Seventh Edition VECTOR ECHANICS FOR ENGINEERS: STATICS Ferdinand P. Beer E. Russell Johnston, Jr. Ders Notu: Hayri ACAR İstanbul Teknik Üniveristesi Tel: 85 31 46 / 116 E-mail: acarh@itu.edu.tr Web: http://atlas.cc.itu.edu.tr/~acarh 7. Kiriş ve Kablolardaki Kuvvetler The cgraw-hill Companies, Inc. All rights reserved.
Giriş Elemanlardaki iç kuvvetler Çeşitli tiplerde kiriş yükleri Kesme kuvveti ve eğilme momenti diyagramları Yük, kesme kuvveti ve eğilme momenti arasındaki bağıntılar Tekil yükler etkisinde kablolar Yayılı yük etkisinde kablolar Parabolik kablo Zincir eğrisi
Giriş Daha önceki bölümlerde a) bir yapıya etkiyen dış kuvvetlerin belirlenmesi b) bir yapının elemanlarını bir arada tutan kuvvetlerin belirlenmesi incelenmişti. Bu bölümde elemanı birarada tutan iç kuvvetler (çekme/basma, kesme kuvveti ve eğilme momenti) incelenecektir. ühendislikte kullanılan en önemli iki yapı dikkate alınacaktır: a) Kirişler genellikle uzun, dik ve prizmatik elemanlardır. Tekil ve yayılı yükleri desteklemek için tasarlanırlar. b) Kablolar esnek malzemelerdir. Sadece çekmeye karşı çalışırlar. Tekil veya yayılı yükleri taşımak için tasarlanırlar.
Elemanlardaki İç Kuvvetler Dik olan iki kuvvete sahip AB elemanında denge ancak F ve F kuvvetleri ile sağlanır. AC ve CB eleman parçalrının dengede olabilmesi için iç kuvvetler F ve F ye eşit olmalıdır. ABCD gibi çok kuvvete sahip elemanlarda kablo ve elemanlar arasındaki bağ kuvvetleri ile denge sağlanır. JD ve ABCJ eleman parçaları için denge kuvvet kuvvet çifti ile sağlanır. Dik olmayan ve iki kuvvete sahip elemanlarda denge kuvvet kuvvet çifti ile sağlanır.
Örnek 7.1 ÇÖZÜ: Şekildeki yükleme elemanında (a) ACF elemanında J noktasında, (b) BCD elemanında K da iç kuvvetleri bulunuz. esnet kuvvetleri ve her elemandaki bağ kuvvetleri hesaplanır. ACF elemanı J noktasından kesilir. J kesitindeki iç kuvvetler kuvvet kuvvet çifti ile gösterilir. Denge denklemleri ile iç kuvvetler hesaplanır. BCD elemanı K noktasından kesilir. K kesitindeki iç kuvvetler kuvvet kuvvet çifti ile gösterilir. Denge denklemleri ile iç kuvvetler hesaplanır.
ÇÖZÜ: esnet kuvvetleri hesaplanır. E : ( 4 N)( 3.6 m) + F( 4.8m) F 18 N F y : 4 N + 18 N + E E y 6 N y F : E
Her elemandaki bağ kuvvetleri hesaplanır. BCD elemanı SCD: B : ( 4 N)( 3.6 m) + C (.4 m) C : ( 4 N)( 1. m) + B (.4m) F : B + C y y C y B y 36 N 1 N ABE elemanı SCD: : B (.4 m) A B F : B A F : A + B + 6 N y BCD elemanından: y y A A y F : B + C C 18 N
ACF elemanı J noktasından kesilir. J kesitindeki iç kuvvetler kuvvet kuvvet çifti ile gösterilir. Denge denklemleri ile iç kuvvetler hesaplanır. AJ eleman parçası SCD: J : ( 18 N)( 1.m) + 16 N m F F : ( 18 N) cos 41.7 F 1344 N F y : V + ( 18 N) sin 41.7 V 1197 N
BCD elemanı K noktasından kesilir. K kesitindeki iç kuvvetler kuvvet kuvvet çifti ile gösterilir. Denge denklemleri ile iç kuvvetler hesaplanır. BK eleman parçası SCD: K : ( 1 N)( 1.5m) + 18 N m F : F F y : 1 N V V 1 N
Çeşitli Tiplerde Kiriş Yükleri Kiriş uzunluğu boyunca uygulanan yükleri taşımak için tasarlanırlar. (a) Tekil yükler Kirişler tekil yüklere veya yayılı yüklere veya her ikisine birden maruz kalabilir. Kiriş tasarımı iki basamaklıdır: 1) Yüklerin oluşturduğu kayma kuvvetleri ve eğilme momentleri hesaplanır. (b) Yayılı yükler ) Kayma kuvvetlerine ve eğilme momentine dayanacak en iyi kesit seçilir ve boyutlandırılır.
