
chiều dương theo vị trí người quan sát nhìn
sao cho tải trọng phân bố q hướng xuống.
tr
l
H.5.2.10
Từ các điều kiện cân bằng mômen với điểm b và a, ta suy ra:
ph
M
− M tr
Qtr =
cosα + µ.ωq cosα
l
(5-13)
ph
M
− M tr
Q ph
=
cosα − λ.ωq cosα
l
Trong đó:
ωq: là hợp lực của tải phân bố q trên đoạn thanh ab.
λl, µl: lần lượt là khoảng cách từ hợp lực ωq đến đầu trái và phải của thanh
ab theo phương nằm ngang.
Nếu tải trọng tác dụng lên thanh ab là phân bố đều:
CƠ HỌC KẾT CẤU II
Page 9
1
q = const thì ωq = ql, λ = µ =
2
Thay vào biểu thức (5-13)
ph
M
− M tr
1
Qtr =
cosα + ql.cosα
l
2
(5-14)
ph
M
− M tr
1
Q ph
=
cosα − ql cosα
l
2
Nếu trên đoạn thanh ab không chịu tải trọng: q = 0 thì ωq= 0. Thay vào biểu
thức (5-13):
ph
M
− M tr
l
Qtr = Q ph
=
cosα
(5-15)
Sau khi xác định được lực cắt từ hai đầu mỗi đoạn thanh cũng chính là tại
các tiết diện đặc trưng, tiến hành vẽ biểu đồ lực cắt dựa vào dạng đường của nó như
trong phần vẽ biểu đồ nội lực của hệ tĩnh định.
c. Biểu đồ lực dọc:
Cũng tương tự cho biểu đồ (Q), biểu đồ lực dọc (N) được vẽ bằng cách suy
ra từ biểu đồ lực cắt. Cách thực hiện như sau:
Tách và xét cân bằng hình chiếu cho mỗi nút của hệ sao cho tại mỗi nút có
không quá 2 lực dọc chưa biết. Khi khảo sát cân bằng, ngoài tải trọng tác dụng lên
nút còn có nội lực tại các đầu thanh quy tụ vào nút bao gồm: mômen uốn (đã biết
nhưng không cần quan tâm), lực cắt (đã biết, lấy trên biểu đồ lực cắt), lực dọc (chưa
biết, giả thiết có chiều dương)
Ngoài ra, khi xác định lực dọc cũng có thể vận dụng mối quan hệ giữa lực
dọc tại hai đầu thanh từ điều kiện của thanh được vẽ trên hình (H.5.2.10).
N ph = N tr + ωq .sin α
(5-16)
Từ phương trình (5-16) cho thấy nếu trên đoạn thanh không chịu tải trọng
hoặc tải trọng tác dụng vuông góc với trục thanh thì lực dọc tại 2 đầu sẽ bằng nhau
và cùng gây kéo hoặc gây nén.
Sau khi xác định được lực dọc tại 2 đầu mỗi đoạn thanh, tiến hành vẽ biểu đồ
lực dọc như trong phần vẽ biểu đồ nội lực của hệ tĩnh định.
CÁC VÍ DỤ VỀ PHƯƠNG PHÁP LỰC
Ví dụ 1: Vẽ các biểu đồ nội lực trên hình (H.5.2.11). Cho biết độ cứng trong
thanh đứng là EJ, trong thanh ngang là 2EJ. Chỉ xét ảnh hưởng của biến dạng uốn.
1. Bậc siêu tĩnh:
n = 3V - K = 3.1 - 2 = 1
q = 1,2T/m
3
P = 2T
3
C
A
D
B
H.5.2.12
X1
M 1
X1 = 1
H.5.2.13
H.5.2.11
4m
CƠ HỌC KẾT CẤU II
Page 10
2. Hệ cơ bản và hệ phương trình chính tắc:
- Hệ cơ bản: tạo trên hình vẽ (H.5.2.12)
- Hệ phương trình chính tắc:
6
6
δ11 X1 + ∆1p = 0
2,4
3. Xác địnhcác hệ số của hệ phương trình chính
M Po
tắc:
- Vẽ các biểu đồ (M 1 ),(M op ) : (H.5.2.13 & 14)
H.5.2.14
1 3.3 2
1
36
δ11 = (M 1 ).(M 1 ) =
.
