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
Шарнирно опёртая балка имеет неподвижную шарнирную опору в A и подвижную в B. Найдите вертикальную опорную реакцию RA.
L = 4 mP1 = 15 kN в 1 mP2 = 15 kN в 3 m
RA = kN
2.Опорные реакции балокСложная
Составная балка защемлена в стене в точке A, имеет промежуточный шарнир в C (на расстоянии 4 m от A) и опирается на подвижную опору в D (на расстоянии 8 m от A). Она нагружена сосредоточенной силой P на расстоянии 6 m от A. Найдите реакцию RD подвижной опоры.
AC = 4 mAD = 8 mP = 20 kN в 6 m
RD = kN
3.Поперечная сила и изгибающий моментСредняя
Шарнирно опёртая балка нагружена сосредоточенным моментом M0 = 40 kN·m, действующим по часовой стрелке, в точке x = 5 m от A; других нагрузок нет. Найдите изгибающий момент Mx сразу справа от сосредоточенного момента. Положительными считайте моменты, растягивающие нижние волокна, и поперечную силу, направленную вверх на левой грани.
L = 6 mM0 = 40 kN·m по часовой стрелке, в точке 5 m
Mx = kN·m
4.Поперечная сила и изгибающий моментСложная
Отметки от A до G делят балку на шесть равных частей. В какой отметке изгибающий момент наибольший по величине, положительный или отрицательный? Нажмите на неё на схеме.
15 kN @ 0 m55 kN @ 6 m40 kN @ 3 m6 kN/m, 1–4 m
1A (x = 0 m)
2B (x = 1 m)
3C (x = 2 m)
4D (x = 3 m)
5E (x = 4 m)
6F (x = 5 m)
7G (x = 6 m)
5.Ферма: метод вырезания узловСредняя
Методом вырезания узлов найдите усилие FAB в стержне AB. Растяжение указывайте положительным, сжатие — отрицательным.
пролёт = 5 mвысота = 2 mB на расстоянии 1 m от Aвертикальная нагрузка = 20 kN
FAB = kN
6.Ферма: метод вырезания узловСложная
Ровно один элемент этой фермы не несёт усилия при данных нагрузках. Какой это нулевой элемент? Нажмите на него на схеме.
F: 20 kN ↓F: 15 kN →H: 15 kN ↓
1элемент AB
2элемент BC
3элемент CD
4элемент DE
5элемент FG
6элемент GH
7элемент AF
8элемент HE
9элемент BF
10элемент CG
11элемент DH
12элемент BG
13элемент DG
7.Прогиб балкиСредняя
Консоль нагружена равномерно распределённой нагрузкой w по всей длине. Найдите прогиб δ свободного конца.
w = 6 kN/mL = 3 mE = 200 GPa (сталь)I = 8,5 × 10⁶ mm⁴
δ = 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 = 4 kN/mL = 3 mE = 70 GPa (алюминий)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.Устойчивость колоннСредняя
Колонна длиной L из материала (алюминий) защемлена внизу и свободна вверху. По формуле Эйлера найдите её критическую силу Pcr.
L = 3 mE = 70 GPa (алюминий)b × h = 40 × 100 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
Колонна длиной L из материала (алюминий) шарнирно оперта с обоих концов. Найдите её гибкость и критическое напряжение σcr по формуле Эйлера.
L = 4 mE = 70 GPa (алюминий)d = 40 mm
σcr = MPa
3Растворы
1.Опорные реакции балок
Ответ: RA = 15 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.
ΣMA = 0: RB·4 = 15·1 + 15·3
RB = 60/4 = 15 kN
ΣFy = 0: RA = 30 − 15 = 15 kN
Ответ
RA = 15 kN
2.Опорные реакции балок
Ответ: RD = 10 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. Промежуточный шарнир не может передавать изгибающий момент, что даёт одно дополнительное уравнение: момент относительно шарнира сил, действующих с любой его стороны, равен нулю.
