ความเค้นและความเครียดตามแนวแกน
- ความเค้นแนวฉาก
- σ = F/A
- ความเครียด
- ε = ΔL/L
- กฎของฮุก
- σ = E·ε
- ความยืด
- ΔL = FL/(EA)
- ความเครียดจากความร้อน
- εT = α·ΔT
กลศาสตร์ของวัสดุ: ชุดสรุปเร่งรัด
สรุปสูตร ขั้นตอนวิธีทำที่สำคัญของทุกหัวข้อ และโจทย์ฝึก 14 ข้อ พร้อมเฉลยละเอียดไว้ท้ายเล่ม
1สูตรและวิธีทำ
การบิดของเพลา
- ความเค้นเฉือน
- τ = T·r/J
- เพลาตัน
- J = πd⁴/32
- เพลากลวง
- J = π(D⁴ − d⁴)/32
- มุมบิด
- φ = TL/(GJ)
- กำลัง
- P = T·ω = 2πnT/60
วิธีการ
- หาโมเมนต์ความเฉื่อยเชิงขั้ว: J = πd⁴/32 สำหรับเพลาตัน
- ความเค้นเฉือนที่ผิว: τ = T·r/J โดย r คือรัศมีภายนอก
- มุมบิด: φ = TL/(GJ) เป็นเรเดียน
- ถ้าโจทย์ให้กำลัง ให้หาแรงบิดก่อนด้วย P = T·ω, ω = 2πn/60
แรงเฉือนและโมเมนต์ดัด
- แรงเฉือนและโมเมนต์
- V = ΣF ด้านหนึ่ง, M = ΣF·d ด้านหนึ่ง
- ความเค้นดัด
- σ = M·y/I
- สี่เหลี่ยมผืนผ้า
- I = bh³/12
- มอดูลัสหน้าตัด
- W = I/ymax
- รับแรงสองจุด น้ำหนักแผ่สม่ำเสมอ
- Mmax = wL²/8
วิธีการ
- หาปฏิกิริยาที่จุดรองรับจากสมดุลของคานทั้งตัว
- ตัดคานที่หน้าตัดที่ต้องการและเก็บไว้ด้านหนึ่ง
- แรงเฉือน: ผลรวมแรงแนวดิ่งทางด้านนั้น โมเมนต์ดัด: ผลรวมโมเมนต์ของแรงเหล่านั้นรอบรอยตัด
- สำหรับโมเมนต์สูงสุด ให้หาตำแหน่งที่แรงเฉือนเป็นศูนย์
เซนทรอยด์และโมเมนต์ความเฉื่อยของพื้นที่
- เซนทรอยด์
- ȳ = ΣAiyi/ΣAi
- สี่เหลี่ยมผืนผ้า
- I = bh³/12
- ทฤษฎีบทแกนขนาน
- I = Ic + A·d²
- หน้าตัดประกอบ
- I = Σ(Ic,i + Aidi²)
วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้น
- ศูนย์กลาง
- C = (σx + σy)/2
- รัศมี
- R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
- ความเค้นหลัก
- σ1,2 = C ± R
- ทิศทางหลัก
- tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
- พื้นเอียง
- σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ
วิธีการ
- คำนวณศูนย์กลางของวงกลมมอร์: C = (σx + σy)/2
- คำนวณรัศมี: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
- ความเค้นหลักคือ C ± R และความเค้นเฉือนในระนาบที่มากที่สุดคือ R
- มุมบนวงกลมเป็นสองเท่าของมุมบนชิ้นส่วน: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
การแอ่นตัวของคาน
- แรงจุดที่กึ่งกลางช่วง
- δ = PL³/(48EI)
- น้ำหนักแผ่สม่ำเสมอ รับแรงสองจุด
- δ = 5wL⁴/(384EI)
- คานยื่น แรงที่ปลาย