. .3 .2 +
.3.4.3 =
EJ 2 3
1 3.3 2
2EJ
EJ
1
6.4
2
45,6
∆ = (M 1 ).(M o ) =
.
. .6 +
+ .4.2,4 .3 =
1p
p
EJ 2 3
2EJ 2
3
EJ
Thay vào phương trình chính tắc:
36
45,6
− 45,6
36
.X1 +
= 0 → X1 =
= −1,266 < 0
EJ
EJ
4. Vẽ các biểu đồ nội lực:
a. Mômen: (M ) = (M 1 ).X1 + (M po )
(M 1 ).X1 : lấy tung độ trên biểu đồ (M 1 ) nhân
3,8
3,8
với giá trị X1 = -1,266. Dấu "-" có nghĩa là ta phải đổi
dấu của tung độ sau khi nhân vào. Kết quả trên hình vẽ
(H5.2.15). Sau đó lấy tổng đại số các tung độ trên 2
(M 1 )X1
biểu đồ (M 1 )X1 và (M po )sẽ được biểu đồ (M). Kết quả
H.5.2.15
trên hình vẽ (H.5.2.16)
b. Lực cắt: Được vẽ bằng cách suy ra từ (M)
- Trên đoạn AC: q = 0
M ph − M tr
2,2 − 0
Qtr = Qph =
cosα =
.1 = 0,733
l
3
- Trên đoạn BD: q = 0
ph
M
− M tr
l
3,8 − 0
Qtr = Q ph
=
cosα =
.1 = 1,266
3
- Trên đoạn CD: q = const
M ph − M tr
1
− 3,8 − (2,2)
1
Qtr =
cosα + ql cosα =
.1+ .1,2.4 = 0,9
l
2
1
4
2
1
ph
M
− M tr
− 3,8 − (2,2)
Q ph
=
cosα − ql cosα =
.1− .1,2.4 = −3,9
l
2
4
2
Dựng các tung độ vừa tính và vẽ biểu đồ (Q) như trên hình vẽ (H5.2.17)
c. Lực dọc: Suy ra từ các biểu đồ lực cắt: (Q)
Q1 = 0,9
- Tách nút C:
P = 2
ΣX = 0 → N = Q − P = −1,266
1
2
N1
C
ΣY = 0 → N2 = −Q1 = −0,9
Q2 = 0,733
- Tách D:
H.5.2.19
N2
CƠ HỌC KẾT CẤU II
Page 11
ΣX = 0 → N = −Q = −1,266
3
4
Q3 = 3,9
D
ΣY = 0 → N4 = −Q3 = −3,9
N3
N1 giống N3 theo quan hệ lực dọc tại 2 đầu
mỗi đoạn. Suy ra lực dọc tại A và C theo N2 và N4.
Kết quả biểu đồ (N) được vẽ trên hình vẽ
(H5.2.18)
Q4 = 1,266
H.5.2.20
N4
3,8
0,9
2,2
3,9
2,4
1,266
Q
M
(T.m)
(T)
N
0,733
(T)
1,266
3,9
0,9
H.5.2.16
H.5.2.17
H.5.2.18
Ví dụ 2: Vẽ các biểu đồ nội lực của hệ trên hình vẽ (H.5.2.21). Cho biết độ
cứng trong thanh đứng là 2EJ, trong các thanh ngang là EJ. Chỉ xét đến ảnh hưởng
của biến dạng uốn.
q = 1,2T/m
P = 2T
C
H.5.2.21
D
B
X1
H.5.2.22
X2
A
3m
1. Bậc siêu tĩnh:
3m
n = 3V - K = 3.2 - 4 = 2
2. Hệ cơ bản và hệ phương trình chính tắc:
- Hệ cơ bản: tạo trên hình vẽ.(H.5.2.22)
- Hệ phương trình chính tắc:
δ X + δ X + ∆ = 0
11
1
12
2
1P
δ21 X1 + δ22 X 2 + ∆2P = 0
3. Xác định các hệ số của hệ phương trình chính tắc:
-Vẽ các biểu đồ (M 1 ),(M 2 ),(M po )
1,35
3
3
5,4
3
3
X2 = 1
X1 = 1
M Po
H.5.2.23
H.5.2.24
H.5.2.25
13,4
M 2
M 1
3
3
-Xác định các hệ số:
CƠ HỌC KẾT CẤU II
Page 12
1 3.3 2
. .3 +
EJ 2 3
1
27
δ11 = (M 1 )(M 1 ) =
.
