BİRLEŞİK YÜKLEMELER (Kesit tesirleri) STRESSES DUE TO COMBINED LOADING (Internal Forces) -Normal kuvvet -Kesme kuvveti -Eğilme momenti -Burulma momenti Eğilmeli Burulma Bir mil eğilmeli burulma durumuna maruz kaldığında normal ve kayma gerilmeleri meydana gelir. Şekildeki kasnağa uygulanan P kuvveti A noktasına indirgendiğinde T=RP büyüklüğünde burulma momenti ankastre noktasına indirgendiğinde burulma ile birlikte M=LP büyüklüğünde eğilme ve V=P büyüklüğünde kesme etkisi meydana gelir. Özet olarak: - Burulmadan dolayı kayma gerilmesi, - Eğilmeden dolayı normal gerilme, - Kesme kuvvetinden dolayı kayma gerilmesi meydana gelir. 3. Maddede belirtilen kesme kuvvetinin yol açtığı kayma gerilmesi milin merkezinde meydana gelir ve eğilme normal gerilmesinin yanında genellikle önemsiz olduğundan hesaba katılmaz. Eğilme gerilmeleri kesitin en üstünde ve en altında en büyük değerlerde meydana gelir. Dolu miller için atalet momentleri ve gerilmeler: - Polar atalet momenti ve kayma gerilmesi: J D 4 32 TD 16T 2 J D 3 - Kesit atalet momenti ve normal gerilme: I D 4 64 MD 32 M 2I D 3 Buna göre asal gerilmeler: 1, 2 32 M 32 M 16T 2 3 3 3 2 2D 2 2D D 2 2 2 1, 2 1, 2 16 M 16 M 16T 3 3 3 D D D 16 2 2 M M T D 3 2 2 Maksimum normal gerilmeye göre mil çapının bulunması: Gevrek malzemeler normal gerilmelere hassas olduklarından maksimum normal gerilme emniyet gerilmesine eşitlenerek mil çapı bulunur: Dolu miller: em max M ve EK max 1 16 2 2 M M T em 3 D D3 16 em M M 2 T 2 İçi boşaltılmış miller: Atalet momentleri: J I D 32 D 64 4 4 d d 4 4 4 D d 1 32 D d n D 4 D d 1 64 D d n D 4 4 J I D 4 32 D 4 64 1 n 4 1 n 4 Kayma gerilmesi ve normal gerilme: TD 16T 2 J D 3 1 n 4 MD 16 M 2I D3 1 n4 ve Asal gerilmeler: 1, 2 16 2 2 M M T D3 1 n4 Maksimum normal gerilmeye göre mil çapının bulunması: max 1 max em ve M EK 16 2 2 M M T em 3 4 D 1 n 16 2 2 D3 M M T em 1 n 4 Maksimum kayma gerilmesine göre mil çapının bulunması Sünek malzemeler kayma gerilmelerine hassas olduklarından maksimum kayma gerilmesi kayma emniyet gerilmesine eşitlenerek mil çapı bulunur: Dolu miller: max,min 2 2 32 M 16T 2 3 3 2 2D D 2 16 M 16T 3 3 D D max,min max,min 16 3 M 2 T 2 D 2 2 Maksimum kayma gerilmesine göre mil çapının bulunması em max M EK 16 2 2 M T em 3 D D3 16 em M 2 T 2 İçi boş miller: Kayma ve normal gerilmeleri: TD 16T 2 J D 3 1 n 4 ve MD 16 M 2I D 3 1 n 4 Asal gerilmeler: 2 2 2 max,min 32 M 3 4 2 D 1 n max,min max,min 16 3 D 1 n 4 M 2 T 2 2 16 M 3 4 D 1 n 2 16T 3 4 D 1 n 16T 3 4 D 1 n 2 2 Maksimum kayma gerilmesine göre mil çapının bulunması: em max M EK 16 D 3 1 n 4 16 D3 em 1 n 4 M 2 T 2 em M 2 T 2 Örnek: Şekildeki mile bağlı kasnak teğetsel P kuvvetine maruz bırakıldığına göre mil çapını belirleyiniz. P=10 kN R=250 mm o 125 MPa L=0.6 m o 60 MPa 2R D L P P Çözüm: Eğilme ve burulma momentleri M P L 10 600 6000 kNmm 6 106 Nmm T P R 10 250 2500 kNmm 