- δ = PL³/(3EI)
- คานยื่น น้ำหนักแผ่สม่ำเสมอ
- δ = wL⁴/(8EI)
- การซ้อนทับ
- δ = δ1 + δ2
การโก่งเดาะของเสา
- น้ำหนักวิกฤตของออยเลอร์
- Pcr = π²EI/(KL)²
- ตัวประกอบความยาวประสิทธิผล
- K = 1 หมุด–หมุด, 0.5 ยึดแน่น–ยึดแน่น, 0.7 ยึดแน่น–หมุด, 2 ยึดแน่น–อิสระ
- ความเค้นวิกฤต
- σcr = Pcr/A
- ความเพรียว
- λ = KL/r, r = √(I/A)
2โจทย์ฝึก
1.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกนปานกลาง
หาความเครียดตามแนวแกน ε ในแท่งทองแดง ในหน่วยไมโครสเตรน (µε = 10⁻⁶)
P = 15 kNd = 12 mmL = 1 mE = 117 GPa
ε = µε
2.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกนยาก
แท่งเหล็กกล้า (เส้นผ่านศูนย์กลาง 40 mm, E = 200 GPa, ความเค้นที่ยอมให้ 200 MPa) อยู่ภายในท่อที่ทำจากทองแดง (เส้นผ่านศูนย์กลางนอก 80 mm, เส้นผ่านศูนย์กลางใน 60 mm, E = 120 GPa, ความเค้นที่ยอมให้ 70 MPa) ทั้งสองถูกอัดร่วมกันระหว่างแผ่นแข็ง จงหาโหลดสูงสุด Pmax
แท่ง: Ø40 mm, E = 200 GPa, σallow = 200 MPaท่อ: Ø80/Ø60 mm, E = 120 GPa, σallow = 70 MPa
Pmax = kN
3.การบิดของเพลาปานกลาง
เพลาตันอะลูมิเนียมถูกยึดติดกับผนังและถูกบิดด้วยแรงบิด T ที่ปลายอิสระ หามุมบิด φ ของปลายอิสระ ในหน่วยองศา
T = 400 N·md = 40 mmL = 1 mG = 26 GPa
φ = °
4.การบิดของเพลายาก
เพลา เหล็กกล้า ตันส่งกำลัง 15 kW ที่ 1450 rpm ความเค้นเฉือนต้องไม่เกิน 80 MPa และมุมบิดต้องไม่เกิน 0.25° ต่อความยาว m จงหาเส้นผ่านศูนย์กลางที่น้อยที่สุด d ที่ตรงตามทั้งสองขีดจำกัด
P = 15 kWN = 1450 rpmτallow = 80 MPaθallow = 0.25°/mG = 80 GPa
d = mm
5.แรงเฉือนและโมเมนต์ดัดปานกลาง
หาโมเมนต์ดัด Mx ที่หน้าตัด x = 8 m จากจุดรองรับ A ให้โมเมนต์ที่ทำให้คานแอ่นลงเป็นบวก และแรงเฉือนที่ชี้ขึ้นบนหน้าซ้ายเป็นบวก
L = 10 mw = 12 kN/m จาก 0 ถึง 10 mx = 8 m
Mx = kN·m
6.แรงเฉือนและโมเมนต์ดัดยาก
หาโมเมนต์ดัด Mx ที่หน้าตัด x = 1 m จากจุดรองรับ A ให้โมเมนต์ที่ทำให้คานแอ่นลงเป็นบวก และแรงเฉือนที่ชี้ขึ้นบนหน้าซ้ายเป็นบวก
L = 8 mP = 15 kN ที่ 1 mw = 4 kN/m จาก 0 ถึง 8 mx = 1 m
Mx = kN·m
7.เซนทรอยด์และโมเมนต์ความเฉื่อยของพื้นที่ปานกลาง
หน้าตัดรูปตัว I สมมาตรมีปีกกว้าง 150 mm หนา 16 mm ความลึกรวม 500 mm และเอวหนา 6 mm จงหาโมเมนต์ความเฉื่อยของพื้นที่ Ix รอบแกนเซนทรอยด์ในแนวนอน x
B = 150 mmH = 500 mmtf = 16 mmtw = 6 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
