Xét 1 điểm bất kỳ K trên trục dầm. Trong chương 7, ta đã lập được mối liên hệ giữa độ cong của trục dầm tại K sau biến dạng với mơmen uốn nội lực Mx tại K là:
= ( )
Mặt khác, vì đường đàn hồi được biểu diễn bởi phương trình hàm số y(z) trong hệ trục (yz) nên độ cong của đồ thị biểu diễn của hàm số ở một điểm K cĩ hồnh độ z được tính theo cơng thức:
93
= | ′′| ( + )
( )
Từ (a) và (b) suy ra:
= | ′′| ( + )
( )
Đĩ là phương trình vi phân tổng quát của đường đàn hồi, tuy nhiên phải chọn sao cho hai vế của phương trình trên đều thỏa mãn.
Khảo sát một đoạn dầm bị uốn cong trong hai trường hợp như H.8.3. Trong cả hai trường hợp mơmen uốn Mx và đạo hàm bậc hai y” luơn luơn trái dấu, cho nên
phương trình vi phân của đường đàn hồi cĩ dạng:
′′ ( + )
= − ( )
Với giả thiết chuyển vị là bé (độ võng và gĩc xoay bé), cĩ thể bỏ qua (y’)2 so với 1 và khi đĩ phương trình vi phân của đường đàn hồi cĩ dạng gần đúng như sau:
′′ = − ( . )
trong đĩ: Tích số EIx là độ cứng khi uốn của dầm.
III. LẬP PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG ĐÀN HỒI BẰNG PHƯƠNG PHÁP TÍCH PHÂN KHƠNG ĐỊNH HẠN
Vế phải của phương trình vi phân (8.1) chỉ là một hàm số của z nên (8.1) là
phương trình vi phân thường.
Tích phân lần thứ nhất (8.1) ta được phương trình gĩc xoay:
= = − + ( . )
94
Tích phân lần thứ hai ta được phương trình đường đàn hồi:
= − + + ( . )
Trong (8.2) và (8.3), C và D là hai hằng số tích phân sẽ được xác định thơng qua
các điều kiện biên. Các điều kiện này phụ thuộc vào liên kết của dầm và phụ thuộc vào sự thay đổi tải trọng trên dầm.
Đối với dầm đơn giản, cĩ thể cĩ các điều kiện như sau:
+ Đầu ngàm của dầm cơng-xơn cĩ gĩc xoay và độ võng bằng khơng: yA = jA= 0 (H.8.4a).
+ Các đầu liên kết khớp độ võng bằng khơng: yA = yB = 0 (H.8.4b).
+ Tại nơi tiếp giáp giữa hai đoạn dầm cĩ phương trình đường đàn hồi khác nhau, độ võng và gĩc xoay bên trái bằng với độ võng và gĩc xoay bên phải (điểm C trên
H.8.4b): yCtr = yCph; jC tr
= jC ph
.
Ví dụ: Xét dầm cơng-xơn chịu momen uốn M0 tại đầu tự do (hình H.8.5), biết độ cứng của dầm EJx= const. Tính độ võng và gĩc xoay tại điểm A.
Bài giải: Xét mặt cắt 1-1, ta cĩ: Mx= M0
Thay vào (8.1) và tích phân lần lượt hai lần ta được:
= − ; = − + ; = − + +
Điều kiện biên:
Tại z = 0 : ( ) = ( ) = ⟹ = & = Hình H.8.4 A A B C yA=jA=0 yA=0 yB=0 Hình H.8.5 z a. b. P l-z
95
Phương trình đường đàn hồi và phương trình gĩc xoay:
= − ; = −
Vậy độ võng và gĩc xoay tại A là:
⎩ ⎪ ⎨ ⎪ ⎧ ( = ) = − < ( ướ ê ) ( = ) = − < ( ượ ề đồ ồ)
Nhận xét: Nếu dầm cĩ nhiều đoạn, cần phải lập phương trình vi phân đường đàn hồi cho nhiều đoạn tương ứng. Ở mỗi đoạn, phải xác định hai hằng số tích
phân, nếu dầm cĩ n đoạn thì phải xác định 2n hằng số, bài tốn trở nên phức tạp nếu số đoạn n càng lớn, vì vậy phương pháp này ít dùng khi tải trọng phức tạp hay
độ cứng dầm thay đổi.
IV. PHƯƠNG PHÁP TẢI TRỌNG GIẢ TẠO (PHƯƠNG PHÁP ĐỒ TỐN) ♦ Phần trước, ta đã cĩ liên hệ vi phân giữa nội lực và ngoại lực:
⎩ ⎪ ⎨ ⎪ ⎧ = = = ( )
♦ Đối với việc khảo sát đường đàn hồi của dầm, ta cũng cĩ phương trình vi phân:
′′ = = − ( )
Đối chiếu các phương trình (a) và (b), ta thấy cĩ sự tương tự sau:
y Mx
= = =
′′ = = − =
Ta nhận thấy muốn tính gĩc xoay y’ và độ võng y thì phải tích phân liên tiếp hai lần hàm số Mx/EIx.
Tương tự muốn cĩ lực cắt Qy và mơmen uốn Mx thì phải tích phân liên tiếp hai
96
Tuy nhiên ở chương 2, ta đã tính lực cắt Qy và mơmen uốn Mx theo tải trọng q từ việc khảo sát các phương trình cân bằng . Như vậy, ta cũng cĩ thể tính gĩc xoay y’ và độ võng y theo hàm y” = - Mx/EIx mà khơng cần tích phân. Đĩ cũng chính là phương pháp tải trọng giả tạo.