.3.4.3 =
2EJ
EJ
1
18
δ12 = δ21 = (M 1 )(M 2 ) = −
.3.4.3 = −
2EJ
EJ
27
δ22 = (M 2 )(M 2 ) = δ11 =
EJ
1 13,4 + 5,4
56,4
∆ = (M 1 )(M o ) =
.
.4.3 =
1P
P
2EJ
2
EJ
1 5,4.3 2
1 2
. .3.1,35. = −
EJ 3
3
68,55
EJ
∆
= (M 2 )(M o ) = −∆ −
.
. .3 +
2P
P
1P
EJ
2
3
2
Thay vào hệ phương trình chính tắc sau khi đã bỏ đi EJ dưới mẫu số:
27.X1 −18.X 2 + 56,4 = 0
X = −0,713 < 0
1
Giải ra được
−18.X1 + 27.X 2 − 68,55 = 0
X 2 = 2,063 > 0
4. Vẽ các biểu đồ nội lực:
2,139
a. Mômen:(M ) = (M1 ).X1 + (M2 ).X2 + (M Po )
Kết quả thể hiện trên hình vẽ (H.5.2.28)
b. Lực cắt: Suy ra từ biểu đồ (M)
- Trên đoạn BC: q = 0
(M 1 )X1
2,139
− 2,139 − 0
→ Qtr = QPh
=
.1 = −0,713
H.5.2.26
3
- Trên đoạn AC: q = 0
6,189
2,928 − (−5,072)
→ Qtr = QPh
=
.1 = 2
6,189
4
- Trên đoạn CD: q = const.
(M 2 )X 2
6,189
0 − 0,789
1
Qtr =
.1+ .1,2.3.1 = 1,537
3
2
H.5.2.27
0 − 0,789
1
Q ph
=
.1− .1,2.3.1 = −2,063
3
2
Kết quả vẽ biểu đồ lực cắt thể hiện trên hình vẽ (H.5.2.29)
c. Lực dọc (N):Suy ra từ
biểu đồ (Q)
Q2 = 0,713
Q1 = 0,713
Q3 = 1,537
N3
P = 2T
B
N1
* Tách và xét cân bằng
* Tách và xét cân bằng
Sau đó suy ra lực dọc tại
N2 = 2
C
B.
C.
Q4 = 2
VB
H.5.2.30a
N4
H.5.2.30b
các đầu thanh còn lại và vẽ được biểu đồ (N) như trên hình vẽ (H.5.2.31).
2,139
1,537
2,928
0,789
1,35
2
0,713
2,063
N
Q
M
(T)
(T)
(T.m)
2,25
5,072
2
H.5.2.29
H.5.2.31
H.5.2.28
CƠ HỌC KẾT CẤU II
Page 13
Ví dụ 3:Vẽ các biểu đồ nội lực trên hình vẽ (H.5.2.32).
Số liệu: α = 1,2.10-5.C-1; thanh ngang có độ cứng 2EJ, h = 0,4m; thanh đứng
là EJ, h = 0,3m; EJ = 1080T.m2
40OC
20OC
3
3
E
F
3
3
X1
X1 = 1
X1 = 1
3
M 1
N1
20OC
10OC
C
D
3
3
10OC
O
20 C
H.5.2.35
H.5.2.34
H.5.2.33
X2
B
A
H.5.2.32
3m
1. Bậc siêu tĩnh:
3
n = 3K - V = 3.2 - 4 = 2
2. Hệ cơ bản và hệ phương trình chính tắc:
- Hệ cơ bản: tạo trên hình vẽ (H.5.2.33).