8.เซนทรอยด์และโมเมนต์ความเฉื่อยของพื้นที่ยาก
หน้าตัดรูปตัว T ใช้เป็นคานโดยให้ปีกอยู่ด้านบน และรับโมเมนต์ดัดที่ทำให้แอ่นลง 30 kN·m หาขนาดของความเค้นดัด σบน ที่ขอบบน
bf = 300 mmtf = 20 mmtw = 18 mmhw = 220 mmM = 30 kN·m
σบน = MPa
9.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้นปานกลาง
จุดหนึ่งในชิ้นส่วนที่รับน้ำหนักมี σₓ = 130 MPa, σᵧ = −60 MPa และ τₓᵧ = 40 MPa (ความเค้นดึงเป็นบวก) หาความเค้นเฉือนในระนาบที่มากที่สุด τmax
σx = 130 MPaσy = −60 MPaτxy = 40 MPa
τmax = MPa
10.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้นยาก
จุดหนึ่งในแผ่นบางอยู่ในสภาวะความเค้นระนาบ: σₓ = −70 MPa, σᵧ = 70 MPa และ τₓᵧ = −20 MPa (σz = 0) วัสดุมีความเค้นคราก 250 MPa จงหาตัวประกอบความปลอดภัย n ต่อการครากตามเกณฑ์ฟอน มิเซส (พลังงานการบิดเบี้ยว)
σx = −70 MPaσy = 70 MPaτxy = −20 MPaσY = 250 MPa
n =
11.การแอ่นตัวของคานปานกลาง
คานยื่นรับแรงกระทำแบบแผ่สม่ำเสมอ w ตลอดความยาว และแรงกระทำเป็นจุด P ที่ปลายอิสระ จงใช้หลักการซ้อนทับหาการโก่งตัว δ ที่ปลายอิสระ
P = 5 kNw = 20 kN/mL = 3 mE = 200 GPa (เหล็กกล้า)I = 84 × 10⁶ mm⁴
δ = mm
12.การแอ่นตัวของคานยาก
คานช่วงเดียวรองรับอย่างง่ายรับแรงกระทำเป็นจุดเท่ากันสองแรง P ที่จุดหนึ่งในสามของช่วงคาน (L/3 จากแต่ละจุดรองรับ) จงใช้หลักการซ้อนทับหาการโก่งตัว δmax ที่กึ่งกลางช่วงคาน
P = 13 kNL = 4 mE = 70 GPa (อะลูมิเนียม)I = 84 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
13.การโก่งเดาะของเสาปานกลาง
เสายาว L ทำจากอะลูมิเนียม โดยยึดแน่นที่ฐานและยึดด้วยหมุดที่ปลายบน ใช้สูตรของออยเลอร์หาน้ำหนักวิกฤตที่ทำให้โก่งเดาะ Pcr
L = 5 mE = 70 GPa (อะลูมิเนียม)b × h = 40 × 60 mm
Pcr = kN
14.การโก่งเดาะของเสายาก
เสายาว L ทำจากเหล็กกล้า โดยยึดแน่นที่ฐานและอิสระที่ปลายบน หาค่าความเพรียวและความเค้นวิกฤต σcr จากสูตรของออยเลอร์
L = 5 mE = 200 GPa (เหล็กกล้า)d = 50 mm
σcr = MPa
3สารละลาย
1.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกน
คำตอบ: ε = 1134 µε
กฎของฮุก: ในช่วงยืดหยุ่น σ = E·ε เมื่อรวมกับ σ = P/A และ ε = δ/L จะได้ δ = PL/(AE)
ความเค้น
A = π·12²/4 = 113.1 mm²
σ = P/A = 15·1000/113.1 = 132.6 MPa
ความเครียด (กฎของฮุก)
E for ทองแดง = 117 GPa = 117000 MPa.
