Upload
grid-g
View
523
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
บทที่ 6 เสายาว (Long Column)6.1 เกริ่นนํา6.2 แรงวิกฤติ (Critical load)6.3 สมการออยเลอร (Euler’s formula)6.4 ขอจํากัดของสมการออยเลอร (Limitations of Euler’s formula)
กลศาสตรของของแข็ง วศ.ก.214 - 6 ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล มหาวิทยาลัยเชียงใหม 1
6.1 เกริ่นนํา (Introduction)• เสา คอื ชิ้นสวนในโครงสรางที่รับแรงกดที่ปลาย โดยจะมีสัดสวนของขนาดหนาตัดที่เล็กเมื่อเทียบกับความยาว • การเสียหายของเสาจะเปนลักษณะของการโกงเดาะ (Buckling) ที่ขนาดแรงกดซึ่งมีคานอยกวาขนาดแรงที่จะทําใหเกิดการเสียหายในลักษณะของการถกูกดจนยุบ (Crushing) มาก• เสายาว (Long column) จะเสียหายในลักษณะของ Buckling• เสายาวปานกลาง (Intermediate column) จะเสียหายในรูปแบบของ Buckling และ Crushing • เสาสั้น จะเสียหายในรูปแบบของ Crushing (กรณปีกติของแรงในแนวแกนในบทที่ 1)
• เสายาว จะมีมิติของความยาวมากกวามติิดานหนาตัด มากกวา 10 เทากลศาสตรของของแข็ง วศ.ก.214 - 6 ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล มหาวิทยาลัยเชียงใหม 2
ถือวาเสาในอุดมคติ• เปนวัสดุเนื้อเดียว (Homogeneous)• มีขนาดหนาตัดคงที่• มีลักษณะตรงตลอดความยาว• มีแรงกดกระทําในแนวแกนแบบตรงศูนย
(ในทางปฏิบัติแลว จะมีความไมสมบูรณของวัสด ุความคลาดเคลื่อนจากการผลิตและติดตัง้)• ทําใหเสาตองรับทั้งความเคนกดจากแรงในแนวแกนและจากโมเมนตดัดจากการเยื้องศูนยของแรงดวย
กลศาสตรของของแข็ง วศ.ก.214 - 6 ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล มหาวิทยาลัยเชียงใหม 3
6.2 แรงวิกฤติ (Critical Load)• ถือวาเสายาวมีจุดรองรับที่ปลายแบบสลัก (คือ มีอิสระที่จะหมุน)• มีแรง H กระทําตรงกลาง ทําใหเกิดการโกงออก • คอยๆเพิ่มแรง P เขาที่แตละปลาย (ในขณะเดียวกันคา H ก็จะคอยๆลดลง เพื่อทําใหเสายังโกงดวยระยะเทาเดิม)• จุดสดุทายเปนจุด ที่ P มีคามากที่สุด
(สวน H = 0)
• คาโมเมนตที่ระยะกึ่งกลางเสา มีคาเปนδcrPM =
กลศาสตรของของแข็ง วศ.ก.214 - 6 ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล มหาวิทยาลัยเชียงใหม 4
• แรงวกิฤติ (Critical load) เปนแรงที่ทําใหเสาอยูในลักษณะโกง โดยไมตองมีแรงดันจากดานขาง เปนแรงกดสูงสุดที่เสายังไมเกิดการเสียหาย โดยเสาจะกลับคืนสูสภาพตรงไดเหมือนเดิม ถาไมมีแรงกดกระทํา• ถาแรง P มีคาสูงเกินกวาแรงวิกฤตินี้ จะทําใหเสาโกงออกดานขางมากขึ้น (หรือเปนการเพิ่มคาโมเมนตนั่นเอง) จนเกิดการเสียหายในลักษณะของการโกงเดาะ (Buckling) ในที่สุด• ดังนั้น แรงวิกฤต ิจึงหมายถึง แรงกดในแนวแกนที่มากที่สุดที่เสายาวจะยังคงอยูในสภาพตรงได (แตจะอยูในลักษณะที่ไมมีเสถยีรภาพ กลาวคือ ถามีแรงรบกวนจากดานขางเพียงเล็กนอย มันจะเสียสมดุล หรือเกิดการเสียหายได)• สมดุลมี 3 ลักษณะ – Stable, Neutral and Unstable Equilibriums
