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 2,5 m и сосредоточенной силой P на расстоянии 2 m от стены. Найдите вертикальную реакцию RA в заделке.
L = 6 mP = 75 kN в 2 mw = 4 kN/m от 0 до 2,5 m
RA = kN
2.Опорные реакции балокСложная
Шарнирно опёртая балка имеет неподвижную шарнирную опору в A и подвижную в B. На расстоянии 8 m от A действует сила P, наклонённая под углом 60° к горизонтали, а на расстоянии 5 m от A — вертикальная сила Q. Найдите величину полной силы реакции RA в шарнире A.
L = 10 mP = 65 kN в 8 m, θ = 60°Q = 50 kN в 5 m
RA = kN
3.Поперечная сила и изгибающий моментСредняя
Шарнирно опёртая балка нагружена сосредоточенным моментом M0 = 10 kN·m, действующим по часовой стрелке, в точке x = 3 m от A; других нагрузок нет. Найдите изгибающий момент Mx сразу слева от сосредоточенного момента. Положительными считайте моменты, растягивающие нижние волокна, и поперечную силу, направленную вверх на левой грани.
L = 6 mM0 = 10 kN·m по часовой стрелке, в точке 3 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.
45 kN @ 12 m25 kN @ 6 m4 kN/m, 0–10 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)
5.Ферма: метод вырезания узловСредняя
Ровно один элемент этой фермы не несёт усилия при данных нагрузках. Какой это нулевой элемент? Нажмите на него на схеме.
B: 20 kN ↓G: 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 FC
13элемент HC
6.Ферма: метод вырезания узловСложная
Методом вырезания узлов найдите усилие FAB в стержне AB. Растяжение указывайте положительным, сжатие — отрицательным.
пролёт = 6 mвысота = 4 mB на расстоянии 2 m от Aвертикальная нагрузка = 45 kNгоризонтальная нагрузка = 25 kN ←
FAB = kN
7.Прогиб балкиСредняя
Консоль нагружена равномерно распределённой нагрузкой w по всей длине. Найдите прогиб δ свободного конца.
w = 5 kN/mL = 3 mE = 70 GPa (алюминий)I = 23 × 10⁶ mm⁴
δ = mm
8.Прогиб балкиСложная
Шарнирно опёртая деревянная балка прямоугольного сечения шириной 50 mm нагружена равномерно распределённой нагрузкой w по всему пролёту. Её прогиб в середине пролёта не должен превышать пролёт/250. Найдите наименьшую высоту hreq сечения.
w = 2,5 kN/mL = 3,5 mE = 11 GPa (конструкционная древесина)b = 50 mm
hreq = mm
9.Устойчивость колоннСредняя
Колонна длиной L из материала (алюминий) защемлена внизу и шарнирно оперта вверху. По формуле Эйлера найдите её критическую силу Pcr.
L = 4 mE = 70 GPa (алюминий)b × h = 20 × 80 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
Сплошная круглая колонна длиной L из материала (алюминий) защемлена внизу и шарнирно оперта вверху. Она должна выдерживать 150 kN с коэффициентом запаса устойчивости 2,5. Найдите наименьший диаметр d.
P = 150 kNn = 2,5L = 5 mE = 70 GPa (алюминий)
d = mm
3Растворы
1.Опорные реакции балок
Ответ: RA = 85 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 = 4·2,5 = 10 kN, x̄ = 1,25 m
Равновесие по вертикали
RA = P + W = 75 + 10 = 85 kN
Ответ
RA = 85 kN
2.Опорные реакции балок
Ответ: RA = 48,69 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 = 65·sin 60° = 56,29 kN
Ph = 65·cos 60° = 32,5 kN
Реакции
ΣMA = 0: RB·10 = 56,29·8 + 50·5 → RB = 70,03 kN
Ay = 56,29 + 50 − 70,03 = 36,26 kN
Ax = Ph = 32,5 kN
Равнодействующая реакция в A
RA = √(32,5² + 36,26²) = 48,69 kN
Ответ
RA = 48,69 kN
3.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: Mx = −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. 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 = 10/6 = 1,667 kN (вверх)
RA = −RB = −1,667 kN (вниз)
Сечение сразу слева от сосредоточенного момента
Левая часть содержит только RA.
Mx = RA·a = −1,667·3 = −5 kN·m
Ответ
Mx = −5 kN·m
4.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: F (x = 10 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 = 21 kN, R2 = 89 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, MC = 52, MD = 54, ME = −10, MF = −90 kN·m, MG = 0
Ответ
Отметка F: MF = −90 kN·m
5.Ферма: метод вырезания узлов
Ответ: элемент DH
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 D
CD и DE лежат на одной прямой, и узел не нагружен. Баланс сил поперёк этой прямой оставляет только DH.
ΣF⊥ = 0 → FDH = 0
Проверка методом вырезания узлов
Расчёт всех узлов даёт эти усилия в элементах (T = растяжение, C = сжатие).
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 = 45·2 − 25·4 → Cy = −1,667 kN
ΣFy = 0: Ay = 45 − −1,667 = 46,67 kN
ΣFx = 0: Ax = 25 kN
Узел A
Предположите, что каждый стержень растянут (тянет от узла). Только AB имеет вертикальную составляющую в узле A.
sin α = 4/4,472 = 0,8944
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −46,67/0,8944 = −52,17 kN
Ответ
FAB = −52,17 kN (сжатие)
7.Прогиб балки
Ответ: δ = 31,44 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.
w = 5 N/mm, L = 3000 mm
EI = 1,61 × 10¹² N·mm²
Прогиб
δ = wL⁴/(8EI) = 5·3000⁴/(8·1,61 × 10¹²) = 31,44 mm
Ответ
δ = 31,44 mm
8.Прогиб балки
Ответ: hreq = 196,7 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.
bh³/12 = Ireq → h = (12·3,172 × 10⁷/50)1/3 = 196,7 mm
Ответ
hreq = 196,7 mm
На практике выберите ближайшую большую стандартную высоту.
9.Устойчивость колонн
Ответ: Pcr = 4,7 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 = 2,5·150000 = 375000 N
KL = 0,7·5000 = 3500 mm
Выразите диаметр
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·375000·3500²/(π³·70000))^(1/4) = 107,9 mm
Ответ
d = 107,9 mm
Проверка: гибкость KL/r равна 129,8, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.