ε = σ/E = 132.6/117000 = 0.001134 = 1134 µε
คำตอบ
ε = 1134 µε
2.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกน
คำตอบ: Pmax = 300.5 kN
วัสดุสองชนิด: แบบอนุกรม (ต่อกันทีละส่วน) ทุกส่วนรับแรงเท่ากันและการยืดตัวบวกกัน: δ = P·Σ L/(E·A) แบบขนาน (วางเคียงกันระหว่างแผ่นแข็ง) ทั้งสองส่วนหดเท่ากัน ดังนั้นความเครียดเท่ากัน: ส่วนที่แข็งกว่ารับสัดส่วนมากกว่า Pi = P·EiAi/ΣEA และ σi = Ei·ε แท่งที่ยึดระหว่างผนังแข็งสองด้านโดยมีโหลดที่รอยต่อเป็นโครงสร้างอินดีเทอร์มิเนต: สองส่วนแบ่งโหลดตามสัดส่วนความแข็ง k = EA/L
พื้นที่
Ar = π·40²/4 = 1257 mm²
At = π(80² − 60²)/4 = 2199 mm²
ความแข็งตามแนวแกนรวม
ΣEA = 200·10³·1257 + 120·10³·2199 = 5.152 × 10⁸ N
ความเครียดที่เป็นตัวกำหนด
ε = min(0.001, 0.0005833) = 0.0005833 (ทองแดง)
โหลดสูงสุด
Pmax = 0.0005833·5.152 × 10⁸ = 300546 N = 300.5 kN
คำตอบ
Pmax = 300.5 kN
3.การบิดของเพลา
คำตอบ: φ = 3.507 °
การบิดของเพลากลม: ความเค้นเฉือนเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงจากศูนย์ที่ศูนย์กลางถึง τmax = T·r/J ที่ผิว โดย J = πd⁴/32 สำหรับเพลาตัน และ J = π(do⁴ − di⁴)/32 สำหรับเพลากลวง มุมบิดคือ φ = TL/(GJ) เป็นเรเดียน กำลังและแรงบิดสัมพันธ์กันด้วย P = T·ω
โมเมนต์ความเฉื่อยเชิงขั้วของพื้นที่
J = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴
มุมบิด
φ = TL/(GJ) = 400·1000·1000/(26000·251327) = 0.06121 rad
φ = 0.06121·180/π = 3.507°
คำตอบ
φ = 3.507°
4.การบิดของเพลา
คำตอบ: d = 41.2 mm
การบิดของเพลากลม: ความเค้นเฉือนเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงจากศูนย์ที่ศูนย์กลางถึง τmax = T·r/J ที่ผิว โดย J = πd⁴/32 สำหรับเพลาตัน และ J = π(do⁴ − di⁴)/32 สำหรับเพลากลวง มุมบิดคือ φ = TL/(GJ) เป็นเรเดียน กำลังและแรงบิดสัมพันธ์กันด้วย P = T·ω
แรงบิด
ω = 2πN/60 = 2π·1450/60 = 151.8 rad/s
T = P/ω = 15000/151.8 = 98.79 N·m
เส้นผ่านศูนย์กลางจากความแข็งแรง
T = 98.79 N·m = 98786 N·mm
dτ = ∛(16·98786/(π·80)) = 18.46 mm
เส้นผ่านศูนย์กลางจากความแข็งเกร็ง
θ = 0.25·π/180/1000 = 4.363 × 10⁻⁶ rad/mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
dφ = (32·98786/(π·80000·4.363 × 10⁻⁶))1/4 = 41.2 mm
เส้นผ่านศูนย์กลางที่เป็นตัวกำหนด
ทั้งสองขีดจำกัดต้องเป็นจริง ดังนั้นเส้นผ่านศูนย์กลางที่มากกว่าเป็นตัวกำหนด
d = max(18.46, 41.2) = 41.2 mm
คำตอบ
d = 41.2 mm
ในที่นี้ความแข็งเกร็งเป็นตัวกำหนด
5.แรงเฉือนและโมเมนต์ดัด
คำตอบ: Mx = 96 kN·m