กลศาสตรของของแข็ง วศ.ก.214 - 6 ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล มหาวิทยาลัยเชียงใหม 5
กลศาสตรของของแข็ง วศ.ก.214 - 6 ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล มหาวิทยาลัยเชียงใหม 6
6.3 สมการออยเลอร (Euler’s formula)• สมการทํานายพฤตกิรรมของเสายาว ตั้งขึ้นโดยนักคณิตศาสตรชาวสวิส ชื่อ ออยเลอร ในป ค.ศ. 1757• ถือวาเสายาวมจีดุรองรับทีป่ลายแบบสลัก (มีอิสระทีจ่ะหมุน แตไมสามารถเลื่อนออกดานขางได)• ถือวาระยะการโกงที่เกิดขึน้มีขนาดนอยมาก (ประมาณการวาเสาที่โกงแลวยาวเทากับความยาวเดิมของเสาตรง)• ถือวาความชนัของเสนโคงการโกงมีคานอยมาก ดังนั้น
(ก)
• สมการนี้ ไมสามารถทําการอินติเกรทไดโดยตรง เพราะวา โมเมนตไมไดเปนฟงกชั่น ของ x
PyyPMdx
ydEI −=−== )(2
2
แตโดยการใชการเทียบเคียงกับสมการการสั่นอยางงายของวตัถุ ซึ่งมีสมการเปน
และมคีําตอบทั่วไปเปน
ดังนั้น จะไดวา (ข)
• โดยการแทนคา y = 0 ที่ x = 0 ในสมการ (ข) จะได C2 = 0
• และแทนคา y = 0 ที่ x = L จะได
ซึ่งจะเปนไปได 2 กรณี คือ C1 = 0 (เมือ่รวมกับที่ C2 = 0 จะไมมกีารโกงของเสาเลย)
และอกีกรณีหนึ่ง คือ
นั่นคือ เมือ่
kxdt
xdm −=2
2
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
EIPLC sin0 1
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
mktC
mktCx cossin 21
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
EIPxC
EIPxCy cossin 21
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
EIPLsin0
πnEIPL = ,.....3,2,1,0=n
กลศาสตรของของแข็ง วศ.ก.214 - 6 ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล มหาวิทยาลัยเชียงใหม 7
กลศาสตรของของแข็ง วศ.ก.214 - 6 ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล มหาวิทยาลัยเชียงใหม 8
ดังนั้น จะไดวา (ค)
• โดยสมการนี้ ไมมีความหมายเมือ่n = 0 เพราะวาแรง P = 0 (คือไมมีการโกง)• สําหรับคา n อื่นๆ จะไดลักษณะของการโกงดังรูป• โดยการโกงที่สําคัญที่สุด คือ ที่ n = 1 ซึ่งเกิดขึ้นที่คาแรง P นอยที่สุด • ถาแรง P มากขึ้นกวานั้น ถาตองการใหเกิดการโกงดังในรูป (b) หรือ (c) จะตองมีการเพิม่จดุบังคบัดานขางที่ระยะกึ่งกลางและทุกระยะ 1 ใน 3 ของความยาว ตามลําดับ• ดังนั้น สมการ (ค) จึงเขียนใหมไดเปน
(6.1)
