SOPRONI EGYETEM FAIPARI MÉRNÖKI KAR Dr. Szalai József egyetemi tanár MŰSZAKI MECHANIKA II. SZILÁRD TESTEK SZTATIKÁJA (Rugalmasság- és szilárdságtan) Jegyzet faipari-, papíripari-, erdő- és környezetmérnök hallgatók számára 3. javított és átdolgozott kiadás Letölthető az MMTI honlapjáról: http://mechanika.fmk.nyme.hu Kézirat Sopron, 2006
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
SOPRONI EGYETEM FAIPARI MÉRNÖKI KAR
Dr. Szalai József
egyetemi tanár
MŰSZAKI MECHANIKA II.
SZILÁRD TESTEK SZTATIKÁJA
(Rugalmasság- és szilárdságtan)
Jegyzet faipari-, papíripari-, erdő- és környezetmérnök hallgatók számára
3. javított és átdolgozott kiadás
Letölthető az MMTI honlapjáról: http://mechanika.fmk.nyme.hu
Kézirat
Sopron, 2006
2
Bírálók:
Dr. Roller Béla Dr. Thamm Frigyes
a műszaki tudomány doktora a műszaki tudomány kandidátusa
egyetemi tanár ny. egyetemi adjunktus
Ezúton mondok köszönetet Bátki Károlynak a Műszaki Mechanika Tanszék adjunktu-
sának, aki áldozatos munkával vállalta a jegyzet "utolsó" kinyomtatott változatának tartalmi,
stilisztikai, gépelési hibáinak felkutatását és javítását, valamint Busa Donátnak a tanszék de-
monstrátorának a jegyzet képleteinek újraszerkesztéséért. A jegyzet végső formattálását Kará-
8.2.1.1. Többtámaszú, egyenes tengelyű, sztatikailag határozatlan tartók 288
8.2.2. Castigliano II. és Menabrea tételén alapuló módszer 291
Felhasznált és ajánlott irodalom 294
8
SZILÁRD TESTEK SZTATIKÁJA
1. Rugalmasságtani és szilárdságtani alapfogalmak
A szilárd testek sztatikájában alkalmazásra kerülő fogalmak, absztrakciók egy részével
mint általános mechanikai alapfogalmakkal már korábban megismerkedtünk. Ilyenek voltak pl.
a tér, idő, elmozdulás, erő stb. Ezeken túlmenően természetesen a szilárd testek sztatikájának is
megvannak a speciális alapfogalmai, amelyekkel az alábbiakban foglalkozunk.
1.1. A rugalmasságtan és szilárdságtan tárgya és feladata
A mérnöki gyakorlat szinte minden területén szükség van olyan eljárásokra, amelyek
segítségével meghatározhatók az építmények, berendezések, gépek, azok szerkezeti elemeinek
igénybevétele, teherbíróképessége és alakváltozása annak érdekében, hogy ezek a műszaki léte-
sítmények kielégítő biztonsággal működhessenek, feleljenek meg céljainknak. Ezeknek az eljá-
rásoknak a kidolgozása, elméleti és kísérleti megalapozása a műszaki mechanika feladata.
E feladat jellegéből következik, hogy a sztatikában kiválóan bevált merev test fogalma
olyan absztrakció, amely itt nem alkalmazható. Helyette az alakítható test fogalmát kell beve-
zetnünk. Viselkedésük jellegzetességei szerint az alakítható testeket három nagy csoportba oszt-
hatjuk:
- szilárd testek, melyek mind az alak-, mind a térfogatváltoztatással szemben nagy ellenállást
tanúsítanak, de sohasem tökéletesen merevek,
- folyadékok, amelyek csak a térfogatváltozással szemben ellenállóak, alakjuk kis erőhatásra is
könnyen és jelentős mértékben változik,
- gázok, amelyek alakjukat és térfogatukat már viszonylag kis erőhatásra is jelentősen megvál-
toztatják.
A faipari-, papíripari-, erdő- és környezetmérnökök számára a szilárd testek viselkedé-
sének ismerete a legfontosabb.
A szilárd testek mechanikai viselkedésének pontos leírása is igen nehéz feladat, ezért a
valóságos tulajdonságokat az egyszerűbb matematikai kezelhetőség érdekében ideálisakkal kö-
zelítjük. A szerkezeti elemként használt anyagot mindenek előtt folytonos tömegeloszlásúnak,
azaz kontinuumnak tekintjük. Homogénnek nevezzük az anyagot, ha mechanikai tulajdonságai
minden pontjában azonosak, inhomogénnek, ha eltérőek. Izotrop anyagról beszélünk, ha vala-
mely pontban a felvehető összes irányban azonosak a mechanikai jellemzői. Ha a tulajdonságok
függenek az iránytól, anizotrop anyagról van szó.
Az egyik legfontosabb absztrakció azonban az anyagra ható terhelés és az általa létre-
hozott alakváltozás, illetve az alakváltozási folyamat idealizálása. A legegyszerűbb, ugyanakkor
igen jól használható anyagmodell az ún. rugalmas test, melynek az a jellemzője, hogy a terhelés
9
által létrehozott alakváltozás az erőhatás megszűnésével szintén eltűnik. Ilyen testekből felépí-
tett szerkezetekkel és szerkezeti elemekkel foglalkozik a rugalmasságtan. Ha az erőhatás és az
alakváltozás között lineáris kapcsolatot tételezünk fel, amint az a műszaki gyakorlatban előfor-
duló feltételek mellett sokszor igen jó közelítéssel teljesül, lineáris rugalmasságtanról beszélünk.
Vannak azonban olyan anyagok is, amelyeknek nincs vagy nagyon kicsi a rugalmas alakválto-
zása, és a terhelés hatására maradandó - röviden - maradó alakváltozást szenvednek. Ezeket
képlékeny anyagoknak hívjuk s velük a képlékenységtan foglalkozik.
Hangsúlyozzuk, hogy a fenti ideális tulajdonságok a gyakorlatban tisztán szinte soha-
sem fordulnak elő. A szerkezeti anyagok többsége kis részecskékből, kristályokból, rostokból
áll, melyek önmagukban anizotropok. Makroszkopikus méretekben azonban a részecskék tulaj-
donságainak átlagértéke mutatkozik, s ilyen értelemben - különösen fémeknél és bizonyos mű-
anyagoknál - indokolt a homogén és izotrop feltételezés. A természetben kialakult vagy mester-
ségesen létrehozott, rostos vagy réteges kialakítású anyagok - mint pl. a faanyag, rétegelt leme-
zek, bizonyos műanyagok - általában homogén anizotropoknak, esetleg inhomogén anizotro
pnak tekinthetők. Az alakváltozás szempontjából a valóságos anyagok egyszerre rugalmasan és
képlékenyen is viselkednek, és a két tulajdonság aránya rendkívül változatos lehet. A szerkezeti
anyagok nagy többségére azonban a nagy rugalmas és kismértékű képlékeny alakváltozás jel-
lemző, és ez lehetővé teszi az ideálisan rugalmas lineáris modell alkalmazását.
A rugalmasságtan és a képlékenységtan képezi az alapját a szilárdságtannak, amelynek
segítségével meghatározhatjuk valamely szerkezeti elem teherbíró képességét, vagy adott terhe-
lésnél a tönkremenetellel szembeni biztonságot, illetve a tönkremenetel valószínűségét.
1.2. A feszültség fogalma
Vágjunk ketté egy egyensúlyi erőrendszerrel terhelt testet valamely belső P pontján át
egy síkkal (1.1./a ábra). A merev testek sztatikájában beláttuk, hogy az így felszabadított sík
felületén általában egy megoszló, ún. belső erőrendszernek kell ébrednie a két rész egyensúlyá-
nak biztosítására. Ezt a belső erőrendszert a folytonos anyageloszlás feltételezése miatt folyto-
nosnak tekinthetjük és eredőjét - érdekes módon - sztatikai eszközökkel is számíthatjuk, anélkül,
hogy ismernénk tényleges felületi megoszlását. A B erő, ami a bal oldali testrészen ható, felü-
leten megoszló belső erőrendszer eredője a jobb oldali testrészen ható külső erők eredőjével
egyenlő. A rugalmasságtan egyik feladata éppen az, hogy meghatározzuk ennek a belső erő-
rendszernek a jellegét, minőségét és tényleges megoszlását. Ez a feladat sztatikailag határozat-
lan, hiszen végtelen sokféleképpen lehetne olyan erőrendszert felvenni, melynek eredője éppen
B . A valóságnak megfelelő erőmegoszlást, mint minden sztatikailag határozatlan feladatnál,
csak az alakváltozás figyelembevételével lehet egyértelműen meghatározni.
Jelöljük ki a síkmetszet P pontja körül egy elemi, ∆A nagyságú felületet és tegyük fel,
hogy az ezen ható felületi erőrendszer eredője az elemi nagyságú ∆B erő. A P pont körüli felü-
10
let nagyságának csökkentésével ∆B is
változik. Az A felület minden határon túli
csökkentésével a ∆B / ∆A hányados egy, a
P pontban értelmezett határérték felé tart:
lim∆
∆∆A
n
B
A
dB
dA→= =
0σ , 1.1
melyet a P pont n jelű síkmetszetéhez
tartozó feszültségvektorának nevezünk. A
feszültség kötött vektor, támadáspontja a
vizsgált P pont. (1.1)-ben az n index a
metszősíkra utal. E sík állását a
legegyszerűbben a rá merőleges
egységvektorral ( )n = 1 , a sík
egységnyi normál - vektorával adhatjuk
meg.
1.1 ábra
A feszültségvektor általában a metszősík minden pontjában más és más lesz. Ha a felü-
let valamely pontjának helyvektora ρ , akkor a hozzátartozó belső erőrendszert a
( )σ σ ρn n= 1.2.
vektor-vektor függvény határozza meg. Ha egy n normálisú síkon ismerjük (1.2) konkrét alak-
ját, akkor a belső erőrendszernek a keresztmetszet súlypontjára vonakozó dinámját az alábbi
kifejezésekkel számíthatjuk:
( )B dB dA
A
n
A
= =∫ ∫ σ ρ , 1.3/a
( ) ( ) ( )W dB dAS S
A
S
A
n= − × = − ×∫ ∫ρ ρ ρ ρ σ ρ 1.3/b
A σ n feszültségvektor a felület n normálisával tetszőleges szöget zárhat be, s így álta-
lában felbontható egy normális irányú és egy arra merőleges (tehát a síkba eső) komponensre
(1.1/b. ábra). A normálvektorral párhuzamos
11
σ σnn nn= 1.4
komponenst normálfeszültségnek, a metszősíkkal párhuzamos
σ σnm nm= 1.5
komponenst nyíró- vagy csúsztatófeszültségnek nevezzük. Könnyen beláthatjuk, hogy az m
irány egységvektorát az
( )( )
mn n
nn
n
=× ×
×σ
σ
vektorkifejezéssel számíthatjuk.
A feszültségvektort tehát mindig megadhatjuk komponenseinek összegeként:
σ σn nnn= + σ nmm ⋅ 1.6
A feszültségösszetevők σ nn és σ nm koordinátáinak, illetve a feszültségvektor abszolút
értékének dimenziója az (1.1) definícióinak megfelelően erő/felület, mértékegysége az SI-ben 1
N/m2 = 1 Pa = 1 pascal. Ez az egység a műszaki gyakorlatban nagyon kicsiny mennyiség, cél-
szerű a 106-szorosát használni: 10
6 N/m = 10
6 Pa = 1 MPa = 1 N/mm
2. Az utolsó azonosság
alátámasztja az egyébként nem túlságosan szemléletes MPa használatát, mert mérőszáma azonos
a N/mm2 egység mérőszámával, aminek fizikai értelmezése lényegesen szemléletesebb.
Itt jegyezzük meg, hogy a σ nn és σ nm mennyiségnek megfelelő két indexes jelölés-
módhoz a továbbiakban is konzekvensen ragaszkodunk. Vegyük észre, hogy az első index min-
dig annak a síknak a normálisára utal, amelyhez a feszültségvektor tartozik, a második pedig
arra az irányra, amellyel a feszültségkomponens párhuzamos. Számos szakirodalom σ nn helyett
σ n , σ nm helyettτ nm vagy τ n jelölést használ. A két indexes jelölésmódnak azonban később
sok előnye lesz. Egyelőre csak annyit tartsunk szem előtt, hogy ha a két index megegyezik,
normálfeszültségről, ha különbözik, nyírófeszültségről van szó.
Tétel: Adott pontban az ellentett irányítású síkokhoz tartozó feszültségvektorok egymásnak
ellentettjei.
Bizonyítás: Az akció-reakció elv értelmében, ha a P pont körül felvett ∆A felülethez tartozó
erő a bal oldali testrészen ∆B , akkor ugyanezen felülethez a jobb oldali testrészen, azaz a -n
normálisú felületen - ∆B belső erő tartozik. (1.1) felhasználásával:
σ − → →= − = − + = −n
A An
B
A
B
Alim lim
∆ ∆
∆∆
∆∆0 0
σ .
12
1.3. Alakváltozási jellemzők
Vegyünk fel a szilárd
test va lamely P pontjának szűk
környezetében egy tetszőleges
helyzetű A pontot, melynek
helyét az elemi hosszúságú ∆r
helyvektorral adjuk meg. A
deformáció után az A pont a P
ponthoz képest a ∆r , helyvek-
torú A' pontba kerül. Ha a ∆r
helyvektor hosszát elég
kicsinek vesszük úgy is
fogalmazhatunk, hogy az
alakváltozás során a ∆r vektor
a ∆r , vektorrá transzformá-
lódik (1.2.ábra). A
1.2. ábra
∆ ∆ ∆δ = −r r, 1.8
vektor nyilvánvalóan jellemző a P pont környezetének alakváltozására, ezért torzulásvektornak nevezzük. A torzulásvektor és ∆r hányadosának ∆r →0 átmenettel képzett határértéke a de-
formáció vagy alakváltozási vektor:
lim∆
∆∆r
nr
d
dr→= =
0
δ δ ε ⋅ 1.9
Az n index a ∆r vektorral azonos irányítású n egységvektorra utal.
A deformációvektor (1.9) szerint a nagyon kicsi, de egységnyi hosszúságú irányvektor-
hoz tartozó torzulásvektor. Egy adott n irányhoz a szilárd test minden pontjához rendelhető egy
deformációvektor, amelyet az
( )ε ε ρn n= 1.10
vektor-vektor-függvénnyel adhatunk meg.
13
Az alakváltozási vektort - hasonlóan a feszültségvektorhoz - felbonthatjuk egy n irányú
és egy arra merőleges összetevőre (1.3. ábra):
ε ε εn nn nmn m= + 1.11
A két alakváltozási komponens fizikai
értelmezése céljából vezessük be a
fajlagos hosszváltozás fogalmát, amely
egy l hosszúságú elem deformáció
során elszenvedett λ
hosszváltozásának és eredeti hosszának
hányadosa.
A fajlagos hosszváltozás pozitív, ha az
alakváltozás során az elem hosszabb,
negatív, ha rövidebb lesz. Az 1.3. ábra
alapján határozzuk meg a P pontban
felvett n egységvektor fajlagos
hosszváltozását:
1.3. ábra
λ εε
l=
−≅
+ −=
n n
nnn
nn
,1 1
1 ⋅ 1.12
Határozzuk meg az n és az n , vektorok által bezárt szöget is:
ϕ ϕε
εε≅ =
+=tg nm
nnnm1
. 1.13
A fenti két kifejezésben kihasználtuk azt a megkötést, hogy a szilárd test alakváltozása
csak kicsi lehet, olyan kicsi, hogy az n nn nn, ;≅ +1 ε ε << 1 és tgϕ ϕ≅ összefüggések gya-
korlatilag elfogadhatók.
(1.12) és (1.13) szerint a deformációvektor n irányú vetülete az adott n irányhoz tarto-
zó fajlagos hosszváltozás, n -re merőleges vetülete pedig az n egységvektor deformáció során
szenvedett szögelfordulása. ε nn és ε nm dimenzió nélküli mennyiségek. A szakirodalom sokszor
az ε εnn n= és ε γ γnm = =12 nm
12 n jelölést alkalmazza.
14
1.4. A szilárd anyag viselkedése egyszerű igénybevételek és különböző igénybevételi módok
hatására
A szerkezeti anyagok különböző technikai feltételek mellett mutatott mechanikai visel-
kedésének kísérleti vizsgálata és kutatása a műszaki gyakorlat számára igen nagy jelentőségű,
mert ez képezi az alapját a szilárd anyagok elméleti-mechanikai modellezésének és a
teherbíróképesség kimutatásának. Az anyag szilárdsági jellemzőin azokat a tulajdonságokat
értjük, amelyek az anyagokat a mechanikai igénybevételekkel szemben tanúsított ellenállásuk
(alakváltozás, törés, stb.) szempontjából írják le. Ezeket a tulajdonságoknak és jellemzőknek a
kutatása és meghatározása az anyagtudomány feladata.
1.4.1. Terhelési módok
Az anyagok teherbíróképességét - az anyagminőség mellett - az igénybevételek fajtája
és a terhek jellege határozza meg. Az igénybevételek fajtáival, meghatározásukkal a merev tes-
tek sztatikájában megismerkedtünk.
A terhelés jellege szerint sztatikus és dinamikus terhelésről beszélünk.
- Sztatikus terhelés:
A külső és belső erők a terhelési folyamat alatt minden pillanatban sztatikai egyensúly-
ban vannak, az alakváltozás nagyon lassan megy végbe, az alakváltozási sebesség gyakorlatilag
nulla. A sztatikus terhelés feltétele az, hogy a teher nagyságának változása lassú, azaz a teherát-
adási sebesség kicsi legyen.
Ide tartoznak azok a terhelések, amelyek a szerkezetre úgy adódnak át, hogy nulláról
indulva maximális értéküket lassan és egyenletesen érik el. Ilyen teherátadási módot alkalmaz-
nak pl. az anyagok ún. rövid idejű vagy pillanatnyi sztatikus szilárdságának meghatározásánál.
A sztatikus terhek közé soroljuk azokat a terheket is, amelyek helyüket és nagyságukat hosszú
időn át sem változtatják meg. Ezeket tartós állandó terheknek nevezzük. Ilyen terhelésnek te-
kinthető pl. a szerkezetek önsúlyából származó erő.
- Dinamikus terhelés:
A terhelési folyamat során a külső és belső erők nincsenek sztatikai egyensúlyban, így a
szerkezetben, illetve annak bizonyos részeiben váltakozó előjelű gyorsulások, s ezek következ-
tében rezgés jellegű alakváltozások keletkeznek. Dinamikus terhelésnél a teherátadás sebessége
nem hanyagolható el, sőt bizonyos esetekben végtelen nagynak veendő.
Ide soroljuk azokat a terheléseket, amelyek ütközés- vagy lökésszerűen adódnak át,
azaz a teherátadás pillanatszerűen megy végbe, valamint azokat, amelyek hosszú időn át hatnak,
de nagyságuk az időben viszonylag gyorsan változik. Ez utóbbiakat tartós változó (váltakozó)
15
terhelésnek nevezzük. A változás lehet véletlenszerű (sztochasztikus), poliharmonikus és tiszta
harmonikus (1.4. ábra). A periódikusan változó terheléseknél Fmax ésFmin az igénybevétel felső
és alsó értéke.
A terhelés amplitúdója:
FF F
a =−max min
2
középértéke pedig:
F F FF F
m a= + =+
minmax min
2
1.4. ábra
16
Lüktető terhelésről (igénybevételről) beszélünk, ha
F
Fmin
max
≥ 0
és lengő terhelésről (igénybevételről), ha
F
Fmin
max
<0 .
A sztatikus, a lüktető és a lengő terhelés a méretezési előírások I, II. és III. típusú terhe-
lésnek is nevezik.
1.4.2. A szilárd testek valóságos mechanikai viselkedése
A szilárd testek mechanikai viselkedése szempontjából az alakváltozással és a tönkre-
menetellel kapcsolatos jellemzők a legfontosabbak. Az alakváltozás és a tönkremenetel jellege
és sajátosságai a különböző terhelési módoknak megfelelően rendkívül sokfélék lehetnek.
A szilárd test fizikája keretében megkísérlik az anyag szerkezeti felépítéséből levezetni
annak mechanikai viselkedését. Az elmélet sikeresen értelmezi a mechanikai tulajdonságok
nagy részét, kvantitatív kiértékelésre azonban - az anyag szerkezeti felépítésében mindig megje-
lenő rendellenességek, szabálytalanságok, az ún. diszlokációk miatt - nem alkalmas. E miatt a
mérnöki tudományokban egyelőre a fenomenológiai szemléletmód az uralkodó. A fenomenoló-
giai módszer alkalmazása során lemondunk a jelenség fizikai magyarázatáról és megelégszünk
annak leírásával.
A mechanikai viselkedés - azaz a terhelés módja, jellege, valamint az alakváltozás és a
tönkremenetel közötti kapcsolat - minél pontosabb leírására gondosan megtervezett és nagy-
számú kísérletet kell elvégezni. Ezek kiértékelése után lehet következtetni a különböző anyagok
mechanikai tulajdonságainak minőségi és mennyiségi jellemzőire.
A különböző igénybevételek esetén az erők jellegének megfelelően a szilárdsági tulaj-
donságok vizsgálatához
rövid idejű
- sztatikus
tartós
rövid idejű
- dinamikus
tartós
kísérleteket alkalmaznak.
A következőkben a fenti kísérleti módszerek és lehetőségek közül a legalapvetőbbeket,
illetve a legjellemzőbbeket ismertetjük.
17
A/ Sztatikus, rövid idejű vizsgálatok
E csoportba tartoznak a tudománytörténetileg elsőként elvégzett legegyszerűbb anyag-
vizsgálatok. Az anyagok mechanikai tulajdonságait a belőlük készített próbatesteken határozhat-
juk meg. A kísérlet folyamán a próbatestet alkalmas erőrendszerrel terheljük és mérjük az általa
létrehozott alakváltozást. A vizsgálat eredményeként egy
( )Y Y= δ 1.14
függvényt kapunk, ahol Y - a terhelésnek megfelelő igénybevétel nagysága, δ - a fellépő alak-változás (hosszváltozás, lehajlás, szögelfordulás, stb.) mértéke. Az ( )Y Y= δ függvényt ábrázo-
ló diagramot a próbatest jelleggörbéjének nevezzük.
A próbatest jelleggörbéje általában három részre osztható (1.5. ábra). Az első, 0A sza-
kaszon az igénybevétel nagysága és az általa létrehozott alakváltozás között a kapcsolat jó köze-
lítéssel lineáris.
Ha ezen a tartományon visszavesszük a terhelést, akkor a tehermentesítéshez tartozó jelleggörbe
egybeesik az 0A egyenessel. A test visszanyeri eredeti alakját és méreteit. Ezt a tulajdonságot
rugalmasságnak nevezzük. Nagyon pontos mérésekkel ugyan kimutatható, hogy az alakváltozás
sohasem tűnik el teljesen, egy kis alakváltozás mindig - a legkisebb terhelés után is - marad
vissza, melyet maradó alakváltozásnak nevezünk.
Igy bár tökéletesen rugalmas anyag nincs, a műszaki gyakorlatban a szerkezeti anyago-
kat annak tekintjük, ha a terhelés nem éri el a rugalmassági határt.
A rugalmassági határ az A pontnak megfelelő terhelés, az arányossági határ közelében van,
annál azonban kisebb és nagyobb is lehet. A rugalmassági határnál nagyobb igénybevételnél a
próbatest képlékeny állapotba kerül. Képlékeny állapotban ugyanakkora tehernövekedéshez
lényegesen nagyobb alakváltozás tartozik, mint a rugalmas állapothoz. Bizonyos anyagoknál
található olyan tehernagyság, melyet állandó értéken tartva az alakváltozás az időben folyama-
tosan nő. Ezt a jelenséget folyásnak nevezzük, a hozzá tartozó igénybevételt pedig folyáshatár-
nak. A folyás során keletkező alakváltozás mindig megmaradó alakváltozás. A rugalmassági
határt meghaladó terhelést - pl. a D pontnak megfelelő igénybevételt - visszavéve a tehermente-
sítés vonala az OA egyenessel párhuzamos lesz. A D ponthoz tartozó teljes alakváltozás δ r
rugalmas része eltűnik, csak a folyásból származó marad meg:
δ δ δ= +r m . 1.15
A próbatestet újra terhelve, annak jelleggörbéje gyakorlatilag az előző tehermentesítés vonala
lesz egészen a D pontig. Egy terhelési ciklus tehát megnöveli az anyag arányossági, illetve fo-
18
lyáshatárát. Ezért a jelleggörbének ezt a második, AB részét felkeményedési szakasznak ne-
vezzük. E szakasz végén, a görbe B pontjában a próbatest terhelhetősége eléri a maximumot. A
1.5. ábra
hozzá tartozó igénybevételt törőigénybevételnek nevezzük, jóllehet a próbatest törése nem itt,
hanem a C pontban következik be. A harmadik, BC szakaszon indulnak be és teljesednek ki
azok a folyamatok (belső repedések, helyi keresztmetszetcsökkenés, stb.), melyek lerontják és
végül megszüntetik a külső terheléssel szembeni ellenállást.
A próbatestek jelleggörbéjének tényleges alakja nagyon sok befolyásoló tényező függ-
vénye. Ezek közül legfontosabbak:
- az anyagminőség, az anyagminőség,
- a próbatest geometriai jellemzői,
- az igénybevétel fajtája, jellege,
- a teherátadás sebessége,
- a kísérlet környezeti állapothatározói (hőmérséklet, nedvességtartalom stb.).
A próbatestek jelleggörbéiből az anyag mechanikai viselkedésére következtethetünk, ha
sikerül a próbatest alakjának hatását kiküszöbölni. Az anyagtulajdonságok legfontosabb jellem-
zőinek tárgyalására a húzó-, nyomó- és nyíróigénybevétellel történő, sztatikus, rövid idejű vizs-
gálatokat mutatjuk be.
1. Húzó-vizsgálat
A húzókísérlethez a vizsgálandó anyagból egy kör vagy téglalap keresztmetszetű, A0
területű, L hosszúságú egyenes rudat készítenek, melyet anyagvizsgáló gépben egy időben vál-
19
tozó F=F(t) nagyságú koncentrált erővel terhelünk sztatikusan (az F(t) tehát nulláról indul, az
idővel lineárisan növekszik, a teherátadás sebessége kicsi, de a tönkremenetelig eltelt idő nem
több néhány percnél), úgy, hogy a rúd középső, l0 hosszúságú szakaszának minden keresztmet-
szete F nagyságú húzóigénybevételnek legyen kitéve. A próbatest jelleggörbéjét a bevezetőben
bemutatottaknak megfelelően fel lehet venni. Az anyagtulajdonságok kiértékeléséhez bevezet-
jük a
( ) ( )σ t
F t
A=
0
1.16
látszólagos normálfeszültséget és az
( ) ( ) ( )ε
λt
l t l
l
t
l=
−=0
0 0
1.17
fajlagos hosszváltozást (megnyúlást), ahol l(t) - az eredetileg l0 hosszúságú szakasz F(t)-hez
tartozó, megnyúlt hossza, λ (t) - az l0 szakasz hosszváltozása.
A terhelési folyamat során minden pillanatban hozzárendelhető a névleges feszültséghez
egy fajlagos hosszváltozási érték. Az (1.16) és (1.17) definíciókból következik, hogy a ( )σ σ ε= függvénykapcsolat az (1.14) típusú F = F(λ ) függvénnyel, a próbatest jelleggörbéjé-
vel affin. Ugyanakkor a ( )σ σ ε= nem függ a próbatest geometriai méreteitől, nem szerkezeti,
hanem anyagjellemző, ezért az anyag látszólagos jelleggörbéjének, alakváltozási diagramjának
(húzódiagramjának) nevezzük. A próbatest jelleggörbéje és az anyag látszólagos jelleggörbéje
közötti affinitás miatt a két diagram jellege hasonló, ugyanazokra a szakaszokra bonthatók (1.6.