2.5 106 Nmm Max. normal gerilmeye göre mil çapının bulunması D3 16 em M M T 2 2 16 6 6 2 2.52 106 125 3 D 79.87 mm D 80 mm Max. kayma gerilmesine göre mil çapının bulunması D 3 16 em 16 M T 6 2 2.52 106 60 2 2 3 D 82 mm D 82 mm D D olduğundan büyük olan değer kullanılır ve D D 82 mm emniyetli çap olarak alınır. Örnek: Çapı D=40 mm olan milin H ve K noktalarındaki normal ve kayma gerilmelerini hesaplayınız. N P1 15 kN V P2 18 kN y T a P2 50 mm 18 kN 900 Nm M y a P1 50 mm 15 kN 750 Nm M z b P2 60 mm 18 kN 1080 Nm x A c 2 1.257 10 3 m 2 Iy Iz c4 z y 125.7 10 9 m 4 4 J 2 I z 251.4 10 9 m 4 x z Örnek: şekildeki tüp p iç basıncına, T burulma momentine ve N eksenel kuvvetine maruz kaldığına göre tüpte meydana gelen asal gerilmeleri ve maksimum kayma gerilmesini hesaplayınız. T=6 kNm p=2 Mpa d=122 mm D=128 mm T N=20 kN T p N N d D Çözüm: y y t x l N xy x J xy 128 32 4 122 4 4.6 106 mm 4 TD 6 106 128 83.5 MPa 6 2J 2 4.6 10 N 4 20 103 N 17 MPa 2 2 2 2 D d / 4 128 122 D d 128 122 Dort 125m m 2 2 D d 128 122 t 3m m 2 2 p Do 2 125 l 20.8 MPa 4t 43 t 2 l 41.6 MPa y x N l 17 20.8 37.8 MPa 1, 2 x y 2 tan 2 x y xy2 2 2 2 xy 2 88.7 o x y 44.35o x y xy2 2 2 max,min max 83.52 MPa 1, 2 123.22 MPa 43.82 MPa y t xy x N l 2 1 Örnek: Şekildeki ABD kolu A ucundan ankastre olup D ucuna P=900 N’luk bir kuvvet uygulandığına göre: a) H noktasındaki normal ve kayma gerilmelerini hesaplayınız. b) H noktasındaki asal gerilmeleri hesaplayıp doğrultularını bir eleman üzerinde gösteriniz. Sample Problem 8.3 Solid shaft rotates at 480 rpm and transmits 30 kW from the motor to gears G and H; 20 kW is taken off at gear G and 10 kW at gear H. Knowing that τall = 50 MPa, determine the smallest permissible diameter for the shaft. 8 - 30 SOLUTION: • Determine the gear torques and corresponding tangential forces. • Find reactions at A and B. • Identify critical shaft section from torque and bending moment diagrams. • Calculate minimum allowable shaft diameter. Sample Problem 8.3 SOLUTION: • Determine the gear torques and corresponding tangential forces. TE P 30 kW 597 N m 2f 2 80 Hz T 597 N m FE E 3.73 kN rE 0.16 m TC 20 kW 398 N m 2 80 Hz FC 6.63 kN TD 10 kW 199 N m 2 80 Hz FD 2.49 kN • Find reactions at A and B. Ay 0.932 kN Az 6.22 kN B y 2.80 kN Bz 2.90 kN Sample Problem 8.3 • Identify critical shaft section from torque and bending moment diagrams. M e M C2 M C2 TD 597 N m 8 - 33 C y z M eD 186 2 1244 2 1258 Nm M eD M D2 y M D2 z M eE M E2 y M E2z M eD 1160 2 3732 1218 Nm M eE 560 2 580 2 806 Nm Sample Problem 8.3 • Calculate minimum allowable shaft diameter. D 3 D3 16 all 16 50 M e2D TD2 1218 D 51.7 mm 8 - 34 2 597 2 103 Sample Problem 8.5 Three forces are applied to a short steel post as shown. Determine the principle stresses, principal planes and maximum shearing stress at point H. 8 - 35 SOLUTION: • Determine internal forces in Section