- Hệ phương trình chính tắc:
δ X + δ X + ∆ = 0
11
1
12
2
1t
δ21 X1 + δ22 X2 + ∆2t = 0
3. Xác định các hệ số của hệ phương trình chính tắc:
-Vẽ các biểu đồ (M1 ),(N1 ),(M2 ),(N2 )
Kết quả thể hiện trên các hình vẽ (H.5.2.34 → H.2.2.37)
1 3.3 2
1
36
δ11 = (M 1 )(M 1 ) =
.
. .3 .2 +
.3.4.3 =
2EJ 2 3
EJ
EJ
1 3.3
.
27
− 6,25
EJ
δ12 = δ21 = (M 1 )(M 2 ) = −
.3 = −
=
2EJ 2
4EJ
1 3.3 2
1
31,5
δ22 = (M 2 )(M 2 ) =
.
. .3 .2 +
.3.3.3 =
EJ 2 3
2EJ
EJ
0,199
H.5.2.36
H.5.2.37
(M 2 )X 2
(M 1)X1
0,447
1
3
3
3
0,199
0,447
0,447
3
0,199
H.5.2.38
M 2
N 2
H.5.2.39
X2 = 1
X2 = 1
α
h
∆1t = Σ (t2 − t1 )Ω(M1 ) + Σα.tc .Ω(N1 ) =
CƠ HỌC KẾT CẤU II
Page 14
α
0,4
α
3.3
2
α
0,4
3.3
2
=
(10 − 20)(−
) +
(20 − 40)(+
) = −112,5α = −0,00135
∆2t = Σ (t2 − t1 )Ω(M2 ) + Σα.tc .Ω(N2 )
h
α
0,4
α
0,3
3.3
10 + 20
=
(10 − 20)(3.3) +
(10 − 20)( ) +α.
.(1.3) = −330α = −0,00396
2
2
Thay vào hệ phương trình chính tắc:
36
6,25
.X1 −
X2 − 0,00135 = 0
X = 0,0663
1
EJ
− 6,25
EJ
EJ
Thay EJ = 1080 vào, giải ra
31,5
X2 = 0,148
.X1 −
X 2 − 0,00396 = 0
EJ
4. Vẽ biểu đồ nội lực:
a. Mômen:(M ) = (M1 ).X1 + (M2 ).X2
Ở đây(MPo ),(Mto ),(MZo ) không tồn tại
Kết quả thể hiện trên hình vẽ (H.5.2.40)
b. Biểu đồ lực cắt và lực dọc: tương tự ví dụ trước. Kết quả trên hình vẽ
(H.5.2.41 & H.5.2.42).
* Chú ý: Ở đây có thể vẽ ngay biểu đồ (N) bằng cách:
(N) = (N1 ).X1 + (N2 ).X2
0,066
0,066
0,199
N
M
(T.m)
Q
(T)
(T)
0,149
0,066
0,199
0,248
0,447
0,447
H.5.2.41
H.5.2.42
0,066
H.5.2.40
0,149
0,149
Ví dụ 4:Vẽ các biểu đồ nội lực của hệ cho trên hình vẽ (H.5.2.43).
Cho biết độ cứng trong các thanh ngang là EJ, thanh đứng là 2EJ và EJ =
1080T.m2, ∆1 = 0,03m, ∆2 = 0,02m, ϕ = 0,005radian
X1
B
D
C
A
∆
∆
2
1
X2
H.5.2.44
X1
ϕ
H.5.2.43
3m
3m
1. Bậc siêu tĩnh: n = 3V - K = 3.2 - 4 = 2
2. Hệ cơ bản và hệ phương trình chính tắc:
- Hệ cơ bản: tạo trên hình vẽ.(H5.2.44)
- Hệ phương trình chính tắc:
CƠ HỌC KẾT CẤU II
Page 15
δ X + δ X + ∆ = 0
11
1
12
2
1Z
δ21 X1 + δ22 X 2 + ∆2Z = −∆1 = −0,03
3. Xác định các hệ số của hệ phương trình chính tắc:
-Vẽ (M1 )(M 2 ), xác định các R jk . Xem hình (H.5.2.45 & H.5.2.46).