วิธีหน้าตัด: ตัดคานตรงจุดที่ต้องการหาแรงภายในแล้วเก็บไว้ด้านหนึ่ง แรงเฉือน V สมดุลกับแรงแนวดิ่งทางด้านนั้น และโมเมนต์ดัด M สมดุลกับโมเมนต์ของแรงเหล่านั้นรอบรอยตัด
ปฏิกิริยาที่จุดรองรับ
สมดุลของคานทั้งตัว
แรงลัพธ์ของน้ำหนักแผ่สม่ำเสมอ: W = w·ℓ = 12·10 = 120 kN กระทำที่ x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 12·10·5
RB = 600/10 = 60 kN
ΣFy = 0: RA = 120 − 60 = 60 kN
ตัดที่ x = 8 m และเก็บส่วนทางซ้ายไว้
มีเฉพาะแรงทางซ้ายของรอยตัดเท่านั้น ส่วนของน้ำหนักแผ่สม่ำเสมอกระทำเป็นแรงเดียวที่กึ่งกลางของส่วนนั้น
M = RA·x − (น้ำหนักบรรทุกแต่ละตัวทางซ้ายของรอยตัด × ระยะถึงรอยตัด)
Mx = 60·8 − 12·8·4 = 96 kN·m
คำตอบ
Mx = 96 kN·m
6.แรงเฉือนและโมเมนต์ดัด
คำตอบ: Mx = 27.13 kN·m
วิธีหน้าตัด: ตัดคานตรงจุดที่ต้องการหาแรงภายในแล้วเก็บไว้ด้านหนึ่ง แรงเฉือน V สมดุลกับแรงแนวดิ่งทางด้านนั้น และโมเมนต์ดัด M สมดุลกับโมเมนต์ของแรงเหล่านั้นรอบรอยตัด
ปฏิกิริยาที่จุดรองรับ
สมดุลของคานทั้งตัว
แรงลัพธ์ของน้ำหนักแผ่สม่ำเสมอ: W = w·ℓ = 4·8 = 32 kN กระทำที่ x̄ = 4 m
ΣMA = 0: RB·8 = 15·1 + 4·8·4
RB = 143/8 = 17.88 kN
ΣFy = 0: RA = 47 − 17.88 = 29.13 kN
ตัดที่ x = 1 m และเก็บส่วนทางซ้ายไว้
มีเฉพาะแรงทางซ้ายของรอยตัดเท่านั้น ส่วนของน้ำหนักแผ่สม่ำเสมอกระทำเป็นแรงเดียวที่กึ่งกลางของส่วนนั้น
M = RA·x − (น้ำหนักบรรทุกแต่ละตัวทางซ้ายของรอยตัด × ระยะถึงรอยตัด)
Mx = 29.13·1 − 4·1·0.5 = 27.13 kN·m
คำตอบ
Mx = 27.13 kN·m
7.เซนทรอยด์และโมเมนต์ความเฉื่อยของพื้นที่
คำตอบ: Ix = 332.5 × 10⁶ mm⁴
โมเมนต์ความเฉื่อยของพื้นที่: สำหรับสี่เหลี่ยมผืนผ้ารอบแกนผ่านเซนทรอยด์ของตัวเอง I = bh³/12 และรอบฐาน bh³/3 (ทฤษฎีบทแกนขนาน I = Ic + A·d²) ส่วนที่เป็นรูจัดการด้วยการลบ I ของรู ตราบที่ทั้งสองส่วนใช้แกนเดียวกัน โมดูลัสหน้าตัดแบบยืดหยุ่นคือ S = I/c โดย c คือระยะถึงเส้นใยนอกสุด
สี่เหลี่ยมผืนผ้าด้านนอกลบช่องว่างด้านข้างสองช่อง
ช่องว่างทั้งสองรวมกันกว้าง (B − tw) และสูง hw = H − 2tf และใช้แกน x ร่วมกัน
hw = 500 − 2·16 = 468 mm
Ix = (B·H³ − (B − tw)·hw³)/12 = (150·500³ − 144·468³)/12
Ix = 3.325 × 10⁸ mm⁴ = 332.5 × 10⁶ mm⁴
คำตอบ
Ix = 332.5 × 10⁶ mm⁴
8.เซนทรอยด์และโมเมนต์ความเฉื่อยของพื้นที่
คำตอบ: σบน = 34.27 MPa
พื้นที่ประกอบ: แบ่งหน้าตัดเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า เซนทรอยด์คือค่าเฉลี่ยถ่วงน้ำหนักด้วยพื้นที่ ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ โมเมนต์ความเฉื่อยของพื้นที่รอบแกนที่ผ่านเซนทรอยด์ได้จากการบวก bh³/12 ของแต่ละส่วนกับพจน์แกนขนาน A·d² โดย d คือระยะจากเซนทรอยด์ของส่วนนั้นถึงเซนทรอยด์รวม ความเค้นดัดคือ σ = M·y/I