ábra). Az alakváltozási diagramok jellemző pontjainak meghatározása elvi és gyakorlati szem-
pontból is sok problémát jelenthet, ezért ezeket általában elfogadott, szabványok által rögzített
módszerekkel, eljárásokkal állapítják meg.
Ezen egyezmények szerint:
σ A - az anyag arányossági határa: a 0,0005 mm/mm maradó fajlagos hosszváltozáshoz tartozó
névleges feszültség,
σ R - az anyag rugalmassági határa: a 0,0002 mm/mm maradó fajlagos hosszváltozáshoz tartozó
névleges feszültség,
σ F - az anyag folyáshatára: a 0,002 mm/mm maradó fajlagos hosszváltozáshoz tartozó névleges
feszültség.
Az anyag látszólagos jelleggörbéjének ismeretében a fenti mennyiségeket úgy határoz-
zuk meg, hogy az ε tengelyen felmérjük a keresett határnak megfelelő maradó fajlagos alak-
változás-értéket. Az e pontból kiinduló, a jelleggörbe lineáris szakaszával párhuzamos egyenes
20
és a jelleggörbe metszéspontjához tartozó névleges feszültség adja a keresett jellemzőt (1.6.
ábra).
A felkeményedési szakaszon a görbe legmagasabb pontjának megfelelő σ B feszültséget
az anyag rövid idejű, sztatikus húzószilárdáságnak nevezzük. A húzószilárdság - megállapodás
szerint - a legnagyobb húzóigénybevétel és a kezdeti keresztmetszet-terület hányadosa:
σ B
F
A
N
A= = ⋅max max
0 0
1.18
A húzott próbatest alakváltozása nem egyedül a hosszirányú méretnövekedés, hanem
ezzel egyidőben - a hosszirányra merőlegesen - a keresztmetszet síkjában is fellép hosszúságvál-
tozás, amelyet keresztirányú (harántirányú) fajlagos hosszváltozásnak nevezünk:
( ) ( )ε k t
d t d
d=
− 0
0
, 1.19
ahol a d(t) - a próbatest hossztengelyére merőleges síkban felvett, eredetileg d0 hosszúságú
szakasz F(t) erőhöz tartozó, megváltozott hossza. Húzóigénybevételnél a keresztirányú méretek
kisebbek lesznek. A keresztirányú fajlagos hosszváltozás az alakváltozási diagram kezdeti, line-
áris szakaszán szintén lineáris kapcsolatban van a terhelő erővel, illetve a névleges feszültség-
gel, így a hosszirányú fajlagos alakváltozással is. A folyási tartományban nagysága a hosszirá-
nyú fajlagos hosszváltozásnak a fele lesz. A jelleggörbe B pontjáig a keresztmetszet méretcsök-
kenése a próbatest teljes hosszában azonos. A jelleggörbe harmadik szakaszán azonban a próba-
test egy bizonyos helyen a többi keresztmetszethez képest lényegesen gyorsabban elvékonyo-
dik, behúzódik. Ez a jelenség a kontrakció. A próbatest szakadása a kontrahálódott keresztmet-
szetben következik be. A kontrakció jellemzésére a
ψ =−A A
AC0
0
1.20
mérőszámot vezetjük be, ahol A C - a kontrahált keresztmetszet szakadás után mérhető területe.
Szakadási nyúlásnak nevezzük a fajlagos hosszváltozást a próbatest elszakadásának
pillanatában:
ε CCl l
l=
− 0
0
1.21
ahol l C az eredetileg l 0 hosszúságú rúdszakasz megnövekedett hossza, melyet a két szakadt
rész összeillesztésével mérhetünk.
21
1.6. ábra
Különösnek tűnhet, hogy a σ B húzószilárdság elérése után a jelleggörbe csökkenő
tendenciát mutat. Ennek az az oka, hogy a függőleges tengelyre a húzóerő és az eredeti A 0
keresztmetszet-terület hányadosaként értelmezett, névleges feszültséget mértük fel. Az anyag
valódi jelleggörbéjét úgy kapjuk meg, hogy a fajlagos hosszváltozást a tényleges feszültség
függvényében ábrázoljuk. A tényleges feszültség pedig a húzóerő és a csökkenő keresztmetszet-
terület hányadosa. A kísérletek tanúsága szerint a jelleggörbe lineáris szakaszán a keresztmet-
szeti méretek csökkenése olyan kicsi, hogy a látszólagos és a valódi jelleggörbe gyakorlatilag
egybeesik. Jelentős eltérés a 2. és különösen a 3. szakaszban tapasztalható (1.6. ábra). Különö-
sen bonyolulttá válnak a feszültségi és alakváltozási viszonyok a kontrahálódott keresztmetszet-
ben a szakadás pillanatában. Így a valódi húzószilárdság és a valódi szakadási nyúlás meghatá-
rozásához általában csak közelítő számításokat alkalmaznak.
2/ Nyomó-vizsgálat
Nyomókísérletnél kör vagy derékszögű négyszög keresztmetszetű, d0 minimális szé-
lességű, A 0 területű, L hosszúságú próbatesteket készítenek, melynek alsó és felső homloklap-
22
jára F = F(t) nagyságú, sztatikusan működő nyomóerő hat. Általában igen nehéz olyan kísérleti
körülményeket kialakítani, hogy a próbatest minden keresztmetszete tiszta nyomásra legyen
igénybe véve. Az egyik zavaró hatás abból adódik, hogy a próbatest homlokfelülete és a nyo-
mólapok között jelentős súrlódóerő ébred. A másik zavaró körülmény az, hogy a próbatest
hossztengelye bizonyos terhelésnél meghajlik. Ha a próbatest hosszát úgy vesszük fel, hogy az
ne legyen nagyobb legkisebb keresztmetszeti méretének 2-3-szorosánál ( )1 5 30 0, d L d≤ ≤ ,
akkor a hosszúság középső 2/3-ában az igénybevétel jó közelítéssel tiszta nyomás és a kihajlás
veszélye is minimális lesz. A próbatest jelleggörbéjét felvéve, a húzóvizsgálatnál definiált név-
leges normálfeszültséggel és fajlagos hosszváltozással - a különbség csak annyi, hogy nyomás-
nál mindkettő negatív - megszerkeszthetjük az anyag jelleggörbéjét (1.7. ábra). A görbe jelleg-
zetes pontjait is ugyanúgy kell megkeresni, mint húzóigénybevételnél. Előfordulhat - bizonyos
anyagoknál -, hogy a nyomószilárdságnak megfelelő B pontot nem lehet meghatározni, mert ha
a próbatest anyaga nagy értékű alakváltozásra képes, szétlapul a nyomópofák között anélkül,
hogy eltörne. Nyomáskor a keresztmetszeti méretek megnövekednek. Mivel a súrlódás gátolja a
homlokfelületek harántirányú elmozdulását, a próbatest oldala meggörbül, kidudorodik (a hen-
ger alakú próbatest hordóalakot vesz fel).
1.7. ábra
Az anyag valódi jelleggörbéjét a tényleges normálfeszültség és a fajlagos hosszváltozás
összekapcsolásával nyerjük. A keresztmetszet növekedése miatt a folyáshatárnál nagyobb fe-
szültségeken a valódi jelleggörbe közelebb kerül a koordinátarendszer vízszintes tengelyéhez.
23
3/ Nyíró-vizsgálat
A nyíró kísérlet technikai és elméleti szempontból komoly problémát jelent, mert olyan
próbatest alakot és terhelési módot kialakítani, melynek hatására a próbatest egy bizonyos része
tiszta nyíróigénybevételnek van kitéve és a nyírásból származó nyírófeszültségek eloszlása is
egyenletes, igen nehéz, gyakorlatilag lehetetlen. A vizsgálatok többsége így csak a próbatest - és
nem az anyag - jelleggörbéjének meghatározására alkalmas. Néhány vizsgálati módszernél (pl.
egyenes rúd megcsavarásánál) azonban - bizonyos elvi feltételezések mellett - az anyag jelleg-
görbéjére is fontos következtetéseket tehetünk. A kísérleti tapasztalatok szerint a nyírófeszültség
két szakasz egymással bezárt szögét változtatja meg, azok hosszát nem.
Az anyag jelleggörbéjének felvételénél a vízszintes tengelyre a γ szögváltozást, a függőlegesre
a nyírófeszültséget mérjük (1.8. ábra). Mivel a szögváltozás a keresztmetszet alakját csak eltor-
zítja, de területének nagyságát gyakorlatilag nem változtatja meg, az anyag látszólagos és valódi
jelleggörbéje jó közelítéssel egybeesik. A megállapodás szerint aτ A arányossági határnak a
0,0002, a τ F folyáshatárnak a 0,003 maradó szögváltozáshoz tartozó nyírófeszültséget tekintjük.
A különböző anyagok viselkedésének meghatározásához a sztatikus, rövid idejű vizsgá-
latokat előírás szerint szobahőmérsékleten (20 oC-on) végzik. Az így kapott jelleggörbék alakjá-
tól függően a szerkezeti anyagok két nagy csoportba oszthatók.
- szívós anyagok, amelyek a rugalmas szakasz után még nagy képlékeny tartománnyal rendel-
keznek, a próbatest törését - ha egyáltalán előidézhető - jelentős alakváltozás előzi meg, a tönk-
remenetel két legfontosabb jellemzője a folyáshatár és a látszólagos szilárdság.
- rideg anyagok, amelyek képlékeny tartománya majdnem vagy teljesen hiányzik, a próbatest
alakváltozása a törés pillanatáig viszonylag kicsi és gyakorlatilag rugalmasnak tekinthető. A
törés sok anyagnál már 0,002 mm/mm vagy a 0,003 rad alatt bekövetkezik, így a folyáshatár
nem határozható meg. A tönkremenetel legfontosabb jellemzője s látszólagos szilárdság.
A szívós és rideg anyagok tipikus jellegzetességeinek tanulmányozására vizsgáljuk meg
az 1.9. ábrát, melyen egy kis széntartalmú acél és szürke öntött vas látszólagos jelleggörbéit
láthatjuk húzásnál és nyomásnál (a nyomó jelleggörbét is a pozitív síknegyedben ábrázoltuk). A
kis széntartalmú acél próbatest húzásnál karcsúsodás után szakadt el, nyomásnál olyan nagy
mértékű összenyomódást szenvedett, hogy a nyomószilárdságot nem lehetett meghatározni. A
folyáshatár mindkét igénybevételnél azonos. A szürke öntött vasból készült próbatest kontrakció
nélkül szakadt el húzáskor, nyomásnál csekély összenyomódás után eltörött. A törésig fellépő
deformáció olyan kicsi volt, hogy az egyik igénybevételnél sem lehet folyáshatár tmegha-
tározni. A húzó- és nyomószilárdság között azonban jelentős különbség van.
Az 1.10. ábrán lucfenyő anyag látszólagos húzó és nyomó jelleggörbéjét láthatjuk 12
%-os faanyag-nedvességtartalomnál, rostiránnyal párhuzamosan. Ugyanaz az anyag húzásra
24
ridegen, nyomásra inkább szívósan
viselkedett. A töréshez tartozó
keresztmetszeti alakváltozás mindkét
esetben elég kicsi, ezért a valódi
jelleggörbék alig különböznek a
látszólagosoktól.
A látszólagos húzó és nyomó
jelleggörbék különbözőségéből azonban
nem kell feltétlenül a tényleges viselkedés
eltérő jellegére következtetnünk.
Az 1.11. ábrán hőkezeletlen acél
húzó és nyomó diagramjai láthatók. A
valódi jelleggörbék összehasonlításából
kitűnik, hogy a szilárdság és az
alakváltozási folyamat jellege a két
igénybevételnél majdnem egyforma. Ez a
tulajdonság általában a szívós anyagokra
jellemző.
1.8 ábra
1.9. ábra
25
1.10. ábra 1.11. ábra
B/ Sztatikus, tartós (hosszú idejű) vizsgálatok
A rövid idejű sztatikus anyagvizsgálatok mellett fontos szerepe van azoknak a kutatá-
soknak, amelyek a feszültségi és az alakváltozási jellemzők időbeli lefolyását vizsgálják. A
mechanikának ezt a tudományterületét reológiának nevezik. A reológiai jelenségek, illetve vizs-
gálatok közül két alapvetőt említünk.
Ha a vizsgált anyagban akkora feszültséget hozunk létre, amely rövid idejű sztatikus
vizsgálatok alapján még nem okoz tönkremenetelt - sőt, még a rugalmas tartományon belül van
- és ezt a feszültséget állandó értéken tartjuk, akkor azt tapasztaljuk, hogy a deformáció az idő-
ben folyamatosan növekszik. Az állandó terhelés mellett fellépő alakváltozás-növekedést kú-
szásnak hívjuk. Az 1.12. ábrán különböző feszültségszintekhez tartozó kúszásgörbéket látunk.
Minél nagyobb a feszültség értéke, annál nagyobb a t = 0 pillanathoz tartozó kezdeti deformá-
ció és a kezdeti alakváltozási sebesség. A deformáció sebessége azután az idő múlásával csök-
kenő tendenciát mutat, majd egy bizonyos idő elteltével - a görbék inflexiós pontjához tartozó
26
időpontban - ismét növekszik. A megnövekedett alakváltozási sebesség ezután már viszonylag
rövid idő alatt olyan nagy deformációt hoz létre, hogy a próbatest törik, tönkremegy. Ez az ún.
kúszási törés. A kúszás jelensége az anyag belső súrlódásával, viszkózus tulajdonságaival ma-
gyarázható. Az egyes feszültségszintekhez tartozó kúszás-görbék inflexiós pontjait összekötve
az időtartamszilárdság görbéjét kapjuk. Az időtartamszilárdság az a feszültség, amelyen az
anyag egy adott időpontban tönkremegy. Az 1.12. ábra alapján pl. at 4 időponthoz tartozó
időtartamszilárdság σ 4 . A nulla időponthoz tartozó időtartamszilárdság a sztatikus. rövid idejű
törőszilárdság. Azt a legkisebb feszültséget, amelynél a kúszásgörbe inflexiós pontja a végte-
lenbe esik, sztatikus tartós szilárdságnak nevezzük, hiszen nyilvánvaló, hogy ez a feszültség
soha nem okoz tünkremenetelt. A sztatikus tartós szilárdság kísérleti meghatározása rendkívül
bonyolult és elméletileg sem tökéletesen tisztázott feladat. Egyes szerzők a sztatikus tartós szi-
lárdságnak a sztatikus rövid idejű szilárdság 50-60 %-át javasolják. A reológiai folyamatok
másik alapvető jelensége a feszültségrelaxáció vagy -ernyedés. Ez azt jelenti, hogy a deformáció
állandó értéken tartásához időben csökkenő feszültségre van szükség. A feszültségcsökkenés
sebessége a kezdeti feszültség, illetve az általa létrehozott alakváltozás nagyságától függ és az
idő múlásával fokozatosan csökken. Az 1.13. ábrán különböző deformációkhoz tartozó
feszültségrelaxációs görbéket láthatunk.
1.12. ábra
27
1.13. ábra
C/ Dinamikus, rövid idejű vizsgálatok
A rövid idejű dinamikus igénybevételekhez tartozó anyagjellemzőket ún. ütőkísérletek-
kel vizsgálják, ahol ismert tömeg meghatározott sebességgel ütközik a próbatestnek. Az anyag-
vizsgáló berendezés és a próbatest alakjának kialakításától függően tetszőleges ütő-igénybevétel
valósítható meg. A vizsgálat során a töréshez felhasznált munkát kell mérni, amelyből úgy ka-
punk anyagjellemzőt, hogy értékét elosztjuk a törési keresztmetszet területével. A hányadost
fajlagos ütőmunkának nevezzük:
aW
Atörõ=0
, 1.22
mértékegysége: Nm/m2 = Nm-1.
A fajlagos ütőmunka az anyag szívósságát, illetve ridegségét jellemzi. Nagy fajlagos
ütőmunkánál nem kell azzal számolni, hogy az anyag hajlamos a nagyon veszélyes rideg törés-
re. Az ütőkísérleteket elsősorban az anyagok öregedésének vizsgálatára használják. Öregedésen
az anyagok hosszú időn át való tárolása (esetleg használata) alatt bekövetkező szilárdsági tulaj-
donság-változásokat értünk. Az öregedés egyik legfontosabb következménye éppen az anyagok
ridegebbé válása, ami a fajlagos ütőmunka csökkenésében jelentkezik.
D/ Dinamikus, hosszú idejű vizsgálatok
Tartós változó (váltakozó) terhelés esetén az anyag szintén bizonyos öregedési, kifára-
dási tulajdonságokat mutat. Ezeknek az ún. fárasztó vizsgálatoknak az a célja, hogy megállapít-
28
sák az anyag kifáradási határát, vagy más néven dinamikus tartós szilárdságát. A próbatest és az
ismétlődő terhelés jellegétől függően a vizsgált keresztmetszetben különböző váltakozó igény-
bevételek ébredhetnek. Az alkalmazott igénybevétel felső és alsó értékeinek megfelelő feszült-
ségeket ismétlődő felső és alsó feszültségnek nevezzük és σ fi -fel és σ a
i -val jelöljük. A két
szélső érték számtani közepe a középfeszültség:
σσ σ
ki f
iai
=+
⋅2
1.23
A középfeszültségtől való eltérés a feszültségamplitúdó:
σ σ σ σ σσ σ
ei
fi
ki
ki
ai f
iai
= − = − =−
⋅2
1.24
Az anyag kifáradási
határán azt a σ fi felső
feszültséget értjük, a-
melynek egy hozzá
tartozó σ ai alsó
feszültséggel való
végtelen sok is-
métlődése még éppen
nem okoz tönkremene-
telt. A fárasztóvizsgá-
latnál tehát egy adott
alsó feszültségszinthez
azt a
1.14. ábra
felső feszültséget kell meghatározni, amelyet a próbatest végtelen sok ismétlődés után is elbír.
Ha a terhelés n ismétlési számának függvényében ábrázoljuk azokat a σ fi feszültséggörbéket,
aminél az egyes próbatestek eltörnek, az ún. Wöhler-görbéket kapjuk (1.14. ábra). A görbe
aszimptotikusan közelít egy értékhez, amely éppen a σ Bi kifáradási határ. Mivel minden σ a
i -
hoz más görbe és határérték tartozik, minden anyagnak végtelen sok Wöhler-görbéje van, ami
gyakorlati szempontból igen kényelmetlen. Ha lemondunk a korlátozott ismétlődési számhoz
tartozó kifáradási határ ábrázolásáról és a kifáradási szilárdságokat az ismétlődő középfeszült-
ség, illetve a feszültségamplitúdó függvényében ábrázoljuk, a Smith-féle diagramot kapjuk.
Ebben a diagramban a vízszintes tengelyre a középfeszültséget mérjük, a 45o-os dőlésű egye-
nesre pedig függőleges irányban felfelé és lefelé azokat a feszültségamplitúdókat, amelyeknél a
29
próbatest végtelen ( gyakorlatilag 108) számú ismétlődés után sem megy tönkre (1.15. ábra). A
kifáradási határgörbe megrajzolása még így is nehéz, mert sok különböző jellegű (lüktető, len-
gő) terheléssel hosszú ideig tartó vizsgálatokat kell végezni. Emiatt sokszor megelégednek a
Megemlítjük még, hogyha a test nincs nyugalomban, hanem a ráható erőrendszer hatá-
sára gyorsuló mozgást végez, akkor a fenti egyenletek jobb oldalán nem nulla, hanem az egy-
ségnyi térfogatra jutó tehetetlenségi erő szerepel. Ilyenkor a kontinuum mozgásegyenleteiről
beszélünk:
∂σ∂
ρij
iij
j
rf
d u
dt∑ + =
2
2, i,j = x,y,z 2.53
ahol - a test sűrűsége, d2uj /dt2 - az eltolódásvektor j irányú komponensének második idő sze-
rinti deriváltja, azaz a j irányú gyorsuláskomponens.
2.3. A munka és a potenciális energia
A munka, a potenciális energia és néhány, ezekkel kapcsolatos fogalom bevezetése
lehetővé teszi, hogy a testek valóságos viselkedésének figyelembevételével fontos elméleti
megállapításokhoz jussunk. A munkával és energiával kapcsolatos tételek felhasználásával sok
rugalmasságtani feladat viszonylag egyszerűen, a mechanikai jelenségek mélyebb szintű megér-
tése mellett oldható meg.
2.3.1. Az elemi munka
Ha a test valamely pontja a deformáció vagy bármilyen egyéb hatás következtében du
elemi elmozdulást szenved és ebben a pontban F erő hat, akkor az erő elemi munkája alatt a két
vektor skalárszorzatát értjük (2.24. ábra):
( )dW F r r Fdr Fdu= − = =2 1 2.54
Az elemi munka dimenziója: erő x távolság, SI-beli egysége: 1 Nm = 1 J = 1 joule. A
skalárszorzat értelmezése következtében:
dW = Fducosα = Fudu = FduF , 2.54/b
68
ahol Fu - az erővektor du irányú összetevője, duF - pedig az elemi elmozdulásvektor F irányú
összetevője.
A (2.54) összefüggést szimbolikusan is értelmezhetjük, mert elemi munkáról beszélünk
akkor is, ha az F koncentrált erő és a du elemi eltolódás helyett az ún. általánosított erőt és álta-
lánosított elemi elmozdulást használunk, amelyek egymáson munkavégzésre képesek, s szorza-
tuk dimenziója munkajellegű mennyiség. Általánosított erő a koncentrált erő, a koncentrált
nyomaték, a térfogati és felületi erők, az igénybevételek, a feszültségkomponensek, stb, általá-
nosított elemi elmozdulás az elemi eltolódás, az elemi elfordulás, az alakváltozási
tenzorkomponensek, stb. Az általánosított erők lehetnek külső és belső erők, ennek megfelelően
beszélhetünk külső és belső munkáról.
2.3.1.1. A külső elemi munka
Hasson a testre külső erőként koncentrált jellegű, térfogati és felületi terhelés (2.25.
ábra). Az összes külső elemi munka alatt az egyes külső erők elemi munkájának összegét értjük:
dW F du qdudA fdudVk i i
VAi
n
= + + ∫∫∑=1
2.55
ahol
Fi - a test felületének Pi pontjában ható koncentrált jellegű általánosított külső erő,
dui - a Pi pontáltalánosított elemi elmozdulása,
n - a külső általánosított erők száma, ( )q q= ρ - a felületen ható általánosított megoszló erő intenzitása,
( )f f= ρ - az általánosított térfogati erő fajlagos értéke,
( )du du= ρ - a test (felületi és belső) pontjainak általánosított elemi elmozdulása,
A - a test felülete,
V - a test térfogata.
2.3.1.2. A belső elemi munka
A külső terhelés hatására a testen belül is erők lépnek fel. A test valamely valóságos
vagy képzelt keresztmetszetén kelet-kező megoszló erőrendszer eredőjének össztevői az igény-
be-vételek. A síkmetszetre ható erőrendszert a síkmetszet pontjai-ban ható feszültségvektorok-
kal jellemezhetjük. A belső erők elemi munkájának számításánál tehát e-legendő a feszültségek-
nek, mint általánosított erőknek az elemi munkáját meghatározni.
69
2.25. ábra 2.26. ábra
Tétel: A merevtest-szerű elmozdulás során a belső erők összes elemi munkája nulla.
Bizonyítás: A P pont környezetében kivágott elemi hasáb − e x és ex normálisú oldallapjain
ható belső erők eredője - 2.2.4. fejezettel összhangban - σ − x x y z y z( , , )∆ ∆ és
σ x x y z y z( , , )∆ ∆ , támadáspontjuk az S, illetve S' geometriai középpontok. E pontok
helyvektora között a kapcsolat (2.26. ábra):
r r xeS S x' = + ∆
(2.32) segítségével meghatározhatjuk e két pont elemi eltolódásvektorát:
d u du d x rs p S= + ϕ ,
du du d x r du d x r xe du d x r xd x e
du d x r du
S p S p S x p S x
p S s
' ' ( )
.
= + = + + = + + =
= + =
ϕ ϕ ϕ ϕ
ϕ
∆ ∆A
z utolsó egyenlőségben a ∆xdϕ másodrendűen kicsi mennyiséget elhanyagoltuk. A merev-testszerű elmozdulás során tehát az S és az S' pont elemi eltolódása megegyezik. Ha figyelembe vesszük azt is, hogy ∆ x kis értéke miatt
σ σx (x + x, y , z) (x, y , z) , x∆ ≅
a két oldallapon működő erő elemi munkája:
σ σ σ
σ-x x x
x
(x, y, z) y zd u (x + x, y, z) y zd u (x, y, z) y zd u
(x, y, z) y zd u
S∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆
∆ ∆
+ = − +
+ =S S
S
'
.0
Hasonló eredményre jutunk a másik két szemben lévő oldallapon is.
70
Az elemi hasábra ható belső erők elemi munkája merevtest-szerű elmozdulásnál páron-
ként nulla, s ennek következtében az egész testen belül összegzett elemi munka is nullával
egyenlő.
A szűkebb értelemben vett tiszta deformáció során a belső erők elemi munkáját a kö-
vetkezőképpen számíthatjuk. Maradjunk a -ex és ex normálisú felületnél. Az S és S' pontok
elemi eltolódását a tiszta deformáció során a (2.5) összefüggéssel számíthatjuk:
[ ]d u d T r
d u d T r d T r xe d T r xd T e d u xd
S S
S S S x S x S x
=
= = + = + = +
( ),
( ) ( ) ( ) ( ) .' '
ε
ε ε ε ε ε∆ ∆ ∆
A két belső erő elemi munkája a fenti összefüggések figyelembevételével:
[ ][ ]
dW
xd
V
b
x x
x
= − + =
= − − + + = − =
= −
σ σ
σ σ ε σ ε
σ ε
-x x
x -x x
x
(x, y, z) y zdu (x, y, z) y zdu
(x, y, z) y zdu (x, y, z) y z(du (x, y, z) x yd
d
S S'
S S
∆ ∆ ∆ ∆
∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆
∆
)
.
Ez az elemi munka azért negatív, mert a belső erő az alakváltozást gátolni igyekszik, tehát a
relatív elmozdulással ellentétes értelmű.
Az elemi hasáb többi oldalán fellépő belső erők elemi munkáját hasonlóan számítjuk,
így a ∆V nagyságú térfogatelemre ható belső erők elemi munkája:
dWb = − + +( ) .σ ε σ ε σ εx x y y z zd d d V∆
A belső erők térfogategységre jutó elemi munkáját fajlagos belső elemi munkának vagy
Ha a fajlagos belső elemi munkát az egész test térfogatára összegezzük, megkapjuk az
összes belső elemi munkát:
71
dWb = − ∑∫ σ εi j i ji jV
d d V,
i,j = x,y,z . 2.57
2.3.2. A teljes (véges) munka
A teljes alakváltozási folyamat során végzett munka a teljes vagy véges munka, amely
az elemi elmozdulások során végzett elemi munkák összege, határátmenetben az általánosított
erőknek az általánosított elmozdulások szerinti határozott integrálja.
Egy koncentrált erő esetén (2.24. ábra):
W dW Fd r F d u Fd uu
S
S
r
r
F
S
S
A
B
A
B
A
B
= = = =∫∫∫ ∫ . 2.58
A testre ható külső erők teljes munkája:
W F d u q d ud A f d ud Vk i i
uVuAi
n
u i
= + + ∫∫∫∫∑∫=1
. 2.59
A testben ébredő belső erők teljes munkája:
W d dVB ij iji jV ij
= − ∑∫∫ σ εε ,
, i,j = x,y,z 2.60
2.3.3. A kiegészítő (konjugált) munka
Az elemi kiegészítő (konjugált) munka az eltolódásvektornak és az elemi nagyságú
erővektornak a skalárszorzata:
dW = udF ~
, 2.61
a teljes kiegészítő (konjugált) munka az elemi kiegészítő munkák összege, határátmenetben az
általánosított elmozdulásnak az általánosított erők szerinti határozott integrálja:
~ ~W = dW =
F
ud FFA
B
∫ . 2.62
Az előző két fejezetben tárgyaltakhoz hasonlóan felírhatjuk a testre ható külső és belső
erők elemi és teljes kiegészítő munkáját.
