Siły zewnętrzne – obciążenia działające na elementy konstrukcyjne

Siły zewnętrzne są podstawowym rodzajem oddziaływań uwzględnianych w wytrzymałości materiałów, mechanice budowli oraz budowie maszyn. Działają na elementy konstrukcyjne z otoczenia i wywołują w nich naprężenia, odkształcenia oraz siły wewnętrzne. Ich prawidłowe określenie jest niezbędne podczas projektowania bezpiecznych i trwałych konstrukcji.

W praktyce inżynierskiej analiza sił zewnętrznych stanowi pierwszy etap obliczeń statycznych, od którego zależy poprawność dalszych analiz wytrzymałościowych.

Definicja sił zewnętrznych

Siły zewnętrzne są siłami działającymi na element lub konstrukcję z otoczenia. Mogą pochodzić od ciężaru własnego, użytkowników, maszyn, wiatru, śniegu lub innych czynników oddziałujących na obiekt.

Ich działanie powoduje powstawanie sił wewnętrznych, które zapewniają równowagę konstrukcji.

Charakterystyka sił zewnętrznych

Siły zewnętrzne mogą różnić się:

• wartością,
• kierunkiem,
• zwrotem,
• punktem przyłożenia,
• sposobem rozłożenia.

Od tych parametrów zależy sposób pracy elementu oraz rodzaj powstających naprężeń.

Powstawanie sił zewnętrznych

Siły zewnętrzne mogą wynikać zarówno z działania natury, jak i działalności człowieka. Oddziałują na konstrukcję przez cały okres jej użytkowania i mogą mieć charakter stały lub zmienny.

W odpowiedzi na ich działanie w materiale powstają siły wewnętrzne oraz odkształcenia.

Rodzaje sił zewnętrznych

Ze względu na sposób działania wyróżnia się:

Siły skupione

Są przyłożone w jednym punkcie lub na bardzo małej powierzchni.

Przykładami są:

• nacisk koła pojazdu,
• ciężar maszyny,
• reakcja podpory.

Siły rozłożone

Działają na określonym odcinku lub powierzchni konstrukcji.

Najczęściej występują jako:

• obciążenie równomiernie rozłożone,
• obciążenie zmienne liniowo,
• nacisk gruntu,
• ciśnienie cieczy.

Momenty zewnętrzne

Moment zewnętrzny powoduje obrót elementu wokół określonej osi.

W praktyce występuje między innymi podczas skręcania wałów lub działania par sił.

Podział ze względu na czas działania

Obciążenia stałe

Działają przez cały okres eksploatacji konstrukcji.

Do tej grupy zalicza się:

• ciężar własny,
• ciężar elementów wykończeniowych,
• ciężar instalacji.

Obciążenia zmienne

Ich wartość lub miejsce działania zmienia się w czasie.

Przykłady:

• obciążenie użytkowe,
• śnieg,
• wiatr,
• ruch pojazdów.

Obciążenia dynamiczne

Zmieniają się gwałtownie lub cyklicznie.

Należą do nich:

• drgania,
• uderzenia,
• wybuchy,
• obciążenia sejsmiczne.

Parametry siły

Każdą siłę zewnętrzną opisują cztery podstawowe cechy:

• wartość,
• kierunek,
• zwrot,
• punkt przyłożenia.

Znajomość tych parametrów jest niezbędna do wykonania obliczeń statycznych.

Jednostka siły

W układzie SI jednostką siły jest niuton:$$1\ N$$

W praktyce budowlanej często stosuje się również:

• kiloniutony (kN),
• meganiutony (MN).

Równowaga sił

Aby konstrukcja pozostawała w stanie równowagi, muszą być spełnione równania statyki:$$\sum F=0$$

oraz$$\sum M=0$$

Oznacza to, że suma wszystkich sił oraz momentów działających na konstrukcję musi być równa zeru.

Siły zewnętrzne a siły wewnętrzne

Siły zewnętrzne wywołują reakcję materiału w postaci sił wewnętrznych.

Przykładowo:

• siła rozciągająca powoduje powstanie siły normalnej,
• obciążenie poprzeczne wywołuje siłę tnącą i moment zginający,
• moment skręcający prowadzi do powstania naprężeń stycznych.

Bez działania sił zewnętrznych siły wewnętrzne nie występują.

Przykłady sił zewnętrznych

W konstrukcjach budowlanych najczęściej spotykane są:

• ciężar własny budynku,
• ciężar stropów,
• obciążenie użytkowe,
• parcie i ssanie wiatru,
• obciążenie śniegiem,
• nacisk gruntu,
• ciśnienie wody.

W budowie maszyn do sił zewnętrznych zalicza się m.in. siły napędowe, siły hamowania oraz obciążenia robocze.

Analiza sił zewnętrznych

Wyznaczanie sił zewnętrznych obejmuje:

1. określenie wszystkich obciążeń działających na konstrukcję,
2. wyznaczenie reakcji podpór,
3. sporządzenie schematu statycznego,
4. obliczenie sił wewnętrznych.

Jest to pierwszy etap projektowania większości konstrukcji.

Zastosowanie w budownictwie

Analiza sił zewnętrznych jest niezbędna podczas projektowania:

• budynków,
• mostów,
• hal przemysłowych,
• wież,
• fundamentów,
• konstrukcji żelbetowych,
• konstrukcji stalowych.

Pozwala określić wymagane wymiary elementów nośnych oraz zapewnić odpowiedni poziom bezpieczeństwa.

Zastosowanie w budowie maszyn

W mechanice maszyn siły zewnętrzne uwzględnia się podczas projektowania:

• wałów,
• osi,
• ram maszyn,
• przekładni,
• zawieszeń,
• elementów napędowych.

Ich analiza umożliwia ocenę trwałości oraz niezawodności urządzeń.

Znaczenie inżynierskie

Siły zewnętrzne stanowią podstawę wszystkich analiz statycznych i wytrzymałościowych. Prawidłowe określenie ich wartości oraz sposobu działania pozwala właściwie zaprojektować konstrukcję i zapewnić jej bezpieczną eksploatację przez cały okres użytkowania.

Interaktywna ilustracja sił zewnętrznych

Poniższy przykład HTML przedstawia belkę swobodnie podpartą z możliwością przesuwania siły skupionej. Po zmianie położenia obciążenia aktualizuje się jego lokalizacja oraz reakcje podpór (uproszczony model statyczny).

Podsumowanie

Siły zewnętrzne są oddziaływaniami pochodzącymi z otoczenia, które wywołują w elementach konstrukcyjnych naprężenia, odkształcenia oraz siły wewnętrzne. Ich analiza stanowi pierwszy etap obliczeń statycznych i jest niezbędna przy projektowaniu konstrukcji budowlanych oraz maszyn. Poprawne określenie rodzaju, wartości i miejsca przyłożenia sił zewnętrznych pozwala zapewnić bezpieczeństwo i trwałość projektowanych obiektów.