แบ่งเป็นสี่เหลี่ยมผืนผ้าสองรูป
วัดทุกค่า y จากขอบล่าง
ปีก: Af = 300·20 = 6000 mm², yf = 220 + 20/2 = 230 mm
เอว: Aw = 18·220 = 3960 mm², yw = 220/2 = 110 mm
เซนทรอยด์
ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (6000·230 + 3960·110)/9960 = 182.3 mm
ทฤษฎีบทแกนขนาน
ปีก: 300·20³/12 + 6000·(230 − 182.3)² = 1.386 × 10⁷ mm⁴
เอว: 18·220³/12 + 3960·(110 − 182.3)² = 3.667 × 10⁷ mm⁴
Ix = 1.386 × 10⁷ + 3.667 × 10⁷ = 5.052 × 10⁷ mm⁴
ความเค้นดัด
ขอบบนอยู่ห่างจากแกน h − ȳ
y = 240 − 182.3 = 57.71 mm
σ = M·y/I = 3 × 10⁷·57.71/5.052 × 10⁷ = 34.27 MPa
คำตอบ
σบน = 34.27 MPa
9.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้น
คำตอบ: τmax = 103.1 MPa
การแปลงความเค้นระนาบ: บนระนาบที่หมุนไป θ σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ วงกลมของมอร์แสดงทุกระนาบพร้อมกัน ศูนย์กลางอยู่ที่ C = (σₓ + σᵧ)/2 และรัศมีคือ R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²) ความเค้นหลักคือ C ± R และความเค้นเฉือนในระนาบที่มากที่สุดคือ R
รัศมีของวงกลมมอร์
τmax = R = √(((130 − −60)/2)² + 40²) = 103.1 MPa
คำตอบ
τmax = 103.1 MPa
10.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้น
คำตอบ: n = 1.983
การแปลงความเค้นระนาบ: บนระนาบที่หมุนไป θ σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ วงกลมของมอร์แสดงทุกระนาบพร้อมกัน ศูนย์กลางอยู่ที่ C = (σₓ + σᵧ)/2 และรัศมีคือ R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²) ความเค้นหลักคือ C ± R และความเค้นเฉือนในระนาบที่มากที่สุดคือ R เกณฑ์การคราก: ฟอน มิเซสทำนายว่าเกิดการครากเมื่อ σvM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²) ถึง σY ส่วนเทรสกาเมื่อความเค้นเฉือนสูงสุดสัมบูรณ์ถึง σY/2
ความเค้นหลัก
C = 0 MPa, R = 72.8 MPa
σ1 = 72.8 MPa, σ2 = −72.8 MPa, σ3 = 0
ฟอน มิเซส
σvM = √(72.8² − 72.8·(−72.8) + (−72.8)²) = 126.1 MPa
n = 250/126.1 = 1.983
คำตอบ
n = 1.983
n > 1 หมายความว่าจุดนั้นไม่คราก เกณฑ์เทรสกาอนุรักษ์นิยมกว่าฟอน มิเซสเล็กน้อย
11.การแอ่นตัวของคาน
คำตอบ: δ = 14.73 mm
การแอ่นตัวของคาน: ระยะแอ่นได้จากการอินทิเกรตความโค้ง M/(EI) สองครั้ง กรณีมาตรฐานมีตารางให้ เช่น PL³/(3EI) สำหรับคานยื่นที่รับแรงที่ปลาย และ 5wL⁴/(384EI) สำหรับคานรับแรงสองจุดที่รับน้ำหนักแผ่สม่ำเสมอเต็มช่วง ระยะแอ่นจากน้ำหนักแต่ละตัวบวกกันได้ (การซ้อนทับ)
หน่วยที่สอดคล้องกัน
คำนวณเป็น N และ mm: P เป็น N, w เป็น N/mm (kN/m = N/mm), L เป็น mm, E เป็น N/mm² (GPa × 1000), I เป็น mm⁴
P = 5000 N, w = 20 N/mm, L = 3000 mm
