Строительная механика: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (10) с полными решениями в конце.

Новые задачиНазад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Опорные реакции балок

Равновесие
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Равномерная нагрузка
равнодействующая w·L в середине нагрузки
Момент
M = F·d

Метод

  1. Нарисуйте расчётную схему и замените каждую опору её реакциями.
  2. Замените каждую распределённую нагрузку одной силой, приложенной в её центре тяжести.
  3. Возьмите моменты относительно одной опоры, чтобы найти реакцию другой.
  4. Найдите оставшуюся реакцию из ΣFy = 0 и проверьте вторым уравнением моментов.

Поперечная сила и изгибающий момент

Поперечная сила и момент
V = ΣF с одной стороны, M = ΣF·d с одной стороны
Напряжение изгиба
σ = M·y/I
Прямоугольник
I = bh³/12
Момент сопротивления сечения
W = I/ymax
Шарнирно опёртая, равномерная нагрузка
Mmax = wL²/8

Метод

  1. Найдите опорные реакции из равновесия всей балки.
  2. Рассеките балку в нужном сечении и оставьте одну часть.
  3. Поперечная сила: сумма вертикальных сил на этой части. Изгибающий момент: сумма их моментов относительно сечения.
  4. Чтобы найти максимальный момент, найдите сечение, где поперечная сила равна нулю.

Ферма: метод вырезания узлов

Метод вырезания узлов
ΣFx = 0, ΣFy = 0 at each joint
Метод сечений
ΣM = 0 about a cut point
Усилие в стержне
положительное = растяжение, отрицательное = сжатие

Метод

  1. Найдите опорные реакции для всей фермы.
  2. Метод вырезания узлов: начните с узла, где не более двух неизвестных усилий, и используйте ΣFx = 0 и ΣFy = 0.
  3. Метод сечений: рассеките нужный стержень и возьмите моменты относительно точки, где пересекаются остальные неизвестные стержни.
  4. 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
w0​ = 20 kN/mABRB​ = ?5 m

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. Найдите вертикальную опорную реакцию RB.

L = 5 mw0 = 20 kN/m
RB = kN
2.Опорные реакции балокСложная
w = 2 kN/mP = 50 kNABRA​ = ?RB​1 m0,5 m2,5 m

Шарнирно опёртая балка имеет неподвижную шарнирную опору в A и подвижную в B. Найдите вертикальную опорную реакцию RA.

L = 4 mP = 50 kN в 1,5 mw = 2 kN/m от 1 до 4 m
RA = kN
3.Поперечная сила и изгибающий моментСредняя
w = 2 kN/mP = 20 kNABсечение1,5 m3 m0,5 m

Консоль защемлена в A. Она нагружена равномерно распределённой нагрузкой w по всей длине и сосредоточенной силой P на расстоянии 4,5 m от A. Найдите изгибающий момент Mx в сечении x = 1,5 m от заделки A. Положительными считайте моменты, растягивающие нижние волокна, и поперечную силу, направленную вверх на левой грани.

L = 5 mP = 20 kN в 4,5 mw = 2 kN/m от 0 до 5 mx = 1,5 m
Mx = kN·m
4.Поперечная сила и изгибающий моментСложная
w = 10 kN/mAB1 m9 m

Шарнирно опёртая балка нагружена равномерно распределённой нагрузкой на части пролёта. Найдите наибольший изгибающий момент Mmax в балке.

L = 10 mw = 10 kN/m от 1 до 10 m
Mmax = kN·m
5.Ферма: метод вырезания узловСредняя
ABCDEFGH35 kN4 × 3 m4 m

Ровно один элемент этой фермы не несёт усилия при данных нагрузках. Какой это нулевой элемент? Нажмите на него на схеме.

D: 35 kN ↓
  1. 1элемент AB
  2. 2элемент BC
  3. 3элемент CD
  4. 4элемент DE
  5. 5элемент FG
  6. 6элемент GH
  7. 7элемент AF
  8. 8элемент HE
  9. 9элемент BF
  10. 10элемент CG
  11. 11элемент DH
  12. 12элемент BG
  13. 13элемент DG
6.Ферма: метод вырезания узловСложная
ABCDEFGH30 kN25 kN25 kN40 kN4 × 3 m4 m

Ровно один элемент этой фермы не несёт усилия при данных нагрузках. Какой это нулевой элемент? Нажмите на него на схеме.

D: 30 kN ↓G: 25 kN ↓H: 25 kN ↓H: 40 kN ←
  1. 1элемент AB
  2. 2элемент BC
  3. 3элемент CD
  4. 4элемент DE
  5. 5элемент FG
  6. 6элемент GH
  7. 7элемент AF
  8. 8элемент HE
  9. 9элемент BF
  10. 10элемент CG
  11. 11элемент DH
  12. 12элемент BG
  13. 13элемент DG
7.Прогиб балкиСредняя
w = 4 kN/mδL = 2 m

Шарнирно опёртая балка нагружена равномерно распределённой нагрузкой w по всему пролёту. Найдите наибольший прогиб δmax в середине пролёта.

w = 4 kN/mL = 2 mE = 11 GPa (конструкционная древесина)I = 36 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
8.Прогиб балкиСложная
P = 40 kNAB1,5 m1,5 m

Балка защемлена в A и шарнирно оперта в B (консоль с дополнительной опорой). Она нагружена сосредоточенной силой P в середине пролёта. EI постоянна. Найдите величину изгибающего момента MA в заделке.

