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 (неподвижный шарнир в A, подвижная опора в B) нагружена линейно изменяющейся нагрузкой, убывающей от 20 kN/m в A до нуля в B. Кроме того, на расстоянии 4 m от A действует сосредоточенная сила P. Найдите вертикальную опорную реакцию RB.
L = 5 mw0 = 20 kN/mP = 45 kN в 4 m
RB = kN
2.Опорные реакции балокСложная
Шарнирно опёртая балка имеет неподвижную шарнирную опору в A и подвижную в B. На расстоянии 3 m от A действует сила P, наклонённая под углом 40° к горизонтали, а на расстоянии 1,5 m от A — вертикальная сила Q. Найдите величину полной силы реакции RA в шарнире A.
L = 6 mP = 35 kN в 3 m, θ = 40°Q = 50 kN в 1,5 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 1 m от A. Найдите изгибающий момент Mx в сечении x = 0,5 m от заделки A. Положительными считайте моменты, растягивающие нижние волокна, и поперечную силу, направленную вверх на левой грани.
L = 3 mP = 50 kN в 1 mw = 12 kN/m от 0 до 3 mx = 0,5 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.
60 kN @ 0 m20 kN @ 6 m40 kN @ 2 m10 kN/m, 1–5 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 FBC в стержне BC. Растяжение указывайте положительным, сжатие — отрицательным.
пролёт = 6 mвысота = 2 mB на расстоянии 5 m от Aвертикальная нагрузка = 50 kN
FBC = kN
6.Ферма: метод вырезания узловСложная
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 = 40 kNгоризонтальная нагрузка = 15 kN →
FAC = kN
7.Прогиб балкиСредняя
Консоль нагружена равномерно распределённой нагрузкой w по всей длине и сосредоточенной силой P на свободном конце. Используя принцип суперпозиции, найдите прогиб δ свободного конца.
P = 11 kNw = 20 kN/mL = 2,5 mE = 70 GPa (алюминий)I = 57 × 10⁶ mm⁴
δ = mm
8.Прогиб балкиСложная
Шарнирно опёртая балка нагружена равномерно распределённой нагрузкой w и сосредоточенной силой P в середине пролёта. Используя принцип суперпозиции, найдите прогиб в середине δmax.
P = 13 kNw = 15 kN/mL = 2,5 mE = 11 GPa (конструкционная древесина)I = 36 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
9.Устойчивость колоннСредняя
Колонна длиной L из материала (сталь) защемлена с обоих концов. По формуле Эйлера найдите её критическую силу Pcr.
L = 3 mE = 200 GPa (сталь)b × h = 30 × 40 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
Колонна длиной L из материала (сталь) шарнирно оперта с обоих концов. Найдите её гибкость и критическое напряжение σcr по формуле Эйлера.
L = 3 mE = 200 GPa (сталь)d = 40 mm
σcr = MPa
3Растворы
1.Опорные реакции балок
Ответ: RB = 52,67 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 треугольной нагрузки
W = ½·20·5 = 50 kN
x̄ = L/3 = 1,667 m
Равновесие
Моменты относительно A, положительные против часовой стрелки. Затем равновесие вертикальных сил.
ΣMA = 0: RB·5 = 50·1,667 + 45·4
RB = 52,67 kN
RA = 95 − 52,67 = 42,33 kN
Ответ
RB = 52,67 kN
2.Опорные реакции балок
Ответ: RA = 55,64 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.
Составляющие P
Pv = 35·sin 40° = 22,5 kN
Ph = 35·cos 40° = 26,81 kN
Реакции
ΣMA = 0: RB·6 = 22,5·3 + 50·1,5 → RB = 23,75 kN
Ay = 22,5 + 50 − 23,75 = 48,75 kN
Ax = Ph = 26,81 kN
Равнодействующая реакция в A
RA = √(26,81² + 48,75²) = 55,64 kN
Ответ
RA = 55,64 kN
3.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: Mx = −62,5 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: −50·0,5 = −25 kN·m
w: −12·2,5²/2 = −37,5 kN·m
Mx = −25 − 37,5 = −62,5 kN·m
Ответ
Mx = −62,5 kN·m
Знак минус означает, что растянута верхняя грань.
4.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: B (x = 1 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 = 120 kN, R2 = 40 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 = −60 kN·m, MC = −5, MD = 0, ME = −5, MF = −20, MG = 0
Ответ
Отметка B: MB = −60 kN·m
5.Ферма: метод вырезания узлов
Ответ: FBC = −46,58 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·6 = 50·5 → Cy = 41,67 kN
ΣFy = 0: Ay = 50 − 41,67 = 8,333 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 = 40·1 + 15·2 → Cy = 17,5 kN
ΣFy = 0: Ay = 40 − 17,5 = 22,5 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 = 2/3,606 = 0,5547, cos γ = 3/3,606 = 0,8321
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 = 11000 N, w = 20 N/mm, L = 2500 mm
EI = 3,99 × 10¹² N·mm²
Каждая нагрузка отдельно
δP = PL³/(3EI) = 11000·2500³/(3·3,99 × 10¹²) = 14,36 mm
δw = wL⁴/(8EI) = 20·2500⁴/(8·3,99 × 10¹²) = 24,48 mm
Сложите
δ = 14,36 + 24,48 = 38,83 mm
Ответ
δ = 38,83 mm
8.Прогиб балки
Ответ: δmax = 29,95 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 = 13000 N, w = 15 N/mm, L = 2500 mm, EI = 3,96 × 10¹¹ N·mm²
Каждая нагрузка отдельно
δP = PL³/(48EI) = 13000·2500³/(48·3,96 × 10¹¹) = 10,69 mm
δw = 5wL⁴/(384EI) = 5·15·2500⁴/(384·3,96 × 10¹¹) = 19,27 mm
Сложите
δmax = 10,69 + 19,27 = 29,95 mm
Ответ
δmax = 29,95 mm
9.Устойчивость колонн
Ответ: Pcr = 78,96 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.