EFG. • Evaluate normal stress at H. • Evaluate shearing stress at H. • Calculate principal stresses and maximum shearing stress. Determine principal planes. Sample Problem 8.5 SOLUTION: • Determine internal forces in Section EFG. Vx 30 kN P 50 kN Vz 75 kN M x 50 kN 0.130 m 75 kN 0.200 m 8.5 kN m M y 0 M z 30 kN 0.100 m 3 kN m Note: Section properties, A 0.040 m 0.140 m 5.6 103 m 2 1 0.040 m 0.140 m 3 9.15 106 m 4 I x 12 1 0.140 m 0.040 m 3 0.747 106 m 4 I z 12 8 - 37 Sample Problem 8.5 • Evaluate normal stress at H. P Mz a Mx b y A Iz Ix 50 kN 3 kN m 0.020 m 8.5 kN m 0.025 m y -3 2 6 4 5.6 10 m 0.747 10 m 9.15 10 6 m 4 y 8.93 80.3 23.2 MPa 66.0 MPa • Evaluate shearing stress at H. Q A1 y1 0.040 m 0.045 m 0.0475 m 85.5 10 6 m 3 yz Vz Q 75 kN 85.5 10 6 m 3 17.52 MPa 6 4 I xt 9.15 10 m 0.040 m Sample Problem 8.5 • Calculate principal stresses and maximum shearing stress. Determine principal planes. max R 33.02 17.522 37.4 MPa max OC R 33.0 37.4 70.4 MPa min OC R 33.0 37.4 7.4 MPa tan 2 p CY 17.52 2 p 27.96 CD 33.0 p 13.98 max 37.4 MPa max 70.4 MPa min 7.4 MPa 8 - 40 p 13.98 Eccentric Axial Loading in a Plane of Symmetry • Stress due to eccentric loading found by superposing the uniform stress due to a centric load and linear stress distribution due a pure bending moment x x centric x bending • Eccentric loading FP M Pd 4 - 41 P My A I • Validity requires stresses below proportional limit, deformations have negligible effect on geometry, and stresses not evaluated near points of load application. Example 4.07 An open-link chain is obtained by bending lowcarbon steel rods into the shape shown. For 160 lb load, determine a) maximum tensile and compressive stresses, b) distance between section centroid and neutral axis. 4 - 42 SOLUTION: • Find the equivalent centric load and bending moment • Superpose the uniform stress due to the centric load and the linear stress due to the bending moment. • Evaluate the maximum tensile and compressive stresses at the inner and outer edges, respectively, of the superposed stress distribution. • Find the neutral axis by determining the location where the normal stress is zero. Example 4.07 • Normal stress due to a centric load A c 2 0.25 in 2 0.1963 in 2 P 160 lb 0 A 0.1963 in 2 815 psi • Equivalent centric load and bending moment P 160 lb M Pd 160 lb 0.6 in 104 lb in • Normal stress due to bending moment I 14 c 4 14 0.25 4 3.068 10 3 in 4 Mc 104 lb in 0.25 in m I .068 10 3 in 4 8475 psi 4 - 44 Example 4.07 • Maximum tensile and compressive stresses t 0 m 815 8475 c 0 m 815 8475 t 9260 psi c 7660 psi • Neutral axis location 0 P My0 A I P I 3.068 10 3 in 4 y0 815 psi AM 105 lb in y0 0.0240 in 4 - 45 Sample Problem 4.8 The largest allowable stresses for the cast iron link are 30 MPa in tension and 120 MPa in compression. Determine the largest force P which can be applied