Метод вырезания узлов: начните с узла, где не более двух неизвестных усилий, и используйте ΣFx = 0 и ΣFy = 0.
Метод сечений: рассеките нужный стержень и возьмите моменты относительно точки, где пересекаются остальные неизвестные стержни.
Предполагайте растяжение; отрицательный ответ означает сжатие.
Прогиб балки
Сосредоточенная сила в середине пролёта
δ = PL³/(48EI)
Равномерная нагрузка, шарнирно опёртая балка
δ = 5wL⁴/(384EI)
Консоль, сила на конце
δ = PL³/(3EI)
Консоль, равномерная нагрузка
δ = wL⁴/(8EI)
Метод наложения
δ = δ1 + δ2
Устойчивость колонн
Критическая сила Эйлера
Pcr = π²EI/(KL)²
Коэффициент расчётной длины
K = 1 шарнир–шарнир, 0,5 заделка–заделка, 0,7 заделка–шарнир, 2 заделка–свободный конец
Критическое напряжение
σcr = Pcr/A
Гибкость
λ = KL/r, r = √(I/A)
2Тренировочные задачи
1.Опорные реакции балокСредняя
Балка имеет неподвижную шарнирную опору в A и подвижную опору в B на расстоянии 2,5 m от A и консольный свес за B до свободного конца C. Найдите вертикальную реакцию RA, считая положительным направление вверх.
AB = 2,5 mAC = 4 mP1 = 70 kN в 0,5 mP2 = 35 kN в 4 m
RA = kN
2.Опорные реакции балокСложная
Шарнирно опёртая балка имеет неподвижную шарнирную опору в A и подвижную в B. Найдите вертикальную опорную реакцию RB.
L = 4 mP = 55 kN в 2 mw = 2 kN/m от 2 до 3 m
RB = kN
3.Поперечная сила и изгибающий моментСредняя
Найдите поперечную силу Vx в сечении x = 1,5 m от опоры A. Положительными считайте моменты, растягивающие нижние волокна, и поперечную силу, направленную вверх на левой грани.
L = 4 mw = 5 kN/m от 0 до 4 mx = 1,5 m
Vx = kN
4.Поперечная сила и изгибающий моментСложная
Найдите изгибающий момент Mx в сечении x = 2,5 m от опоры A. Положительными считайте моменты, растягивающие нижние волокна, и поперечную силу, направленную вверх на левой грани.
L = 4 mP = 30 kN в 2,5 mw = 10 kN/m от 0 до 4 mx = 2,5 m
Mx = kN·m
5.Ферма: метод вырезания узловСредняя
Методом вырезания узлов найдите усилие FAB в стержне AB. Растяжение указывайте положительным, сжатие — отрицательным.
пролёт = 8 mвысота = 2 mB на расстоянии 5 m от Aвертикальная нагрузка = 55 kN
FAB = kN
6.Ферма: метод вырезания узловСложная
Методом вырезания узлов найдите усилие FAC в стержне AC. Растяжение указывайте положительным, сжатие — отрицательным.
пролёт = 5 mвысота = 3 mB на расстоянии 4 m от Aвертикальная нагрузка = 30 kNгоризонтальная нагрузка = 30 kN →
FAC = kN
7.Прогиб балкиСредняя
Шарнирно опёртая балка нагружена равномерно распределённой нагрузкой w по всему пролёту. Найдите наибольший прогиб δmax в середине пролёта.
w = 12 kN/mL = 2 mE = 200 GPa (сталь)I = 12 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
8.Прогиб балкиСложная
Шарнирно опёртая балка нагружена сосредоточенной силой P на расстоянии b = 1,5 m от опоры B. Найдите прогиб δmid в середине пролёта.
P = 28 kNb = 1,5 mL = 4 mE = 200 GPa (сталь)I = 57 × 10⁶ mm⁴
δmid = mm
9.Устойчивость колоннСредняя
Колонна длиной L из материала (алюминий) защемлена внизу и свободна вверху. По формуле Эйлера найдите её критическую силу Pcr.