3
3
X1 = 1
X1 = 1
3
X2 = 1
H.5.2.46
H.5.2.45
M 1
M 2
RD2 = 0
RD1 = 1
RA2 = 3
RA1 = 3
1 3.3 2
1
22,5
δ11 = (M 1 )(M 1 ) =
.
. .3 +
.3.3.3 =
EJ 2 3
2EJ
EJ
1
13,5
δ12 = δ21 = (M 1 )(M 2 ) =
.3.3.3 =
2EJ
EJ
22,5
δ22 = (M 2 )(M 2 ) =
EJ
∆1Z = −ΣRj1.Z j = −
RA1.ϕ + RD1.∆2
= −
− 3.0,005 +1.0,02
= −0,005
∆
= −ΣRjZ .Z j = − RA2 .ϕ + RD2.∆2 = − − 3.0,05 + 0.0,02 = 0,015
2Z
7,2
Thay
vào hệ phương trình chính tắc:
22,5
13,5
.X1 +
.X1 +
.X2 − 0,005 = 0
(M 1 )X1
EJ
13,5
EJ
22,5
H.5.2.47
H.5.2.48
.X2 + 0,015 = −0,03
EJ
EJ
10,8
4. Vẽ biểu đồ nội lực:
- Biểu đồ momen: (M ) = (M1 ).X1 + (M2 ).X2
- Biểu đồ lực cắt (Q) và lực dọc (N): vẽ giống
các ví dụ trước. Kết quả trên hình vẽ (H.5.2.50 &
H.5.2.51).
(M 2 )X 2
7,2
10,8
2,4
6
3,6
H.5.2.50
M
H.5.2.49
N
(T)
Q
(T.m)
3,6
(T)
H.5.2.51
CƠ HỌC KẾT CẤU II
Page 16
ß3. XÁC ĐỊNH CHUYỂN VỊ TRONG HỆ SIÊU TĨNH
I. Nguyên tắc chung:
Công thức tính chuyển vị Maxwell-Morh là công thức tổng quát áp dụng cho
cả hệ tĩnh định và hệ siêu tĩnh. Trong công thức này, ta phải tính hệ với 2 trạng thái:
-Trạng thái "m": là trạng thái ban đầu của hệ.
-Trạng thái "k": được tạo ra bằng cách đặt lực Pk = 1 tương ứng với vị trí và
phương chuyển vị ở trên sơ đồ tính ban đầu của hệ.
Chẳng hạn, để xác định chuyển vị ngang tại C của hệ trên hình H.5.3.1
- Ở trạng thái "m" ta tính hệ siêu tĩnh ban đầu (H.5.3.2)
- Ở trạng thái "k" ta tính hệ siêu tĩnh đó 1 lần nữa do Pk = 1gây ra (H.5.3.3)
P
P
Pk = 1
C
D
"m"
"k"
(M k )
(Mm)
H.5.3.1
A
B
H.5.3.3
H.5.3.2
Sau khi tính giải nội lực, thực hiện công thức Morh hoặc nhân biểu đồ
Vêrêxaghin sẽ được kết quả.
Nhận xét:Ta phải tính hệ siêu tĩnh 2 lần, khối lượng tính toán nặng nề.
II. Cách sử dụng hệ cơ bản:
Không mất tính tổng quát, ta phân tích cho bài toán xác định chuyển vị của
hệ trên hình (H.5.3.1). Giả sử chọn hệ cơ bản của nó trên hình (H.5.3.4). (X1, X2,
X3) là nghiệm của hệ phương trình chính tắc.
Khi giải hệ trên hình (H.5.3.1)
bằng hệ cơ bản trên hình (H.5.3.4)
thì 2 hệ này là tương đương nhau.
Nghĩa là nội lực, biến dạng và
chuyển vị của 2 hệ là như nhau. Ta
thử đi tìm chuyển vị trên hệ cơ bản.