to the link. From Sample Problem 2.4, A 3 103 mm 2 Y 38 mm I 868 103 mm 4 4 - 46 SOLUTION: • Determine an equivalent centric load and bending moment. • Superpose the stress due to a centric load and the stress due to bending. • Evaluate the critical loads for the allowable tensile and compressive stresses. • The largest allowable load is the smallest of the two critical loads. Sample Problem 4.8 • Determine an equivalent centric and bending loads. d 38 10 28 mm P : centric load M Pd 28 P : bending moment • Superpose stresses due to centric and bending loads P Mc A P 28 P 22 A 377 P 3 3 A I 3 10 868 10 P Mc A P 28 P 22 B 1559 P 3 3 A I 3 10 868 10 • Evaluate critical loads for allowable stresses. A 377 P 30 MPa P 79.6 kN B 1559 P 120 MPa P 77 kN • The largest allowable load P 77.0 kN EXAMPLE (Craig) During the drilling of an oil well, the section of the drill pipe at A (above ground level) is under combined loading due to a tensile force P = 70 kips and a torque T = 6 kip. ft, as illustrated in Fig. 1.The drill pipe has an outside diameter of 4.0 in. and an inside diameter of 3.64 in. Determine the maximum shear stress at point A on the outer surface of the drill pipe. The radial stress at this point is zero. The yield strength in tension of this drill pipe is 95 ksi. Fig. Portions of an oilwell drill string. Solution Stress Resultants: The stress resultants are given in the problem statement: F = P = 70 kips, T = 6 kip . ft (1) Individual Stresses: we get the normal stress EXAMPLE Wind blowing on a sign produces a pressure whose resultant, P, acts in the y direction at point C, as shown in Fig. 1.The weight of the sign, Ws, acts vertically through point C, and the thin-wall pipe that supports the sign has a weight WP. Following the procedure outlined at the beginning of Section 9.4, determine the principal stresses at points A and B, where the pipe column is attached to its base. Use the following numerical data. Example: A thin-walled cylindrical pressure vessel with a circular cross section is subjected to internal gas pressure p and simultaneously compressed by an axial load P=12 k (Fig. 8-25a). The cylinder has inner radius r=2.1 in. and wall thickness t=0.15 in. Determine the maximum allowable internal pressure pallow based upon an allowable shear stress of 6500 psi in the wall of the vessel. Example (GERE): The rotor shaft of a helicopter drives the rotor blades that provide the lifting force to support the helicopter in the air (Fig. 824a). As a consequence, the shaft is subjected to a combination of torsion and axial loading (Fig. 8-24b). For a 50-mm diameter shaft transmitting a torque T=2.4 kNm and a tensile force P=125 kN, determine the maximum tensile stress, maximum compressive stress, and maximum shear stress in the shaft. Example (GERE): A tubular post of square cross section supports