A külső erők elemi kiegészítő munkája:
dW u d f ud qdA ud f dVk i i
i
n
A V
~,= + +
=∑ ∫ ∫
1
2.63
72
a belső erők elemi kiegészítő munkája:
dW d dVB ij ijijV
~ = − ∑∫ ε σ , i,j = x,y,z . 2.64
A külső erők teljes kiegészítő munkája: ~W u d F ud qdA ud f dVk i i
i
n
F qA fV
= + +=∑∫ ∫∫ ∫∫
1
, 2.65
a belső erők teljes kiegészítő munkája:
~W d d VB ij i j
i jV i j
= − ∑∫∫ ε σε
, i,j = x,y,z . 2.66
A kiegészítő munkának nincsen fizikai tartalma, csupán matematikai szempontból defi-
niálható. Dimenzió szempontjából természetesen munka jellegű mennyiség. A munkatételek
levezetésénél a kiegészítő munkáknak alapvető jelentősége van.
2.3.4. Idegen és saját munka
Ha a munka és kiegészítő munka kifejezéseiben szereplő általánosított erők és elmozdu-
lások egymásnak függvényei, akkor összetartozóknak nevezzük őket, különben nem összetarto-
zók.
Nem összetartozó általánosított erők és elmozdulások esetén a munkavégzést úgy kép-
zelhetjük el, hogy az általánosított erők az elmozdulások kezdetekor már teljes, végleges nagy-
ságukkal hatnak és az elmozdulás időtartama alatt nem változnak. Az elmozdulás nem a vizsgált
erőrendszer hatására, hanem valamilyen más ok következtében lép fel. A kiegészítő munkánál is
hasonlóan gondolkodhatunk, csak ott az általánosított elmozdulást tekintjük a terhelési folyamat
alatt változatlannak. Az ilyen módon keletkező munkát idegen munkának nevezzük. Az erők
jellegétől függően beszélhetünk külső és belső idegen munkáról is.
Az összetartozó általánosított erők és elmozdulások között ok-okozati kapcsolat van. A
kapcsolat minőségét az anyagtörvény írja le. A terhelési folyamatot úgy képzelhetjük, hogy az
általánosított erők nulla értékről indulva folyamatosan - és mindegyik ugyanabban az időpilla-
natban - veszik fel végső értéküket. Ezek az erők a saját maguk által okozott alakváltozáson
végeznek munkát. A kiegészítő munka számításánál ugyanezt a terhelési folyamatot tételezhet-
jük fel, csak ilyenkor az elmozdulást tekintjük oknak és az erőhatást okozatnak. Az így végzett
munkát saját munkának nevezzük.
Ezek után számítsuk ki - az egyszerűség kedvéért - egyetlen erő és a hatásvonalába eső
eltolódás esetén a teljes munkát és a teljes kiegészítő munkát. Az előző definíciók szerint a
73
munka számértéke az erő-eltolódás-függvény és az eltolódástengely közötti terület, a kiegészítő
munka számértéke pedig az erő-eltolódás-függvény és az erő-tengelyt közötti terület (2.27. áb-
ra).
Nem összetartozó erő és elmozdulás esetén (2.27/a ábra), a munka idegen:
W F d u F d u F u u
W u d F u d F u F F
u
u
u
u
F
F
F
F
= = = −
= = = −
∫ ∫
∫ ∫
1 1 1 2 1
1 1 1 2 1
1
2
1
2
1
2
1
2
( ) ,
~( ) .
Összetartozó erő és elmozdulás, a kettő egymásnak tetszőleges függvénye (2.27/b ábra), saját munka:
W F u d u
W u F d F
u
u
F
F
=
=
∫
∫
( ) ,
~( ) .
1
2
1
2
W F u du cuduc
u u u cu u cu u F u F u
W u F dFF
dFc
Fc
F F FF
cF
F
cF u F u
u
u
u
u
u
u
F
F
F
F
F
F
= = =
= − = − = −
= = =
= − = − = −
∫ ∫
∫ ∫
( ) ( ) ( ) ( ),
~( ) ( ) ( ) ( ).
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
2
1
2
1
2
2
1
2
1
2
1
2
1
2
222
12
2 2 1 1 2 2 1 1
222
12
22
11
2 2 1 1
A két utolsó összefüggés alapján általánosan is megfogalmazhatjuk a következő tételt:
Tétel: Összetartozó általánosított erők és elmozdulások esetén a teljes munka és a teljes kiegé-
szítő munka akkor egyenlő, ha az anyagtörvény lineáris és a tehermentes állapothoz nem tarto-
zik kezdeti alakváltozás (elmozdulás).
2.3.5. A potenciális (helyzeti) energia
A testek munkavégző képességét energiának nevezzük. Az energia nagyságát pedig
munkaösszeggel jellemezzük.
74
2.27. ábra
Összetartozó erő és elmozdulás esetén a függvénykapcsolat lineáris: F = cu, ahol
c = áll. (2.27/c ábra), saját munka:
A testek teljes mechanikai energiája kinetikai (mozgási) és potenciális (helyzeti) energi-
ából áll. A szilárdságtanban a testek elemi részecskéinek sebessége - a rezgési folyamatok kivé-
telével - olyan kicsi, hogy a sebesség négyzetével arányos kinetikai energia általában elhanya-
golható és csak a potenciális energiának van gyakorlati jelentősége.
Ha az anyagi pontra ható erő csak az anyagi pont helyének függvénye és egy U(r)
skalárfüggvénynek a negatív gradienseként állítható elő, azaz
75
),rgradU(rd
)rdU()r(FF −=−== 2.67
akkor az erővektorok mezejét (az erőteret) konzervatívnak, az U(u ) skalárfüggvényt pedig po-
tenciálnak vagy potenciális energiának nevezzük (potenciálról általában akkor beszélünk, ha az
anyagi pont tömege egységnyi, illetve az erőt egységnyi tömegre vonatkoztatjuk). Ilyen tulaj-
donsággal rendelkező erőtérben az anyagi pontra ható erő egy rA kezdeti és egy rB végső
helyzetbeli teljes munkája:
.)U(UdUrd)Fd(
)rdu(rdFW AB
u
u
r
r
r
r
B
A
B
A
B
A
−−=−=−== ∫∫∫ 2.68
Konzervatív erőtérben tehát az erő teljes munkája csak a kezdő- és végpontok potenciá-
lis energiájától függ és azok különbségével egyenlő. Ha az U(r ) függvény kielégíti a potenciá-
lis energia kritériumát, akkor (2.67) értelmében az U( r ) + áll. is potenciális energiafüggvényt
ad. Ennek a határozatlanságnak a kiküszöbölésére a potenciális energiát mindig energiakülönb-
ségként adják meg, mégpedig az önkényesen választott, nulla potenciális energiájú helyhez
viszonyítva. A szilárdságtanban a kiinduló koordinátarendszert a deformálatlan testhez kötjük és
ezt a deformálatlan állapotot tekintjük a nulla értékű potenciális energiaszintnek. A deformáció
befejeztével a test pontjainak helyvektorait a kiinduló koordinátarendszerben éppen az )ρ(u
eltolódásvektorok adják meg.
Jóllehet, csak az anyagi test lehet energiahordozó, mégis - az "erő nem más, mint a tes-
tek egymásra hatása" absztrakcióhoz hasonlóan - erők, pontosabban általánosított erők potenciá-
lis energiájáról beszélünk. Ennek megfelelően különbséget teszünk a külső és belső erők poten-
ciális energiája között.
A külső és belső potenciális energia összegét teljes potenciális energiának nevezzük:
U = Uk + Ub . 2.69
2.3.5.1. A külső erők potenciális energiája
A külső erők potenciális energiáján azoknak a testeknek a potenciális energiáját értjük,
amelyek a külső erőket létrehozzák. Fontos feltétel, hogy a testek konzervatív erőtérben helyez-
kedjenek el.
Mivel a külső erők a vizsgált test alakváltozásától függetlenül léteznek és már az alak-
változási folyamat kezdetén végső értékükkel hatnak, a külső általánosított erők és elmozdulá-
sok nem összetartozók. A külső potenciális energia olyan munkaösszeg, amelynél a munkát
idegen munkaként kell számítani. A külső erők mindig olyan alakváltozást hoznak létre, mely-
nek során munkájuk pozitív, ezért potenciális energiájuk csökkenni fog. A (2.68) kifejezés álta-
lánosításaként - a kezdeti potenciális energiát nullának tekintve - a külső erők potenciális ener-
giája a külső erők munkájának -1-szerese:
76
.dVudfdVudqudFWUiu
0
n
1i A V
u
0
u
0
iikk
++−=−= ∫∑ ∫ ∫ ∫∫
=
Mivel Fi, q, f nem függvénye u-nak, az általánosított erők kiemelhetők és az integrálás
elvégezhető:
++
=−=−= ∫∫∑
VA
n
ikk dVufdVuq1i
uFWU 2.70
2.3.5.2. A belső erők potenciális energiája
Belső potenciális energián a vizsgált testben a belső erőknek az alakváltozás során vég-
zett munkájának következtében felhalmozódó energiát értjük. Ebben az esetben a belső erők és
az alakváltozás összefüggőek, tehát a belső erők saját munkáját kell számítani. (2.68) általánosí-
tásaként a belső erők potenciális energiája a belső erők saját munkájának -1-szerese:
U W d dVb b ij ijijV
ij
= − = ∑∫∫1
2 0
ε σε
, i,j=x,y,z 2.71/a
A belső erők munkája negatív, így a belső potenciális energia - a tehermentes állapotot
nulla energiaszintűnek tekintve - pozitív mennyiség.
A belső potenciális energia meghatározásához ismerni kell az anyagtörvényt.
Ha feltesszük, hogy az anyag követi a Hooke-törvényt, akkor az általánosított erők és
elmozdulások között lineáris kapcsolat van, és a belső potenciális energiát (2.71/a) felhasználá-
sával a 2.27. ábra utolsó esetének analógiájára számíthatjuk:
U W dVb b ij ijijV
= − = ∑∫1
2ε σ . 2.71/b
Ez az energiamennyiség ideálisan rugalmas anyag esetén a testben felhalmozódik és a
deformáció megszüntetésével visszanyerhető. Az ideálisan rugalmas anyagot ezzel a feltétellel
is szokták definiálni.
Sokszor szükség van az egységnyi térfogatra (tömegre) vonatkozó belső potenciális
energiára:
udU
dVbb
ij ijij
= = ∑1
2ε σ . 2.72
amit rugalmas potenciálnak nevezünk.
Tétel: A rugalmas potenciál εij deformáció-komponensek szerinti parciális differenciálhányado-
sai a σ ij feszültségkomponensek.
Bizonyítás: A definíció szerint az elemi rugalmas potenciál:
d u db i j i ji j
= ∑ ε σ , i,j = ,y,z .
77
Ideálisan rugalmas test esetén a rugalmas potenciált az anyagtörvény felhasználásával
(2.72) szerint az εij deformációkomponensek egyértelműen meghatározzák, ami azt jelenti,
hogy a dub teljes differenciál:
d uu
dbb
iji j
i j
= ∑∂∂ ε
ε , i,j = x,y,z
A két utolsó összefüggés összehasonlításából adódik, hogy
ijij
b σε
u =∂∂
i,j = x,y,z. 2.73
2.3.6. A kiegészítő (konjugált) potenciális energia
A kiegészítő potenciális energiát hasonló módon definiáljuk, mint a kiegészítő munkát.
A kiegészítő potenciális energia számértéke a kiegészítő munka ellentettje. Közvetlen fizikai
tartalma nincsen.
A teljes kiegészítő potenciális energia a külső és a belső kiegészítő potenciális energia
összege:
U = Uk + Ub. 2.74
A külső erők kiegészítő potenciális energiáját idegen munkaként számítjuk:
=
++−=−= ∫ ∫∫ ∫∫∑
= V
f
0A
q
0
F
0
n
1iiikk dVfdudAqduFduW
~U~ i
kUdVfudAquFuVA
i
n
1ii =
++−= ∫∫∑
=
2.75
A belső erők kiegészítő potenciális energiáját saját munkaként számítjuk. Lineárisan rugalmas
testet feltételezve:
b
V ijijij
V
ε
0 ijijijbb UdVσε
2
1dVdσεW
~U~ ij
===−= ∫∑∫ ∫∑ 2.76
Az egységnyi térfogatra eső belső kiegészítő potenciális energia kiegészítő rugalmas
potenciál:
∑==ij
ijijb
b σε2
1
dV
U~
du~ i,j = x,y,z 2.77
Tétel: A kiegészítő rugalmas potenciál σij feszültségkomponensek szerinti parciális differenci-
álhányadosai az εij alakváltozáskomponensek.
Bizonyítás: Az elemi kiegészítő rugalmas potenciál:
d u db ij i ji j
~ = ∑ ε σ i,j= x,y,z
Ideálisan rugalmas anyagnál a σij feszültségkomponensek a kiegészítő rugalmas poten-
ciált egyértelműen meghatározzák, dub tehát teljes differenciál:
78
d uu
dbb
iji j
ij
~~
= ∑∂∂σ
σ i,j = x,y,z
A két kifejezést összehasonlítva:
∂∂ σ
ε~u b
iji j= i,j = x,y,z 2.78
2.3. Anyagtörvények
2.3.1. Az anizotróp anyag általános Hooke-törvénye
Az ideálisan rugalmas anyag feltételezés azt jelenti, hogy a test valamely pontjában
keletkező feszültségállapot komponensei az időtől függetlenül kizárólag a pillanatnyi és helyi
deformációtól függenek és fordítva. E szerint a feszültségkomponenseket a
σ σ εi j i j k l= ( ) , i,j,k,l = x,y,z 2.79
függvénykapcsolat egyértelműen meghatározza. A függvénykapcsolat konkrét alakját a kísérleti
tapasztalatok alapján lehet kiválasztani. Linearitást is feltételezve (2.79)-ból a függvénykapcsolat konkrét formája úgy alapozha-tó meg, hogy σ ij -t az ε kl =0 hely környezetében Taylor-sorba fejtjük és - kis alakváltozások
feltételezése miatt - a lineáris tagoknál magasabb rendűeket elhanyagoljuk:
σ σ ε σ∂σ∂ε
εij ij ij ijij
k lk lk l= = +
+∑( ) ( ) ...0
0
i,j,k,l = x,y,z . 2.80/a
Ha azt feltételezzük, hogy az alakváltozásmentes állapothoz nem tartozik feszültségál-lapot, akkor σij(0)=0 és (2.80/a) részletesebben kiírt alakja:
σ∂σ∂ε
ε∂σ∂ε
ε∂σ∂ε
ε∂σ∂ε
ε∂σ∂ε
ε
∂σ∂ε
ε∂σ∂ε
ε∂σ∂ε
ε∂σ∂ε
ε
ijij
xxxx
ij
xyxy
ij
xzxz
ij
yxyx
ij
yyyy
ij
yzyz
ij
zxzx
ij
zyzy
ij
zzzz i, j x y z
=
+
+
+
+
+
+
+
+
+
=
0 0 0 0 0
0 0 0 0
, , ,
2.80/b
Jelöljük a parciális deriváltak nulla helyen vett értékét cijkl -lel, akkor
∂ σ ε∂ ε
i j k l
k lijk lc
( )
=
0
i,j,k,l = x,y,z ,
s így a (2.79) konkrét alakja indexes jelölésmódban:
σ εi j i jk l k lk l
c= ∑ , i,j,k,l = ,y,z 2.81/a
Ha a feszültségi és az alakváltozási tenzor komponenseit egy sor- illetve oszlopmátrixba
rendezzük, akkor a fenti kifejezés mátrixalakja:
79
σσσσσσσσσ
xx
xy
xz
yx
yy
yz
zx
zy
zz
xxxx xxxy xxxz xxyx xxyy xxyz xxzx xxzy xxzz
xyxx xyxy xyxz xyyx xyyy xyyz xyzx xyzy xyzz
xzxx xzxy xzxz xzyx xzyy xzyz xzzx xzzy xzzz
yxxx yxxy yxxz yxyx yxyy yxyz yxzx yxzy yxzz
yyxx yyxy yyxz yyyx yyyy yyyz yyzx yyzy yyzz
yzxx yzxy yzxz yzyx yzyy yzyz yzzx yzzy yzzz
zxxx zxxy zxxz zxyx
c c c c c c c c c
c c c c c c c c c
c c c c c c c c c
c c c c c c c c c
c c c c c c c c c
c c c c c c c c c
c c c c c
=
zxyy zxyz zxzx zxzy zxzz
zyxx zyxy zyxz zyyx zyyx zyyz zyzx zyzy zyzz
zzxx zzxy zzxz zzyx zzyy zzyz zzzx zzzy zzzz
xx
xy
xz
yx
yy
yz
zx
zy
zz
c c c c
c c c c c c c c c
c c c c c c c c c
εεεεεεεεε
2.81/b
(2.81) kilenc skaláregyenletet jelent, amelyben összesen 81 együttható található. A
(2.81) összefüggést az anizotróp anyagok általános Hooke-törvényének nevezzük. A törvény
szerint a feszültségkomponensek a deformációkomponensek homogén lineáris függvényei. Így a
cijkl
együtthatók egy négydimenziós tenzort alkotnak, melyet merevségi tenzornak nevezünk. A
tenzor mátrixreprezentációja (2.81/b) 9x9-es mátrixa. A merevségi tenzor komponenseinek
száma 34 = 81. Ezeket a tenzorkomponenseket, amelyeket bizonyos körülmények fennállása
esetén anyagállandóknak tekinthetünk, minden anyagra kísérletekkel kell meghatározni.
A független tenzorkomponensek száma azonban mindig kevesebb, mint 81. A feszült-
ségi tenzor szimmetriája, azaz σ σij ji= miatt cijkl = cjikl , az alakváltozási tenzor szimmetriája,
azaz ε εkl lk= miatt cijkl = cijlk . Összességében cijkl = cjikl = cijlk = cjilk , ami azt jelenti,
hogy az i,j és k,l indexpárok önmaguk között felcserélhetők, tehát csak az 1,1; 1,2; 1,3; 2,2; 2,3;
3,3 indexpárok kettősei jelentenek különböző komponenseket. A független komponensek száma
így 62 = 36.
Még ez a szám is csökken, ha az anyag rendelkezik rugalmas potenciállal, ami lineári-
san rugalmas anyagnál mindig fennáll. Differenciáljuk (2.73)-at ε kl szerint és használjuk fel
(2.81/a)-t:
∂∂ ε ∂ ε
∂ σ∂ ε
∂ ε
∂ ε
2 uc
cb
ij k l
ij
k l
i jk l k lk l
k li jk l= = =
∑,
írjuk át (2.81/a)-t a σ εk l ijk l ijij
c= ∑ formába, majd differenciáljuk (2.73)-at fordított
sorrendben:
∂∂ε ∂ε
∂σ∂ε
∂ ε
∂ε
2 uc
cb
k l ij
k l
ij
k lij ijij
ijk lij= = =
∑,
Mivel a differenciálás sorrendje közömbös: cijkl = cklij ,
ami azt jelenti, hogy az indexpárok egymással is felcserélhetők. Az eddigi 36 komponensből
hatnál (az ijij indexűeknél) nincs jelentősége a cserének, a fennmaradó 30 pedig páronként
80
egyenlő. Az egymástól független komponensek száma ezek szerint a legáltalánosabb anizotró-
pia esetén 6 + 15 = 21.
Az (2.81) anyagtörvény felhasználásával a (2.72) rugalmas potenciál:
u cb ijk l ij k lijk l
= ∑1
2ε ε , i,j,k,l = x,y,z, 2.82
ami szerint a rugalmas potenciál a deformációkomponensek homogén négyzetes függvénye.
A (2.81/b) mátrixegyenletnek megfelelő 9 skaláregyenletből kifejezhetjük a
deformációkomponenseket a feszültségkomponensek függvényeiként. Az eredményt a követke-
ző indexjelölésű kifejezésbe foglalhatjuk:
ε σij ijkl klkl
s= ∑ , i,j,k,l = x,y,z , 2.83
ami (2.81)-hez hasonlóan 9 skaláregyenletet jelent 81 együtthatóval. Az sijkl komponensek
tenzormennyiséget alkotnak, melyet alakíthatósági tenzornak nevezünk. A (2.83) összefüggés
meghatározásából következik, hogy a merevségi és az alakíthatósági tenzorok egymásnak in-
verzei. Ebből is következik, de a merevségi tenzorkomponenseknél alkalmazott eljáráshoz ha-
sonlóan bizonyítható, hogy sijkl független komponenseinek száma 21.
(2.83) felhasználásával a kiegészítő rugalmas potenciál az
~ ,u sb ijk l ij k lijk l
= ∑1
2σ σ i,j,k,l = x,y,z, 2.84
alakba írható, tehát a kiegészítő rugalmas potenciál a feszültségkomponensek homogén négyze-
tes függvénye.
Az anizotróp anyagok általános Hooke-törvényét sokszor kényelmesebb mátrix alakban
felírni és használni. Ehhez vezessük be be a következők jelöléseket:
ν ij - az i-edik anatómiai főiránnyal párhuzamos normálfeszültség következtében a j-edik irány-
ban fellépő harántirányú fajlagos hosszváltozás Poisson-tényezője.
2.4.3. Az izotrop anyag általános Hooke-törvénye
Az izotrop anyag anyagtörvényét levezethetjük az ortotróp anyag merevségi és alakítha-
tósági mátrixainak technikai rugalmas állandókkal kifejezett alakjából. Mivel izotróp anyagnál
minden irányban ugyanazok a rugalmas tulajdonságok érvényesek, a (2.91/a) és (2.91/b)
mátrixokban a nem nulla elemeknél az EL = ER= ET= E, GRT= GTL = GLR= G és
85
ν ν ν ν ν ν νRT TR TL LT LR RL= = = = = = helyettesítést kell elvégezni.
Az izotrop anyagok általános Hooke-törvényét azonban az indexes jelöléssel egysze-
rűbb formában is megadhatjuk. Térjünk vissza az alakváltozási és feszültségi
tenzorkomponensek két indexes jelölésmódjához és írjuk fel az alakváltozásokat a feszültségek
függvényében, (2.91/b) és a fenti helyettesítés felhasználásával:
ε σ ν σ ν σ ε σ
ε ν σ σ ν σ ε σ
ε ν σ ν σ σ ε σ
xx xx yy zz yz yz
yy xx yy zz zx zx
zz xx yy zz xy xy
E E E G
E E E G
E E E G
= − − =
= − − =
= − − =
1 1
21 1
21 1
2
, ,
, ,
, ,
2.92/a
ami végeredményben az izotrop anyag általános Hooke-törvénye hat skaláregyenlet formájában.
Alakítsuk át az első egyenletet a következőképpen:
( )[ ]ε σ ν σ ν σ ν σ ν σ ν σ ν σ ν σ νxx xx xx yy zz xx yy zz xxE E E E E E E ES= + + + − − − = + −1 1
1 1 ,
ahol S1 - az első feszültségi invariáns. Ennek az összefüggésnek az általánosításával (2.92/a) két
indexjelölésű egyenletbe foglalható:
( )[ ]ε ν σ ν ε σii ii ij ijES
G= + − =1
11
21 , , i,j = x,y,z 2.92/b
Az eddigiek alapján úgy tűnik, hogy az izotróp anyagot három technikai állandó - E, G
és ν - jellemzi. Könnyen bizonyíthatjuk azonban, hogy a háromból csak kettő független, azaz a
három mennyiség között valamilyen függvénykapcsolatnak kell lennie. Ennek meghatározásá-
hoz vizsgáljunk egy olyan elemi hasábot, amelyen csak σ σ τxy yx= =
nyírófeszültségkomponensek hatnak (2.29. ábra).
Ábrázoljuk a Mohr-féle körök segítségével a feszültségi és az alakváltozási állapotot.
(2.92/a) első egyenlete és a feszültségi diagram alapján:
( )[ ] ( )[ ]ε ν σ ν σ σ σ ν τ ν τ τ ν τ1 1 1 2 3
11
11
1= + − + + = + − − = +E E E
( ) ( ) ,
(2.92/a) második egyenlete és az alakváltozási diagram alapján:
ε ε σ τ1
1
2
1
2= = =x y x yG G
.
A két kifejezés egyenlőségéből: 21
GE=− ν
. 2.93
86
2.29. ábra
Ez a kapcsolat és a Kronecker-delta lehetővé teszi, hogy (2.92/b) két összefüggését is
egybefoglaljuk:
ε σν
νσij ij ijG
S= −
+
1
2 11 , i,j = x,y,z . 2.92/c
Az általános Hooke-törvény másik alakjának megadásához meg kell határozni (2.92/c)
inverz függvényét. Ehhez adjuk össze (2.92/c) i=j feltételnek eleget tevő egyenleteit:
ε σν
ννν
ννii
iii
i
DG
S S
G
S
G∑ ∑= = −+
= −
+
= −
+11 1 11
2
3
1 21
3
1 2
1 2
1 ,
ahonnan
SG
D1 1
2 1
1 2= +
−( )ν
ν , 2.94
amit (2.92/c)-be helyettesítve kifejezhetjük σ ij -t:
σ εν
νδ ε
νν
δ µε λ δij ij ij ij ij ij ijGD
GG D
D= +−
= +
−= +2
1 22
2
1 221 1
1 i,j=x,y,z 2.95
ahol a technikai rugalmas állandókkal kifejezett µ és λ mennyiségeket Lamé-féle rugalmas
állandóknak nevezzük:
µ λ νν
νν ν
= =−
=− −
GG E
,( )( )
2
1 2 1 1 2 . 2.96
2.4.4. Klimatikus hatások következtében fellépő alakváltozási és feszültségi állapot
A testek kölcsönhatásban állnak környezetük fizikai állapotjellemzőivel. Mechanikai
szempontból a legfontosabb állapotjellemző a környezet (általában a testet körülvevő levegő)
hőmérséklete és páratartalma. A környezet e klímatikus jellemzőinek megváltozása
következtében a test hőmérséklete és - az ún. higroszkópikus anyagoknál - nedvességtartalma
87
megváltozik, ami a testben tetszőlegesen felvett elemi hasábok térfogatváltozásával, illetve
tetszőleges irányítású elemi szakasz hosszváltozásával jár.
A fajlagos hosszváltozás egy adott irányban, ha a hőmérséklet egy To kezdeti értékről
T-re emelkedik, illetve egy wo kezdeti nedvességtartalomről w-re nő:
ε α ε βT
T
T
w
w
w
dT dw= =∫ ∫0 0
, . 2.97/a
ahol α α= ( )T az anyag hőtágulási együtthatója, β β= ( )w pedig nedvességtágulási
együtthatója. α mértékegysége 1/C°, β -é 1/ %, α illetve β a hőmérsékletnek, illetve a
nedvességtartalomnak a függvénye, de ha nem túl nagy a relatív változás, jó közelítéssel
állandónak tekinthetők, így a fajlagos hosszváltozás:
ε α εT wT T w w= − −( ), ( )0 0 2.97/b
Ha a klímaváltozásnak kitett test anyaga
- homogén,
- a hőmérséklet és nedvességtartalom változása minden pontjába ugyanakkora, tehát a
hőmérséklet-változásmező és a nedvességtartalom-változásmező homogén,
- és a külső kényszerek az elmozdulásokat nem gátolják,
a test feszültségmentes marad. Ha a három feltétel közül valamelyik nem teljesül, akkor
klímaváltozás következtében fellépő alakváltozási tenzormező nem lesz kompatibilis. A test
folytonossága csak úgy maradhat meg, ha a belső erők olyan kiegészítő alakváltozási állapotot
hoznak létre, amely a klímaváltozásból származó alakváltozási állapothoz hozzáadódva
kompatibilis alakváltozásmezőt eredményez. Ha nincsen külső, mechanikai terhelés, a
kiegészítő alakváltozási állapot létrehozásához szükséges feszültségi állapot komponenseit saját
feszültségeknek nevezzük.