Statikçe Belirli Kirişler Kirişlerdeki kuvvetler (a) Basit destekli kiriş (b) Uzantılı kiriş (c) Ankastre kiriş Statikçe Belirsiz Kirişler (d) Sürekli kiriş (e) Bir tarafı ankastre kiriş diğer tarafı basit kiriş (d) Sabit kiriş Kirişler nasıl desteklendiklerine göre sınıflandırılırlar. Tepki kuvvetleri sadece 3 tane bilinmeyen içerirse belirlenebilirler. Yoksa statikçe belirsizdirler.
Kesme Kuvveti ve Eğilme omenti Diyagramları Tekil ve yayılı yük etkisi altındaki kirişte her hangi bir kesitte kesme kuvveti ve eğilme momentinin bilinmesi gerekiyorsa: Tüm kiriş için SCD oluşturulduktan sonra tepki kuvvetleri bulunur. Kiriş C gibi her hangi bir noktadan kesilir ve AC ve CB eleman parçaları için SCD oluşturulur: Kesitlerde iç kuvvet kuvvet çifti yerleştirilir. Denge denklemlerinden, V veya,v hesaplanır.
İlk olarak tepki kuvvetleri bulunur. Kiriş C noktasında kesilir ve AC eleman parçası için SCD çizilir. V + P + P V Kiriş E noktasında kesilir ve EB eleman parçası için SCD çizilir. P ( L ) + P Tekil yüke maruz kirişlerde yükleme noktaları arasında kesme kuvveti sabittir ve eğilme momenti mesafe ile lineer olarak değişir.
Örnek 7. ÇÖZÜ: Kiriş için SCD oluşturulur. B ve D noktalarındaki tepki kuvvetleri hesaplanır. Sırasıyla yüklemelerin önünden ve arkasından kesme işlemi yapılır. Diyagram çizilir. Şekilde verilen kiriş boyunca kesme kuvveti, eğilme momenti diyagramlarını çiziniz.
ÇÖZÜ: Kiriş için SCD oluşturulur. B ve D noktalarındaki tepki kuvvetleri hesaplanır. D : ( k N)( 7.5m) B( 5m) + (4kN)(m) B 46kN.5 m 3 m m : Fy kn + 46kN 4kN + D D 14kN Sırasıyla yüklemelerin önünden ve arkasından kesme işlemi yapılır. F : kn V 1 V 1 V kn y A : ( kn)( ) + 1 (kn) 1
: Fy kn + 46kN V3 V 3 V 4 6kN A A : ( kn)( ) (46 kn )(.5 m ) + 3.5 m 115kNm (6kN) 3 4 + F y : kn + 46kN 4kN V5 V 5 V 6 14kN.5 m 3 m A : ( kn)( ) (46 kn )(.5 m ) + (4 kn )( 5.5 m ) + 3 15kNm (14kN) 5 6
Kesme kuvveti ve eğilme momenti diyagramları. V 1 V kn (kn) 1 V 3 V 4 6kN 115kNm (6kN) 3 4 + V 5 V 6 14kN 15kNm (14kN) 5 6
Örnek 7.3 4 N/m ÇÖZÜ: Tüm kiriş için SCD diyagramı çizilir. A ve B noktasındaki tepki kuvvetleri bulunur. 1 m 6 m 4 m 4 N 1 m AC, CD, ve DB kısımları için kesme yapılır ve kesme kuvveti eğilme momenti hesaplanır. 3 m Diyagramlar çizilir. Şekildeki AB kirişi için kesme kuvveti ve eğilme momenti diyagramlarını çiziniz.
