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. Она нагружена сосредоточенной силой P на расстоянии 2 m от A и сосредоточенным моментом M, направленным против часовой стрелки, на расстоянии 4,5 m от A. Найдите вертикальную реакцию RB, считая положительным направление вверх.
L = 5 mP = 55 kN в 2 mM = 10 kN·m (против часовой стрелки) в 4,5 m
RB = kN
2.Опорные реакции балокСложная
Шарнирно опёртая балка имеет неподвижную шарнирную опору в A и подвижную в B. Найдите вертикальную опорную реакцию RB.
L = 6 mP = 20 kN в 1 mw = 10 kN/m от 4 до 5 m
RB = kN
3.Поперечная сила и изгибающий моментСредняя
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.
50 kN @ 6 m15 kN/m, 0–12 m
1A (x = 0 m)
2B (x = 2 m)
3C (x = 4 m)
4D (x = 6 m)
5E (x = 8 m)
6F (x = 10 m)
7G (x = 12 m)
4.Поперечная сила и изгибающий моментСложная
Шарнирно опёртая балка нагружена равномерно распределённой нагрузкой на части пролёта. Найдите наибольший изгибающий момент Mmax в балке.
L = 4 mw = 10 kN/m от 0 до 3 m
Mmax = kN·m
5.Ферма: метод вырезания узловСредняя
Методом вырезания узлов найдите усилие FBC в стержне BC. Растяжение указывайте положительным, сжатие — отрицательным.
пролёт = 5 mвысота = 2 mB на расстоянии 4 m от Aвертикальная нагрузка = 10 kN
FBC = kN
6.Ферма: метод вырезания узловСложная
Методом вырезания узлов найдите усилие FAB в стержне AB. Растяжение указывайте положительным, сжатие — отрицательным.
пролёт = 4 mвысота = 4 mB на расстоянии 3 m от Aвертикальная нагрузка = 60 kNгоризонтальная нагрузка = 30 kN →
FAB = kN
7.Прогиб балкиСредняя
Шарнирно опёртая балка нагружена равномерно распределённой нагрузкой w по всему пролёту. Найдите угол поворота θA сечения балки на опоре A в радианах.
w = 2 kN/mL = 4 mE = 11 GPa (конструкционная древесина)I = 57 × 10⁶ mm⁴
θA = rad
8.Прогиб балкиСложная
Шарнирно опёртая балка нагружена сосредоточенной силой P на расстоянии b = 1,5 m от опоры B. Найдите наибольший прогиб δmax балки.
P = 15 kNb = 1,5 mL = 4 mE = 70 GPa (алюминий)I = 23 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
9.Устойчивость колоннСредняя
Колонна длиной L из материала (алюминий) шарнирно оперта с обоих концов. По формуле Эйлера найдите её критическую силу Pcr.
L = 5 mE = 70 GPa (алюминий)b × h = 40 × 80 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
Сплошная круглая колонна длиной L из материала (сталь) шарнирно оперта с обоих концов. Она должна выдерживать 150 kN с коэффициентом запаса устойчивости 3. Найдите наименьший диаметр d.
P = 150 kNn = 3L = 3 mE = 200 GPa (сталь)
d = mm
3Растворы
1.Опорные реакции балок
Ответ: RB = 20 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·5 − 55·2 + 10 = 0
RB = 100/5 = 20 kN
Равновесие по вертикали
RA = 55 − 20 = 35 kN
Ответ
RB = 20 kN
Отрицательная реакция направлена вниз.
2.Опорные реакции балок
Ответ: RB = 10,83 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 = 10·1 = 10 kN, приложена в x̄ = 4,5 m
ΣMA = 0: RB·6 = 20·1 + 10·1·4,5
RB = 65/6 = 10,83 kN
ΣFy = 0: RA = 30 − 10,83 = 19,17 kN
Ответ
RB = 10,83 kN
3.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: D (x = 6 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 = 115 kN, R2 = 115 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 = 200, MC = 340, MD = 420 kN·m, ME = 340, MF = 200, MG = 0
Ответ
Отметка D: MD = 420 kN·m
4.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: Mmax = 17,58 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.
Равнодействующая распределённой нагрузки: W = w·ℓ = 10·3 = 30 kN, приложена в x̄ = 1,5 m
ΣMA = 0: RB·4 = 10·3·1,5
RB = 45/4 = 11,25 kN
ΣFy = 0: RA = 30 − 11,25 = 18,75 kN
Нулевая поперечная сила
Поперечная сила начинается с RA, постоянна на любом незагруженном участке и убывает с наклоном w в пределах нагрузки.
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 = 10·4 → Cy = 8 kN
ΣFy = 0: Ay = 10 − 8 = 2 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 = 2/2,236 = 0,8944, cos γ = 1/2,236 = 0,4472
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 = 60·3 + 30·4 → Cy = 75 kN
ΣFy = 0: Ay = 60 − 75 = −15 kN
ΣFx = 0: Ax = −30 kN
Узел A
Предположите, что каждый стержень растянут (тянет от узла). Только AB имеет вертикальную составляющую в узле A.
sin α = 4/5 = 0,8
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −−15/0,8 = 18,75 kN
Ответ
FAB = 18,75 kN (растяжение)
7.Прогиб балки
Ответ: θA = 0,008506 rad
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). Угол поворота θ = dv/dx — это первый интеграл от M/(EI); в согласованных единицах он получается в радианах.
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 = 2 N/mm, L = 4000 mm
EI = 6,27 × 10¹¹ N·mm²
Угол поворота на конце
θA = wL³/(24EI) = 2·4000³/(24·6,27 × 10¹¹) = 0,008506 rad
Ответ
θA = 0,008506 rad
Это 0,4874°.
8.Прогиб балки
Ответ: δmax = 11,43 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.
P = 15000 N, b = 1500 mm, L = 4000 mm
EI = 1,61 × 10¹² N·mm²
Положение максимума
Приравнивание угла поворота на более длинном участке к нулю даёт положение.
x = √((L² − b²)/3) = √((4000² − 1500²)/3) = 2141 mm
Максимальный прогиб
δmax = Pb(L² − b²)3/2/(9√3·EIL) = 11,43 mm
Ответ
δmax = 11,43 mm
9.Устойчивость колонн
Ответ: Pcr = 11,79 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.
Требуемая критическая сила
Pcr = n·P = 3·150000 = 450000 N
KL = 1·3000 = 3000 mm
Выразите диаметр
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·450000·3000²/(π³·200000))^(1/4) = 80,41 mm
Ответ
d = 80,41 mm
Проверка: гибкость KL/r равна 149,2, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.