a horizontal platform (Fig. 8-28). The tube has outer dimension b=6 in. and wall thickness t=0.5 in. The platform has dimensions 6.75 in. x 24.0 in. and supports a uniformly distributed load of 20 psi acting over its upper surface. The resultant of this distributed load is a vertical force P1 : This force acts at the midpoint of the platform, which is at distance d=9 in. from the longitudinal axis of the post. A second load P2=800 lb acts horizontally on the post at height h=52 in. above the base. Determine the principal stresses and maximum shear stresses at points A and B at the base of the post due to the loads P1= and P2=. YAYLAR i) Helezonik bir yaydaki iç kuvvetler ve gerilmeler: Şekil (a) da görülen helezonik yayı karakterize eden parametreler şunlardır: R: Yay yarıçapı d: Yay telinin çapı h: Helezon adımı (hatve) α: Helezon eğim açısı Helezon eğim açısı: tan α h 2R bulunur. P eksenel yüküne maruz helezonik yayda, Şekil (b) de görüldüğü gibi kesme kuvveti ve burulma momenti meydana gelir: V P ve T P R Kesit tesirlerinin (kesme kuvveti ve burulma momenti) neden olduğu toplam kayma gerilmesi süperpozisyondan bulunur, (Şekil a-b-c). Buna göre toplam kayma gerilmesi aşağıdaki gibi olur: 16 PR d3 V 4 P 16 P 3 d 2 4 3 d 2 max 16 P 16 PR 16 PR d V T 1 em 2 3 3 3 d d d 3R T d Bu formülde , 1 in 3R yanında çok küçük kaldığından ihmal edilebilir. Gerilme hesaplanırken k düzeltme faktörü kullanılabilir: 2R m d max 4m 1 0.615 k 4m 4 m 16 PR k 3 d ii) Yayın uzaması ds Rd d OO Rd Şekil (f) de görüldüğü gibi, ds uzunluğundaki yayın uzaması dδ dır. K1 ve K2 kesitleri arasında kalan ds uzunluğundaki yay parçasının rölatif dönme açısı aşağıdaki gibi olur: T GJ T d ds ds GJ Birim dönme açısı ve ds uzunluğundaki yay telinin dönme açısı T PR PR PR 2 d ds ds Rd d GJ GJ GJ GJ ds yay elemanında O noktası O’ noktasına yer değiştirdiğinde OO’=ds olur. Bu durumda yayın uzaması aşağıdaki gibi olur: PR d OO Rd R ds GJ Burada G kayma modülü, J 0 d4 32 PR 2 d GJ 0 Burada n helezon (halka) sayısıdır. ds PR 2 s GJ yay telinin polar atalet momenti ve s yay telinin uzunluğu olup aşağıdaki gibi bulunur: h2 s n2R 1 2nR 2 2 4 R s Buna göre yayın uzaması aşağıdaki gibi olur: PR 2 PR 2 s d 4 2nR GJ G 32 64nR 3 Gd 4 P veya P 4 3 Gd 64nR Örnek: 1.5 kN’luk bir yüke maruz helezonik yayın yarıçapı 100 mm, tel çapı 20 mm, halka sayısı 20 ve kayma modülü 84 GPa olduğuna göre; - Maksimum gerilmeyi yaklaşık olarak, kesme kuvvetinin etkisini alarak ve düzeltme faktörünü kullanarak hesaplayınız. - Yaydaki uzamayı hesaplayınız. Çözüm: Yaklaşık olarak maksimum kayma gerilmesi: max 16 PR 16 1.5 103 100 95.5 MPa 3 3 d 20 Kesme kuvvetinin etkisini dikkate alarak maksimum kayma gerilmesi: max 16 PR d 16 1.5 103 100 20 1 1 101.86 MPa 3 3 d 3R 20 3 100 k düzeltme faktörü kullanılırsa sonuç aşağıdaki gibi olur: 2 R 2 100 4m 1 0.615 4 10 1 0.615 m 