ÇÖZÜ: Tüm kiriş için SCD diyagramı çizilir. A ve B noktasındaki tepki kuvvetleri bulunur. 4 N/m 1 m 6 m 4 m 3 m 48 N 4 N 1 m B y A : ( 3 m) ( 48 N )( 6m) ( 4 N )( m) B : B y 365 ( 48 N )( 6m) + ( 4 N )( 1m) A( 3m) N A 515 N 4 N F : B 6 m 16 m 1 m Not: E noktasına etki eden 4 N luk kuvvet D noktasına 4 N kuvvet ve 16 Nm moment olarak taşınır.
AC, CD, ve DB kısımları için kesme yapılır ve kesme kuvveti eğilme momenti hesaplanır. 1 m 4 N/m 6 m 14 m 16 Nm A Carası: 515 N 4 N 365 N Fy : 515 N 4 V V 515 4 515 N 515 N 48 N 1 4( ) + 1 : 515 C D arası: F : 515 48 V y : 515 V 35 N 515 + 48( 6) + ( 88 35) Nm +
1 m 6 m 14 m D Barası: 4 N/m 16 Nm F : 515 48 4 V y V 365 N 515 N 4 N 365 N : 48 N ( 6) 16 + 4( 18) + 515 + 48 16 Nm ( 1168 365) Nm 515 N 4 N
Kesme kuvveti ve eğilme momenti diyagramları. 515 N 6 m 1 m 14 m 4 N/m 4 N 16 Nm 515 N 35 N 18 m 3 m 1 m 351 Nm 511 Nm 33 Nm 365 N -365 N A Carası: V 515 4 515 C Darası: V 35 N ( 88 35) Nm + D Barası: V 365 N ( 1168 365) Nm
Yük, Kesme Kuvveti ve Eğilme omenti Arasındaki Bağıntılar y Yükleme ile kesme kuvveti arasındaki bağıntı: dv d V F D y V lim V C V ( V + V ) w wd D C w C-D elemanı için: - (yük eğrisinin altında kalan alan) Kesme kuvveti ile eğilme momenti arasındaki bağıntı: ( + ) V + w d 1 lim lim( V w ) V d (Bu denklemler iki yükleme noktası arasında geçerlidir.) D C D C V d (kesme kuvveti eğrisinin altında kalan alan)
Desteklerdeki tepkiler, RA RB wl w Kesme kuvveti eğrisi, V V V V A A w wd w wl w w L oment eğrisi, ma w A wl 8 L d Vd w ( L ) d d V
Örnek 7.4 kn 1 kn 1.5 kn/m 6 m 8 m 1 m 8 m Şekildeki kirişin kesme kuvveti ve eğilme momenti yagramlarını çiziniz. ÇÖZÜ: Tüm kiriş için SCD ile tepki kuvvetleri bulunur. Tekil yüklerin uygulama noktaları arasında kesme kuvveti sabittir. dv d w D ve E noktaları arasında, sabit yayılı yük nedeniyle, kesme kuvveti lineer olarak değişir. Tekil yükler uygulama noktaları arasında eğilme momenti eğimi: d d V sabit. omentteki değişim kesme kuvveti dağılımında eğrinin altında kalan alana eşittir. D ve E noktaları arasındaki lineer kesme kuvveti nedeniyle parabolik eğilme momenti dağılımı olacaktır.
kn 1 kn 4 m 1 kn 8 m 1 m 8 m 6 m kn 1 kn 1.5 kn/m 18 kn 6 kn ÇÖZÜ: Tüm kiriş için SCD ile tepki kuvvetleri bulunur. : D A ( 4 m) ( kn)( 6 m) ( 1 kn)( 14 m) ( 1k N)( 8 m) D 6 kn Fy : A y kn 1 kn + 6 kn 1 kn A y 18 kn kn 18 kn V(N) Tekil yüklerin uygulama noktaları arasında kesme kuvveti sabittir. dv d w D ve E noktaları arasında, sabit yayılı yük nedeniyle, kesme kuvveti lineer olarak değişir.
kn 1 kn 1.5 kn/m Tekil yükler uygulama noktaları arasında eğilme momenti eğimi: d d V sabit. omentteki değişim kesme kuvveti dağılımında eğrinin altında kalan alana eşittir. 18 kn 6 kn V(kN) B C D E A B C D + 18 16 14 + 48 B C D E + 18 knm + 9 knm 48 knm (knm) D ve E noktaları arasında, sabit yayılı yük nedeniyle, kesme kuvveti lineer olarak değişir.