L = 1,5 mE = 70 GPa (алюминий)b × h = 30 × 60 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
Сплошная круглая колонна длиной L из материала (алюминий) защемлена внизу и свободна вверху. Она должна выдерживать 20 kN с коэффициентом запаса устойчивости 2. Найдите наименьший диаметр d.
P = 20 kNn = 2L = 1 mE = 70 GPa (алюминий)
d = mm
3Растворы
1.Опорные реакции балок
Ответ: RA = 35 kN
Статическое равновесие: для покоящегося тела ΣFx = 0, ΣFy = 0 и ΣM = 0 относительно любой точки. Замените каждую распределённую нагрузку её равнодействующей (площадью эпюры нагрузки), приложенной в центре тяжести эпюры, и составьте уравнение моментов относительно опоры, чтобы исключить её реакцию.
Моменты относительно A
Против часовой стрелки — положительно.
ΣMA = 0: RB·2,5 = 70·0,5 + 35·4
RB = 175/2,5 = 70 kN
Равновесие по вертикали
RA = 70 + 35 − 70 = 35 kN
Ответ
RA = 35 kN
2.Опорные реакции балок
Ответ: RB = 28,75 kN
Статическое равновесие: для покоящегося тела ΣFx = 0, ΣFy = 0 и ΣM = 0 относительно любой точки. Моменты относительно одной опоры исключают её реакцию из уравнения.
Расчётная схема
Замените опоры силами реакции. Подвижная опора даёт одну вертикальную реакцию; если нагрузки только вертикальные, неподвижная шарнирная опора тоже даёт одну вертикальную реакцию.
Равновесие
Моменты относительно A, положительные против часовой стрелки. Затем равновесие вертикальных сил.
Равнодействующая распределённой нагрузки: W = w·ℓ = 2·1 = 2 kN, приложена в x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·4 = 55·2 + 2·1·2,5
RB = 115/4 = 28,75 kN
ΣFy = 0: RA = 57 − 28,75 = 28,25 kN
Ответ
RB = 28,75 kN
3.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: Vx = 2,5 kN
Метод сечений: рассеките балку там, где нужны внутренние усилия, и оставьте одну часть. Поперечная сила V уравновешивает вертикальные силы этой части, а изгибающий момент M — их моменты относительно сечения.
Опорные реакции
Равновесие всей балки.
Равнодействующая распределённой нагрузки: W = w·ℓ = 5·4 = 20 kN, приложена в x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·4 = 5·4·2
RB = 40/4 = 10 kN
ΣFy = 0: RA = 20 − 10 = 10 kN
Рассеките в x = 1,5 m и оставьте левую часть
Учитываются только силы левее сечения. Участок распределённой нагрузки действует как одна сила посередине этого участка.
V = RA − (все нагрузки вниз левее сечения)
Vx = 10 − 5·1,5 = 2,5 kN
Ответ
Vx = 2,5 kN
4.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: Mx = 46,88 kN·m
Метод сечений: рассеките балку там, где нужны внутренние усилия, и оставьте одну часть. Поперечная сила V уравновешивает вертикальные силы этой части, а изгибающий момент M — их моменты относительно сечения.
Опорные реакции
Равновесие всей балки.
Равнодействующая распределённой нагрузки: W = w·ℓ = 10·4 = 40 kN, приложена в x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·4 = 30·2,5 + 10·4·2
RB = 155/4 = 38,75 kN
ΣFy = 0: RA = 70 − 38,75 = 31,25 kN
Рассеките в x = 2,5 m и оставьте левую часть
Учитываются только силы левее сечения. Участок распределённой нагрузки действует как одна сила посередине этого участка.
M = RA·x − (каждая нагрузка левее сечения × её расстояние до сечения)
Mx = 31,25·2,5 − 10·2,5·1,25 = 46,88 kN·m
Ответ
Mx = 46,88 kN·m
5.Ферма: метод вырезания узлов
Ответ: FAB = −55,53 kN
Метод вырезания узлов: каждый узел фермы находится в равновесии, поэтому в каждом узле ΣFx = 0 и ΣFy = 0. Начните с узла, где не больше двух неизвестных усилий. Отрицательный результат означает, что стержень сжат.