2
22
LEInP π
=
2
2
LEIPcrπ
=
• สมการ (6.1) เปนสมการของแรงวิกฤติ ซึ่ง คือแรงกดสูงสุดที่เสาจะรบัไดโดยปลอดภัย โดยหามาไดจากเสาที่มีจดุรองรับทีป่ลายแบบสลัก • สําหรับเสาที่มจีดุรองรับทีป่ลายแบบอื่นๆ สามารถใชสมการ (6.1) มาประยุกตได โดย การเปรียบเทียบหาวาจากลักษณะการโกงของเสาแบบนั้นๆ มีตําแหนงที่มีคาโมเมนตเปนศูนยที่ไหน (จดุรองรับแบบสลัก โมเมนตเปนศูนยที่ปลายเสา)• ตําแหนงที่โมเมนตเปนศูนย คือ ตําแหนงที่กราฟเปลีย่นเครื่องหมายความโคง• สมการ (6.1) จึงเขียนใหมไดเปน
(6.2)
โดยที่ เปนความยาวเทียบเทา (Equivalent length) ของกราฟการโกงที่มีลักษณะเหมอืนกับเสาที่มจีุดรองรับแบบสลักทั้งสองปลาย• จุดรองรับทีป่ลายเสายิ่งมั่นคงเทาไหร (บงัคับการเคลื่อนที่มาก - ทําใหมีความยาวเทียบเทานอยลง) จะยิ่งสามารถรับแรงกดไดมากขึ้น• การโกงจะเกิดขึ้นรอบแกนของหนาตัดที่มีคา I นอยที่สุด
eL
2
2
ecr L
EIP π=
กลศาสตรของของแข็ง วศ.ก.214 - 6 ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล มหาวิทยาลัยเชียงใหม 9
ลักษณะจุดรองรับทีป่ลายเสา ความยาวเทียบเทาปลายฝงแนนทั้ง 2 ปลาย (Both Ends Fixed) 0.5Lปลายฝงแนน – สลัก (One Fixed – Other Hinged) 0.7Lสลักทั้ง 2 ปลาย (Both Ends Hinged) Lปลายฝงแนน – อิสระ (One Fixed – Other Free) 2L
กลศาสตรของของแข็ง วศ.ก.214 - 6 ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล มหาวิทยาลัยเชียงใหม 10
6.4 ขอจํากัดของสมการออยเลอร (Limitations of Euler’s formula)
• เสาจะโกงออกดานขางรอบแกนของหนาตัดที่มีโมเมนตความเฉือ่ยของพื้นที่ (I) ที่นอยที่สุดเสมอ• สมการออยเลอร ระบวุา แรงวิกฤติจะขึ้นอยูกับคา E ของวัสด ุและขนาดของเสา (I) ไมขึ้นกับความแข็งแรงของวัสด ุเชน ถาเปนเหลก็ที่มีขนาดเทากันแลว ก็จะสามารถรับแรงวิกฤติไดเทาๆกัน ไมวาจะทาํจากเหล็กกลา เหล็กหลอ (เพราะมีคา E เทากัน)• การออกแบบเสาที่ดี จะตองทําใหมีคาโมเมนตความเฉื่อยของพื้นที่มากที่สุดเทาที่จะทําได (เชน ทําใหพื้นที่สวนใหญกระจายออกไปไกลจากจดุเซ็นทรอยดใหมากที่สุด) และตองพยายยามทําใหมีคาใกลเคียงกันทั้ง 2 แกนดวย • ความเคนที่เกิดขึ้นในเสา จะตองมคีาไมเกิน Proportional Limit• สมการออยเลอรใชไดเฉพาะกับเสายาว (Long column) เทานั้น
กลศาสตรของของแข็ง วศ.ก.214 - 6 ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล มหาวิทยาลัยเชียงใหม 11
กลศาสตรของของแข็ง วศ.ก.214 - 6 ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล มหาวิทยาลัยเชียงใหม 12
• สมการออยเลอร สามารถเขียนในรูปของความเคนได เมือ่ให จะได (6.3)