Örnek 7.6 ÇÖZÜ: A ve B noktaları arasındaki kesitler için kesme kuvveti, A ile kesme noktası arasındaki yayılı yük eğrisinin altında kalan alanın negatifine eşit olacaktır. Lineer yük eğrisi kesme kuvveti dağılımının parabolik olmasına neden olur. B ve C noktaları arasında yük olmadığı için kesme kuvvetinde bir değişme yoktur. Şekildeki ankastre kirişin kesme kuvveti ve eğilme momenti diyagramlarını çiziniz. A ve B noktaları arasında kesitteki moment değişimi noktalar arasındaki kesme kuvveti eğrisinin altındaki alana eşittir. Parabolik yük dağılımı moment eğrisinin mesafenin kübü ile değişmesine neden olur. B ve C noktaları arasındaki moment, noktalar arasında kesme kuvveti eğrisinin altında kalan alana eşittir. Sabit kesme kuvveti eğrisi lineer moment eğrisine neden olur.
ÇÖZÜ: A ve B noktaları arasındaki kesitler için kesme kuvveti, A ile kesme noktası arasındaki yayılı yük eğrisinin altında kalan alanın negatifine eşit olacaktır. Lineer yük eğrisi kesme kuvveti dağılımının parabolik olmasına neden olur. A noktasında V A dv, w w d V V 1 w B A a V B 1 w a B noktasında dv d w B ve C noktaları arasında yük olmadığı için kesme kuvvetinde bir değişme yoktur.
A ve B noktaları arasında kesitteki moment değişimi noktalar arasındaki kesme kuvveti eğrisinin altındaki alana eşittir. Parabolik yük dağılımı moment eğrisinin mesafenin kübü ile değişmesine neden olur. A noktasında A d, V d B C A B 1 3 1 w w a a B w ( L a) 1 w a( 3L a) C 1 3 6 a B ve C noktaları arasındaki moment, noktalar arasında kesme kuvveti eğrisinin altında kalan alana eşittir. Sabit kesme kuvveti eğrisi lineer moment eğrisine neden olur.
Tekil Yükler Etkisinde Kablolar Kablolar yapısal elemanlarda çekme yönünde çalışan taşıyıcılardır. Köprülerde, güç aktarımında, teleferiklerde ve yüksek direklerin desteklenmesinde kullanılır. Analiz sırasında yapılan kabuller: a) düşey çizgi doğrultusunda etkiyen düşey tekil yükler içerir, b) kablonun ağırlığı ihmal edilir, c) kablo esnektir, eğilmeye karşı direnci çok küçüktür, d) yükler arasında kalan kablo parçaları iki kuvvetli elemanlar olarak düşünülür, Yükleme altında kablonun hangi şekli alacağı araştırılır: Her yükleme noktasının A noktasına göre düşey mesafesi bulunur.