♦ Phương pháp tải trọng giả tạo:
Tưởng tượng một dầm giả tạo (DGT) cĩ chiều dài giống dầm thực (DT), trên
DGT cĩ tải trọng giả tạo qgt giống như biểu đồ –Mx/EIx trên dầm thật, thì sẽ cĩ sự tương đương:
= − = ; = ; =
trong đĩ: qgt - Tải trọng giả tạo
Qgt - Lực cắt giả tạo- Lực cắt trong DGT
Mgt - Mơmen giả tạo- Mơmen uốn trong DGT
⇒ Muốn tính gĩc xoay y’ và độ võng y của một dầm thực (dầm đang khảo sát) thì chỉ cần tính lực cắt Qgt và mơmen uốn Mgt do tải trong giả tạo tác dụng trên DGT gây ra.
Tuy nhiên, để cĩ được sự đồng nhất đường đàn hồi y và momen uốn Mgt thì điều
kiện biên của chúng phải giống nhau: y’= Qgt ; y= Mgt tại bất kỳ điểm trên hai DT và DGT; Ngồi ra nếu xét tại điểm bất kỳ trên dầm phải khảo sát đến sự giống nhau
của bước nhảy gĩc xoay Δy′ và bước nhảy lực cắt ΔQgt. ♦ Cách chọn dầm giả tạo (DGT)
- DGT được suy từ DT với điều kiện là nơi nào trên DT khơng cĩ độ võng và gĩc
xoay thì điều kiện liên kết của DGT ở những nơi đĩ phải tương ứng sao cho qgt
khơng gây ra Mgt và Qgt.
- Chiều dài của DT và DGT là như nhau.
♦ Cách tìm tải trọng giả tạo qgt
Vì qgt = −Mx/EIx , nên qgt bao giờ cũng ngược dấu với mơmen uốn Mx. Do đĩ:
- Nếu: Mx > 0 thì qgt < 0, nghĩa là nếu biểu đồ Mx nằm phía dưới trục hồnh
(theo qui ước Mx > 0 vẽ phía dước trục thanh) thì qgt hướng xuống. - Nếu: Mx < 0 thì qgt hướng lên.
Vậy qgt luơn cĩ chiều hướng theo thớ căng của biểu đồ mơmen Mx. Bảng 8.1 cho một số DGT tương ứng với một số DT thường gặp.
97
Ngồi ra trong quá trình tính các nội lực Mgt, Qgt của DGT, cần phải tính hợp
lực của lực phân bố qgt trên các chiều dài khác nhau. Do đĩ, để tiện lợi ta xác định vị trí trọng tâm và diện tích Ω của những hình giới hạn bởi các đường cong như bảng 8.2. Ví dụ: Làm lại ví dụ hình H.8.5 Độ võng và gĩc xoay tại A: ⎩ ⎪ ⎨ ⎪ ⎧ = = − < ( ướ ê ) = = − < ( ượ ề đồ ồ) (Mx) (DGT) M0 A Hình H.8.6
98
99
Bài tập
1. Dùng phương pháp tích phân trực tiếp, viết phương trình độ võng và gĩc xoay
trên chiều dài dầm trên hình H.1. Xác định độ võng tại B và gĩc xoay tại C, biết EI=const.
2. Dùng phương pháp tích phân trực tiếp, viết phương trình độ võng và gĩc xoay
trên chiều dài dầm trên hình H.2. Xác định độ võng và gĩc xoay tại C, biết EI=const.
Đáp số:
( ) = − + ; = − +
= − + − ; = − +
= ; j = −
3. Dùng phương pháp tải trọng giả tạo xác định gĩc xoay tại B và độ võng tại C (hình H.3), biết EI=const. M=FL Hình H.1 Hình H.2 a. b. Hình H.3 2 a
100
a. yC = 2Fa3/9EI ; φB = - 7Fa2/18EI
4. Xác định độ võng tại B và gĩc xoay tại C (hình H.4), biết EI=const.
5. Một hệ thống gồm ba console, đầu tự do được liên kết với nhau bằng những giằng cứng như
H.5. Tính ứng suất cực đại ở mỗi dầm khi cĩ lực treo ở dầm, biết độ cứng EI là hằng số.
6. Vẽ biểu đồ nội lực của dầm siêu tĩnh như H.6. Viết phương trình đường đàn hồi, biết độ cứng EI là hằng số.
7. Thanh thép dài 1 m, mặt cắt chữ nhật 20x6 mm, ngàm ở đầu A, chịu lực P = 30 N đặt ở giữa nhịp (hình H.7). Kiểm tra độ bền của dầm. Biết [σ] = 16 kN/cm2. Ở đầu B cĩ khe hở δ= 20 mm. Cho E = 2.104 kN/cm2. F=qa F=qa F=qa q Hình H.4 Hình H.5 Hình H.6 Hình H.3 M0 = qL2 a. b. M=qa2
101 Đáp số: max = 2,54 kN/cm2.
8. Khung ABCD chịu lực như hình H.8.
a. Vẽ biểu đồ nội lực khung momen uốn, lực cắt, lực dọc.
b. Tính chuyển vị xoay tại B. Biết độ cứng uốn của các thanh EI là hằng số.
Đáp số: VD = 11qL/12 ; jB = qL3/18EJ
9. Một dầm mút thừa ABC khớp cố định tại A và tại B được đỡ bởi lị xo cĩ độ cứng k. Nhịp AB cĩ chiều dài L và chịu tác dụng của lực phân bố đều q. Đầu mút thừa cĩ chiều dài b (H.9). Hỏi độ cứng k phải bằng bao nhiêu để chuyển vị đứng tại đầu mút thừa C bằng zero.
Hình H.7
Hình H.8
102
108