EI = 1.68 × 10¹³ N·mm²
น้ำหนักแต่ละตัวแยกกัน
δP = PL³/(3EI) = 5000·3000³/(3·1.68 × 10¹³) = 2.679 mm
δw = wL⁴/(8EI) = 20·3000⁴/(8·1.68 × 10¹³) = 12.05 mm
บวกเข้าด้วยกัน
δ = 2.679 + 12.05 = 14.73 mm
คำตอบ
δ = 14.73 mm
12.การแอ่นตัวของคาน
คำตอบ: δmax = 5.022 mm
การแอ่นตัวของคาน: ระยะแอ่นได้จากการอินทิเกรตความโค้ง M/(EI) สองครั้ง กรณีมาตรฐานมีตารางให้ เช่น PL³/(3EI) สำหรับคานยื่นที่รับแรงที่ปลาย และ 5wL⁴/(384EI) สำหรับคานรับแรงสองจุดที่รับน้ำหนักแผ่สม่ำเสมอเต็มช่วง ระยะแอ่นจากน้ำหนักแต่ละตัวบวกกันได้ (การซ้อนทับ)
หน่วยที่สอดคล้องกัน
คำนวณเป็น N และ mm: P เป็น N, w เป็น N/mm (kN/m = N/mm), L เป็น mm, E เป็น N/mm² (GPa × 1000), I เป็น mm⁴
P = 13000 N, L = 4000 mm
EI = 5.88 × 10¹² N·mm²
แรงหนึ่งที่ L/3
δ₁ = Pb(3L² − 4b²)/(48EI), b = L/3 = 1333 mm
δ₁ = 2.511 mm
บวกแรงทั้งสอง
δmax = 2·δ₁ = 23PL³/(648EI) = 5.022 mm
คำตอบ
δmax = 5.022 mm
13.การโก่งเดาะของเสา
คำตอบ: Pcr = 18.05 kN
การโก่งเดาะของออยเลอร์: เสาเพรียวจะไม่เสถียรที่ Pcr = π²EI/(KL)² โดย KL คือความยาวประสิทธิผล: K = 1 สำหรับหมุด–หมุด, 2 สำหรับยึดแน่น–อิสระ, 0.7 สำหรับยึดแน่น–หมุด และ 0.5 สำหรับยึดแน่น–ยึดแน่น เสาจะโก่งเดาะรอบแกนที่มี I น้อยที่สุด สูตรนี้ใช้ได้กับเสาเพรียวซึ่งความเค้นวิกฤตยังต่ำกว่าความเค้นครากของวัสดุ
โมเมนต์ความเฉื่อยของพื้นที่ที่น้อยที่สุด
สี่เหลี่ยมผืนผ้าจะโก่งเดาะรอบแกนอ่อน โดยใช้ด้านที่สั้นกว่ายกกำลังสาม
Imin = h·b³/12 = 60·40³/12 = 320000 mm⁴
ความยาวประสิทธิผล
KL = 0.7·5000 = 3500 mm
น้ำหนักวิกฤต
Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·320000/3500² = 18047 N = 18.05 kN
คำตอบ
Pcr = 18.05 kN
14.การโก่งเดาะของเสา
คำตอบ: σcr = 3.084 MPa
การโก่งเดาะของออยเลอร์: เสาเพรียวจะไม่เสถียรที่ Pcr = π²EI/(KL)² โดย KL คือความยาวประสิทธิผล: K = 1 สำหรับหมุด–หมุด, 2 สำหรับยึดแน่น–อิสระ, 0.7 สำหรับยึดแน่น–หมุด และ 0.5 สำหรับยึดแน่น–ยึดแน่น เสาจะโก่งเดาะรอบแกนที่มี I น้อยที่สุด สูตรนี้ใช้ได้กับเสาเพรียวซึ่งความเค้นวิกฤตยังต่ำกว่าความเค้นครากของวัสดุ
โมเมนต์ความเฉื่อยของพื้นที่ที่น้อยที่สุด
หน้าตัดกลมมี I เท่ากันรอบทุกแกน
I = πd⁴/64 = π·50⁴/64 = 306796 mm⁴
รัศมีไจเรชันและความเพรียว
A = 1963 mm²
r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12.5 mm
KL = 2·5000 = 10000 mm
KL/r = 10000/12.5 = 800
ความเค้นวิกฤต
σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/800² = 3.084 MPa
คำตอบ
σcr = 3.084 MPa
ExamProblems · examproblems.com/courses/mechanics-of-materials