Külső terhelésnek és klímaváltozásnak is kitett test anyagtörvénye az anizotrópia
legáltalánosabb esetében, mikor minden irányhoz más-más α és β tartozik:
ε σ α βij ijkl klkl
ij ijs T T w w= + − + −∑ ( ) ( ),0 0 , 2.98
ahol αij- a hőtágulási együtthatótenzor, βij - a nedvességtágulási együtthatótenzor. Mindkettő
két dimenziós.
Ha nincsen külső mechanikai terhelés, (2.98)-ban a σ kl feszültségkomponensek
éppen a sajátfeszültségeket adják. Egyébként σ kl a külső terhelésből származó feszültségeknek
és a sajátfeszültségeknek az összege.
Izotróp anyagnál (2.98) az alábbi alakra hozható:
88
[ ]ε σν
νδ α β δij ij ij ijG
ST T w w= −
+
+ − + −1
2 11
0 0( ) ( ) , 2.99/a
mert izotróp anyagnál a hőtágulási és a nedvességtágulási együttható minden irányban ugyanaz, így α αδij ij= és β βδij ij= . Az előző összefüggésekből kifejezhetjük a feszültségeket is:
σ εν
νδ α δ β δij ij ij ij ijG
DT T w w= +
+− − − −
2
1 21
0 0( ) ( ) . 2.99/b
Nem higroszkópos anyagoknál β ij= 0 helyettesítéssel megkapjuk a csak
hőmérsékletváltozás figyelembevételére alkalmas anyagtörvényt.
2.5. A rugalmasságtani feladatok megoldási módszerei
A rugalmasságtan tárgya és fő feladata a rugalmas anyagú testekben keletkező
feszültségek és alakváltozások, pontosabban a Tσ ρ( ) feszültségi és Tε ρ( ) alakváltozási
tenzormezők és az u( )ρ eltolódási vektormező meghatározására.
2.5.1. Alapegyenletek és kerületi feltételek
A feszültségi tenzormező, az alakváltozási tenzormező 6-6 komponensének és az
eltolódási vektormező 3 komponensének skalár függvényeit - összesen 15 ismeretlen függvény -
a rugalmasságtan alapegyenleteinek segítségével határozhatjuk meg. Ezeket az egyenleteket az
előző fejezetekben levezettük, itt csak felsoroljuk őket:
Sztatikai egyensúlyi egyenletek:
∂ σα
i j
ij
i rf+ =∑ 0 , i,j=x,y,z . 2.52
Geometriai egyenletek:
ε∂∂
∂∂ij
i
j
j
i
u
r
u
r= +
1
2 , i,j=x,y,z . 2.38/b
Anyagegyenletek (homogén, izotróp, lineárisan rugalmas anyagot feltételezve):
ε σ νν
σij ij ijG
S= −+
1
2 11 i,j = x,y,z 2.92/c
vagy
89
σ εν
νδij ij ijG
D== +
−
2
1 21 , i,j=x,y,z 2.95
Az egyenletek száma 3 + 6 + 6 = 15.
A feladat egyrészt sztatikailag háromszorosan határozatlan, mert a három sztatikai
egyensúlyi egyenletben - adott terhek esetén - hat ismeretlen feszültségkomponens van,
másrészt kinetikailag háromszorosan túlhatározott, mert a hat geometriai egyenletben - adott
alakváltozások esetén - csak három eltolódáskomponens található. Az anyagegyenletek
megadják a feszültségek és az alakváltozások kapcsolatát, ezért lehet a geometriai
egyenletekben az alakváltozásokat - elvileg - ismertnek tekinteni. A rugalmasságtan alapfeladata
tehát sztatikailag annyiszor határozatlan, ahányszor kinetikailag túlhatározott, így
végeredményben elvileg megoldható. Az általános megoldás alakváltozási tenzormezőjének
természetesen ki kell elégítenie a (2.39) összeférhetőségi egyenleteket.
Az alapegyenletek parciális differenciálegyenletek, így matematikailag végtelen sok
megoldásuk létezik. Ezek közül a lehetséges megoldások közül ki kell választani azt, amelyik
igazodik a konkrét feladathoz, azaz kielégíti a test kerületi feltételeit is.
A kerületi feltételek három csoportba sorolhatók:
a) Geometriai kerületi feltételek, melyek abból adódnak, hogy a test határolófelületének
egy részén az alkalmazott kényszerek hatására az eltolódáskomponensek csak meghatározott
értékűek lehetnek. Így, ha a test felületének bizonyos részein az u0( )*
ρ eltolódásnak kell
teljesülnie, akkor a test u( )ρ eltolódásmezejének a ρ*tartományon ki kell elégítenie az
u u( ) ( )* *
ρ ρ= 0 feltételt.
b) Sztatikai kerületi feltételek, melyek azt fejezik ki, hogy a test felületén az elemi
felületre ható feszültségek eredője egyenlő a felületelemre ható külső teherrel. A test felületi
pontjaiban a feszültségi állapot csak olyan lehet, amely kielégíti a T n qσ ρ ρ ρ( ) ( ) ( )* * *
=
egyenlőséget, ahol n( )*
ρ - a felületi pont érintősíkjának normálvektora, q( )*
ρ - a külső
terhelés egységnyi felületre eső erővektora. Tehermentes felületen q( )*
ρ = 0.
c) Vegyes kerületi feltételekről akkor beszélünk, ha a test felületének egy részén az
eltolódások, másik részén a külső teher van előírva. A gyakorlati esetek többségénél ez a
kerületi feltételfajta fordul elő.
Az alapegyenletek linearitása lehetőséget ad a szuperpozíció elvének alkalmazására,
ami azt jelenti, hogy az egyes részterheléseknek megfelelő megoldások összege megadja a
részterhelések eredőjéhez - azaz az összterheléshez - tartozó megoldást.
Az, hogy mindig létezik az alapegyenleteknek a kerületi feltételeket is kiegyenlítő
megoldása, a probléma fizikai természetéből adódik. Az is bizonyítható, hogy a megoldás
egyértelmű, azaz az - akármilyen módon - megtalált megoldáson kívül más, a feltételeknek
szintén eleget tévő megoldás nincsen.
90
Az alapfeladat megoldásának nehézségét általában az jelenti, hogy az
alapegyenleteknek általános megoldását a kerületi feltétekhez kell igazítani. Ezért bonyolult
alakú testeknél vagy összetett terhelésnél a megoldást matematikailag zárt formában az esetek
többségében nem lehet megadni. Bonyolult sztatikai kerületi feltételek esetén, pl. a St. Venant-
féle elv ad lehetőséget az egyszerűsítésre. Az elv azt mondja ki, hogy a támadási felülettől
elegendő távolságra az erőrendszer hatása független eloszlásának jellegétől, csak eredő
dinámjától függ. Másképpen fogalmazva, a sztatikailag egyenértékű erőrendszerek hatása a
támadási felülettől elegendő távolságra azonos. A pontosabb vizsgálatok és kísérletek azt
mutatták, hogy az eltérés olyan területre (vagy térfogatra) korlátozódik, amelynek méretei
megegyeznek azzal a távolsággal (vagy területtel), amelyen a teherátadás történik.
Az alapegyenletek megoldásánál a legkézenfekvőbb eljárás az egyenletek számának
csökkentése, az ismeretlenek egy részének kiejtésével. Az egyenletek linearitása miatt ez nem
túl nehéz feladat.
2.5.2. A Navier-féle egyenletek
Az alakváltozási jellemzők és a feszültségkomponensek kiejtésével olyan egyenleteket
nyerünk, amelyek csak az eltolódáskomponenseket tartalmazzák ismeretlenként.
A levezetés során a térfogati erőket az általánosság korlátozása nélkül elhanyagolhatjuk.
Mindig található ugyanis a térfogati erőkhöz olyan partikuláris megoldás, amely a homogén
A feszültségfüggvénynek (2.107/b) szerint biharmonikus függvényt kell választani.
Ilyenek pl.
F(x) = xn , cos(cx), ch(cx),... n = 1,2,... c = áll.
F(y) = yn , cos(cx), ch(cy),... n = 1,2,... c = áll.
F(x,y) = xy , x2y , xy2 , x3y , xy3 ,...
és ezek lineáris kombinációi. A feszültségfüggvény kiválasztásának egyik alapvető szempontja,
hogy a vele számítható megoldásnak ki kell elégítenie a kerületi feltételeket.
2.6. Munka- és energiatételek
A szilárd testek sztatikájának tárgyalását két különböző módon lehet felépíteni. Az
egyik módszernél a sztatikai és geometriai tételekből kiindulva az anyagegyenletek felhasználá-
sával vezethetjük le a szilárdságtani alapösszefüggéseket, így a munka- és energiatételeket is. A
másik esetben a munka- és energiatételeket axiómaként fogadhatjuk el és az anyagegyenletek
felhasználásával vezetjük le a szilárdságtani alapösszefüggéseket, köztük az egyensúlyi és a
geometriai feltételeket.
A munka- energiatételeknek a mechanikában igen fontos szerepük van. Segítségükkel
sok feladat gyorsan és egyszerűen oldható meg. A közelítő megoldások elméleti alapjainak le-
vezetésénél ezek a fő tételek.
A tételek tárgyalása során szükség lesz két definícióra. Geometriailag lehetséges eltoló-
dás-alakváltozás-rendszernek (röviden alakváltozás-rendszernek) nevezzük az u( )ρ eltolódási
vektormezők és a Tε ρ( ) alakváltozási tenzormezők minden olyan együttesét, amely kielégíti a
geometriai egyenleteket és a geometriai kerületi feltételeket. Sztatikailag lehetséges erő-
feszültségrendszernek (röviden erő-rendszernek) nevezzük a q( )ρ felületi erők, az f ( )ρ térfo-
gati erők és a Tσ ρ( ) feszültségi tenzormezők minden olyan együttesét, amely kielégíti a sztati-
kai egyensúlyi egyenleteket és a sztatikai kerületi feltételeket.
2.6.1. Virtuális elmozdulás, virtuális munka, virtuális kiegészítő munka
97
Hasson a szilárd testre egy egyensúlyi erőrendszer, melyek hatására az megváltoztatja
helyzetét és alakját. Ezután adjunk a testnek egy δ ρu( )-val jelzett elmozdulási vektormezőt,
melyre kössük ki a következő feltételeket:
1) geometriailag lehetséges,
2) elemien (differenciálisan) kicsi,
3) végtelen kicsi idő alatt megy végbe, s ennek következtében az elmozdulás alatt
a külső és belső erőket állandónak tekintjük.
A fenti feltételeknek eleget tévő elmozdulást virtuálisnak nevezzük. A δ jel a matema-
tikában a variációnak nevezett művelet jele és azt fejezi ki, hogy egy függvényt (jelen esetben
az eltolódásfüggvényt) úgy változtatjuk meg, hogy hozzáadunk egy differenciálisan kicsi függ-
vényt (virtuális elmozdulást).
A virtuális elmozdulás vektormezője (röviden a virtuális elmozdulásrendszer) a ható
erőktől teljesen független, a két rendszer nem összetartozó, ugyanakkor a virtuális
elmozdulásrendszer definíciójának a tényleges elmozdulásrendszer is eleget tesz, ha elég kicsi.
A virtuális munka az erőknek a virtuális elmozdulás során végzett munkája.
Az összes külső erő virtuális munkáját és a belső erők virtuális munkáját a (2.55) és a
(2.57) üsszefüggések adják annyi változtatással, hogy bennük a d jel helyébe δ -t kell írni. Ez a
jelölésbeli különbség nagyon fontos tartalmi változtatást von maga után, mert ott a d jel az
elmozdulásfüggvénynek, mint független változónak a növekményét (differenciálját) jelenti, a δ
jel alatt pedig az elmozdulásfüggvény variációja, egy hozzáadott elmozdulásfüggvény szerepel.
Képzeljük el újra az egyensúlyi erőrendszerrel terhelt szilárd testet, amelyen a külső és
belső erőrendszer - értelemszerűen - sztatikailag lehetséges. Változtassuk most meg ezt az álla-
potot úgy, hogy nem az elmozdulásokat, hanem az erőket variáljuk, ügyelve arra, hogy a variált
erőrendszer is sztatikailag lehetséges legyen. A virtuális kiegészítő munkán virtuális erőrend-
szernek a tényleges elmozdulás során végzett munkáját értjük. A külső és belső erők virtuális
kiegészítő munkáját a (2.63) és (2.64) összefüggésekkel számíthatjuk a d→ δ helyettesítés
után. A két kifejezés között a különbség az, hogy ott a ténylegesen ható erőknek, mint független
változóknak a növekménye (differenciálja), itt pedig az erőrendszer variációja, azaz egy hozzá-
adott erőrendszer szerepel.
2.6.2. A virtuális munka elve
A virtuális munka elve a mechanika alapvető fontosságú axiómája, amely eddig minden
esetben igaznak bizonyult és belőle a mechanika minden fontos tétele levezethető.
98
Az elv azonban nemcsak a mechanikai tételek levezetésére használható, hanem rugal-
mas anyagú szerkezetek, különösen sztatikailag határozatlan szerkezetek alakváltozása közvet-
len meghatározására is. Ezen túlmenően a virtuális munka elve variációs elvként való megfo-
galmazásban a rugalmasságtan közelítő módszereinek alapjául szolgál.
2.6.2.1. A virtuális elmozdulások tétele
Tétel: A szilárd testre ható, sztatikailag lehetséges erőrendszernek bármely virtuális
elmozdulásrendszeren végzett virtuális munkája nulla:
,0δWδW bk =+ 2.108/a
részletesen kiírva:
0dVδεσdVuδfdAuδquδFV ij
ijij
VAiii =−++ ∫∑∫∫∑ 2.108/b
A tételt axiómaként fogadjuk el.
Mivel a sztatikailag lehetséges erő-rendszer kielégíti az egyensúlyi egyenleteket és a
sztatikai kerületi feltételeket, a virtuális elmozdulások tétele az egyensúly feltételét fejezi ki.
A virtuális elmozdulás-rendszer és a ható erő-rendszer - a definíció értelmében - nem
összefüggő, anyagtörvény nem kapcsolja össze őket, ezért a virtuális elmozdulások tétele az
anyag szilárdsági tulajdonságaitól függetlenül, minden nyugalomban lévő testre érvényes. Ezen
túlmenően nagy alakváltozások esetén is alkalmazható.
Merev testre alkalmazva az elv speciális formája a sztatikában már megismert δ Wk = 0,
hiszen a belső erők munkát nem végeznek.
A virtuális elmozdulások tételéből levezethetők az egyensúlyi egyenletek. A tétel annyi
független egyenlet felírását teszi lehetővé, amennyi egymástól független virtuális elmozdulás-
rendszer képzelhető el, azaz amennyi a test szabadságfoka. Merev test esetében ez hat egyenle-
tet jelent (az F = 0 és az M = 0 összefüggéseknek megfelelő hat skaláregyenletet), szilárd test
esetében az egész test egyensúlyát - az elemi részek végtelen nagy száma miatt - algebrai egyen-
let helyett differenciálegyenletek (a (2.52) összefüggések) fejezik ki.
2.6.2.2. A virtuális erők tétele
Tétel: Szilárd test geometriailag lehetséges alakváltozás rendszerén bármely virtuális
erőrendszer virtuális kiegészítő munkája nulla:
99
δ Wk + δ Wb = 0 , 2.109/a
vagy részletesen kiírva:
.0dVδσεdVfδudAqδuFδuV ij
ijij
VAi
ii =−++ ∫∑∫∫∑r
2.109/b
Bizonyítás: A bizonyításhoz a virtuális elmozdulások tételét használjuk fel úgy, hogy abban a
virtuális elmozdulásrendszer helyébe a tényleges alakváltozás-rendszert, a tényleges erő-
rendszer helyébe pedig a virtuális erő-rendszert helyettesítjük be. Ezt azért tehetjük meg, mert a
virtuális erőrendszer - definíciószerűleg - sztatikailag lehetséges és a kicsi tényleges
elmozdulásrendszer is kielégíti a virtuális elmozdulás-rendszer kritériumait.
A tétel szerint a tetszőleges virtuális erőrendszer virtuális kiegészítő munkája csak ak-
kor nulla, ha az alakváltozás-rendszer geometriailag lehetséges, azaz ha kielégíti a geometriai
egyenleteket és a geometriai kerületi feltételeket. A tétel tehát a kompatibilitás feltételének új
megfogalmazása.
A tétel az anyag szilárdsági tulajdonságaitól függetlenül minden kis elmozdulást végző
testre igaz.
A tételből levezethetők a geometriai egyenletek. Merev test esetén hat független virtuá-
lis erőrendszer képzelhető el (a térbeli erőrendszer ugyanis dinámjával, vagyis három erő- és
három nyomatékösszetevővel jellemezhető). Így három transzlációs és három rotációs össze-
függést kapunk. Szilárd testnél a geometriai egyenletek (a (2.38/b) jelű) differenciálegyenletek
lesznek.
2.6.3. A potenciális energia állandó-értékűségének tétele
Tétel: Lineárisan rugalmas anyagú testek esetén az összes geometriailag lehetséges
alakváltozás-rendszer közül az a ténylegesen megvalósuló, azaz a rendszer egyensúlyi helyzeté-
nek megfelelő, amelynél a (geometriailag lehetséges alakváltozás-rendszer függvényében felírt)
teljes potenciális energia stacionárius.
Bizonyítás: A virtuális elmozdulások tételében δ u , δ ε ij virtuális elmozdulások helyett al-
kalmazzuk egy tényleges alakváltozás geometriailag lehetséges du , dε ij alakváltozás-
növekményeit:
0.dVdεσdVudfdAudqudFV ij
ijij
VAiii =−++ ∫∑∫∫∑ 2.110
majd határozzuk meg a teljes munkát, tehát integráljuk az egyenlet bal oldalát 0-tól a tényleges
alakváltozás-rendszer u , ε ij végértékéig:
100
0dVdεσdVudfdAudqudFV
ε
0 ijijij
v
U
0A
u
0
u
0 iii
iji
=+
++− ∫ ∫∑∫ ∫∫ ∫∫∑ 2.111
Mivel Fi, q és f a külső erőket jelentik, amelyek nem függenek az alakváltozás-rendszertől, il-
letve az elemi elmozdulások mindegyikében végső értékükkel hatnak, (2.111) első három tagja
a külső erők (2.70)-nek megfelelő potenciális energiája. A negyedik tag pedig - lineárisan ru-
galmas anyagot feltételezve - a (2.71/b)-ben megadott belső potenciális energia. (2.111) tehát az
U = Uk + Ub teljes potenciális energiát jelenti. (2.110) bal oldalán ezek szerint az U-nak a nö-
vekménye (differenciálja) áll. Így
dU = 0 , 2.112/a
ami csak akkor állhat fenn, ha
U = Uk + Ub = áll. 2.112/b
A tétel a következőt jelenti. A lineárisan rugalmas anyagú test teljes potenciális energiá-
ja különböző, geometriailag lehetséges alakváltozás rendszereknél eltérő értékeket vesz fel. A
valóságban kialakuló alakváltozás-rendszernél, tehát annál, amelyhez a sztatikailag lehetséges
erő-rendszer tartozik, azonban a teljes potenciális energia stacionárius. A tétel tehát lehetőséget
ad arra, hogy a végtelen sok geometriailag lehetséges alakváltozás-rendszer közül kiválasszuk a
ténylegesen megvalósulót. A tétel csak akkor alkalmazható, ha a külső és belső erőrendszer
konzervatív, az alakváltozásokra viszont semmilyen korlátot nem kell bevezetnünk.
Tétel: Lineárisan rugalmas testek esetén a belső potenciális (rugalmas) energiának egy
elmozduláskomponens szerinti deriváltja egyenlő az elmozdulás helyén ható külső dinám el-
mozdulás irányú vetületével.
Bizonyítás: Hasson a test Pi pontjában Fi koncentrált erő (i = 1,2,...,n) és tegyük fel, hogy a
rendszer teljes potenciális energiája a Pi pontok ui elmozdulásainak függvényben kifejezhető.
Az egyensúlyban lévő testre alkalmazva a potenciális energia állandóságának tételét, írhatjuk: ∂∂
U
u i
= 0, i=1,2,...,n 2.113
ahol ui = u i .
A külső erők potenciálja:
U F u F u F u F uk n n i ii
n
= − + + + = −=∑( ... ) ,1 1 2 2
1
ahol Fi - az Fi erővektornak az u i vektor irányába eső vetülete. Deriváljuk az előző összefüg-
gést az ui elmozdulás szerint:
∂∂U
uFk
ii= − .
Bontsuk fel (2.113)-at a külső és belső potenciális energiák összegére és helyettesítsük be az
utolsó egyenletet:
∂∂
∂∂
∂∂
∂∂
U
u
U
u
U
uF
U
ui
k
i
b
ii
b
i
= + = − + = 0,
101
ahonnan
∂∂U
uFb
ii= , 2.114
ami éppen a tétel állítása. Felhívjuk a figyelmet arra, hogy ui nemcsak eltolódás lehet, hanem
szögelfordulás is. Ez esetben a derivált Pi pontban ható nyomatékvektornak a szögelfordulás
tengelyére vett vetületét adja.
A (2.114)-gyel megfogalmazott tételt - első megfogalmazójáról - Castigliano I. tételé-
nek nevezzük.
2.6.3.1. Az egyensúlyi állapotok osztályozása
Egy függvény azokon a helyeken stacionárius,
ahol érintőjének iránytangen-se nulla, azaz a
helyi szélső értékeknél és ott, ahol nulla irány-
tangensű inflexiós pontja van (2.30. ábra).
Ennek alapján a teljes potenciálnak háromféle
stacionárius értéke lehet és ezektől függően
háromféle egyensúlyi állapotot
különböztetünk meg:
a) Stabilis (biztos) egyensúlyi állapotot:
2.30. ábra ∂∂
∂∂
U
u
U
u= >0 0
2
2, ,
a potenciális energiának minimuma van.
b) Indifferens (közömbös) egyensúlyi állapot:
∂∂
∂∂
U
u
U
u= =0 0
2
2, ,
a potenciális energiának nulla iránytangensű inflexiós pontja van.
c) Labilis (bizonytalan) egyensúlyi állapot:
∂∂
∂∂
U
u
U
u= <0 02
2, ,
a potenciális energiának maximuma van.
Olyan testek, illetve szerkezetek esetén, amelynek tagjai jó közelítéssel merevnek te-
kinthetők, a belső potenciális energia hiánya miatt U = Uk. Szerkezetek, különösen mechaniz-
musok egyensúlyi helyzetének meghatározásánál ez a feltevés gyakorlatilag elfogadható. 2.6.4. A kiegészítő potenciális energia minimum tétele
102
Tétel: Lineárisan rugalmas anyagú, kis alakváltozásokat szenvedő testnél az összes
sztatikailag lehetséges erő-rendszer közül az lesz a tényleges, amelynél a (sztatikailag lehetséges
erőrendszer függvényében felírt) teljes kiegészítő potenciális energia minimális.
Bizonyítás: A virtuális elmozdulások tételében most az erő-rendszer helyébe írjunk egy virtuá-
lis erő-rendszert, a virtuális alakváltozási-rendszer helyébe pedig egy tényleges, de kicsi alak-
változás-rendszert:
.0dVdσεdVfdudAqdudFuV ij
ijij
VAiii =−++ ∫∑∫∫∑ 2.116
Integráljuk az egyenlet bal oldalát az általánosított erők szerint, azok 0 és végső értéke között,
vagyis határozzuk meg a kiegészítő munkát. Az első három tag esetében az elmozdulás- és erő-
rendszer nem összefüggő, ezért azok a (2.75)-tel megadott külső kiegészítő potenciális energiát
jelentik. A negyedik tag pedig - lineárisan rugalmas anyagot feltételezve - a (2.76)-nak
megfelelő belső kiegészítő potenciális energia. E szerint (2.116) bal oldalán a teljes kiegészítő
potenciál növekménye szerepel:
dU = dU + dU = 0 k b
~ ~ ~, 2.117/a
ami csak úgy állhat fenn, ha ~ ~ ~U = U + U = k b áll. = minimum 2.117/b
A tételt a következőképpen értelmezhetjük. A lineárisan rugalmas test kiegészítő poten-
ciális energiája különböző, sztatikailag lehetséges erő-rendszerek mellett eltérő értékeket vesz
fel. A valóságban kialakuló, a geometriailag lehetséges alakváltozás-rendszerhez tartozó erő-
rendszer esetén azonban a teljes kiegészítő potenciális energia stacionárius. A probléma fizikai
természetéből adódik, hogy ez a helyi szélső érték csak minimum lehet. A tétel tehát lehetősé-
get ad arra, hogy a számtalan sztatikailag lehetséges erő-rendszer közül meghatározzuk a tény-
legesen létrejöttet. A tétel csak akkor alkalmazható, ha a külső és belső erők konzervatívak és az
alakváltozások kicsinyek.
Tétel: Lineárisan rugalmas anyag esetén a belső kiegészítő potenciális energiának egy külső
dinám szerinti deriváltja egyenlő a dinám támadáspontjában fellépő elmozdulás erő- vagy nyo-
matékvektor irányába eső vetületével.
Bizonyítás: Ha a kiegészítő potenciális energiát a testre ható Fi erők függvényében írjuk fel,
akkor az előző tétel értelmében:
∂∂
~,
U
F i
= 0 i=1,2,...,n , 2.118
ahol Fi = F i
A külső erők kiegészítő potenciális energiája:
~( ... ) ,U F u F u F u F uk n n i i
i
n
= − + + + = −=∑1 1 2 2
1
103
ahol ui az u i elmozdulásnak az Fi irányába eső vetülete. Az utóbbi összefüggések felhaszná-
lásával:
∂∂
∂∂
∂∂
∂∂
~ ~ ~ ~,
U
F
U
F
U
Fu
U
Fi
k
i
b
ii
b
i
= + = − + = 0
ahonnan
∂∂
~U
Fub
ii= 2.119
A tétel értelemszerűen az M i koncentrált nyomaték és a ϕ i szögelfordulás nyomaték-
vektor irányú összetevőjére is igaz. A tételt Castigliano II. tételének is nevezik.
A tételből azonnal következik az először Menabrea által alkalmazott tétel. Ha a belső
kiegyenlítő potenciális energia számításánál olyan erők is szerepelnek, amelyek helyén nem
keletkezik elmozdulás, akkor ui = 0 miatt:
∂∂
~.
U
Fb
i
= 0
Menabrea tétele elsősorban a sztatikailag határozatlan szerkezetek ismeretlen kapcsolati
erőinek meghatározására használható, hiszen annyi (2.120) típusú egyenlet írható fel, amennyi
az ismeretlen Fi erők száma.
Lineárisan rugalmas anyagnál ~U b = Ub , így formailag elegendő a belső alakváltozási
energia számítása. Lényeges különbség azonban, hogy a belső potenciális energiát Castigliano I.
tételének alkalmazásánál az adott, illetve ismeretlen elmozdulások függvényében, Castigliano
II. tételének és Menabrea tételének felhasználásával az adott, illetve ismeretlen erők függvényé-
ben kell felírni.
2.6.5. A saját munkák tétele
Tegyük fel, hogy a testet a külső erők sztatikusan terhelik, azaz az erők végső értéküket
nulláról indulva az időben egyenletesen érik el és a teherátadás sebessége olyan kicsi, hogy a
gyorsulások következtében fellépő tehetetlenségi erők a külső terhek mellett elhanyagolhatók. A
terhelési folyamat alatt a test alakváltozást szenved. Sztatikus tehát - a fenti gondolatmenet sze-
rint - az erő- és alakváltozásrendszer összefüggő, a munkát saját munkaként számítjuk.