Để tìm chuyển vị trên hình (H.5.3.4),
ở trạng thái "m" ta cũng cần phải giải
tìm X1, X2, X3, nghĩa là tương đương
với trạng thái "m" trên hình
P
P
C
D
"k"
M ko
H.5.3.4
X1
A
B
H.5.3.5
X3
X2
(H.5.3.2). Tuy nhiên ở trạng thái "k" được tạo ra trên (H.5.3.5) thì tính khá dễ dàng
vì là hệ tĩnh định. Lúc này, nội lực ở trạng thái “k” được ký hiệu: M ok , N o ,Qo
k
k
Vậy, khi tính chuyển vị trong hệ siêu tĩnh, ta tạo trạng thái k trên hệ cơ bản
thay vì trên hệ siêu tĩnh ban đầu. Biểu thức Maxwell-Morh trong trường hợp hệ
chịu các nguyên nhân (P, t, Z):
Mko M
Nko N
QkoQ
∆
= Σ
m ds + Σ
m ds + Σ υ
m ds −
km
∫
∫
∫
EJ
EF
EJ
(5-17)
α
h
− ΣRjok Z jm + Σ
(t2m − t1m )Mko ds + Σ αtcm Nko ds
∫
∫
CƠ HỌC KẾT CẤU II
Page 17
Nếu cho phép áp dụng "nhân biểu đồ" Vêrêxaghin và các đại lượng α , h, t2m,
t1m, tcm = const trên từng đoạn:
∆
= (M ok )(M m ) + (N o )(N ) + (Qo )(Q )
k
m
km
k
m
α
h
+ Σ (t2m − t1m )Ω(Mko ) + ΣαtcmΩ(Nko )
(5-18)
Ý nghĩa của các đại lượng, xem ở chương chuyển vị của hệ thanh.
* Chú ý:
- Các đại lượng xác định ở trạng thái "k" có ký hiệu chỉ số không kèm theo là
biểu thị cho việc tạo trên hệ cơ bản.
- Vì có nhiều cách tạo hệ cơ bản nên trạng thái "k" sẽ có nhiều sơ đồ tính, ta
nên chọn hệ cơ bản để tạo sao cho việc tính toán và nhân biểu đồ được dễ dàng.
Ví dụ: -Vẽ các biểu đồ nội lực và xác định chuyển vị đứng tại k (H.5.3.6).
Cho α = 1,2.10-5(oC-1), độ cứng chống uốn trong thanh ngang là 2EJ, trong
thanh đứng là EJ; chiều cao thanh ngang là h = 0,4m; thanh đứng là h = 0,3m; EJ =
1080T.m2; ∆1 = 0,02m; ∆2 = 0,03m. Chỉ xét ảnh hưởng của biến dạng uốn.
1. Bậc siêu tĩnh: n = 3V - K = 3.2 - 5 = 1
q = 2,4T/m
40oC
C
B
∆
2
k
20oC
∆
1
D
20oC
A
10oC
X1
H.5.3.7
H.5.3.6
1,5m
3m
3m
2. Hệ cơ bản và hệ phương trình chính
3
2
3
tắc:
X1 = 1
- Hệ cơ bản: tạo trên hình vẽ.(H.5.3.7)
- Hệ phương trình chính tắc:
M 1
0
0
H.5.3.8
δ11 X1 + ∆1p + ∆1t + ∆1Z = 0,03
1
1
3. Xác định các hệ số của hệ phương
trình chính tắc:
-Vẽ (M1 ),(N1 ),(M op ) , xác định các Rj1 .
1
1 3.3 2
9
X1=1
δ11 = (M1 )(M1 ) =
.