โดย สมการ (6.3) เปนความเคนวกิฤต ิ(Critical stress) หรือความเคนสูงสุดที่จะเกิดขึ้นในเสาได โดยคาสูงสุดที่จะเปนไปได คือตองไมเกิน Proportional Limit • อัตราสวน เรียกชื่อวา อัตราสวนความยาวเรียว (Slenderness Ratio) โดยคารัศมีไจเรชั่น (r) ที่ใชจะตองเปนคาที่นอยที่สุดของหนาตัด• สมการ (6.3) สามารถใชเพือ่หาวาเสาตนนั้นเปนเสายาวหรือไม โดยการแทนคาความเคนวิกฤติดวยคาที่ Proportional Limit และ คา E ของวัสดุ ซึ่งจะทําใหไดอัตราสวนความยาวเรียวขั้นต่ําสําหรับการเปนเสายาว อาทิเชนสําหรับเหล็กกลา
หรือ
• นั่นคือ สมการออยเลอรจะใชไดกับเหล็กกลาไมได เมือ่ นอยกวา 100
2
2
)/( rLE
AP
e
cr π=
2ArI =
)/( rLe
000,1010200
102006
292
≈=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
xx
rLe π
100≈rLe
)/( rLe
• ในการออกแบบ จะตองพยายามทําใหมีคานอยที่สุดเทาที่จะทําได
เพราะถาหากมีคามากๆแลว จะยิ่งทําใหคาความเคนวิกฤตนิอยลงอยางรวดเรว็
ขอควรจํา• สมการออยเลอรใชทํานายแรงวิกฤต ิแตไมใชแรงที่ปลอดภัยในการทํางานจริง ดังนั้น จึงตองมีการเผื่อคาความปลอดภัยดวย ซึ่งทําไดดวยการหารดานขวาของสมการ (6.1) หรือ (6.2) ดวยคาเผื่อความปลอดภัย (Safety factor) ซึ่งมักจะอยูในชวงระหวาง 2 – 3 เทา แลวแตชนิดของวัสดุ
)/( rLe
กลศาสตรของของแข็ง วศ.ก.214 - 6 ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล มหาวิทยาลัยเชียงใหม 13
ตัวอยางที่ 6.1ใหเลือกหนาตัดรูป W ทีม่ีขนาดเบาที่สุดมาทําเสา ซึ่งมีความยาว 7 เมตร มีแรงกระทําในแนวแกนขนาด 450 kN และใชคาเผื่อความปลอดภัยเทากบั 3 โดยสมมุติวา(ก) จุดรองรับที่ปลายเสาเปนสลักทั้งสองปลาย และ(ข) จุดรองรับเปนแบบ ปลายฝงแนน – สลกักําหนดให ความเคนที่ Proportional limit และ คา E เทากับ 200 MPa และ 200 Gpa ตามลําดับ
กลศาสตรของของแข็ง วศ.ก.214 - 6 ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล มหาวิทยาลัยเชียงใหม 14
ตัวอยางที่ 6.1 (ตอ)
กลศาสตรของของแข็ง วศ.ก.214 - 6 ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล มหาวิทยาลัยเชียงใหม 15
ตัวอยางที่ 6.2เสาอลูมิเนียมมีหนาตัดเปนรูปสี่เหลี่ยมผนืผา มีปลาย B ฝงแนน สวนปลาย A มีจุดรองรับแบบผิวเรียบปองกันไมใหเลื่อนตามแนวแกน y แตมีอิสระที่จะเลื่อนไดในแนวแกน z ใหหา(ก) อัตราสวนของดาน a/b ที่ดทีี่สุดในการออกแบบเสาตนนี้เพื่อใหไมเกิดการโกงเดาะ(ข) ขนาดหนาตัดของเสา เมื่อกําหนดให L = 500 mm, E = 70 GPa, P = 20 kN และใชคาเผื่อความปลอดภัย = 2.5
กลศาสตรของของแข็ง วศ.ก.214 - 6 ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล มหาวิทยาลัยเชียงใหม 16