L = 3 mP = 40 kN в 1,5 m
MA = kN·m
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 1 m25 × 100 mmпоперечное сечение

Колонна длиной L из материала (сталь) защемлена внизу и свободна вверху. По формуле Эйлера найдите её критическую силу Pcr.

L = 1 mE = 200 GPa (сталь)b × h = 25 × 100 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
PL = 2,5 md = 50 mmпоперечное сечение

Колонна длиной L из материала (сталь) защемлена внизу и шарнирно оперта вверху. Найдите её гибкость и критическое напряжение σcr по формуле Эйлера.

L = 2,5 mE = 200 GPa (сталь)d = 50 mm
σcr = MPa

3Растворы

1.Опорные реакции балок

Ответ: RB = 16,67 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
RB = 16,67 kN
RA = 50 − 16,67 = 33,33 kN

Ответ

RB = 16,67 kN
2.Опорные реакции балок

Ответ: RA = 33,5 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.

w = 2 kN/mP = 50 kNABRA​RB​1 m0,5 m2,5 m

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 = 2·3 = 6 kN, приложена в x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·4 = 50·1,5 + 2·3·2,5
RB = 90/4 = 22,5 kN
ΣFy = 0: RA = 56 − 22,5 = 33,5 kN

Ответ

RA = 33,5 kN
3.Поперечная сила и изгибающий момент

Ответ: Mx = −72,25 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: −20·3 = −60 kN·m
w: −2·3,5²/2 = −12,25 kN·m
Mx = −60 − 12,25 = −72,25 kN·m

Ответ

Mx = −72,25 kN·m

Знак минус означает, что растянута верхняя грань.

4.Поперечная сила и изгибающий момент

Ответ: Mmax = 122,5 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. 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 = 10·9 = 90 kN, приложена в x̄ = 5,5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 10·9·5,5
RB = 495/10 = 49,5 kN
ΣFy = 0: RA = 90 − 49,5 = 40,5 kN

Нулевая поперечная сила

Поперечная сила начинается с RA, постоянна на любом незагруженном участке и убывает с наклоном w в пределах нагрузки.

RA − w·(x0 − 1) = 0
x0 = 1 + 40,5/10 = 5,05 m

Наибольший момент

Mmax = RA·x0 − w·(x0 − 1)²/2 = 40,5·5,05 − 10·4,05²/2 = 122,5 kN·m

Ответ

Mmax = 122,5 kN·m
5.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).

AB: 6,562 kN (T), BC: 13,12 kN (T), CD: 13,12 kN (T), DE: 19,69 kN (T), FG: 6,562 kN (C), GH: 19,69 kN (C), AF: 10,94 kN (C), HE: 32,81 kN (C), BF: 8,75 kN (T), CG: 0, DH: 26,25 kN (T), BG: 10,94 kN (C), DG: 10,94 kN (T)

Ответ

Нулевой элемент: CG
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).

AB: 10,31 kN (C), BC: 19,37 kN (T), CD: 19,37 kN (T), DE: 30,31 kN (T), FG: 29,69 kN (C), GH: 70,31 kN (C), AF: 49,48 kN (C), HE: 50,52 kN (C), BF: 39,58 kN (T), CG: 0, DH: 15,42 kN (T), BG: 49,48 kN (C), DG: 18,23 kN (T)

Ответ

Нулевой элемент: CG
7.Прогиб балки

Ответ: δmax = 2,104 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 = 4 N/mm, L = 2000 mm
EI = 3,96 × 10¹¹ N·mm²

Прогиб

δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·4·2000⁴/(384·3,96 × 10¹¹) = 2,104 mm

Ответ

δmax = 2,104 mm
8.Прогиб балки

Ответ: MA = 22,5 kN·m

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). Для статически неопределимой балки отбросьте лишнюю опору и потребуйте, чтобы прогиб в этом месте был равен нулю (условие совместности).

Отбрасываем опору

Без опоры балка становится консолью. Её свободный конец прогнулся бы под нагрузкой.

δload = P(L/2)²(3L − L/2)/(6EI) = 5PL³/(48EI)

Условие совместности на опоре

Одна сила реакции опоры RB поднимает свободный конец на RBL³/(3EI). Опора удерживает B с нулевым прогибом, поэтому эти прогибы должны взаимно погаситься. EI сокращается.

RB·L³/(3EI) = 5PL³/(48EI) → RB = 5P/16 = 5·40/16 = 12,5 kN

Момент в заделке

Моменты нагрузок и реакции опоры относительно A.

MA = P·L/2 − RB·L = 60 − 37,5 = 22,5 kN·m

Ответ

MA = 22,5 kN·m
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 64,26 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.

Imin = h·b³/12 = 100·25³/12 = 130208 mm⁴

Расчётная длина

KL = 2·1000 = 2000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·130208/2000² = 64255 N = 64,26 kN

Ответ

Pcr = 64,26 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: σcr = 100,7 MPa

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.

I = πd⁴/64 = π·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Радиус инерции и гибкость

A = 1963 mm²
r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12,5 mm
KL = 0,7·2500 = 1750 mm
KL/r = 1750/12,5 = 140

Критическое напряжение

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/140² = 100,7 MPa

Ответ

σcr = 100,7 MPa

ExamProblems · examproblems.com/courses/structural-analysis