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
Консольная балка защемлена в стене в точке A. Она нагружена равномерно распределённой нагрузкой w по всей длине и сосредоточенной силой P на расстоянии 3 m от стены. Найдите величину реактивного момента MA в заделке.
L = 8 mP = 30 kN в 3 mw = 6 kN/m от 0 до 8 m
MA = kN·m
2.Опорные реакции балокСложная
Шарнирно опёртая балка имеет неподвижную шарнирную опору в A и подвижную в B. Найдите вертикальную опорную реакцию RA.
L = 6 mP = 55 kN в 5 mw = 5 kN/m от 1 до 3 m
RA = kN
3.Поперечная сила и изгибающий моментСредняя
Консоль защемлена в A. Она нагружена равномерно распределённой нагрузкой w по всей длине и сосредоточенной силой P на расстоянии 3 m от A. Найдите изгибающий момент Mx в сечении x = 1 m от заделки A. Положительными считайте моменты, растягивающие нижние волокна, и поперечную силу, направленную вверх на левой грани.
L = 3 mP = 60 kN в 3 mw = 10 kN/m от 0 до 3 mx = 1 m
Mx = kN·m
4.Поперечная сила и изгибающий моментСложная
Балка опирается на неподвижный шарнир в A и подвижную опору в B и имеет консольный свес длиной 1 m за B до свободного конца C. Равномерно распределённая нагрузка w действует по всей длине A–C. Найдите наибольший положительный изгибающий момент Mmax между опорами.
L = 7 mw = 3 kN/m от 0 до 7 mопоры при x = 0 и x = 6 m
Mmax = kN·m
5.Ферма: метод вырезания узловСредняя
Методом вырезания узлов найдите усилие FAC в стержне AC. Растяжение указывайте положительным, сжатие — отрицательным.
пролёт = 4 mвысота = 2 mB на расстоянии 1 m от Aвертикальная нагрузка = 15 kN
FAC = kN
6.Ферма: метод вырезания узловСложная
Методом вырезания узлов найдите усилие FAC в стержне AC. Растяжение указывайте положительным, сжатие — отрицательным.
пролёт = 6 mвысота = 3 mB на расстоянии 5 m от Aвертикальная нагрузка = 25 kNгоризонтальная нагрузка = 25 kN ←
FAC = kN
7.Прогиб балкиСредняя
Консоль длиной L защемлена в A и нагружена сосредоточенной силой P на расстоянии a = 0,5 m от A. Найдите прогиб δB свободного конца B.
P = 15 kNa = 0,5 mL = 4 mE = 11 GPa (конструкционная древесина)I = 12 × 10⁶ mm⁴
δB = mm
8.Прогиб балкиСложная
Шарнирно опёртая балка нагружена равномерно распределённой нагрузкой w. Её прогиб не должен превышать пролёт/360. Найдите наименьший момент инерции Ireq, удовлетворяющий этому условию.
w = 8 kN/mL = 2 mE = 200 GPa (сталь)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.Устойчивость колоннСредняя
Колонна длиной L из материала (сталь) шарнирно оперта с обоих концов. По формуле Эйлера найдите её критическую силу Pcr.
L = 4 mE = 200 GPa (сталь)d = 80 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
Сплошная круглая колонна длиной L из материала (сталь) защемлена внизу и шарнирно оперта вверху. Она должна выдерживать 110 kN с коэффициентом запаса устойчивости 2,5. Найдите наименьший диаметр d.
P = 110 kNn = 2,5L = 2 mE = 200 GPa (сталь)
d = mm
3Растворы
1.Опорные реакции балок
Ответ: MA = 282 kN·m
Равновесие консоли: заделка может давить вверх и препятствовать повороту, поэтому она даёт вертикальную реакцию RA и реактивный момент MA. ΣFy = 0 даёт RA, а моменты относительно стены дают MA = Σ(нагрузка × расстояние от стены). Распределённая нагрузка действует как её равнодействующая, приложенная в центре тяжести эпюры нагрузки.
Равнодействующая распределённой нагрузки
W = 6·8 = 48 kN, x̄ = 4 m
Момент относительно стены
MA = P·a + W·x̄ = 30·3 + 48·4 = 282 kN·m
Ответ
MA = 282 kN·m
2.Опорные реакции балок
Ответ: RA = 15,83 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 = 5·2 = 10 kN, приложена в x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·6 = 55·5 + 5·2·2
RB = 295/6 = 49,17 kN
ΣFy = 0: RA = 65 − 49,17 = 15,83 kN
Ответ
RA = 15,83 kN
3.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: Mx = −140 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.
Оставляем часть со свободным концом
P: −60·2 = −120 kN·m
w: −10·2²/2 = −20 kN·m
Mx = −120 − 20 = −140 kN·m
Ответ
Mx = −140 kN·m
Знак минус означает, что растянута верхняя грань.
4.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: Mmax = 12,76 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. Наибольший момент: поскольку dM/dx = V, изгибающий момент достигает максимума там, где поперечная сила проходит через ноль, — либо под сосредоточенной силой, либо в пределах распределённой нагрузки.
Опорные реакции
Равновесие всей балки с учётом нагрузки на консольном свесе.
Равнодействующая распределённой нагрузки: W = w·ℓ = 3·7 = 21 kN, приложена в x̄ = 3,5 m
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·4 = 15·1 → Cy = 3,75 kN
ΣFy = 0: Ay = 15 − 3,75 = 11,25 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 = 2/3,606 = 0,5547, cos γ = 3/3,606 = 0,8321
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·6 = 25·5 − 25·3 → Cy = 8,333 kN
ΣFy = 0: Ay = 25 − 8,333 = 16,67 kN
ΣFx = 0: Ax = 25 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.
P = 15000 N, a = 500 mm, L = 4000 mm
EI = 1,32 × 10¹¹ N·mm²
Прогиб свободного конца
Прогиб под силой плюс угол поворота под силой, умноженный на оставшуюся длину.
δP = Pa³/(3EI) = 4,735 mm
θP = Pa²/(2EI) = 0,0142 rad
δB = δP + θP·(L − a) = Pa²(3L − a)/(6EI) = 54,45 mm
Ответ
δB = 54,45 mm
8.Прогиб балки
Ответ: Ireq = 1,5 × 10⁶ mm⁴
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).
Ограничение прогиба
δallow = L/360 = 2000/360 = 5,556 mm
Требуемый момент инерции
I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·8·2000⁴/(384·200000·5,556) = 1,5 × 10⁶ mm⁴
Ireq = 1,5 × 10⁶ mm⁴
Ответ
Ireq = 1,5 × 10⁶ mm⁴
9.Устойчивость колонн
Ответ: Pcr = 248,1 kN
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
У круглого сечения одинаковый I относительно любой оси.
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 = 2,5·110000 = 275000 N
KL = 0,7·2000 = 1400 mm
Выразите диаметр
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·275000·1400²/(π³·200000))^(1/4) = 48,56 mm
Ответ
d = 48,56 mm
Проверка: гибкость KL/r равна 115,3, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.