Опорные реакции
Равновесие всей фермы. Моменты относительно A, положительные против часовой стрелки.
ΣMA = 0: Cy·8 = 55·5 → Cy = 34,38 kN
ΣFy = 0: Ay = 55 − 34,38 = 20,63 kN
Узел A
Предположите, что каждый стержень растянут (тянет от узла). Только AB имеет вертикальную составляющую в узле A.
sin α = 2/5,385 = 0,3714
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −20,63/0,3714 = −55,53 kN
Ответ
FAB = −55,53 kN (сжатие)
6.Ферма: метод вырезания узлов
Ответ: FAC = 14 kN
Метод вырезания узлов: каждый узел фермы находится в равновесии, поэтому в каждом узле ΣFx = 0 и ΣFy = 0. Начните с узла, где не больше двух неизвестных усилий. Отрицательный результат означает, что стержень сжат.
Опорные реакции
Равновесие всей фермы. Моменты относительно A, положительные против часовой стрелки.
ΣMA = 0: Cy·5 = 30·4 + 30·3 → Cy = 42 kN
ΣFy = 0: Ay = 30 − 42 = −12 kN
ΣFx = 0: Ax = −30 kN
Узел C
Подвижная опора даёт только вертикальную реакцию, поэтому в узле C всего два неизвестных усилия в стержнях. Предположите, что оба растянуты.
sin γ = 3/3,162 = 0,9487, cos γ = 1/3,162 = 0,3162
Прогиб балок: прогибы получают двукратным интегрированием кривизны M/(EI). Типовые случаи сведены в таблицы, например PL³/(3EI) для консоли с силой на конце и 5wL⁴/(384EI) для шарнирно опёртой балки с равномерной нагрузкой на весь пролёт. Прогибы от отдельных нагрузок складываются (принцип суперпозиции).
Согласованные единицы
Считайте в N и mm: P в N, w в N/mm (kN/m = N/mm), L в mm, E в N/mm² (GPa × 1000), I в mm⁴.
w = 12 N/mm, L = 2000 mm
EI = 2,4 × 10¹² N·mm²
Прогиб
δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·12·2000⁴/(384·2,4 × 10¹²) = 1,042 mm
Ответ
δmax = 1,042 mm
8.Прогиб балки
Ответ: δmid = 2,993 mm
Прогиб балок: прогибы получают двукратным интегрированием кривизны M/(EI). Типовые случаи сведены в таблицы, например PL³/(3EI) для консоли с силой на конце и 5wL⁴/(384EI) для шарнирно опёртой балки с равномерной нагрузкой на весь пролёт. Прогибы от отдельных нагрузок складываются (принцип суперпозиции).
Согласованные единицы
Считайте в N и mm: P в N, w в N/mm (kN/m = N/mm), L в mm, E в N/mm² (GPa × 1000), I в mm⁴.
Потеря устойчивости по Эйлеру: гибкая колонна теряет устойчивость при Pcr = π²EI/(KL)², где KL — расчётная длина: K = 1 для шарнир–шарнир, 2 для заделка–свободный конец, 0,7 для заделка–шарнир и 0,5 для заделка–заделка. Она изгибается относительно оси с наименьшим I. Формула справедлива для гибких колонн, у которых критическое напряжение меньше предела текучести.
Наименьший момент инерции
Прямоугольник теряет устойчивость относительно слабой оси, с меньшим размером в кубе.
Потеря устойчивости по Эйлеру: гибкая колонна теряет устойчивость при Pcr = π²EI/(KL)², где KL — расчётная длина: K = 1 для шарнир–шарнир, 2 для заделка–свободный конец, 0,7 для заделка–шарнир и 0,5 для заделка–заделка. Она изгибается относительно оси с наименьшим I. Формула справедлива для гибких колонн, у которых критическое напряжение меньше предела текучести.
Требуемая критическая сила
Pcr = n·P = 2·20000 = 40000 N
KL = 2·1000 = 2000 mm
Выразите диаметр
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·40000·2000²/(π³·70000))^(1/4) = 46,61 mm
Ответ
d = 46,61 mm
Проверка: гибкость KL/r равна 171,7, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.