Tüm kablo SCD kullanılarak mesnetlerdeki tepki kuvvetleri bulunur, Bu durumda dört bilinmeyen üç denge denklemi vardır. Bu nedenle tepki kuvvetleri bu şekilde bulunamaz. İlave denklem için, koordinatları bilinen bir nokta için (şekilde D noktası) moment denge denklemi kullanılır. D Kablo üzerinde diğer noktalar için: C y bulunur F, F y T T cosθ A sabit T y T, bulunur
Yayılı Yükler Etkisinde Kablolar Yayılı yük taşıyan bir kablo için: a) Kablo yükleme şekline göre şekil değiştirir b) İç kuvvet çekme yönünde çalışır ve yönü eğriye teğet olacaktır Kablonun en alt noktası C den verilen D noktasına kadar olan parçanın SCD oluşturulur. Kuvvetler, C noktasında yatay doğrultuda T ve D noktasında teğet kuvvet T olacaktır T cosθ T T sinθ W Kuvvet üçgeninden: T T + W tanθ Kablo boyunca T kuvvetinin yatay bileşeni uniformdur T kuvvetinin düşey bileşeni, en alçak noktaya göre ölçülen W nin şiddetine eşit olacakır. Kuvvetin düşey bileşeni en alçak noktada minimumdur ve A ve B noktalarında maksimumdur: W T
Parabolik Kablo Yayılı yük taşıyan bir kablo olsun. En alçak nokta C den D noktasına kadar parça için SCD oluşturulur. W w, T T + w tanθ D noktasına göre momentlerin toplamı: D : w T y veya w y T Kablo parabolik eğri şeklini alır. w T
Örnek 7.8 ÇÖZÜ: 5 m 4 kn m Tüm kablo için SCD oluşturulup E noktasına göre moment dengesi ve ABC kablo parçası için SCD oluşturulup C noktasına göre moment dengesi kullanılarak A noktasındaki iki bileşenli tepki kuvveti bulunur. AE kablosu şekilde görüldüğü gibi üç tekil kuvvet taşımaktadır. C noktası A noktasına göre 5 m aşağıda ise (a) B ve D noktalarının mesafelerini, (b) Kablodaki maksimum eğimi ve maksimum gerilmeyi bulunuz. 6 kn m 1 m 1 kn 15 m 15 m AB kablo parçası için SCD çizilir ve B noktasına göre moment denge denklemi ile B noktasının A noktasına göre mesafesi bulunur. Benzer şekilde ABCD kablo parçası için D noktasına göre moment denge denklemi ile D noktasının A noktasına göre düşey mesafesi hesaplanır. aksimum eğim ve maksimum gerilme DE kablosunda olmaktadır ve bu kablo için SCD ile bu değerler hesaplanır.
ÇÖZÜ: Tüm kablo için SCD oluşturulup E noktasına göre moment dengesi 5 m 4 kn m A A E : 6A 6A y y + 4 ( 6) + 3( 1) + 15( 4) + 66 6 kn 1 kn m 1 m 15 m 15 m ve ABC kablo parçası için SCD oluşturulup C noktasına göre moment dengesi kullanılarak 6 kn 1 kn m 1 m m 5A C : 3A y + 1 ( 6) A noktasındaki iki bileşenli tepki kuvveti bulunur. A 18 kn A y 5 kn
5 m 4 kn m AB kablo parçası için SCD çizilir ve B noktasına göre moment denge denklemi ile B noktasının A noktasına göre düşey mesafesi bulunur 6 kn 1 kn ( 18) 5( ) B : y B m 1 m 15 m 15 m y B 5.56 m 18 kn 5 kn 6 kn m Benzer şekilde ABCD kablo parçası için SCD çizilir ve D noktasına göre moment denge denklemi ile D noktasının A noktasına göre düşey mesafesi bulunur 18 kn 5 kn 6 kn 4 kn 1 kn y D : ( 18) 45( 5) + 5( 6) + 15( 1) m 1 m 15 m y D 5. 83 m
aksimum eğim ve maksimum gerilme DE kablosunda olmaktadır ve bu kablo için SCD ile bu değerler hesaplanır. m 1 m 15 m 18 kn 14.17 m 18 kn 5 kn 5.83 m 4 kn 6 kn 1 kn 15 m 14. 7 tanθ θ 43. 4 15 Tma 18 kn cosθ T 4.8 ma kn
Zincir Eğrisi En alçak nokta C den D noktasına kadar parça için SCD oluşturulur. Kablonun ağırlığı: Kendi ekseni boyunca uniform olarak yayılı yüklemeye maruz kalan bir kablo düşünülsün. (kendi ağırlığını taşıyan kablolar) T T T + w s w c + s c Kablo uzunluğu ile yatay mesafe arasındaki ilişki: W ws d İç kuvvetin şiddeti: s ds cosθ ds 1+ s c T T ds w c sinh 1 wcds c s c + s ve s ds 1+ s c c sinh tanım c w
ve y koordinatlarının ilişkisi: dy y c d y c tanθ cosh sinh c c W T d d c s c d cosh c sinh c c d Bu düşey eksenli bir zincir eğrisi denklemidir.