Lineárisan rugalmas anyagot feltételezve a terhelő erő-rendszer és az alakváltozás-
rendszer között lineáris a kapcsolat. A külső erők saját munkája:
∫∫∑ ++=VAi
iiSk dVuf
2
1dAuq
2
1uF
2
1W . 2.121
A terhelési folyamat alatt a testben belső erők ébrednek, ezek az alakváltozás-rendszerrel szintén összefüggők, munkájuk sajátmunka:
,UdVεσ2
1W b
V ijijij
Sb −=−= ∫ ∑ 2.122
104
ahol az utolsó egyenlőség (2.71/b)-ből következik.
Tétel: Kis alakváltozást végző, lineárisan rugalmas anyagú test sztatikus terhelési folyamata
során a külső saját munka egyenlő a belső potenciális energiával, vagyis a rugalmas alakválto-
zási energiával.
Bizonyítás: Mivel a sztatikus terhelés során a test elemeinek sebessége - s ezzel a mozgási
energiája - elhanyagolhatóan kicsi, a mechanikai energia megmaradásának tételéből következik,
hogy a külső erők saját munkája teljes egészében rugalmas energiává alakul:
WS
k = Ub . 2.123
A tétel nemcsak lineárisan rugalmas testekre igaz. Bármilyen szilárd testre alkalmazha-
tó, ha ismerjük anyagtörvényét. A tétel segítségével meghatározhatjuk a test teljes potenciális energiáját. (2.70) alapján ,
U Wk kS= −2 , így a teljes potenciál:
U = Uk + U
b = b
Sk
Sk
Sk UWW2W −=−=+−
A teljes potenciál tehát mindig negatív érték.
2.6.6. A munkával és energiával kapcsolatos egyéb tételek
Tétel: Lineárisan rugalmas testre ható egyensúlyi erőrendszer idegen munkája egy másik
egyensúlyi erőrendszer által okozott alakváltozáson egyenlő a második erőrendszer első által
okozott alakváltozásához tartozó idegen munkájával.
Bizonyítás: Terheljük sztatikusan a testet 1 jelű erőrendszerrel, majd ennek végső értékét állan-
dó szinten tartva tegyük fel sztatikusan a 2 jelű erőrendszert is. Az egész terhelési folyamat kül-
ső munkája két saját munkából és egy idegen munkából, az 1-es erőrendszernek a 2-es által
okozott alakváltozáson végzett munkájából tevődik össze:
W W W Wk kS
kS
k1 2 1 2 12, .= + +
Cseréljük fel a terhelés sorrendjét. Ebben az esetben a teljes külső munka:
W W W Wk kS
kS
k2 1 2 1 21, = + +
A terhelés sorrendjétől függetlenül, mindkét esetben ugyanakkora rugalmas alakváltozási ener-
gia halmozódik fel a testben, tehát
Ub =W Wk k1 2 2 1, ,= .
Behelyettesítve ide az előző két összefüggést, azonnal adódik:
W = W 12 21 , 2.124/a
ami a kölcsönös idegen munkák azonosságát mondja ki. A tételt Betti-tételnek nevezzük.
A koncentrált erőkön kívül térfogati és felületi erőket is figyelembe véve, a tétel alakja
(2.59) felhasználásával:
W = F u + q u dA + f u dV = W =
= F + q u dA + f u dV
12 2
A
1 2
V
21
2 2 1
A
2 1
V
1 2 1
1
i
i
u
∑ ∫ ∫
∑ ∫ ∫ . 2.124/b
105
Tétel: Lineárisan rugalmas test valamely P1 pontjában jelöljük u12-vel a P2 pontban ható F2 erő
hatására fellépő, F1 irányú elmozduláskomponenst, u21
-gyel pedig a P2 pont F1 erő hatására
keletkező, F2 irányú elmozduláskomponensét (2.31. ábra). Ha F = F1 2 , akkor
u = u12 21 .
Bizonyítás: Terheljük a test P1 és P2 pontját egymás után az F1 és F2 erőkkel, majd fordított
sorrendben, és alkalmazzuk a Betti-tételt:
W = F u = W = F u .121 12
212 21
Ha F = F , akkor u = u 1 2 12 21 . 2.125/a
A tételt Maxwell-féle felcserélhető-ségi
tételnek nevezik és értelmezhető
tetszőleges számú erőre, illetve nyo-
maték-ra. Ha az erők még egységnyiek
is, az elmozdulás-komponenseket α ij -
vel szok-ták jelölni és hatástényezők-
nek nevezni. A hatástényezőkre a
Maxwell-féle felcse-rélhetőségi tétel:
α αij ji= 2.125/b
2.31. ábra
A szilárdságtanban a szerkezeti elemek és a belőlük felépített összetett szerkezetek me-
revségét ezekkel a hatástényezőkkel szokták jellemezni. A (2.125/b) reciprocitási tétel az oka
annak, hogy a merevséget, illetve az alakíthatóságot jellemző mátrixok mindig szimmetrikusak.
3. Tönkremeneteli elméletek
Az I. fejezetben megismert anyagvizsgálatoknál olyan külső terhelést, illetve
igénybevételeket alkalmaztak, amelyek hatására a test egyes pontjai egyszerű - húzás-
nál, nyomásnál lineáris, tiszta nyírásnál síkbeli - feszültségi állapotba kerültek. Láttuk,
hogy a teher értéke nem lehet tetszőlegesen nagy, mert előbb-utóbb elérhetünk egy
olyan határértéket, melynél nagyobbat a vizsgált próbatest nem tud felvenni. Ennél a
külső terhelésnek megfelelő határértéknél a testet tönkrementnek tekintjük. Általános-
ságban a tönkremenetel azt jelenti, hogy megszűnik a szerkezeti elem, s ezzel az egész
szerkezet külső terheléssel szembeni mechanikai ellenállása. A tönkremenetel jellege
sokféle lehet. A legalapvetőbb tönkremeneteli forma a rideg anyagoknál törés, szívós
anyagoknál pedig - a folyáshatár elérésével - olyan nagymértékű alakváltozás, amely
alkalmatlanná teszi a szerkezetet eredeti feladatának ellátására. E két tönkremeneteli
106
forma között számtalan átmenet lehetséges, sőt ugyanazon anyag tönkremenetelének
jellege a külső körülményektől függően is jelentősen változhat.
Az előbb említett anyagvizsgálatoknál mindig olyan igénybevételeket alkalmaz-
tak, melyeknél a tönkremenetelhez tartozó feszültségállapotot egyetlen adattal lehet
jellemezni (pl. az ++ ≡ Bσf húzószilárdsággal, az −− ≡ Bσf nyomószilárdsággal vagy a
Bτt ≡ nyírószilárdsággal). A valóságos szerkezetekben azonban az igénybevételek
általában olyan jellegűek, hogy hatásukat a test pontjaiban összetett (síkbeli és térbeli)
feszültségi állapot ébred. A kísérleti tapasztalatok pedig azt mutatják, hogy az anyag
összetett feszültségi állapotban már akkor is tönkremehet, ha egyetlen feszültségkom-
ponense sem éri el az egyszerű feszültségi állapotoknak megfelelő szilárdságot.
Akármilyen feszültségi állapotot is választunk, azok komponenseit lineárisan növelve,
elérünk egy olyan határállapotot, melynél az anyag tönkrementnek tekinthető. Azt a
feszültségi állapotot, amelynél az anyag éppen tönkremegy, illetve a tönkremenetel
határára kerül, tönkremeneteli határállapotnak nevezzük. Nyilvánvaló, hogy végtelen
sok feszültségi állapot létezik, amelynél az anyag tönkremeneteli határállapotba kerül.
A műszaki gyakorlat számára nagyon fontos ezeknek a tönkremeneteli határál-
lapotoknak az ismerete. Természetesen minden anyagra - de még egyre is - lehetetlen e
végtelen sok határállapotnak a kísérleti meghatározása. Arra van tehát szükség, hogy
egyrészt bizonyos kísérleti eredmények figyelembevételével, másrészt elméleti megfon-
tolások alapján olyan módszereket dolgozzanak ki, melyekkel eldönthető, hogy egy
adott feszültségi állapot a vizsgált anyag szempontjából tönkremenetelinek tekinthető-e
vagy sem. Ezeket az elméleteket tönkremeneteli elméletnek nevezzük. Az egyes elméle-
teket tönkremeneteli (szilárdsági) kritérium formájában fogalmazzák meg azt a feltételt,
amelynek teljesülése esetén az anyag tönkremegy, illetve épen marad.
A tönkremeneteli elméletek általában azt a módszert alkalmazzák, hogy a fe-
szültségi állapotok összehasonlításához egy tipikus, egy kísérlettel viszonylag egysze-
rűen és pontosan meghatározható feszültségi állapotot választanak alapul és valamilyen
elfogadott kritériumot felhasználva, a tényleges feszültségi állapotokat ehhez viszonyít-
ják. Az összehasonlíthatósághoz be kell vezetni az egyenértékű feszültségi állapot fo-
galmát. Egyenértékűek azok a feszültségi állapotok, amelyeknél a tönkremeneteli határ-
állapot fellépésének a valószínűsége azonos, röviden, amelyeknél a tönkremenetel azo-
nos veszélyességű. E definíció matematikai, a gyakorlat igényeit kielégítő megfogalma-
zása nem is olyan egyszerű és az egyes tönkremeneteli elméletek alapjában véve abban
különböznek egymástól, hogy hogyan fogalmazzuk meg az egyenértékű feszültségi ál-
lapot kritériumát. Összehasonlító feszültségi állapotként az egytengelyű húzásnak meg-
felelő lineáris feszültségi állapotot választják, amely viszonylag könnyen és pontosan
kivitelezhető és a tönkremeneteli határállapot feszültségi állapota egy adattal, az f húzó-
szilárdsággal jellemezhető. A tényleges, összetett feszültségi állapot komponensei alap-
107
ján a lineáris feszültségi állapotnak megfelelő egyenértékű feszültségi állapotot számí-
tanak. E fiktív lineáris feszültségi állapotnak egyetlen nem nulla normálfeszültség-
komponensét egyenértékű feszültségnek nevezzük. Lineáris feszültségi állapotban az
anyag akkor megy tönkre, ha a húzófeszültség eléri az +f húzószilárdságot, így a tény-
leges feszültségi állapot akkor nem okoz tönkremenetelt, ha az egyenértékű feszültségi
kisebb, mint a húzószilárdság, illetve határesetben azzal egyenlő. Tönkremenetel tehát
nem lép fel, ha
egyσf ≥+ . 3.1
A )(σσσ ijegyegy ≥ egyenértékű feszültség konkrét függvényalakját az alkalmazott tönk-
remeneteli elmélet szabja meg.
A műszaki mechanika történeti fejlődése folyamán több tönkremeneteli elméle-
tet dolgoztak ki. Ezek egy része már elavultnak tekinthető (pl. a legnagyobb normálfe-
szültség (Galilei) elmélete, a legnagyobb nyúlás (Mariotte, Saint Venant) elmélete, a
legnagyobb nyírófeszültség (Guest) elmélete, a teljes alakváltozási energia (Beltrami
elmélete, stb.), de a műszaki anyagok bővülése és a gyakorlat egyre növekvő igénye ma
is új elméletek kidolgozására készteti a kutatókat.
3.1. Az izotrop anyagok tönkremeneteli elméletei
E fejezetben bemutatjuk azt a három elméletet, amelyet napjainkban az izotróp,
vagy gyakorlatilag izotropnak tekinthető anyagok esetén alkalmaznak. Izotrop anyagnál
nincs jelentősége annak, hogy a feszültségi főirányok milyen állásúak. Elegendő a tény-
leges feszültségi állapot ismerete, amit legegyszerűbben a főfeszültségi rendszerben a
három főfeszültséggel adunk meg.
3.1.1. A Coulomb-féle tönkremeneteli elmélet
Az elmélet - melyet Coulomb, majd Duquet dolgozott ki - alapgondolata az,
hogy egy pont környezetében az anyag tönkremenetele akkor következik be, ha a pon-
ton átmenő valamelyik síkon a ténylegesen ható nyírófeszültség legyőzi a kohézió és a
belső súrlódás ellenállását. Tönkremenetel nem lép fel, ha
nnnm µσcσ −≤ , 3.2
ahol c - az ún. kohézió, ami abban nyilvánul meg, hogy az anyag vizsgált pontjában
felvett valamilyen felülettel párhuzamosan az anyagrészecskék elcsúsztatásához
108
0σ nn = esetén is bizonyos, éppen c nagyságú nyírófeszültségre van szükség. c tehát
feszültség dimenziójú mennyiség, egysége: Pa, µ - a belső súrlódás tényező, dimenzió
nélküli szám, a Coulomb-féle száraz súrlódás analógiájára itt is bevezethetjük a belső
súrlódási kúp félszögét, ρ -t, ahol, µρtg = , nnσ , nmσ - az n normálisú felülethez tarto-
zó feszültségvektor normális- és nyíróirányú komponense.
A feszültségi állapot Mohr-féle ábrázolását jól felhasználhatjuk (3.2) szemlélte-
tésére is (3.1. ábra). A tönkremeneteli határállapotban (3.2)-ben az egyenlőség jel az
érvényes és az összefüggés két egyenest reprezentál. Mindkét egyenes az A0 pontból
indul ki, iránytangensük µ± , a vízszintessel bezárt szögük pedig ρ± . A feszültségi
állapot Mohr-féle ábrázolásának ismeretében azonnal beláthatjuk, hogy azoknál a fe-
szültségi állapotoknál kerül az anyag a tönkremeneteli határállapotba, amelyek 1,3 fő-
köre érinti a két egyenest. Törés illetve megcsúszás akkor nem lép fel, ha a főkörök a
két egyenes által körbezárt terület belsejébe esnek. Tönkremenetel pedig akkor követ-
kezik be, ha a legnagyobb főkör metszi az egyeneseket vagy az A0 ponttól jobbra esik.
Az ábráról azt is megállapíthatjuk, hogy melyik annak a felületnek a normálisa, ame-
lyen a nyírófeszültség elérte a határértéket. A normálisnak az 1-es főiránnyal bezárt
szöge az
3.1. ábra
A0013A1 derékszögű háromszög alapján.
109
ρ2
π2α1 −= , illetve ρ
2
3π2α2π2α 1
'1 +=−= . 3.3
A két normális a 2-es főirányra merőleges. Ezzel a két sík, melyet csúszólapnak neve-
zünk, állása ismert (3.2. ábra).
Az elmélet szerint a
tönkremenetelt úgy képzelhetjük
el, hogy a test P pontjának kö-
zelében két térfogatelem
egymáson megcsúszik. (3.3)
szerint a csúszólapok állása csak
a belső súrlódás nagyságától
függ. A megcsúszás tehát a
feszültségi állapot jellegétől
függetlenül mindig ugyanolyan
dőlésszögű sík mentén
következik be.
3.2. ábra
Az 31111 esinαecosαn += normálisú síkokhoz tartozó feszültségkomponenseket
adott ,σ,σ,σ 321 esetén a (2.43/e) és (1.11) összefüggésekkel számíthatjuk:
13131
12
312
1nm cos2α2
σσ
2
σσαsinσαcosσσ
−−
+=+= ,
131
11311nm sin2α2
σσcosαsinασcosαsinασσ
−−=+−= .
Ezeket (3.2)-be helyettesítve, rendezés és (3.3) felhasználása után megkapjuk a tönkre-
meneteli kritérium egy másik alakját. Ha a
( ) ( ) c2σσµ1σσµ 312
31 ≤−+++ 3.4
reláció teljesül, tönkremenetel nem lép fel.
Az elmélet szerint az anyagnak két szilárdsági jellemzőjét, c-t és µ -t kell is-
merni, illetve ezeket kell kísérlettel meghatározni. Előfordulhat, hogy ismerjük az anyag
húzó- és nyomószilárdságát. Ebben az esetben µ és c értékét a két szilárdsággal is kife-
jezhetjük. Az elmélet értelmében ugyanis e két szilárdságnak megfelelő feszültségi ál-
lapot Mohr-köreinek érintenie kell a ferde helyzetű egyeneseket. A 3.3. ábra 01M02 de-
rékszögű háromszögében:
110
+−
+−
+−+−
+−
−=
−−
+
−==
ff2
ff
2
ff
2
ff
2
f
2
f
tgρµ22
. 3.5/a
Az 010A és az 002A háromszögek hasonlósága alapján:
+−= ff2
1c 3.5/b
A fenti összefüggéseket (3.4)-be helyettesítve a
( )( ) ( )( ) +−+−+− ≤+−+++ f2fffσσffσσ 3131
relációt kapjuk. Osszuk ezt el f--szal és vezessük be a
−
+
=f
fΨ 3.6
jelölést. Ezzel az előző reláció új formája:
31 Ψσσf −≥+ , 3.7
ami egyben megadja az egyenértékű feszültség összefüggését is
31egy Ψσσσ −= . 3.8
Az elmélet elsősorban a szemcsés anyagok vizsgálatánál kerül alkalmazásra, így, ma is
nagy jelentőségű a talajmechanikában és a szemcsés anyagok (gabona, fűrészpor, for-
3.3. ábra
gács) tárolásánál fellépő mechanikai jelenségek vizsgálatánál. Az elmélet abban a két
speciális esetben is alkalmazható, ha c vagy Š nulla. Homoknál és kavicsnál a kohézió
gyakorlatilag nulla, csak a belső súrlódással kell számolni, s a két határegyenes a 3.4.
111
ábrának megfelelően alakul. A másik határesetben csak a kohézió hatását kell figyelem-
be venni (ilyen pl. a puha anyag). Ebben az esetben az elmélet a maximális nyírófe-
szültségek elméletébe megy át (3.4/b. ábra).
3.4. ábra
3.1.2. A Mohr-féle tönkremeneteli elmélet
Hozzunk létre a test valamelyik pontjában egy tetszőleges feszültségi állapotot,
majd növeljük arányosan a feszültségi komponenseket a tönkremenetelig. Rajzoljuk
meg a tönkremenetelhez tartozó feszültségi állapot Mohr-köreit. A vizsgálatot és a szer-
kesztést más jellegű feszültségi állapotok esetén is megismételve O. Mohr arra a követ-
keztetésre jutott, hogy minden anyagnál található egy olyan burkoló görbe, amely a
tönkremeneteli határállapot legnagyobb főköreit kívülről érinti, s amely épp olyan
anyagjellemző, mint bármely más fizikai-mechanikai tulajdonság. Kísérlettel tehát meg-
határozható egy
( )nmnmnm σσσ = 3.9
függvény, melyet tönkremeneteli (Mohr-féle) határgörbének nevezünk. E görbe ismere-
tében könnyen eldönthető a tönkremenetel kérdése. Az anyag mindaddig megőrzi
teherbíróképességét, míg a terhelésnek megfelelő feszültségi állapot legnagyobb főköre
a tönkremeneteli határgörbe belsejébe esik (3.5. ábra). A tönkremenetel határállapotá-
ban itt is értelmezhetők a csúszólapok, ezek helyzetet a feszültségi állapotnak, ponto-
sabban a 1σ és 3σ főfeszültségnek a függvénye.
Sajnos, a Mohr-féle határgörbe kísérleti meghatározása igen körülményes és
költséges - napjainkban egyetlen anyag határgörbéjét sem ismerjük kielégítő pontosság-
gal - ezért megelégszünk a görbe bizonyos szakaszának egyenessel való megközelítésé-
vel. Ezt az egyenest már könnyű meghatározni, mert nem más, mint az egytengelyű
húzó- és nyomószilárdság főköreinek érintője (3.6. ábra).
112
3.5. ábra
3.6. ábra
Az ábra alapján azonnal megállapíthatjuk, hogy amennyiben a tényleges feszült-
ségi állapot főköre a közelítő egyenest az A1A2 szakaszon kívül érinti, akkor a közelítés
a biztonság rovására történik és a közelítő (egyszerűsített) Mohr-elmélet nem alkalmaz-
ható. Szerencsére a gyakorlati esetek többségében a szélső főfeszültségek aránya
0σ
σr
1
3 ≤= , 3.10
ami éppen annak a feltétele, hogy a főkör az A1A2 szakaszon érintse az egyenest. A kö-
zelítő Mohr-elmélet egyenértékű feszültségét az A1M1A2 és az AMA2 háromszögek
hasonlóságának felhasználásával vezethetjük le:
2
σσ
2
f2
σσ
2
f
2
f
2
f2
f
2
f
31
31
++
−−
=+
−−
−
+−
+−
,
ahonnan +−+− −= fσfσff 31 .
(3.6) felhasználásával:
31 Ψσσf −=+ ,
Az egyenlőség éppen a tönkremeneteli határállapot elérését jelenti, tönkremenetel tehát
mindaddig nem lép fel, míg
31 Ψσσf −≥+ . 3.11
s így az egyenértékű feszültség:
31egy Ψσσσ −= . 3.12
113
Ne csodálkozzunk azon, hogy a közelítő Mohr-elmélet és a Coulomb-féle elmé-
let egyenértékű feszültségét ugyanaz az összefüggés adja, hiszen a két elmélet egyene-
sét azonos módon definiáltuk. Nem szabad azonban megfeledkeznünk arról, hogy a
közelítő Mohr-elmélet csak (3.10) fennállása esetén alkalmazható.
A pontos és - korlátai között - a közelítő Mohr-elmélet egyetlen feltevése, hogy
minden anyagnak van határgörbéje. Kísérleti igazolásra nem szorul, hiszen a határgör-
bét csak kísérlettel lehet meghatározni, így az ismert határgörbe az elmélet használható-
ságának bizonyítéka.
3.1.3. A belső alaktorzulási energia elmélete
Az elméletet M.T. Huber, R.E. von Mises és H. Hencky egymástól függetlenül
dolgozta ki (e hármas néven is szokták az elméletet emlegetni) elsősorban olyan szívós
anyagokra, amelyek jól jellemezhető folyáshatárral rendelkeznek. Az elmélet tulajdon-
képpen a képlékeny alakváltozás megindulásának feltételét határozza meg. Alapja az a
feltevés, hogy az anyag tönkremenetele akkor következik be, ha a belső erők fajlagos
torzítási energiája elér egy bizonyos, az anyagra jellemző értéket. Tönkremenetel nem
lép fel, ha
( ) ( )ténylegesutelitönkremeneu ~b
~b ≥ . 3.13
Az alakváltozások és a feszültségek tárgyalása során megmutattuk, hogy mindkét álla-
pot tenzora felbontható egy gömb- és egy deviátortenzorra és megállapítottuk, hogy az
alakváltozás deviátortenzora a térfogatváltozás nélküli alakváltozást jellemzi. Magától
értetődő az az elképzelés, hogy ehhez az alaktorzuláshoz a feszültségi deviátortenzor
által képviselt belső erők tartoznak. A fajlagos belső torzítási energiát (2.72) analógiájá-
ra számíthatjuk:
~ij
ij
~ij
~b εσ
2
1u ∑= , i, j = x, y, z
ahol ~ijσ és ~
ijε a feszültségi és alakváltozási deviátortenzor. Ezek komponenseit
(2.37/b) és (2.50/b) felhasználásával, de a főtengelyek rendszerében a következő mátri-
xok adják:
[ ] [ ]
−−
−==
M3
M2
M1~ij
~σ
σσ00
0σσ0
00σσ
σT ,
ahol
114
( )321M σσσ3
1σ ++=
és
[ ] [ ]
−−
−==
M3
M2
M1~ij
~ε
εε00
0εε0
00εε
εT
ahol
( )321M εεε3
1ε ++=
Az alakváltozási deviátortenzor komponenseit kifejezhetjük a feszültségi
deviátortenzor komponenseivel a (2.92/c) anyagtörvénnyel:
2G
σ
ν1
Sνσ
2G
1ε
~ii
~1~
ii~ii =
+−= , mert 0S~
1 = .
A fenti mennyiségekkel a fajlagos torzítási energia:
( ) ( )
( ) ( ) ( )[ ]( ) ( ) ( ) ( )[ ]2
132
322
212M
23
22
21
2M3
2M2
2M1
i
2Mi
i
2~i
~i
i
~i
~i
i
~i
~b
σσσσσσ12G
13σσσσ
4G
1
σσσσσσ4G
1
σσ4G
1σ
4G
1
2G
σσ
2
1εσ
2
1u
−+−+−=−++=
=−+−+−=
=−==== ∑∑∑∑
. 3.14
Az anyagra jellemző belső fajlagos torzítási energiát az egyenértékű feszültségi
állapot felhasználásával az egyenes húzásnak megfelelő += fσ1 és 0σσ 32 == fe-
szültség-komponensekkel (3.14)-ből számíthatjuk:
( ) ( ) ( )[ ] ( )222~b f
6G
1ff
12G
1telitönkremeneu +++ =+=
ezek után (3.13)-at a feszültségekkel is kifejezhetjük:
( ) ( ) ( ) ( )[ ]213
232
221
2σσσσσσ
12G
1f
6G
1 −+−+−≥+
Innen
( ) ( ) ( )[ ]213
232
221 σσσσσσ
2
1f −+−+−≥+ , 3.15
s ennek megfelelően az egyenértékű feszültség:
115
( ) ( ) ( )[ ]213
232
221egy σσσσσσ
2
1σ −+−+−= . 3.16
A kritérium azonos feltételt szab a folyás megindulására húzás és nyomás ese-
tén, így csak olyan anyagokra használható, melyek folyáshatára húzásnál és nyomásnál
megegyezik.
3.1.4. A tönkremeneteli elméletek elemzése
A tönkremeneteli elméletek, illetve a nekik megfelelő kritériumok alkalmazha-
tóságának legfőbb bizonyítékát a kísérleti eredményekkel való egyezés adja. Ez a
bizonyítási eljárás azonban nem könnyű feladat, mert olyan összetett feszültségi állapot
létrehozása, amely a tervezettet jól követi és a feszültségkomponensek nagysága
egészen a tönkremenetelig pontosan mérhető, rendkívül bonyolult technikát követel,
sőt, bizonyos fajta feszültségi állapotok (pl. a hidrosztatikus húzás állapota) mérési
adatot szolgáltató megvalósítása gyakorlatilag lehetetlen. Olyan elmélet tehát, amelyet
minden feszültségi állapot tartományban ellenőriztek, még nincs. Egyértelműen igazolni
vagy elvetni egyetlen tönkremeneteli elméletet sem lehet. Ez az oka annak, hogy
egyszerre több elmélet is felhasználásra kerül. Adott anyag esetén mindig azt az
elméletet tartják meg, amely az elvégzett kísérleti eredményekkel a leginkább
összhangban van. A legáltalánosabb tönkremeneteli elméletnek a Mohr-elmélet tekinthető, mert -
mint már említettük - a kritériumot a kísérletek alapján meghatározott határgörbének
megfelelően kell megfogalmazni. E tulajdonság egyben az elmélet hátránya is, hiszen a
teljes határgörbe meghatározása igen nehéz és költséges. Ennek ellenére a közelítő
Mohr-elmélet igen széleskörű felhasználásra kerül a kísérletekkel is jól ellenőrzött, a
(3.10) relációnak megfelelő értelmezési tartományban.
A Coulomb-elmélet a Mohr-elmélet azon speciális esetének tekinthető, mikor a
határgörbe két, ferde helyzetű egyenes. A közelítő Mohr-elmélet helyett akkor alkal-
mazzák a Coulomb-elméletet, ha olyan anyag tönkremeneteli vizsgálatáról van szó,
amely húzószilárdságát kísérletileg igen nehéz meghatározni (pl. a szemcsés anyagok-
nál). Az ilyen anyagoknál a kohézió és a belső súrlódási tényező kísérletek alapján tör-
ténő számítása sokkal egyszerűbb és pontosabb.