10 k 1.1448 d 20 4m 4 m 4 10 4 10 max 16 PR 16 1.5 103 100 k 1.1448 109.3 MPa 3 3 d 20 Yayın uzaması aşağıdaki gibi bulunur: 64nPR 3 64 20 1500 1003 100 142.86 mm 4 3 4 Gd 84 10 20 Örnek: Titreşim sönümleyici olarak kullanılan yay sistemi P=240 N’luk düşey bir yüke maruz kaldığına göre; a) A ve B noktalarındaki tepkileri belirleyiniz. b) Yükün uygulandığı noktanın yer değiştirmesini hesaplayınız. R=100 mm d=10 mm G=90 GPa Çözüm: a) Sistemin bütünü için denge denklemi [Şekil (a)]: F y 0 RA RB P 240 N Şekil (b) den P1 RB Şekil (c) den P2 P RB 1 Sistemin uygunluk denklemi: B/ A 64 R 3 i Gd 4 n P n P n P i i 1 1 2 n P 0 2 2 i i 0 9 RB 15 P RB 0 15 P 15 240 RB 150 N 24 24 ve RA 90 N b) Yükün uygulandığı noktanın (C-C) yer değiştirmesi: C C / A 64 R 3 64 1003 n2 P2 15240 150 96 mm 4 3 4 Gd 90 10 10 Örnek: Aynı malzemeden yapılmış ve helezon uzunlukları aynı olan iki yay iç içe geçirilerek P=380 N’luk bir yüke maruz bırakıldığına göre; a) Yaylardaki kuvvetleri hesaplayınız. b) A noktasının yer değiştirmesini hesaplayınız. d1=10 mm d2=14 mm R1=100 mm R2=140 mm n1=20 n2=10 G=90 GPa Çözüm: a) F y 0 P1 P2 P Uygunluk Denklemi : 1 2 Sistemin uygunluk denklemi: 64n1 P1 R13 64n2 P2 R23 4 Gd1 Gd 24 1 (2) 1 2 20 1003 10 1403 P1 P2 4 4 10 14 P2 2.8 P1 (1) ve (2) denklemi çözüldüğünde yay kuvvetleri aşağıdaki gibi bulunur: P1 100 N ve P2 280 N b) δ1 veya δ2 den biri kullanılabilir: 64n1 P1 R13 64n2 P2 R23 1 2 4 Gd1 Gd 24 64 20 1003 1 100 1 2 128 mm 3 4 100 10 10 Örnek: Şekildeki L=4.7 m uzunluğundaki AB rijit çubuğu A ve B yayları ile desteklenerek P yüküne maruz bırakıldığına göre: a) Çubuğun yatay kalabilmesi için P kuvvetinin uygulanması gereken noktayı bulunuz. b) Emniyetle taşınabilecek P yükünü hesaplayınız. c) Çubuğun çökmesini belirleyiniz. Mekanik ozellikleri em 100 MPa G 80 GPa A yayı n A 50 DA 2 RA 120 mm, d A 10 mm B yayı nB 20 DB 2 RB 180 mm d B 10 mm Çözüm A B olmalı 64n A PA RA3 64nB PB RB3 A ve B 4 Gd A Gd B4 A B d A dB 64n A PA RA3 64nB PB RB3 4 Gd A Gd B4 n A RA3 PA nB RB3 PB PA 1.35 PB 50 603 PA 20 903 PB M C aPA bPB 0 PA 1.35 PB PA b PB a P a A C PA b 1.35 a a 2 m a b 4.7 a 1.35a 4.7 b 2.7 m F y 0 PA 1.35 PB PA PB P PA 1.35 PB PB 0.4255 P PA 0.5745 P b B PB A yayına göre P kuvvetinin bulunması 4mi 1 0.615 4mi 4 mi mi 2 Ri dİ mA 2 60 4 12 1 0.615 12 k A 1.2 10 4 12 4 12 ki A yayında oluşan maksimum kayma gerilmesi A max 16 PA RA kA em 3 d A PA 0.5745 P PA em d A3 16k A RA 100 103 16 1.2 60 PA 272.7 P 474.67 N 0.5745 0.5745 272.7 N B yayına göre P kuvvetinin bulunması mB 2 90 4 18 1 0.615 18 k B 1.078 10 4 18 4 18 B yayında oluşan maksimum kayma gerilmesi B max 16 PB RB kB em 3 d B PB 0.4255 P PB em P 476 N d B3 16k B RB 100 103 16 1.078 90 202.4 N Emniyetle taşınabilecek yük küçük olan değer olmalıdır. Buna göre Pem PA 474.67 N olmalıdır. 64n A PA RA3 64 50 272.7 603 B A 235.6 mm 4 3 4 Gd A 80 10 10