Часть CD
В шарнире момента нет, поэтому моменты относительно C для одной только части CD должны уравновешиваться.
ΣMC = 0: RD·4 = 20·2
RD = 10 kN
VC = 20 − 10 = 10 kN
Ответ
RD = 10 kN
3.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: Mx = 6,667 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. Приложенный сосредоточенный момент вызывает на эпюре изгибающих моментов скачок, равный его величине.
Опорные реакции
Моменты относительно A, против часовой стрелки положительны: RB·L − M0 = 0. Равновесие по вертикали: RA + RB = 0.
RB = M0/L = 40/6 = 6,667 kN (вверх)
RA = −RB = −6,667 kN (вниз)
Сечение сразу справа от сосредоточенного момента
Теперь левая часть содержит RA и сосредоточенный момент.
Mx = RA·a + M0 = −6,667·5 + 40 = 6,667 kN·m
Ответ
Mx = 6,667 kN·m
4.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: E (x = 4 m)
Наибольший изгибающий момент: наклон M меняется там, где меняется поперечная сила, поэтому его пики находятся там, где поперечная сила проходит через нуль: под сосредоточенной силой, внутри распределённой нагрузки или над опорой консольного свеса. В жёсткой заделке консоли момент наибольший у стены. Сравните величину M в этих местах, положительную или отрицательную.
Опорные реакции
Возьмите моменты относительно одной опоры, затем используйте баланс вертикальных сил.
R1 = 5,667 kN, R2 = 122,3 kN
Изгибающий момент в каждой отметке
Сложите моменты всех сил по одну сторону от сечения. Прогибающий (растягивающий нижние волокна) момент положителен, выгибающий вверх — отрицателен.
MA = 0, MB = −15, MC = −27,33, MD = −45,67, ME = −110 kN·m, MF = −55, MG = 0
Ответ
Отметка E: ME = −110 kN·m
5.Ферма: метод вырезания узлов
Ответ: FAB = −17,89 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 = 20·1 → Cy = 4 kN
ΣFy = 0: Ay = 20 − 4 = 16 kN
Узел A
Предположите, что каждый стержень растянут (тянет от узла). Только AB имеет вертикальную составляющую в узле A.
sin α = 2/2,236 = 0,8944
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −16/0,8944 = −17,89 kN
Ответ
FAB = −17,89 kN (сжатие)
6.Ферма: метод вырезания узлов
Ответ: элемент CG
Нулевые элементы: в узле силы должны уравновешиваться по всем направлениям. Если в узле нет нагрузки и опоры, а два из трёх его элементов лежат на одной прямой, то баланс поперёк этой прямой включает только третий элемент, поэтому его усилие равно нулю. Если в ненагруженном узле сходятся только два элемента и они не лежат на одной прямой, оба равны нулю.
Узел C
BC и CD лежат на одной прямой, и узел не нагружен. Баланс сил поперёк этой прямой оставляет только CG.
ΣF⊥ = 0 → FCG = 0
Проверка методом вырезания узлов
Расчёт всех узлов даёт эти усилия в элементах (T = растяжение, C = сжатие).
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 = 6 N/mm, L = 3000 mm
EI = 1,7 × 10¹² N·mm²
Прогиб
δ = wL⁴/(8EI) = 6·3000⁴/(8·1,7 × 10¹²) = 35,74 mm
Ответ
δ = 35,74 mm
8.Прогиб балки
Ответ: Ireq = 7,232 × 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 = 3000/360 = 8,333 mm
Требуемый момент инерции
I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·4·3000⁴/(384·70000·8,333) = 7,232 × 10⁶ mm⁴
Ireq = 7,232 × 10⁶ mm⁴
Ответ
Ireq = 7,232 × 10⁶ mm⁴
9.Устойчивость колонн
Ответ: Pcr = 10,24 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
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.
Наименьший момент инерции
У круглого сечения одинаковый I относительно любой оси.