. .3 .2 =
2EJ 2 3
EJ
2
H.5.3.9
1
2
1
4,05
∆1p = (M1 )(M op ) =
. .3.2,7. .3 =
2EJ 3
2
EJ
α
h
∆1t = Σ (t2 − t1 )Ω(M1 ) + Σα.tc .Ω(N1 )
α
0,4
3.3
α
0,4
3.3
)
=
(10 − 20)(− ) +
(20 − 40)(−
2,7
H.5.3.10
2
2
= −112,5α = −0,00135
M Po
CƠ HỌC KẾT CẤU II
Page 18
∆1t = −ΣRj1.Z jm = −
Rc1.∆1
= −
2.0,02
= −0,04
9X1
EJ
4,05
Thay vào:
+
= −0,00324 − 0,04 = 0,03
EJ
Thay EJ và giải X1 = 8,339 > 0
4. Vẽ các biểu đồ nội lực:
a. Mômen: (M) = (M1 ).X1 + (M op )
Lực cắt và lực dọc: Tương tự các ví dụ trên. Kết quả thể hiên trên hình vẽ
(H.5.3.12 & H.5.3.13).
11,939
4,739
N
8,339
2,7
H.5.3.11
Q
25,017
M
(T)
(T)
(T.m)
H.5.3.13
H.5.3.12
11,939
5. Xác định chuyển vị đứng tại k:
- Trạng thái "m": Biểu đồ mômen (Mm) đã vẽ ở trên.
- Trạng thái "k": vẽ (Mko ),(Nko ) trên 1 hệ cơ bản chọn như trên hình (H.5.3.14
& H.5.3.15)
Pk = 1
Pk = 1
M ko
N ok
H.5.3.15
0,75
0,5
H.5.3.14
- Xác định chuyển vị đứng tại k:
0,5
0
α
yk = (Mko )(M m ) − ΣRjok Z jm + Σ (t2m − t1m )Ω(Mko ) + ΣαtcmΩ(Nko )
h
1 0.75.3 25,017
α
0,4
0,75.3
2
=
=
.
.
−
[
− 0,5.0,02 + 0,05.0,03
]
+
(20 − 40)(
)
2EJ
2
2
7,036
22,5α
0,4
− 0,005 −
= 0,839(mm) > 0
EJ
CƠ HỌC KẾT CẤU II
Page 19
ß4. KIỂM TRA KẾT QUẢ TÍNH TOÁN CỦA
PHƯƠNG PHÁP LỰC
Do phải thực hiện nhiều phép tính trung gian khi giải hệ siêu tĩnh nên dễ mắc
phải những sai số lớn hoặc sai lầm trong kết quả cuối cùng. Để tránh những sai số
lớn ta phải tính chính xác các phép tính trung gian. Để tránh những sai lầm ta cần
kiểm tra kết quả.
I. Kiểm tra quá trình tính toán:
1. Kiểm tra các biểu đồ đơn vị (Mk )và biểu đồ (M po ):
- Sử dụng các liên hệ vi phân và điều kiện cân bằng của từng phần hệ tách ra
để kiểm tra.
- Vẽ biểu đồ (Ms ) do các lực X1 = X2 = ... Xn = 1 đồng thời tác dụng lên hệ
cơ bản gây ra. Kiểm tra mối quan hệ:
(Ms ) ≡ (M1 ) + (M2 ) + ...+ (Mn )
2. Kiểm tra các hệ số: (δkm)
(M )(M ) = δ + δ + ...δ =
(5-19)
(5-20)
n
δ
∑
s
k
k1
k2
kn
ki
i=1
n
n
(M )(M ) =
δ
∑∑
s
s
km
k=1 m=1
Chứng minh các điều kiện kiểm tra:
- Theo ý nghĩa của biểu đồ ( M s ) và các biểu đồ (Mk ) nên theo nguyên lý
cộng tác dụng, điều kiện (5-19) phải thỏa mãn.
- Thay (5-19) vào 2 điều kiện bên dưới và khai triển sẽ có 2 điều kiện (5-20).