Mindkét elméletnél kifogásolható, hogy a 2σ főfeszültségnek a tönkremenetel
szempontjából semmilyen szerepe nincs, ami némiképp ellentmond a gyakorlati ered-
ményeknek. Bizonyos vizsgálatok szerint a 2σ főfeszültség változása ( )321 σσσ ≥≥ a
szilárdsági értéket 10-12 %-kal módosítja.
Ez a kifogás a fajlagos alaktorzítási energia elméletével szemben már nem me-
rülhet fel. Ott a három főfeszültség azonos súllyal szerepel. A kritérium levezetésénél
116
elfogadtuk a lineáris anyagtörvényt, amiből az következik, hogy az egyenértékűség kép-
lete elvileg csak az egyenesarányossági határig, illetve közelítőleg a folyáshatárig al-
kalmazható. Az elmélet tehát a folyás megindulásával kapcsolatos tönkremeneteli felté-
telt fogalmazza meg. Az elmélet hátrányai közé sorolható, hogy csak nyomásra és hú-
zásra azonos folyáshatárú anyagokra alkalmazható.
Természetesen napjainkban is dolgoznak ki újabb tönkremeneteli elméleteket
(Balangyin-, Miroljubov-elmélete, stb), amelyek igyekeznek kiküszöbölni a korábbi
elméletek hiányosságait. Ezek alapos kísérleti igazolása azonban még nem történt meg.
3.2. A természetes faanyag tönkremeneteli kritériuma
Anizotróp anyagok tönkremenetele szempontjából nemcsak a feszültségi állapot
komponenseinek nagysága döntő, hanem az is, hogy a feszültségi főtengelyek milyen
helyzetben vannak az anyag szerkezeti szimmetriatengelyeihez képest. Gondoljunk csak
arra például, hogy természetes faanyag esetén a rostokkal párhuzamos irányban ható, a
húzószilárdságnál csak egy kicsit kisebb normálfeszültség még nem okoz tönkremene-
telt, ugyanez a feszültség azonban a rostokra merőleges irányban már biztos szakadást
jelent. A szilárdsági jellemzőket a szimmetriatengelyek (fánál az anatómiai főirányok)
rendszerében a legegyszerűbb megadni, ezért célszerűen a feszültségi állapotot is erre a
rendszerre kell átszámítani.
Természetesen anizotrop anyagokra is többféle tönkremeneteli elméletet dolgoz-
tak ki. Ezek közül a természetes faanyagra az E.K. Askenazi által megfogalmazottat
támasztják alá leginkább a kísérletek. Askenazi bevezetett - az alakíthatósági tenzor
analógiájára - egy tönkremeneteli (szilárdsági) tenzort, melynek komponenseivel defi-
niált a feszültségkomponensek hat dimenziós terében egy tönkremeneteli
(hiper)felületet. Ennek egyenlete:
( ) 0SSσσa 221
2
ijklklijijkl 1
=−−
∑ , i,j,k,l = 1,2,3, ill. faanyagnál L, R, T ,
3.17
ahol
aijkl - a szilárdsági tenzor komponensei, a tenzor négy dimenziós és ugyanolyan szim-
metriát mutat, mint az sijkl alakíthatósági tenzor. Faanyagnál és bármely más ortotrop
anyag esetén az anatómiai vagy szerkezeti főirányok rendszerében a tenzor független
komponenseinek száma 9,
ijσ - a ténylegesen ható feszültségi állapot komponensei az anatómiai főirányok rend-
szerében,
S1, S2 – az első és második feszültségi invariáns.
117
Ha a feszültségi állapot komponensei kielégítik a (3.17) egyenletet, az anyag a
vizsgált pontban éppen a tönkremenetel határán van. Egyszerű átalakítással az épen
maradás feltételének kritériuma:
221
klijijkl
LLLLegyL
SS
σσa
a
1σf
−=≥
∑+ , 3.18
ahol +Lf - a faanyag rostirányú húzószilárdsága.
A szilárdsági tenzor komponenseit a kísérleti vizsgálatok során meghatározható
ún. technikai szilárdságokkal lehet számítani. A tenzorkomponenesek és a technikai
szilárdságok kapcsolata a következő:
+=i
iiii f
1a vagy −=
if
1, i = L, R, T , 3.19/a
( ) +=+++ij
jijijiijijjiijij t
1aaaa vagy −
ijt
1, 3.19/b
( )
( )
><−+=+
<>−+=+
−−−
+++
0σés0σhat
1
f
1
f
1aa
0σés0σha)t
1
f
1
f
1aa
jjii(45)
ijjijjiiiijj
jjii(45
ijjijjiiiijj
3.19/c
( )
( )
−−−=+
−−−=+
−−−−
++++
.t
1
f
1
f
1
f
4aavagy
t
1
f
1
f
1
f
4aavagy
ijji(45)
ij
jjiiiijj
ijji(45)
ij
jjiiiijj
3.19/d
( )
( )
−−=+
−−=+
−−−
+++
,f
1
f
1
r
3aavagy
,f
1
f
1
r
3aavagy
jiijjjiiiijj
jiijjjiiiijj
3.19/e
az utolsó kifejezésben i,j = L, R, T, valamint −+ii f,f - az anatómiai főirányokra eső húzó- és nyomószilárdság,
(45)
ij
(45)
ij f,f −+ - az anatómiai fősíkok átlójának irányába eső húzó- és nyomószilárdság, −+ijij t,t - az i normálisú síkon ható, j-vel párhuzamos hatásvonalú nyírófeszültség tartozó
szilárdság (a + és - jel a nyírófeszültség értelmét jelenti),
118
(45)
ij
(45)
ij t,t −+ - az i,j irányok szögfelezőjével megegyező normálisú síkon ható, az i,j sík-
kal párhuzamos hatásvonalú nyírófeszültséghez tartozó szilárdság, −+ijij r,r - az i és j anatómiai főirányokba eső, két azonos nagyságú húzó- vagy nyomófe-
szültséghez tartozó szilárdság.
Faanyagnál, ahol −+ = ijij tt , a fentiek alapján 27 különböző technikai szilárdságot
kell kísérlettel meghatározni a szilárdsági tenzor komponenseinek megadásához. A
(3.19)-ben fel nem sorolt komponensek nullával egyenlők. A (3.19)-es képletek közül a
tenzor-komponens számítására mindig azt kell alkalmazni, amelyben a technikai szi-
lárdságokat olyan előjelű feszültségkomponensek határozták meg, mind a ténylegesen
ható feszültségkomponensek előjele. Ez az egyik biztosítéka annak, hogy az elméleti
kritérium jól igazodik a kísérleti eredményekhez.
4. Az erőtani méretezés alapelvei
Erőtani méretezéssel (számítással) ellenőrzik, hogy a teherhordó szerkezet a tervezett
élettartam alatt a felvett geometriai méretekkel kellő biztonsággal megfelel-e az erőtani köve-
telményeknek.
Az erőtani követelmények a létesítmény céljából, feladatából és használatának körül-
ményeiből következnek. A teherhordó szerkezetnek egyrészt képesnek kell lennie a terhekkel és
egyéb fizikai hatásokkal szembeni ellenállásra, másrészt a szerkezet viselkedésének (azaz az
előbbi hatásokra való reagálásának) összhangban kell lennie az építmény használhatóságának
feltételeivel.
A kellő biztonság fogalma arra utal, hogy bizonyos kockázatot mindig kell vállalni,
tökéletesen biztos szerkezet nem létezik. A létesítendő szerkezet geometriai felépítése, anyagá-
nak tulajdonságai, viselkedése, terhei kisebb-nagyobb mértékben - kedvező vagy kedvezőtlen
irányban - mindig eltérnek attól, mint amit a tervezés során feltételeznek. A kockázat elfogad-
ható mértékét különböző megoldásokkal, napjainkban általában gazdasági számításokkal kell
megalapozni.
Mivel a teherhordó szerkezetekkel szemben támasztott követelményeket az emberélet és
más jelentős értékek megóvására állították fel, az igazolás módját - minden országban - kötelező
hatósági előírások határozzák meg. Általános törekvés, hogy ezek az előrások, szabványok ne
csak egy országon belül, hanem több országra vagy földrészre, esetleg az egész világra szólóan
egységesek legyenek. Ezek az egységesítési törekvések azonban az egyes országok eltérő mű-
szaki fejlettsége, különböző külső adottságaik és saját hagyományaikhoz való ragaszkodásuk
következtében csak nehezen valósulnak meg.
Az erőtani méretezés két fontos alapfogalmat definiál.
119
A teherviselő szerkezet a külső hatásokra reagálva valamilyen állapotba kerül. Ezt az
állapotot a külső hatások jellegének megfelelő jellemzővel adjuk meg, és állapotjellemzőnek
nevezzük. Az S állapotjellemző lehet skalár-, vektor- vagy tenzormennyiség. A teherviselő
szerkezetek legfontosabb állapotjellemzői a terhelés, az igénybevétel, a feszültség, elmozdulás,
alakváltozás, stb.
Ugyanakkor minden állapotjellemzőhöz tartozik egy olyan határérték, amelynél na-
gyobbat a szerkezet az erőtani követelmények megsértése nélkül nem tud felvenni. Ezt az R-rel
jelölt mennyiséget az adott állapotjellemző korlátjának nevezzük. A szerkezet valamelyik álla-
potjellemzőjének korlátja hasonló szerkezeteken végzett kísérleti vizsgálattal vagy geometriai
alakjából, méreteiből, anyagának tulajdonságaiból, rugalmasságtani vagy egyéb mechanikai
módszerekkel elméletileg is meghatározható.
Az erőtani méretezés alapelve első megközelítésben nyilvánvalóan az lehet, hogy a
szerkezet akkor felel meg az erőtani követelményeknek, ha a tervezett élettartam alatt a vizsgált
állapotjellemző kisebb, mint a neki megfelelő korlát, illetve határesetben éppen egyenlőek:
S ≤ R . 4.1
Az erőtani méretezés folyamata három részre bontható:
1) A terhelő erők és hatások felvétele, meghatározása.
2) A szerkezet sztatikai illetve számító modelljének felvétele és megoldása.
3) Az első két pont alapján számított állapotjellemzők és megfelelő korlátok összehasonlítása.
E három ponthoz kapcsolódó feladatok, illetve ezek megoldási módszereinek, ponto-
sabban a műszaki mechanika, a valószínűségszámítás, a matematikai statisztika, az anyagvizs-
gálati módszerek és a terhekkel kapcsolatos megfigyelések fejlődése következtében a (4.1) relá-
ció két mennyiségének meghatározása újabb és egyre pontosabb eljárásokat dolgoztak ki.
Az erőtani méretezést a megoldandó feladat jellegétől függően tervezésnek vagy ellen-
őrzésnek szokták nevezni. A tervezés az a méretezési feladat, mikor a szerkezetre ható terhek és
az előre megválasztott anyagminőség ismeretében meg kell határozni a (4.1) reláció egyenlőségi
feltételének felhasználásával a szerkezet elemeinek geometriai - általában keresztmetszeti - mé-
reteit. Ellenőrzéskor már minden erőtani mennyiség adott (vagy azért, mert már megépített
szerkezetről van szó, vagy mert a keresett mennyiséget korábbi gyakorlati tapasztalatok alapján
vették fel) és csupán a (4.1) reláció fennállását kell kimutatni. A tervezés és az ellenőrzés erőta-
ni méretezésnek csupán formai és nem elvi különbségét jelentik. Matematikai szempontból
pusztán arról van szó, hogy az alaprelációt milyen formában használjuk. Számítástechnikailag -
különösen összetett keresztmetszetű elemeknél, pl. vasbetonnál, réteges felépítésű szerkezetek-
nél - az ellenőrzés általában könnyebben elvégezhető.
4.1. Az erőtani méretezés fejlődése
120
Az ember építőtevékenysége több ezer éves múltra tekint vissza, ugyanakkor erőtani
méretezésről egészen a XVIII. sz. végéig beszélni nem lehet. E hosszú történelmi szakaszban a
már meglévő és épen maradó építmények geometriai méreteinek utánzásával, esetleg kismérté-
kű változtatásával építkeztek. Természetesen a legtöbb probléma akkor merült fel, mikor a ko-
rábbiakhoz képest új, addig nem alkalmazott szerkezettel próbálkoztak. Ebben az időszakban az
épület tervezője és kivitelezője ugyanaz a személy volt, aki az építkezés minden szakaszában
napról-napra folyamatosan figyelte a teherviselő szerkezet viselkedését, s ha kellett, módosítot-
ta, korrigálta annak erőjátékát.
A tudatos méretezés, tehát az a folyamat, mikor a szerkezet geometriai méreteit előzetes
elméleti megfontolások alapján választották meg, akkor indult el, mikor kialakultak az első
anyagvizsgálatok (Hooke) és kidolgozták a legegyszerűbb teherhordó szerkezeteket, a rudak
mechanikai, szilárdsági viselkedésének alapjait (Navier). A műszaki mechanika ezt követő
gyors fejlődése, eredményeinek kísérleti igazolása, az anyagvizsgálatok elterjedése, a különböző
anyagfajták mechanikai jellemzőinek széles körű kutatása megteremtette az alapját és lehetősé-
gét az elméleti és matematikai szempontból helyes méretezési alapelvek kidolgozásának.
A méretezés egyik alapvető problémáját az jelenti, hogy a (4.1) relációban szereplő
mennyiségek nem határozhatók meg egyértelműen. A tervezés során a szerkezet még nem léte-
zik, így terhei, gyártásának és szerelésének körülményei, geometriai felépítése, anyagának tu-
lajdonságai, viselkedése tökéletes pontossággal nem ismertek. Mind az állapotjellemző, mind
korlátja csak hasonló, korábbi szerkezetekkel és anyagokkal kapcsolatban végzett mérések és
megfigyelések segítségével becsülhető meg. Ez azt jelenti, hogy S és R valószínűségi változó,
melyet statisztikai jellemzőkkel adhatunk meg. E változók sűrűségfüggvényének ismeretében
meghatározható a mennyiségek várható értéke, szórása és egyéb statisztikai jellemzői, illetve,
hogy mekkora valószínűséggel várhatók a középértéktől eltérő tulajdonságok. A problémát az is
nehezíti, hogy S és R mint valószínűségi változók az időnek is függvényei. A 4.1. ábrán bemu-
tatjuk az állapotváltozó és korlátjainak (fiktív, de lehetséges) időbeli változását a tervezett T
élettartam alatt.
121
4.1. ábra
Ha S és R időbeli változását pontosan ismernénk, akkor az erőtani méretezés igen egy-
szerű lenne. A szerkezet akkor nem felel meg az erőtani követelményeknek, ha a két függvény
metszi egymást. A 4.2. ábrán felvázoltuk az állapotjellemző és korlátjainak sűrűségfüggvényét a
tetszőleges t pillanatban. Könnyen beláthatjuk, hogy bár az S(t) é s R(t) várható értékekre
a (4.1) reláció teljesül, de a sűrűségfüggvények egymásba érnek, akkor bizonyos valószínűség-
gel várható, hogy egyedi esetekben az erőtani követelmény nem lesz kielégítve.
Az időben változó sűrűségfüggvények meghatározásához igen nagyszámú kísérleti
adatra van szükség. Az ezzel kapcsolatos problémák az összehasonlítás formáit és lehetőségeit
eleve megszabják.
4.1.1. Egységes (osztatlan) biztonsági tényezős méretezési eljárás
Az erőtani tervezés hatósági szabályozásának kezdeti szakaszán vezették be az ún. egy-
séges (osztatlan) biztonsági tényezős eljárást. A számítás során azt kell kimutatni, hogy az álla-
potjellemzőnek az építmény teljes élettartama alatt fellépő maximumának várható (közép-) érté-
ke nem haladja meg a megfelelő korlát minősítési (normatív) értékének γ e biztonsági tényező-
vel osztott értékét:
SR
Rn
ee≤ =
γ 4.2
ahol
S - az állapotjellemzőnek az élettartam során fellépő legkedvezőtlenebb értéke,
Rn - az állapotjellemzőnek megfelelő korlát ún. minősítési (normatív) értéke, általában az 5 %-
os kedvezőtlen oldali valószínűzégi szinthez tartozó küszöbérték, ami azt jelenti, hogy Rn-nél
kisebb érték előfordulásának valószínűsége 5 %,
γ e - biztonsági tényező, 1-nél mindig nagyobb,
122
Re - a korlát ún. megengedett értéke, az állapotjellemző jellegétől függően megengedett teher,
megengedett igénybevétel, megengedett feszültség, megengedett alakváltozás, stb. (ezért az
eljárást megengedett feszültségen alapuló méretezésnek is nevezik).
4.2. ábra
A biztonsági tényező értékét elvileg valószínűségelméleti alapon lehet meghatározni. A
módszer bevezetésekor - a kísérleti adatok hiányában - becsült, illetve tapasztalati úton származ-
123
tatott tényezőket használtak. A műszaki mechanika fejlődése és az anyagvizsgálatok elterjedése
a biztonsági tényező csökkenését vonja maga után.
Az ezzel a módszerrel meghatározott méretek biztonságosak voltak, de nem lehetett
megmondani, hogy egyben gazdaságosak-e.
Ez a mértezési módszer volt használatos 1950-ig minden országban, sőt sok helyen ma
is ezt alkalmazzák. Az egyes országok előírásai csak a terhelő erők és hatások, valamint a biz-
tonság mértékében különböztek és különböznek.
A módszerrel szemben felmerült legfontosabb kifogás az, hogy a biztonsági tényezőt
egyetlen helyen - az Re számításánál - alkalmazza, ami azt jelenti, hogy mindenféle teherhez és
hatáshoz ugyanakkora biztonságot rendel. Az állapotjellemzők számításához szükséges hatások
azonban különböző pontossággal határozhatók meg. Nyilvánvalóan gazdaságtalan ugyanakkora
biztonsági tényezőt alkalmazni egy olyan hatáshoz, amelyet viszonylag pontosan (kis tévedési
valószínűséggel) lehet számításba venni (ilyen pl. az önsúly), mint egy olyanhoz, amely csak
nagy tévedési lehetőséggel kezelhető (pl. a szélteher, hóteher, stb). E kifogás ellenére az egysé-
ges biztonsági tényezős méretezési eljárás hazánkban is érvényben van. Elsősorban a gépipari
szerkezetek méretezésénél alkalmazzák, ahol a terheket és hatásokat viszonylag nagy pontos-
sággal meg lehet határozni.
4.1.2. Osztott biztonsági tényezős méretezési eljárás
A méretezés elmélet fejlődésének második állomása az osztott biztonsági tényezős eljá-
rás. Abból indul ki, hogy amennyiben a szerkezetet több, eltérő jellegű és szórású hatás éri,
akkor az állapotjellemző meghatározásánál mindegyikhez különböző, bizonytalanságának meg-
felelő nagyságú biztonsági tényezőt lehet alkalmazni. Természetesen a korlátoknak is külön
biztonsági tényezője van. A méretezés alaprelációja:
γγi i
i
n
nHS
RR∑ ≤ = , 4.3
ahol
Si - az építmény várható élettartama alatt fellépő i-edik hatás maximumának várható értéke,
γ i - az i-edik hatás biztonsági tényezője,
γ n - a korlát minősítési értékének biztonsági tényezője,
RH - a korlát határértéke, az állapotjellemző jellegétől függően, határigénybevétel, határfeszült-
ség, határalakváltozás, stb. (ezért az eljárást határállapotra való méretezésnek is nevezik).
A módszer az összes kedvezőtlen körülményt a saját helyén vesz figyelembe. A bizton-
sági tényezők értékét részben tapasztalati úton, részben - megfelelő kísérleti adatok birtokában -
statisztikai módszerekkel határozzák meg. Itt már alkalmaznak bizonyos valószínűségelméleti
124
megfontolásokat is, különösen az anyagokat jellemző határfeszültségek értékeinek megállapítá-
sánál.
Hazánkban 1950 után Korányi Imre és Menyhárd István javaslatára vezeték be - a vilá-
gon elsőként - ezt a módszert, határállapot alapján történő méretezés néven. Ilyen módon kellett
méretezni az építőipari szerkezetek többségét.
4.1.3. Valószínűségelméleti alapon történő méretezési eljárás
Az erőtani méretezés legmodernebb megfogalmazása valószínűségelméleti alapon tör-
ténik. Tegyük fel, hogy ismerjük az S(t) állapotjellemző és R(t) korlátjának f[S(t)] és f[R(t)]
sűrűségfüggvényét a létesítmény teljes élettartama alatt (4.2/a,b ábra). Akkor adott időpillanat-
ban a teherbírási tartalék
Y(t) = R(t) - S(t),
melynek sűrűségfüggvénye f[Y(t)]. E sűrűségfüggvénynek (4.2/c ábra) a negatív abszcisszaten-
gelyhez tartozó görbe alatti területe (az ábrán sraffozott terület) annak valószínűsége, hogy a
vizsgált időpillanatban S(t) > R(t). A terület tehát az erőtani követelmény megszűnésének való-
színűségét adja, másként fogalmazva, a tönkremenetel kockázatát, melyet 1/K-val jelölünk. A
valószínűségelméleten alapuló erőtani méretezés azt mondja ki, hogy a kellő biztonságot a leg-
gazdaságosabban úgy lehet elérni, ha a tönkremenetel kockázata egy (hatóságilag) előírt kocká-
zatnál nem nagyobb, illetve határesetben azzal egyenlő:
4.4
melynek Kelőírt értékét gazdasági
számításokkal kell indokolni.
Vizsgálni kell a határállapot
elérésével keletke-ző kárt, a
helyreállítás költsége-it, az
elmaradt hasznot és egyéb
tényezőket. A 4.3. ábrának
megfelelően a meghibásodás
valószínűségének (a kockázat)
növekedésével csökken a léte-
sítési költség, a szerkezet meg-
hibásodásából, tönkremenete-
4.3. ábra
léből keletkező költség viszont nő. Ez, legalábbis elméletileg, lehetővé teszi a komplex költsé-
gek és az ehhez tartozó Kelőírt
meghatározását. Kazinczy G. már 1942-ben ismertetett egy
125
valószínűségelméleten alalpuló, általános méretezéselméleti elképzelést, mely szerint a törés
valószínűségét normális eloszlás feltételezésével lehet számítani és a szerkezetet úgy kell mére-
tezni, hogy a létesítmény hozama - a karbantartást és felújítást is beleszámítva - optimális le-
gyen. (4.4) számításra alkalmas formájára Mistéth E. az alábbi relációt javasolta*:
P[(R(t) - S(t))≤ 0 ] ≤ 1
K , 0≤ t ≤ T , 4.5
szavakkal kifejezve, a szerkezet kielégíti az erőtani követelményeket, ha a tervezett élettartam
alatt a teherbírási tartalék kimerülésének valószínűsége egy előre megadott 1/K kockázatnál
nem nagyobb. (4.5)-ből következik, hogy a méretezésnél a létesítmény élettartamát mindig fi-
gyelembe kell venni, valamint azt is, hogy tökéletes biztonsággal megépített szerkezet nincsen,
mindig kell valamekkora kockázatot vállalni. A kockázat nagysága a 4.3. ábrának megfelelő
módon számítható vagy hatóságilag előírható. A létesítmény fontosságától és a méretezés céljá-
tól függően 1/K értéke 2.10-2 és 10-5 között változhat.
Ennek a méretezési alapelvnek a gyakorlati alkalmazását a statisztikai adatok hiánya
jelenleg még nem teszi lehetővé. Egyedül Mistéth dolgozott ki olyan eljárást, amelyben (4.4)
reláció igazolásához nincs szükség a sűrűségfüggvényekre, elegendő a valószínűségi változók
várható értékének, szórásának, ferdeségének és csúcsosságának ismerete. A valószínűségelméle-
ten alapuló méretezés szellemét azonban jól tükrözi a hazánkban jelenleg érvényes magasépíté-
szeti méretezési előírás, az ún. fél-valószínűségi módszerrel kiegészített határállapot alapján
történő méretezés. Ez abból a feltételezésből indul ki, hogy a tönkremenetel kockázata az S(t) és
R(t) mennyiségek sűrűségfüggvényeinek ismerete nélkül is megállapítható, ha azok várható
értéke helyett, az Sn-nel és Rn-nel jelölt minősítési (normatív) értéket vesznek alapul, amelyek
az állapotjellemzők és korlátjainak kedvezőtlen oldali 5 %-os túllépési valószínűséghez tartozó
küszöbértékei.
4.2. A Magyarországon hatályos méretezési eljárások
Hazánkban jelenleg az egységes biztonsági tényezős, az ún. megengedett feszültségen
alapuló méretezési eljárást, valamint az osztott biztonsági tényezős és a valószínűségelméleten
alapuló módszer kombinációjaként kialakított - nem túl szerencsés nevű - fél-valószínűségi
módszerrel kiegészített határállapot alapján történő méretezési eljárást (a "fél" szócska nyilván-
valóan arra utal, hogy az erőtani számítás bizonyos elemeit már valószínűségelméleti alapon
kell számítani) engedélyezik, illetve teszik kötelezővé a hatósági előírások.
* Meg kell említenünk, hogy a méretezési alapelvek és eljárások kidolgozásában a magyar kuta-
tók és tudósok mindig kezdeményező és vezető szerepet játszottak. Legfontosabb képviselőik:
Korányi I., Menyhárd I., Kazinczy G., Kármán T., Mistéth E. és mások.
126
4.2.1. Megengedett feszültségen alapuló méretezési eljárás
A méretezés során azt kell kimutatni, hogy a szerkezet tervezett élettartama alatt a külső
erők legkedvezőtlenebb fellépésének várható értéke alapján számított állapotjellemző egyetlen
pontban sem éri el a megfelelő korlát megengedett értékét (4.2 reláció) A megengedett érték a
minősítési érték γ e biztonsági tényezővel való osztása útján nyerhető, illetve az előírások szab-
ják meg. Természetesen nem kell a szerkezeti elemek összes pontjában elvégezni az összeha-
sonlítást, szemlélet és egy kis gyakorlat alapján kiválaszthatók azok az ún. veszélyes vagy kriti-
kus pontok, amelyek az erőtani követelmények kielégítése szempontjából a legveszélyesebbek.
Ezzel az eljárással a leggyakrabban vizsgált állapotjellemző a feszültségi állapot. Meg-
határozzuk a szerkezet kritikus pontjában a tényleges feszültségi állapot komponenseiből vala-
milyen - a vizsgált anyagra alkalmazható - a tönkremeneteli elmélettel az egyenértékű feszültsé-
get és összehasonlítjuk az anyag megengedett feszültségével. A pont a szilárdsági követelmé-
nyek szempontjából megfelel, ha
σ σeg y Mh ú zá s
,m ax( )≤ . 4.6/a
Lineáris feszültségi állapotban (húzásnál vagy nyomásnál) és a tiszta nyírás feszültségi állapo-
tában nem szoktak egyenértékű feszültséget számítani, hanem a feszültségi állapot egyetlen
jellemző feszültségének maximumát hasonlítják össze az igénybevételnek megfelelő feszültség
megengedett értékével. A
σ σm a x m( )(h úz á s ) h úz á s≤ , 4.6/b
σ σmax( nyomá s) (nyomá s)≤ m , 4.6/c
τ τm ax ≤ mm , 4.6/d
relációk teljesülése a szilárdsági követelmény kielégítését jelenti.
