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 от стены до 5 m и сосредоточенной силой P на расстоянии 4 m от стены. Найдите вертикальную реакцию RA в заделке.
L = 8 mP = 75 kN в 4 mw = 10 kN/m от 0 до 5 m
RA = kN
2.Опорные реакции балокСложная
Балка имеет неподвижную шарнирную опору в A и подвижную опору в B на расстоянии 3 m от A и консольный свес за B до свободного конца C. Она нагружена сосредоточенной силой P на расстоянии 0,5 m от A и равномерно распределённой нагрузкой w от 1,5 m до свободного конца в точке 5 m. Найдите вертикальную реакцию RA, считая положительным направление вверх.
AB = 3 mAC = 5 mP = 80 kN в 0,5 mw = 12 kN/m от 1,5 до 5 m
RA = 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.
40 kN @ 2 m8 kN/m, 2–4 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)
4.Поперечная сила и изгибающий моментСложная
Балка опирается на неподвижный шарнир в A и подвижную опору в B и имеет консольный свес длиной 2 m за B до свободного конца C. Равномерно распределённая нагрузка w действует по всей длине A–C. Найдите изгибающий момент MB на опоре B. Положительными считайте моменты, растягивающие нижние волокна, и поперечную силу, направленную вверх на левой грани.
L = 7 mw = 5 kN/m от 0 до 7 mопоры при x = 0 и x = 5 m
MB = kN·m
5.Ферма: метод вырезания узловСредняя
Методом вырезания узлов найдите усилие FAB в стержне AB. Растяжение указывайте положительным, сжатие — отрицательным.
пролёт = 5 mвысота = 3 mB на расстоянии 3 m от Aвертикальная нагрузка = 10 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 2 m от Aвертикальная нагрузка = 40 kNгоризонтальная нагрузка = 15 kN →
FAC = kN
7.Прогиб балкиСредняя
Консоль длиной L защемлена в A и нагружена сосредоточенной силой P на расстоянии a = 2,5 m от A. Найдите прогиб δB свободного конца B.
P = 22 kNa = 2,5 mL = 6 mE = 70 GPa (алюминий)I = 160 × 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 = 5 kN/mL = 4 mE = 70 GPa (алюминий)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.Устойчивость колоннСредняя
Колонна длиной L из материала (сталь) защемлена внизу и свободна вверху. По формуле Эйлера найдите её критическую силу Pcr.
L = 5 mE = 200 GPa (сталь)d = 80 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
Сплошная круглая колонна длиной L из материала (алюминий) шарнирно оперта с обоих концов. Она должна выдерживать 75 kN с коэффициентом запаса устойчивости 2,5. Найдите наименьший диаметр d.
P = 75 kNn = 2,5L = 4 mE = 70 GPa (алюминий)
d = mm
3Растворы
1.Опорные реакции балок
Ответ: RA = 125 kN
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 = 10·5 = 50 kN, x̄ = 2,5 m
Равновесие по вертикали
RA = P + W = 75 + 50 = 125 kN
Ответ
RA = 125 kN
2.Опорные реакции балок
Ответ: RA = 63,17 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.
Равнодействующая распределённой нагрузки
W = 12·3,5 = 42 kN, x̄ = (1,5 + 5)/2 = 3,25 m
Равновесие
Моменты относительно A, положительные против часовой стрелки. Затем равновесие вертикальных сил.
ΣMA = 0: RB·3 = 80·0,5 + 42·3,25
RB = 176,5/3 = 58,83 kN
RA = 122 − 58,83 = 63,17 kN
Ответ
RA = 63,17 kN
3.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: C (x = 2 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 = 34,67 kN, R2 = 21,33 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 = 34,67, MC = 69,33 kN·m, MD = 60, ME = 42,67, MF = 21,33, MG = 0
Ответ
Отметка C: MC = 69,33 kN·m
4.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: MB = −10 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 = 5·7 = 35 kN, приложена в x̄ = 3,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 5·7·3,5
RB = 122,5/5 = 24,5 kN
ΣFy = 0: RA = 35 − 24,5 = 10,5 kN
Сечение в B, оставляем консольный свес
Нагрузка на свесе, w·a, приложена на расстоянии a/2 от B и создаёт над опорой отрицательный момент (растянуты верхние волокна).
MB = −w·a²/2 = −5·2²/2 = −10 kN·m
Ответ
MB = −10 kN·m
5.Ферма: метод вырезания узлов
Ответ: FAB = −5,657 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 = 10·3 → Cy = 6 kN
ΣFy = 0: Ay = 10 − 6 = 4 kN
Узел A
Предположите, что каждый стержень растянут (тянет от узла). Только AB имеет вертикальную составляющую в узле A.
sin α = 3/4,243 = 0,7071
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −4/0,7071 = −5,657 kN
Ответ
FAB = −5,657 kN (сжатие)
6.Ферма: метод вырезания узлов
Ответ: FAC = 25 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 = 40·2 + 15·3 → Cy = 25 kN
ΣFy = 0: Ay = 40 − 25 = 15 kN
ΣFx = 0: Ax = −15 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 = 3/4,243 = 0,7071, cos γ = 3/4,243 = 0,7071
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 = 22000 N, a = 2500 mm, L = 6000 mm
EI = 1,12 × 10¹³ N·mm²
Прогиб свободного конца
Прогиб под силой плюс угол поворота под силой, умноженный на оставшуюся длину.
δP = Pa³/(3EI) = 10,23 mm
θP = Pa²/(2EI) = 0,006138 rad
δB = δP + θP·(L − a) = Pa²(3L − a)/(6EI) = 31,72 mm
Ответ
δB = 31,72 mm
8.Прогиб балки
Ответ: Ireq = 21,43 × 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 = 4000/360 = 11,11 mm
Требуемый момент инерции
I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·5·4000⁴/(384·70000·11,11) = 2,143 × 10⁷ mm⁴
Ireq = 21,43 × 10⁶ mm⁴
Ответ
Ireq = 21,43 × 10⁶ mm⁴
9.Устойчивость колонн
Ответ: Pcr = 39,69 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 = 2,5·75000 = 187500 N
KL = 1·4000 = 4000 mm
Выразите диаметр
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·187500·4000²/(π³·70000))^(1/4) = 96,98 mm
Ответ
d = 96,98 mm
Проверка: гибкость KL/r равна 165, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.