3. Kiểm tra các số hạng tự do:
a. Kiểm tra: (∆kp)
Biểu thức kiểm tra:
n
(M )(M o ) =
∆
(5-21)
∑
s
P
kP
k=1
Thay (Ms) từ điều kiện (5-19) vào và triển khai ta được điều kiện (5-21).
b. Kiểm tra: (∆kt)
Biểu thức kiểm tra:
n
α
h
Σαt .Ω(N ) + Σ (t − t )Ω(M ) =
∆
(5-22)
∑
c
s
2
1
s
kt
k=1
Trong đó Ω(M s ) , Ω(Ns ) lần lượt là diện tích biểu đồ mômen và lực dọc do
X1 = X2 = ... Xn = 1 đồng thời tác dụng lên hệ cơ bản gây ra. Theo nguyên lý cộng
tác dụng:
Ω(Ms ) = Ω(M1 ) + Ω(M2 ) + ...Ω(Mn )
Ω(Ns ) = Ω(N1 ) + Ω(N2 ) + ...Ω(Nn )
Thay vào ta sẽ chứng minh được điều kiện (5-23)
c. Kiểm tra: (∆kZ)
Biểu thức kiểm tra: − ΣRjs .Z jm = Σ∆kZ
(5-24)
CƠ HỌC KẾT CẤU II
Page 20
Trong đó R js là phản lực tại liên kết j do X1 = X2 = ... Xn = 1 đồng thời tác
dụng lên hệ cơ bản gây ra.
Chứng minh tương tự các biểu thức trên.
4. Kiểm tra việc giải hệ phương trình chính tắc:
Do việc làm tròn số khi tính toán giải hệ phương trình chính tắc nên khi thay
thế ngược các lực Xk đã tìm được vào thì các phương trình thường khác không.
Người ta đánh giá sai số của mỗi phương trình dưới dạng sai số tương đối ε.
A − B
ε =
.100% ≤
[ε
]
(5-25)
A
Trong đó: A, B là tập hợp các số liệu của mỗi phương trình cần kiểm tra
dưới dạng A – B, [ε] sai số tương đối cho phép.
II. Kiểm tra kết quả cuối cùng:
(M )(Mk ) = −∆kt − ∆kZ
Biểu thức kiểm tra:
(5-26)
(M )(Ms ) = −Σ∆kt − Σ∆kZ
Chứng minh điều kiện kiểm tra:
δk1 X1 + δk 2 X2 + ...δkn X n + ∆kp + ∆kt + ∆kZ = 0
⇔ (Mk )(M1 )X1 + (Mk )(M2 )X 2 + ...(M k )(M n )Xn + (Mk )(M op ) = −∆kt − ∆kZ
⇔ (Mk )(M1 X1 + M 2 X2 + ...M n Xn (M op )) = −∆kt − ∆kZ
⇔ (Mk )(M ) = −∆kt − ∆kZ
(M )(Ms ) = −Σ∆kt − Σ∆kZ : chứng minh tương tự.
Ví dụ: Vẽ biểu đồ mômen và kiểm tra lại kết quả tính của hệ trên H.5.4.1.
Cho độ cứng trong tất cả các thanh là EJ = const.
1. Vẽ biểu đồ mômen (M):
Bậc siêu tĩnh n = 2
Hệ cơ bản được tạo trên hình H.5.4.2.
Các hệ số được xác định:
P
1 2a.2a 2
8a3
δ11 = (M1 )(M1 ) =
.
. .2a =
EJ
2
3
3EJ
1 2a.2a
2a3
δ12 = δ21 = (M 1 )(M 2 ) =
.
.a =
EJ
2
EJ
7a3
3EJ
a
a
1 a.a 2
. .a +
EJ 2 3
1
δ22 =
.
.a.2a.a =
H.5.4.1
EJ
1 a + 2a
1,5.Pa 3
EJ
X2
∆1p = (M1 )(M op ) = −
(
.a.Pa) = −
EJ
2
1
Pa3
∆
= (M1 )(M op ) = −
a.a.Pa = −
2 p
EJ
EJ
H.5.4.2
Hệ phương trình chính tắc sau khi đã quy
đồng và bỏ 3EJ dưới mẫu số:
X1
3
3
3
X = 0,675P
8a X1 + 6a X 2 − 4,5Pa = 0
1
Giải ra
6a3 X1 + 7a3 X 2 − 3Pa3 = 0
X 2 = −0,15P
Tải về để xem bản đầy đủ
56 trang
26080
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Cơ học kết cấu II - Chương 5: Tính hệ siêu tĩnh bằng phương pháp lực", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_co_hoc_ket_cau_ii_chuong_5_tinh_he_sieu_tinh_bang.pdf