Sztatikus (I. típusú) terhelésnél, rideg anyagok esetén a megengedett feszültségeket a
törőszilárdság minősítési értékéből számítjuk:
σσ
γσ
σγ
ττγm
( ) Bh( )
(nyomá s)(nyomá s)
húzá shúzá s
= = =e
mBh
em
Bh
e
, , , 4.7
szívós anyagoknál a folyáshatár minősítési értékét alkalmazzuk:
σσ
γσ
σγ
ττγm
( ) Fh( )
(nyomá s)(nyomá s)
húzá shúzá s
= = =e
mFh
em
Fh
e
, , . 4.8
127
Lüktető (II. típusú) terhelésnél az igénybevétel jellegének megfelelő kifáradási határ minősítési
értékéből számítjuk a megengedett feszültségeket:
σσ
γτ
τγm
( ) Th)
lüktető(lüktető (lüktető)
= =e
mTh
e
, . 4.9
Lengő (III. típusú) terhelésnél szintén az igénybevétel jellegének megfelelő kifáradási határ
minősítési értékéből számítjuk a megengedett feszültségeket:
σσ
γτ
τγm
( ) Th) lengő)
lengő(lengő
= =e
mTh
e
,(
. 4.10
Végezhetünk számításokat természetesen más állapotjellemzőkre is, pl. alakváltozásra,
rezgésekre, stb. Az alaprelációk formailag megegyeznek a (4.6) kifejezésekkel.
A tervező számára a legtöbb gondot a biztonsági tényező meghatározása okozza. Ha
kicsi, akkor szélsőséges körülmények között a szerkezet tönkremehet, túl nagynak választva
pedig a szerkezet túlméretezetté válik, aminek kellemetlen gazdasági következményei lehetnek.
A biztonsági tényezőben igyekeznek mindazon hatásokat figyelembe venni, amelyekre
nincs megbízható adat vagy számítási módszer. A gyakorlati tapasztalatok alapján a legtöbb
szerkezettípusra, anyag- és teherfajtára kialakult a biztonsági tényező, vagy ezen keresztül a
megengedett állapotjellemző, amiket általában hatóságilag írnak elő. Ennek hiányában azt a
módszert szokták alkalmazni, hogy az egyes bizonytalanságokat résztényezőkkel becsülik meg
és a végleges biztonsági tényező ezen résztényezők szorzata:
Tétel: Ha a síkidom egyes részeit a vonatkoztatási
tengellyel párhuzamo-san eltoljuk, a tengelyre vett
másod-rendű nyomaték változatlan marad.
5.3. ábra
Bizonyítás: A tengellyel való párhuzamos
eltolás sem a részsíkidom területét, sem
annak tengelytől mért távolságát nem
változtatja meg. Így az összegzési tétel
szerint az egész síkidom tengelyre vonatkozó
másodrendű nyomatéka az eltolás
következtében nem változik. Az 5.4. ábrán
látható különböző alakú, de mindig aszéles-
5.4. ábra ségű síkidomok x tengelyre vonatkozó má-
sodrendű nyomatékai megegyeznek.
Tétel: Egy síkidom pontra vonatkozó másodrendű nyomatéka egyenlő a ponton átmenő két,
egymásra merőleges tengelyre vett másodrendű nyomaték összegével.
Bizonyítás: Az 5.1. ábra szerint r2 = x2 + y2, így
I = r dA = (x + y )dA = x dA + y dA = I + I .02
A
2 2
A
2
A
2
A
xx yy∫ ∫ ∫ ∫ 5.5
137
Tétel: Egy síkidom valamely
tengelyre vonatkozó másodrendű
nyomatékát megkapjuk, ha a
síkidom súlypontján átmenő, az
adott tengellyel párhuzamos
tengelyre vonatkozó másodrendű
nyomatékához hozzáadjuk a
síkidom területének és a két tengely
közti távolság négyzetének
szorzatát (Steiner-tétel).
5.5. ábra
Bizonyítás: Az 5.5. ábra jelöléseivel:
I = y dA = ( + t ) dA = ( + 2 t + t )dA =
=
xx2
A
y2
A
2y
2
2
∫ ∫ ∫
∫ ∫ ∫+ + = +
η η η
η η ξξ
A
A
y
A
y
A
ydA t dA t dA I At2 2 2 , 5.5/a
hiszen az utolsó előtti egyenlőség második tagjának integrálkifejezése nulla, mert az a síkidom
súlyponton átmenő tengelyre vonatkozó elsőrendű nyomatéka. A tételt Steiner-tételnek nevezik,
jóllehet, több, mint száz évvel korábban Huygens vezette le először.
Hasonlóan bizonyíthatjuk a deviációs és a pontra vonatkozó másodrendű nyomatékok
analóg tételeit.
A deviációs nyomatékokra: I = I + At t ,xy x yξη 5.5/b
a poláris nyomatékokra:
I = I + At = I + A(t + t ) ,0 S r2
S x2
y2
5.5/c
ahol IS - a súlypontra számított poláris
másodrendű nyomaték, I ξη - pedig a súlyponti
tengelyekre vonatkozó deviációs nyomaték, tx,
ty - a súlyponti tengelyek és a velük párhuzamos
tengelyek közötti előjelhelyes távolság, tr - a
súlypont és a vonatkoztatási pont távolsága.
A tétel jelentősége abban áll, hogy ele-
gendő ismerni a síkidomok másodrendű nyoma-
tékát a saját súlypontjukon átmenő tengelyre
vagy tengelyekre, minden más tengelyre a
5.6. ábra másodrendű nyomaték a tétel alkalmazásával
138
számítható. Az (5.5/a,c) összefüggések alapján megállapíthatjuk, hogy a tengelyre vagy a pontra
vonatkozó másodrendű nyomatékok közül a súlyponton átmenő tengelyekre, illetve a súlypont-
ra vonatkozók a lehető legkisebbek. Még egyszer hangsúlyozzuk, hogy a Steiner-tétel csak ak-
kor alkalmazható, ha a két párhuzamos tengelyrendszer közül az egyik súlyponti. Egy nem
súlyponti tengelyrendszerről egy másik nem súlypontira csak közvetve, a súlypontin keresztül
lehet eljutni.
Tétel: Egy síkidom deviációs nyomatéka nulla, ha a két vonatkoztatási tengely közül legalább
az egyik szimmetriatengely.
Bizonyítás: Az 5.6. ábrának megfelelően az egymáshoz képest szimmetrikus elhelyezkedésű
területelemek elemi deviációs nyomatéka az egyik koordinátapár ellentétes előjele miatt egy-
másnak ellentettjei:
xydA + (-x)ydA = 0 .
A teljes szimmetria miatt minden területelemnek megtalálható a párja, így az egész síkidom
deviációs nyomatéka is nulla.
Tétel: Egy síkidom x,y tengelyrendszerre vonatkozó I = I és I ,I yxxyyyxx másodrendű nyoma-
tékai egy két dimenziós, szimmetrikus tenzort alkotnak, melynek mátrixreprezentációja:
[ ]T
I I
I II
xx yx
xy yy=−
−
0
0
0 0 0
. 5.6
Bizonyítás: Tudjuk, hogy a tenzormennyiségnek az a kritériuma, hogy a koordinátarendszer
forgatásakor meghatározott módon, a (2.7) összefüggésnek megfelelően transzformálódik. Vegyünk fel egy x',y' jelű koordinátarendszert, amely az eredeti x,y-hoz képest α szög-gel van elforgatva. A β
i i, iránycosinuszok (2.8)-nak megfelelő mátrixa:
βi i,
=
cos sin
sin cos
α αα α
0
0
0 0 1
−
.
Ez alapján, de az 5.7. ábra
felhasználásával is meghatározhatjuk
a dA felületelem vesszős
koordinátarendszerbeli koordinátáit:
x' = xcosα + ysinα ,
y' = -xsinα + ycosα .
5.7. ábra
Az x' tengelyre vonatkozó másodrendű nyomaték definíciója értelmében:
139
I = y dA = (-xsin + ycos ) dA =
= sin x dA - 2sin cos xydA + cos y dA =
= I cos + I sin - I sin
x'x'' 2
A
2
A
2 2
A A
2 2
A
xx2
yy2
xy2
∫ ∫
∫ ∫ ∫
α α
α α α α
α α α
5.7/a
vagy a kétszeres szögek felhasználásával:
I =I
2cos +
I
2cos +
I
2sin -
I
2sin +
+ I
2sin +
I
2sin +
I
2os -
I
2cos - I sin =
= I + I
2+
I - I
2cos - I sin2
x'x'xx 2 xx 2 xx 2 xx 2
yy 2 yy 2 yy 2 yy 2xy
2
xx yy xx yy 2xy
α α α α
α α α α α
α α
5.7/b
Hasonló módon vezethetjük le az y' tengelyre vonatkozó és a deviációs másodrendű nyomaté-
kot:
I = x' dA = (xcos + ysin )
= I sin + I cos + I sin =
= I + I
2-
I - I
2cos2 + I sin2
y'y'2
A
2
A
xx2
yy2
xy2
xx yy xx yyxy
∫ ∫ =α α
α α α
α α
dA
5.8
I = x' y'dA = (xcos + ysin )(-xsin + ycos )dA =
= I - I
2sin2 + I cos2
x'y'
A
xx yyxy
∫ ∫ α α α α
α α
A 5.9
Egyszerűen ellenőrizhetjük, hogy a (2.7) általános transzformációs összefüggést a fenti
speciális koordináta-transzformációra alkalmazva, éppen az (5.7), (5.8) és (5.9) kifejezéseket
kapjuk. A másodrendű nyomatékok tehát valóban (5.6)-nak megfelelő tenzormennyiséget alkot-
nak.
A tenzormennyiségekre vonatkozó általános ismereteinket a másodrendű nyomatékok
tenzorára is alkalmazhatjuk. Ha bevezetjük az x' és y' irányok ex' és ey' egységvektorait, akkor
az előbbi, meglehetősen bonyolult skalárösszefüggéseket lényegesebben egyszerűbben felírhat-
juk a (2.10) összefüggések analógiájára:
I = (T e )e
I = (T e )e
I = (T e )e = (T e )e = I .
x'x' I x' x'
y'y' I y' y'
x'y' I x' y' I y' x' y'x'
5.10
140
A másodrendű nyomatékok tenzora síkbeli, így a síkbeli alakváltozási és feszültségi
tenzorokkal kapcsolatban tett megállapítások és összefüggések alkalmazhatók értelemszerűen.
A különböző tenzorok mátrixát összehasonlítva azonnal látjuk, hogy a tengelyre vett másodren-
dű nyomatékoknak a fajlagos hosszváltozások, illetve a normálfeszültségek, a deviációs nyoma-
tékok mínusz egyszeresének pedig a szögváltozások illetve a nyírófeszültségek felelnek meg.
Az analógiából az is következik, hogy a koordinátarendszer forgatása során lesz egy
olyan α szög, amelyhez tartozó irányokban a deviációs nyomatékok értéke nulla. Ezeket a ten-
gelyeket másodrendű nyomatékok főirányainak nevezzük, a hozzájuk tartozó, tengelyekre vett
nyomatékokat pedig fő másodrendű nyomatékoknak. Ezek értékét a karakterisztikus egyenlet-
ből számíthatjuk, melynek invariáns együtthatói:
T = I + I = I
T = I - I
-I I = I I - I ,
T = 0 .
1 xx yy 0
2
xx yx
xy yyxx yy xy
2
3
Az alakváltozási állapot vizsgálatánál bemutatott módszer helyett a másodrendű főirá-
nyokat és a hozzájuk tartozó fő nyomatékokat skalárisan megszorozhatjuk az (5.7)-(5.9) össze-
függés felhasználásával. A főirány helyzetét megadó α szöget (5.9)-ből számíthatjuk, ha azt
egyenlővé tesszük nullával:
tg2 =2I
I - I .xy
xx yy
α 5.11
E szöget visszahelyettesítve az (5.8), (5.9) kifejezésekbe megkapjuk a fő másodrendű nyomaté-
kokat:
[ ] . 4I + )I - (I )I + (I2
1 = I 2
xy2
yyxxyyxx1,2 ± 5.12
A fő másodrendű nyomatékok elnevezésénél az I I1 2≥
relációt kell figyelembe venni. A deviációs nyomatékokra vonatkozó tétel értelmében a szim-
metrikus síkidomok egyik főtengelye a szimmetriatengely. A másik főirány erre merőleges,
akkor is, ha ez a merőleges irány nem szimmetriatengely.
I1 és I
2 ismeretében megrajzolhatjuk a Mohr-féle főköröket is. Gyakorlati jelentősége
csak az 012 középpontú főkörnek van. A főkör felhasználásával tetszőleges α szöggel jellem-
zett irányhoz megszerkeszthetjük a tengelyre vonatkozó és a deviációs nyomatékokat (5.8. áb-
ra).
A szerkesztő eljárás arra is alkalmas, hogy az x,y rendszerben ismert másodrendű nyo-
matékok ismeretében meghatározzuk a főirányok helyzetét és a fő másodrendű nyomatékokat.
Az analógiából és a szerkesztésből is következik, hogy valamely síkidom adott ponton átmenő
141
összes lehetséges tengelye közül az 1-es főtengelyre a legnagyobb, a 2-esre pedig a legkisebb a
másodrendű nyomaték.
5.8. ábra
5.1.3. Egyéb keresztmetszeti jellemzők
Egy A területű síkidom valamely y tengelyre vonatkozó Ixx másodrendű nyomatékának
ismeretében a következő hosszúság jellegű mennyiséget definiálhatjuk:
i =I
A x
xx 5.13
amit a síkidom x tengelyre vonatkozó inerciasugarának nevezünk. Ez hosszúság dimenziójú
mennyiség, egysége: m. Az inerciasugár egy olyan képzeletbeli, végtelen hosszú és elemi szé-
lességű téglalap hossztengelyének az x vonatkoztatási tengelytől mért távolsága, melynek terü-
lete éppen az eredeti síkidom területe. E képzeletbeli síkidom másodrendű nyomatéka az y ten-
gelyre a definíció értelmében Ixx = Ai2x, ebből éppen (5.13)-at kapunk (5.9. ábra).
5.9. ábra
A fő másodrendű nyomatékok felhasználásával (5.13)-ból a fő inerciasugarakat kapjuk.
A korábbiaknak megfelelően
142
i = i =I
A , i = i =
I
A .max 1
1min 2
2 5.14
A másodrendű nyomatékokkal kapcsolatos jellemző az ún. keresztmetszeti tényező is.
Ez nem más, mint a síkidom súlypontján átmenő fő tengelyekre vonatkozó nyomatékoknak és a
síkidom ezen tengelyektől mért legszélső távolságának, a szélső száltávolságnak a hányadosa.
Minden síkidomnak négy keresztmetszeti tényezője van. Általános esetben mind a négy külön-
négy azonos (a szélső száltávolságot mindig pozitív mennyiségként értelmezzük):
KI
eK
I
eK
I
eK
I
e11
11
1
12
2
22
2
2
= = = =, ''
, , ''
5.14
Hasonló módon értelmezzük a poláris
keresztmetszeti tényezőt, amely a
síkidom súlypontjára számított poláris
másodrendű nyomaték és síkidom
súlypontból mért legszélső szálának
hányadosa:
KI
eSS=
max
.
5.10. ábra
5.2. Húzó és nyomó igénybevétel
5.2.1. Prizmatikus rúd tiszta húzása vagy nyomása
Terheljünk egy L hosszúságú, A keresztmetszet-területű prizmatikus rudat véglapjain
hossztengelyével párhuzamos (z irány) hatásvonalú, q intenzitású, egyenletesen megoszló erő-
rendszerrel (5.11. ábra). A tetszőlegesen felvett K keresztmetszetben ébredő igénybevételek:
N = N(z) = N = qdA = q dA = qA = á ll.K
A A∫ ∫
TK = T(z) = 0 , MK = M(z) = 0 .
Az igénybevétel tehát a rúd minden keresztmetszetében N nagyságú tiszta húzás.
143
Az elemi rugalmasságtan az alakváltozási és feszültségi állapotmező meghatározását a
rúd alakváltozásának elemzésével kezdi. Ha a terheletlen rúd felületén az 5.11/a,b. ábrának
megfelelően bejelöljük a derékszögű hálózatot, azt tapasztaljuk, pontosabban az alakváltozás
mérésére alkalmas műszerekkel megállapíthatjuk, hogy a terhelés hatására az elemi téglalapok-
nak csupán az élhosszai változnak meg, az élszögek azonban továbbra is derékszögek marad-
nak. A z tengellyel párhuzamos élek megnyúlnak, a z-re merőlegesek pedig megrövidülnek. Az
is megállapítható, hogy a hosszváltozások nagysága az elemi téglalap helyétől függetlenül min-
dig ugyanakkora és a K keresztmetszet az alakváltozás során önmagával párhuzamosan tolódik
el.
5.11. ábra
A fenti alakváltozási tulajdonságok alapján a rúdban felvett, tetszőleges x,y,z koordinátájú elemi
hasáb alakváltozási állapota az
0 = =====
és 0 , 0 , 0
zy yz zx xzyx xy
zzyyxx
εεεεεεεεε ≠≠≠
alakváltozási komponensek jellemzők. Az általános Hooke-törvényből következik, hogy a fe-
szültségi állapot nyírókomponensei nullával egyenlők, a fajlagos hosszváltozásokat pedig nor-
málfeszültségek okozzák. A z irányú normálfeszültséget az 5.11/c. ábrán látható ∆z hosszúságú
144
rúdelem egyensúlyi feltétele alapján meghatározhatjuk. Mivel εzz a keresztmetszet minden
pontjában ugyanekkora, a σzz normálfeszültség eloszlását is egyenletesnek vehetjük. A z irá-
nyú egyensúlyi vetületi egyenlet:
F = 0 = N - dA ,z zz
A
∑ ∫ σ
mivel σ zz nem függ a területelem helyétől, kiemelhető az integráljel elé:
N = dA = A ,zz
A
zzσ σ∫
ahonnan:
=N
A zzσ .
A zzσ feszültségkomponensből származó belső erő a terhelésből származó igénybevétellel
egyensúlyi erőrendszert alkot, nincs szükség a másik két normálfeszültségre: = = 0 .xx yyσ σ
Tiszta húzáskor az egyetlen feszültségkomponens tehát a húzóerővel (rúdtengellyel)
párhuzamos normálfeszültség, melynek eloszlása a keresztmetszeten egyenletes és nagysága a
húzóigénybevétel és a keresztmetszet területének hányadosa. A feszültségi állapot mátrixa:
[ ]TN
Azz
σ
σ=
=
0 0 0
0 0 0
0 0
.
Homogén, izotróp anyagú rúdnál a feszültségi állapot alapján az általános Hooke-
törvénnyel megkapjuk az alakváltozási állapot tenzorának mátrixát:
[ ]T
E
E
E
xx zz
yy zz
zz zz
ε
ε ν σ
ε ν σ
ε σ
=
= −
= −
=
0 0
0 0
0 01
,
ahol E és ν - az anyag rugalmassági
modulusza és Poisson-tényezője.
Mivel minden pontban ugyanazok az
állapotok uralkodnak, homogén
alakváltozási és feszültségi
állapotmezőről beszélünk.
Az 5.12. ábrán a két állapotot
elemi hasábon is ábrázoltuk. Ezek
5.12. ábra alapján vagy a tenzorok mátrixa alap-
145
ján megállapít-hatjuk, hogy a feszültségi állapot lineáris az alakváltozási állapot pedig térbeli. A
nyíró-feszültségek és a szögváltozások hiánya egyben azt jelenti, hogy a főirányok egybeesnek
a koordinátarendszer tengelyeivel.
Ha a külső terhelés értelmét megfordítjuk (és a rúd nem túl hosszú), akkor a rúd igény-
bevétele tiszta nyomás. A fentiekben leírtakhoz képest különbség csak N előjelében lesz, ami
maga után vonja az összes alakváltozási és feszültségi komponens előjelének megváltozását. Jól
szemléltetik a húzás és nyomás közti különbséget az 5.13. ábrán látható feszültségi és alakválto-
zási Mohr-körök.
5.13. ábra
Nyomó igénybevételnél azért kell korlátozni a rúd hosszát, mert L >> vmin esetén, az ún. karcsú
rudaknál a növekvő terhelésnél stabilitási problémák lépnek fel. A karcsú rudak a teljes tönkre-
menetel (törés) előtt jelentősen megváltoztatják alakjukat, kihajlanak, s ilyenkor a keresztmet-
szetek már összetett igénybevételnek vannak kitéve. A karcsú rudak vizsgálatával később fog-
lalkozunk. Tiszta nyomást tételezhetünk fel egészen a tönkremenetelig, ha a rúd hossza nem
nagyobb a legkisebb keresztmetszeti méret kb. 5-szörösénél.
A Mohr-féle feszültségi főkörök alapján könnyen megállapíthatjuk, hogy a rúd hossz-
tengelyével α szöget bezáró normálisú síkon a normálfeszültség mellett nyírófeszültség is fel-
lép (5.14. ábra). Ezek nagysága az 5.13. ábra feszültségi főkörének felhasználásával:
= cos , = sin cos .nn 12
nm 1σ σ α σ σ α α
A ferde metszeteken a normálfeszültség mindig kisebb, mint a merőleges metszeteken. Ezt a
tulajdonságot használjuk ki húzott szerkezeti elemek hossztoldásánál, ha a kapcsolóanyag (a
hegesztési varrat vagy a ragasztóanyag) húzószilárdsága kisebb, mint az összekapcsolandó ele-
146
meké, ugyanakkor megfelelő nagyságú nyírószilárdsággal rendelkezik. Ezt az elvet tükrözik a
ferde átlapolású (5.15/a. ábra) és az ún. bigézett (fűrészfogas) kötésű (5.15/b. ábra) csomóponti
kialakítások.
5.14. ábra
5.15. ábra
Az L hosszúságú rúd teljes hosszváltozását a fajlagos hosszváltozás teljes rúdhosszra
való összegzésével nyerjük:
u dzE
dzN
EAdz
N
EAdz
NL
EAz zz
Lzz
L L L
= = = = = =∫ ∫ ∫ ∫λ εσ
0 0 0 0
. 5.17
előjele N előjelétől függ. A fenti kifejezés
nevezőjében található EA szorzatot a rúd
húzó- (nyomó-) merevségének nevezzük.
A keresztmetszet síkjában egy tet-
szőleges irányban az eredeti v méret megvál-
tozása (5.16. ábra):
5.16. ábra
147
λ ε ξ ε ξ ε ν σ νk k
V
k
V
k zzd d vE
vNv
EA= = = = − = −∫ ∫
0 0
5.18
Húzásnál csökken, nyomásnál növekszik a keresztmetszeti metszet.
Lineárisan rugalmas testet feltételezve a belső erők potenciális energiája és a kiegészítő potenci-
ális energia megegyezik. A ∆ z hosszúságú rúdelemben felhalmozott energiát a (2.76)-os ösz-
szefüggésből a dV = Adz helyettesítéssel nyerjük:
dU dU Adz Adz AE dzA
Edzb b ij ij
ijzz zz zz zz= = = = =∑
1
2
1
2
1
2
1
22 2σ ε σ ε ε σ 5.19
Az L hosszúságú rúdban felhalmozott potenciális energia :
U U dUA
Edz
AL
Edz
V
E
N L
EAb bb zz
L
zz zz= = = = = =∫ ∫1
2
1
2
1
2
1
22
0
2 22
σ σ σ . 5.20
A saját munkák tétele szerint ennek meg kell egyeznie a külső erők saját munkájával.
Az (2.121) összefüggés alapján:
U W qA NNL
EA
N L
EAb kS= = = =1
2
1
2
1
2
2
λ
Ha N-t a jobb oldali rúdvégen ható külső erők eredőjeként értelmezzük, akkor
Castigliano II. tételének alkalmazásával meghatározhatjuk az N hatásvonalával párhuzamos
elmozdulást ( (2.119)-es kifejezés):
u = u =N
=U
N=
1
2
N L
EA
N=
NL
EA ,N z
b
2
∂∂
∂∂
∂
∂
~U b
ami természetesen megegyezik (5.17)-tel.
Ha a rúdvégeken ható külső erő tetszőleges megoszlású, de sztatikailag egyenértékű a
vizsgált, egyenletesen megoszló erőrendszerrel, akkor a St. Venant-elv értelmében csak a rúd-
végek közelében - a keresztmetszeti mérettel kb. azonos távolságon - lesz az alakváltozási és
feszültségi állapot a tárgyalthoz képest eltérő.
Tetszőleges terhelés esetén a rúdvégek közelében kialakuló állapotmező meghatározása elemi
eszközökkel már nem lehetséges, sőt a rugalmasságtan alapegyenleteinek alkalmazásával is
meglehetősen bonyolult feladat, amely a speciális terhelési e-setekben csak közelítéssel oldható
meg.
148
Az 5.17. ábrán a kon-
centrált erővel húzott rúd
feszülségeloszlását láthat-
juk a rúdvégtől különböző
távolságban felvett ke-
resztmetszetekben.
5.17. ábra
5.2.2. Változó keresztmetszetű rudak húzása és nyomása
Ha a rúd keresztmetszete változik - de a keresztmetszetek súlypontjai továbbra is egye-
nest alkotnak -, az előző fejezetben megismert feszültségi állapot bonyolultabbá válik és az ele-
mi rugalmasságtan eszközeivel már nem tárgyalható. A változó keresztmetszetű szakasz pontjaiban a húzó vagy nyomó igénybevétel hatására térbeli feszültségi állapot keletkezik. A hossztengelyre merőleges metszeteken a σ zz normálfe-
szültség mellett σ zy és σ zx nyírófeszültségek is ébrednek, sőt a rúdtengellyel párhuzamos
metszeteken is fellépnek - a nyírófeszültség-komponensek mellett - normálfeszültségek.
Ha a keresztmetszet változása
kismértékű és folytonos (nem ugrásszerű),
akkor a gyakorlat számára kielégítő
pontosságú, ha a feszültségi állapot σ zz
feszültségkomponensét a tiszta húzásnak
vagy nyomásnak megfelelő ösz-
szefüggéssel számítjuk: 5.18. ábra
(z) =N
A(z)zzσ 5.21
és a többi feszültségkomponenst elhanyagoljuk. Az enyhén változó keresztmetszetű rúd hosszá-
nak megváltozását a ∆z hosszúságú elemi szakaszok hosszváltozásának összegzésével kapjuk:
=N
EA(z)0
L
λ ∫ dz 5.22
amelyben elvileg az N igénybevétel is változhat a hossztengely mentén, azaz N = N(z). A fel-
halmozott rugalmas energia a külső erők saját munkájával kifejezve ((5.19) felhasználásával):
149
U = U = W =1
2
A(z)
E=
1
2
N (z)
EA(z)dz b b k
S
0
L 2
0
L~( )σ zz z dz∫ ∫ . 5.23
Ha a keresztmetszet lényegesen és ugrásszerűen változik, akkor a keresztmetszet bizo-
nyos részein a normál-feszültségkomponens igen nagy értéket vehet fel. E feszültségcsúcsok
majdnem mindig az alkatrész felületén, illetve ennek közelében ébrednek, és nagyságuk a felü-
let görbültségétől, a lekerekítési sugártól függ.
A feszültséggyűjtő helyek legnagyobb feszültsége csak hosszadalmas rugalmasságtani
számítással vagy kísérlettel határozható meg. Már számos ilyen vizsgálatot végeztek és ezek
eredményeit a műszaki gyakorlat számára egyszerű formában igyekeztek általánosítani. A kü-
lönböző keresztmetszet-gyengítési esetekben fellépő feszültség maximumát az ún. alaktényező-
vel számíthatjuk:
= zz,max zz,né vlegesσ ασ 5.24/a
ahol a névleges normálfeszültséget a
normáligénybevétel és a tényleges
keresztmetszetterület hányadosaként
számítjuk (mintha tiszta húzás vagy
nyomás lenne). Hasonló elven kapjuk az
y irányú normálfeszültség maximumát:
= yy,max zz,né vlegesσ βσ 5.24/b
α és β a gyengítés jellegétől, illetve
annak geometriai méreteitől függ.
Értéküket műszaki táblázatok vagy
diagramok tartalmazzák. Általános
alapelvként csak annyit jegyezzünk meg,
5.19. ábra
hogy minél kisebb a lekerekítési sugár, annál nagyobbak a feszültségcsúcsok, ezért az alkatré-
szek tervezésénél mindig kerülni kell az éles bevágásokat, sarkokat. Az 5.19. ábrán bemutatjuk
a σ zz és σ yy normálfeszültségek eloszlásának jellegét két különböző gyengítési esetben.
5.2.3. Nyomott felületek érintkezési feszültségei
Ha két test érintkezési felülete síknak tekinthető és ezen a felületen a tiszta nyomásnak
megfelelő körülmények uralkodnak (ilyenek általában a különböző gép- és épületalapozások),
akkor az érintkezés keresztmetszetében, az alaptest és a támasztófelület felszínén ébredő nor-
150
málfeszültségeket a központosan ható nyomóigénybevétel és a nyomott felület hányadosaként
számítjuk (5.20. ábra).
Ha a két test érintkezése nem sík felület mentén,
hanem különböző sugárral jellemezhető görbült
felületi pont(ok)ban történik, akkor az ún.
érintkezési feszültségek eloszlása már nem lesz
egyenletes és mind az eloszlás, mind a
normálfeszültségek nagysága a görbületi sugaraktól
Ha eltekintünk a keresztirányú alakváltozások következményeitől és a gátolt alakválto-
zás miatt fellépő sajátfeszültségeket elhanyagoljuk, a rúd feszültségi állapotmezejét homogén-
nak tekinthetjük. A feszültségállapot lineáris, a normálfeszültség nagysága:
=N
A=
N
vs= q .zz
i
i
σ 5.36
Az alakváltozási állapotmező csak egy rétegen belül homogén. A z irányú fajlagos hosszválto-
zás az i-edik rétegben:
=h
=Nh
E Ah =
N
E A =
q
E .zzi
i
i
i
i i i i
ελ
5.37
5.2.6. Erőtani méretezés
5.2.6.1. Megengedett feszültségeken alapuló méretezési módszer
Tiszta húzásra vagy nyomásra igénybevett rúd méretezésénél azt kell kimutatni, hogy
σ σmax ≤ m , 5.37
ahol σmax-ot (5.16)-tal számítjuk. Enyhén változó keresztmetszetű és a hossztengely mentén
változó nagyságú normáligénybevételnek kitett rúd esetén a kritikus pontban kell számítani a
maximális normálfeszültséget. A kritikus pont abban a keresztmetszetben van, amelyben a
158
normáligénybevételnek és a tényleges, ún. hasznos keresztmetszet-területnek a hányadosa az
összes lehetséges közül a legnagyobb. E keresztmetszet pontjaiban
σ max =
h
N
A
A kritikus pont helyét sokszor csak próbálgatással lehet meghatározni. Ha a rúd ke-
resztmetszete hirtelen és jelentősen változik, tehát feszültségcsúcsok és összetett feszültségi
állapot kialakulásával kell számolnunk, a rúd anyagi minőségének megfelelő feszültségelmélet-
tel egyenértékű feszültséget kell meghatározni. Az összes lehetséges egyenértékű feszültség
maximumát - σ egy,max-ot - kell (5.37) bal oldalára helyettesíteni.
(5.37) jobb oldalán, a húzásra vagy nyomásra megengedett feszültséget az anyagminő-
ség függvényében táblázatokból választjuk ki.
Ha a szerkezeti elem alakváltozásának is korlátai vannak, akkor a
λ λté n y leges≤ m 5.38
relációnak kell teljesülnie. λ té nyleges -t (5.17)-tel vagy (5.22)-vel számítjuk a keresztmetszet és a
normáligénybevétel jellegétől függően. λm nagyságát a szerkezeti elem rendeltetésétől függően
szabványos előírások tartalmazzák.
Tervezéskor, a leggazdaságosabb megoldást feltételezve, az (5.37) és (5.38) relációk
egyenlőségéből indulunk ki, amelyből már a keresztmetszet szükséges területe számítható. A
keresztmetszet választott alakja és szükséges területének ismeretében geometriai méretei megha-
tározhatók.
5.2.6.2. "Fél" valószínűséggel kiegészített határállapot módszer
E módszerrel általában azt szoktuk kimutatni, hogy
N N ,M H≤ 5.39
tehát, hogy a mértékadó normáligénybevétel kisebb, mint a rúd határ húzó- vagy nyomóereje. A
mértékadó igénybevételt a mértékadó teher alapján számítjuk. Prizmatikus rúd és enyhén válto-
zó keresztmetszetű rúd esetén a határerő:
. A = N HhH σ
σ H - az anyag határfeszültsége húzásnál és nyomásnál, értékét az anyagminőség függvényében
táblázatokból választhatjuk meg.
159
Az alakváltozás akkor megfelelő, ha
.M Hλ λ≤ 5.40
Mλ -et a mértékadó normáligénybevétellel (5.17)-tel vagy (5.22)-vel számítjuk, Hλ pedig
előírt érték.
Összetett feszültségi állapotban (5.39) nem használható. Ilyenkor a mértékadó
normáligénybevétel alapján meghatározzuk a feszültségi állapot komponenseit, ezekből az
egyenértékű feszültséget és ezt hasonlítjuk össze a határfeszültséggel:
egy,max σ σ≤ H 5.41
Tervezéskor most is az (5.39)-(5.41) összefüggések egyenlőségéből indulunk ki.
5.3. Nyíró igénybevétel
5.3.1. Prizmatikus rúd tiszta nyírása
Terheljünk egy A = sh területű, téglalap keresztmetszetű, L hosszúságú rudat az 5.28.
ábrán látható módon két véglapján, valamint alsó és felső határolósíkján a felületekkel párhu-
zamos hatásvonalú és az ellentétes lapokon ellentétes értelmű, q intenzitású, egyenletesen meg-
oszló erőrendszerrel.
A tetszőlegesen felvett keresztmetszet igénybevételei:
N = N(z) = qsz - qsz = 0 ,
T = T(z) = T = qsh = qA = á ll. ,
M = M(z) = qshz - qszh
2 - qsz
h
2= 0 .
K
K
K
A rúd igénybevétele tehát tiszta nyírás.
A rúd felületére rajzolt derékszögű hálózat téglalapjai olyan parallelogrammává defor-
málódnak a terhelés hatására, melynek élhosszai megegyeznek az eredeti téglalapok oldalainak
hosszával. Maga az egész rúd is hossz- és térfogatváltozás nélkül paralellepipedonná deformá-
lódik. Akárhol is választjuk ki a rúdból a térfogatelemet, mindig ugyanazt az alakváltozást kap-
juk, így az alakváltozási és a feszültségi tenzor-mező homogén. Az alakváltozás jellegéből kö-
vetkezik, hogy a tetszőlegesen felvett anyagi pont alakváltozási állapotának tenzorkomponensei
közül csak a ε zy = εyz nem nulla. Ez - az általános Hooke-törvény ismeretében - azt jelenti,
hogy a feszültségi állapotnak csak a σzy = σ yz nyírókomponense tér el a nullától:
= = 2G = 2G ,zy yz zy yzσ σ ε ε
160
ahol G - a nyíró-rugalmassági modulusz.
A nyírófeszültség értékét az 5.28/c. ábrán látható elemi hosszúságú rúddarabra ható
erők egyensúlyából fejezhetjük ki. Az y irányú vetületi egyensúlyi egyenlet:
F T dA T dA T Ay zy
A
zy
A
zy= = − = − = −∫∑ ∫0 σ σ σ ,
ahonnan
= =T
A zy yzσ σ . 5.42
5.28. ábra
161
Tiszta nyíráskor tehát csak nyírófeszültség ébred, melynek eloszlása a keresztmetszetben egyen-
letes, nagysága pedig a nyíróigénybevétel és a nyírt keresztmetszet-terület hányadosa.
A feszültségi és az alakváltozási tenzorok mátrixa:
[ ] [ ]T =
0 0
0 0
0
, T =
0
0
0
.
zyzy
σ εσ
σ
εσ
εσ
0
0
0 0
02
20
zy zyzy
yz
T
AT
A
G
G
=
=
=
=
A feszültségkomponenseket és az elemi hasáb alakváltozását az 5.29. ábrán láthatjuk.
Mindkét állapot síkbeli, Mohr-féle főköreiket az 5.30. ábrán mutatjuk be.
Számítás nélkül is beláthatjuk,
hogy az x irány azonos a 2-es
főiránnyal, az 1-es és a 3-as fő-
irányt pedig az y,z tengelyek x
tengely körüli 45°-os elforgatá-
sával nyerjük. A főirányok
rendszerében a főfeszültségek és
főalakváltozások értékét az 5.30.
ábráról is könnyen megál-
lapíthatjuk:
5.29. ábra
= - = , = - = .1 3 zy 1 3 zyσ σ σ ε ε ε
A rúd teljes alakváltozását jellemezhetjük az
= =2G
=T
2GA yz zy
zyε εσ
5.43/a
Deformáció-komponenssel. Az eredetileg derékszögű hasáb y,z síkban lévő élszögének
5.30. ábra
162
megváltozása:
= = 2 =T
GA ,zy yz zyγ ε ε εzy + 5.43/b
a GA szorzat a rúd nyírómerevsége.
Az elemi rúdban felhalmozott rugalmas energia (2.76) felhasználásával:
. GA
T
2
1=dz2GAε=
= dzσ2G
A= Adzε2σ
2
1= )Adzεσ +εσ (
2
1= dU
22yz
2yzzy zyyz yzzy zyb
5.44/a
Az L hosszúságú rúd rugalmas energiája:
,W= GA
LT
2
1= dz
GA
T
2
1=dU =U
~ = U S
k
22
bbb ∫∫ 5.44/b
ami természetesen megegyezik a külső erők saját munkájával.
5.3.2. A közelítőleg tiszta nyírásnak kitett szerkezeti elemek vizsgálata
Az előző fejezetben tárgyalt, homogén tenzormezőt létrehozó, tiszta nyírásnak nevezett
terhelési eset a gyakorlatban igen ritkán fordul elő. Egy-egy keresztmetszetben ugyan megvaló-
sítható tiszta nyíróigénybevétel, mint pl. az 5.31. ábrán látható terhelési esetben a k = F/M he-
lyen csak F nagyságú nyíróigénybevétel működik, a rúd feszültség- és alakváltozásmezeje azon-
ban nem homogén - mint majd később részletesen is megindokoljuk - a nyírófeszültség ke-
resztmetszeten belüli egyenletes megoszlásának a feltételezése elvileg is kifogásolható.
A tiszta nyírás olyan állapot, amely a
gyakorlatban sohasem valósítható
(vagy valósul) meg tökéletesen. Ennek
ellenére számtalan olyan gyakorlati
feladat fordul elő, amelyet közelítőleg a
tiszta nyírás feltételezésének az ala-
pulvételével oldunk meg. A tiszta nyí-
rás elméletével számítjuk az összes
olyan keresztmetszet feszültségeloszlá-
sát és alakváltozási jellemzőit, ahol a
5.31. ábra nyíróigénybevétel mellett a többi
igénybevétel elhanyagolhatóan kicsi.
Nyíróigénybevétel a legjelentősebb igénybevétel a különböző anyagú testek bizonyos
fajta átalakításánál, megmunkálásánál. Az olló, a lemezolló és az egyéb vágószerszámok az
anyagnak azt a tulajdonságát használják ki, hogy nyírószilárdsága véges. Az 5.32/a,b. ábrán
látható darabolásnál és kivágásnál a tönkremenetel során majd elváló keresztmetszetekben (az
163
ábrán cikk-cakk vonallal jelölve) a nyíróigénybevétel mellett hajlítás és nyomás is fellép, a
tönkremenetel jellege mégis azt bizonyítja, hogy a nyírás a legveszélyesebb igénybevétel. Az
átvágáshoz szükséges erőt a tiszta nyírás feltételezésével számítjuk, azaz a nyírt keresztmetszet
területét szorozzuk az anyag nyírószilárdságával.
5.32. ábra
Ez a megmunkálási technológia a szívós
anyagoknál alkalmazható, amelyeknél a
nyírószilárdság az anyag nyírási folyáshatára.
A nyíróigénybevétel a legfontosabb
igénybevétel bizonyos szerkezeti kapcsola-
tokban is. Ilyen elmozduló kapcsolatok a
különböző csuklók, csapok (5.33/a. ábra) és a
többé-kevésbé hajlítómerevnek tekinthető
szegecselt (5.33/b. ábra), csavarozott (5.33/b.
ábra), szegezett kötések és a hegesztett vagy
ragasztott átlapolások (5.34. ábra). Az utóbbi
két ábrán látható szerkezeti kapcsolatok
rúdjaira (lemezeire) ható erőket (húzó- és
nyomóerő vagy csavaró-nyomaték) az elemek
érintkezési felületein, a kötőelemben ébredő
nyírófeszültségek viszik át. Az ábrák alapján
megállapíthatjuk, hogy a csapok, szege-csek,
csavarok, szegek igénybevétele a nyírás
mellett hajlítónyomaték és a kötő-elemek
felületén palástnyomás is fellép. Az erőtani
5.33. ábra méretezés során általában csak a nyíró- és
164
palást nyomó igénybevételt szokták figyelembe venni.
τ á tl.=F
vs
τ á tl.=F
vs2
τπá tl.=F
d s
τπá tl.=
22
M
d s
τ á tl. =F
A hegesztett
5.34. ábra
Mind a szegecselt, csavarozott, szegezett, mind a ragasztott kapcsolatok lehetnek több-
szörösen átlapoltak. Ilyenkor több párhuzamos ragasztási réteg létezik, a szegecsek, csavarok,
szegek több keresztmetszetben is elnyíródhatnak. Ha n+1 elem kapcsolódik, akkor n-szeres
átlapolásról és n-szer nyírt szegecsről, csavarról, szegről beszélünk.
165
A gyakorlatban a szegecselt, csavarozott, szegezett kötésekben mindig több, szabályo-
san elrendezett, azonos átmérőjű kötőelemet alkalmaznak. Az egyes kötőelemekre ható erők
meghatározásánál azzal az egyszerűsítő feltevéssel szoktak élni, hogy a teljes átadandó erő az
egyes elemeken egyenlően oszlik meg.
Hasonló egyszerűsítéssel élnek a ragasztott, szegecselt, átlapolt kötéseknél, mert az
esetek többségében feltételezik, hogy a nyírófeszültségek eloszlása egyenletes. Ennek megfele-
lően az összefüggések (5.34. ábra) egy átlagos nyírófeszültséget adnak meg.
Többszörösen átlapolt és többszörösen nyírt kötéseknél úgy járunk el a legegyszerűb-
ben, hogy megkeressük a kötőelemnek azt a keresztmetszetét, illetve azt a ragasztási réteget,
amelyre a legnagyobb nyíróigénybevétel esik. Ezt a legnagyobb igénybe-vételt osztva a kötő-
elem, illetve az átlapolás keresztmetszet-területével, megkapjuk az átlagos nyírófeszültséget,
amely a többi nyírt felülethez tartozónál nagyobb. A palástnyomó-feszültség maximu-mának
meghatározásánál is hasonlóan járhatunk el. Hegesztett kötéseknél a hegesztési varrat számítás-
ba vehető területét előírások szabályozzák. Kényesebb szerkezeteknél természetesen alkalmaz-
hatjuk azokat a pontosabb elméleteket, amelyek figyelembe veszik, hogy a kötőelemekre jutó
nyíró- és palástnyomó-erő, illetve az átlapolás hossztengelye mentén a nyírófeszültségek meg-
oszlása nem egyenletes.
5.3.3. Összetett keresztmetszet nyírása
A feladat ugyanaz, mint az ösz-
szetett keresztmetszetű rudak húzásánál.
Meg kell határozni a keresztmetszetben a
feszültségeloszlást, a rúd alakváltozását és
az eredő nyíró-rugalmassági moduluszt. A
gyakorlatban többféle rétegződési és
terhelési eset fordul elő.
a) A nyírási sík és a nyíróerő merőlegesek
a rétegekre
5.35. ábra
Az 5.35. ábrán látható esetben az x,y síkkal párhuzamos keresztmetszetekben a teljes
nyíróerő az egyes rétegekben ébredő nyíróigénybevételek összege lesz:
T = qvs = T ii=1
n
∑ 5.45
ugyanakkor mindegyik réteg ugyanazt az alakváltozást szenvedi:
166
= .yz,eredõ yziγ γ
A homogénnek tekintett rúd szögváltozása:
=T
G A ,yz,eredõ
eredõ
γ
amellyel megegyezik az egyes rétegek szögváltozása:
=T
G A ,yzi
i
i i
γ
ahol Gi - az i-edik réteg nyíró-rugalmassági modulusza,
Ai - az i-edik réteg keresztmetszetterülete,
A = A ii=1
n
∑ - a rúd teljes keresztmetszet-területe.
Fejezzük ki a két utóbbi kifejezésből a nyíróerőket és helyettesítsük be őket (5.45)-be. Az így
kapott egyenlőségből az eredő nyíró-rugalmassági modulusz meghatározható:
G =1
AG A ,eredõ i i
i=1
n
∑ 5.46/a
vagy állandó szélességű rétegek esetén:
G =1
vG v eredõ i i
i =1
n
∑ . 5.46/b
Az egész rúd alakváltozási állapotmezeje homogén, az eltérő rugalmas tulajdonságok
miatt azonban az egyes rétegekben különböző nagyságú nyírófeszültség ébred.
=T
A =
1
AG A = Gi =
T
A
G
G. yzi
i
i iyzi i i yz,eredõ
i
eredõ
σ γ γ 5.47
A legnagyobb nyírófeszültség tehát abban a rétegben ébred, amelynek legnagyobb a nyíró-
rugalmassági modulusza.
b) A nyírási sík merőleges a réte-
gekre, de a nyíróerő a rétegekkel
párhuzamos
Az 5.36. ábra alapján megállapíthat-
juk, hogy a teljes nyíróerő az egyes
rétegek nyíróigénybevételének ösz-
szegével egyenlő, az egyes rétegek
alakváltozásai pedig megegyeznek.
Formailag tehát az a) esettel van
dolgunk. Az eredő nyíró-rugal-
massági moduluszt és a rétegekben
5.36. ábra ébredő nyírófeszültséget az (5.46) és
(5.47) összefüggések adják.
167
c) A nyírási sík párhuzamos a rétegekkel
Az x,y síkkal párhuzamos keresztmetszetek igénybevétele megegyezik és egyenlő a
teljes nyíró-igénybevétellel (5.37. ábra):
T = T = qvs i . 5.48
A rúd felső sarkainak elmozdulása pedig az egyes rétegek felső sarkainak
elmozdulásösszegével egyenlő:
= eredõ ii=1
n
λ λ∑ 5.49
A homogénnek tekintett rúd eredő
elmozdulása:
= v = vT
G A,eredõ yz,eredõ
eredõ
λ γ
az i-edik réteg relatív elmozdulása:
= v = vT
G A .i i yzi i
i
i
λ γ
Ez utóbbi két összefüggést (5.49)-be
helyettesítve, (5.48)-at felhasználva,
megkapjuk az eredő technikai
állandót:
5.37. ábra
. vG
1
v
1=
G
1i
n
1=i iered›∑ 5.50
A rúd feszültségi állapotmezeje homogén, az egyes rétegek γ yzi szögváltozása azon-
ban más és más:
=G
=T
A
1
G=
T
A G yzi
yzi
i
i
i i i
γσ 1
5.51
Annak a rétegnek a legnagyobb a szögváltozása, amelyiknek a legkisebb a nyíró-rugalmassági
modulusza.
5.3.4. Erőtani méretezés
5.3.4.1. Megengedett feszültségen alapuló méretezési módszer
168
Tiszta nyírás vagy a tiszta nyíráshoz közel álló igénybevétel esetén azt kell kimutatni,
hogy τ τmax ≤ m 5.52
ahol τ max - a kritikus keresztmetszet nyírófeszültsége. A kritikus keresztmetszet az a kereszt-
metszet, amelyben a nyíróigénybevétel és a keresztmetszet-terület hányadosa az összes lehetsé-
ges közül a legnagyobb:
τ maxmax
h
=T
A .
A megengedett nyírófeszültséget az anyagminőség függvényében szabványos előírások tartal-
mazzák.
Az Ah keresztmetszetet nem mindig egyszerű meghatározni. Célszerű elképzelni, ho-
gyan nyíródik el a szerkezet a tönkremenetl pillanatában és az egymáson elcsúszó felületek ad-
ják a nyírt keresztmetszetet, melynek területe már könnyen számítható a geometriai adatok alap-
ján.
Tervezéskor az (5.52) összefüggés egyenlőségéből indulunk ki.
Csavarozott, szegecselt, szegezett, átlapolt kötéseknél a szerkezeti szempontok az átla-
polt lemezek számát, vastagságát, az alkalmazandó kötőelemek átmérőjét előre megszabják,
ezért a számítandó vagy ellenőrizendő ismeretlen a kötőelemek száma. Ezt úgy kapjuk meg,
hogy meghatározzuk egyetlen egy, egyszer nyírt kötőelem megengedett nyíróigénybevételét:
T = d
4 ,m m
2
τ π
ahol d - a kötőelem átmérője. Ezután megkeressük azt az átlapolási síkot, amelyre a legnagyobb
nyíróerő jut, ezt Tmax- szal jelölve, a nyírás szempontjából szükséges kötőelemszám:
kT
T .m ax
m
τ ≥
A kötőelemek azonban nemcsak nyírásra, hanem - mint már korábban említettük - palástnyo-
másra is igénybe vannak véve. Mivel a kötőelemek nyírása és palástnyomása nem ugyanazon a
helyen, nem ugyanabban a keresztmetszetben történik, a két igénybevételt egymástól elkülönít-
ve, függetlenül vizsgálhatjuk. A méretezés alapelve ugyanaz, mint nyírásnál. Az egy kötőelem
által felvehető megengedett palástnyomóerő:
N = dv ,m pmσ
ahol d - a kötőelem átmérője, v - a lemez vastagsága. Nm kritikus értékét úgy kapjuk meg, ha a
legvékonyabb, de a legnagyobb normálerőnek kitett lemezt választjuk. Előfordulhat, hogy csak
próbálgatással lehet meghatározni Nm legkisebb értékét. A palástnyomás szempontjából szük-
séges kötőelemszám:
169
k N
N ,max
m
σ ≥
ahol Nmax - a kiválasztott v vastagságú lemezre eső normálerő. Természetesen nemcsak a kötő-
elemeket, hanem a lemezeket is ellenőrizni kell palástnyomásra. Ezt ugyanúgy végezzük, mint a
kötőelemnél, csupán σpm helyébe a lemez megengedett palástnyomó feszültségét helyettesítjük
be.
k τ és k σ közül a nagyobbat kell választani a kapcsolat kialakításához.
5.3.4.2. "Fél" valószínűséggel kiegészített határállapot módszer
A méretek megfelelőek, ha
T T ,M H≤ 5.53
ahol TM - a mértékadó nyíróerő, melyet a mértékadó terhelésből számítunk, TH - a rúd
határnyíróigénybevétele. Tiszta nyíráskor vagy az azt megközelítő esetekben:
T = A ,H H hτ
ahol τ H - a határnyírófeszültség, melyet az anyagminőség függvényében táblázatokból kell
kiválasztani.
Szegecselt, csavarozott, szegezett kapcsolatok méretezésének alapelve ugyanaz, mint megengedett feszültségre való méretezésnél, annyi különbséggel, hogy a τ σm pm, megengedett
feszültségek helyett aτ H , σ pH határnyírófeszültséget és határ palástnyomófeszültséget hasz-
nálunk.
Nyírásra egy kötőelem határereje:
T = d
4H H
2
τ π
a szükséges kötőelemszám:
k =T
T ,M
H
τ
ahol TM - a kötőelem veszélyes keresztmetszetének mértékadó nyíróereje:
Palástnyomásra egy kötőelem határereje:
N = dv ,H pHσ
a szükséges kötőelemszám:
k =N
N ,M
H
σ
NM - a kiválasztott, v vastagságú elemre ható mértékadó nyomóerő. Palástnyomásra a lemezt is
ellenőrizni kell.
170
5.4. Hajlító igénybevétel
5.4.1. Prizmatikus rúd tiszta hajlítása
Terheljünk az 5.38. ábrán látható, tetszőleges keresztmetszetű, prizmatikus rudat vég-
lapjain olyan - egyelőre nem részletezett - megoszló erőrendszerrel, amely hatására tetszőleges
K keresztmetszet igénybevétele:
N = N(z) = 0 ,
T = T(z) = 0 ,
M = M(z) = M = á ll.
K
K
K x
Tetszőleges keresztmetszet igénybevétele tehát tiszta hajlítás. A hajlítónyomaték vektora
M M ex x= , a hajlítás síkja az y,z sík.
A hajlítónyomaték hatására az eredetileg egyenes rúd meggörbül. Az alakváltozással
kapcsolatos megfigyelések és mérések alapján a következőket állapíthatjuk meg:
- A rúd z tengellyel párhuzamos szálai az alakváltozás során síkgörbe alakot vesznek
fel, a görbék síkja párhuzamos egy y', z' -y', z' síkkal, melynek y' tengelye α szöget zár be a
kiinduló koordinátatengely y tengelyével.
- A rúd eredetileg sík keresztmetszetei az alakváltozás után is síkok és önmagukkal
egybevágóak maradnak.
- Az alakváltozás során a keresztmetszetek elfordulnak, de a keresztmetszetre eredetileg
merőleges (z tengellyel párhuzamos) szálak az alakváltozás után is merőlegesek maradnak az
elfordult keresztmetszet síkjára.
Ezeket az alakváltozási jellemzőket először Bernoulli és Navier figyelte meg, illetve
alkalmazta a hajlításból származó feszültségek meghatározásánál. Természetesen további alak-
változási jellemzőket is ki lehet mutatni - pl. hogy egyes, z iránnyal párhuzamos szálak meg-
nyúlnak, mások megrövidülnek, sőt, vannak olyanok is, melyek hossza nem változik -, de a
felsorolt, Bernoulli-Navier-féle megfigyelések, illetve feltételek elegendőek a rúd feszültségi és
alakváltozási állapotának meghatározásához.
Tegyük fel, hogy ismerjük a vesszős koordinátarendszer helyzetét. Ebben az y', z' sík-
ban (a z' tengely azonos a z tengellyel) ábrázoltuk a rudat az 5.38/b,c,d. ábrarészeken az alakvál-
tozás előtti és utáni állapotban. A c. és d. ábrarészeken kiemeltük a rúd egy ∆z hosszúságú da-
rabját, s ennek alakváltozását úgy ábrázoltuk, hogy feltételeztük, éppen az x'z' síkban lévő elemi
szálak nem változtatják meg hosszukat.
A Bernoulli-Navier-féle feltételeket matematikailag a következőképpen fogalmazhatjuk
meg.
171
5.38. ábra
A ∆z hosszúságú rúdelem bal- és jobboldali keresztmetszetének síkja az alakváltozás után ∆ϕ
szöget zár be egymással. Mivel a z tengellyel párhuzamos szálak mindkét keresztmetszetre me-
rőlegesek maradnak, meg kell görbülniük. Legyen ρ a görbületi sugara azoknak a szálaknak,
melyeknek hossza nem változik meg. Egy y' koordinátájú szál fajlagos hosszváltozását a geo-
metriai viszonyok alapján kifejezhetjük:
= =z' - z
z=
( + y' ) - =
y' z'z' zzε ε
ρ ρ∆ϕρ∆ϕ ρ
∆ ∆∆
∆ϕ 5.54
mint látjuk, a fajlagos hosszváltozás az x' koordinátától független. Az elemben tetszőlegesen
kiválasztott hasáb élszögei sem változnak meg, így = = = = = = 0 .z'y' y'z' x'z' z'x' x'y' y'x'ε ε ε ε ε ε
A Poisson-hatás miatt azonban x' és y' irányú hosszváltozással számolnunk kell.
Az általános Hooke-törvény felhasználásával megkapjuk a feszültségkomponenseket.