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. Найдите вертикальную опорную реакцию RB.
L = 10 mP1 = 60 kN в 2 mP2 = 25 kN в 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 RA.
L = 4 mP = 55 kN в 2 mw = 2 kN/m от 0 до 2 m
RA = kN
3.Поперечная сила и изгибающий моментСредняя
Найдите изгибающий момент Mx в сечении x = 6,5 m от опоры A. Положительными считайте моменты, растягивающие нижние волокна, и поперечную силу, направленную вверх на левой грани.
L = 10 mw = 6 kN/m от 0 до 10 mx = 6,5 m
Mx = kN·m
4.Поперечная сила и изгибающий моментСложная
Балка опирается на неподвижный шарнир в A и подвижную опору в B и имеет консольный свес длиной 1 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 = 5 mw = 3 kN/m от 0 до 5 mопоры при x = 0 и x = 4 m
MB = kN·m
5.Ферма: метод вырезания узловСредняя
Методом вырезания узлов найдите усилие FAB в стержне AB. Растяжение указывайте положительным, сжатие — отрицательным.
пролёт = 4 mвысота = 4 mB на расстоянии 1 m от Aвертикальная нагрузка = 45 kN
FAB = kN
6.Ферма: метод вырезания узловСложная
Методом вырезания узлов найдите усилие FAB в стержне AB. Растяжение указывайте положительным, сжатие — отрицательным.
пролёт = 8 mвысота = 4 mB на расстоянии 3 m от Aвертикальная нагрузка = 15 kNгоризонтальная нагрузка = 30 kN ←
FAB = kN
7.Прогиб балкиСредняя
Консоль нагружена равномерно распределённой нагрузкой w по всей длине. Найдите прогиб δ свободного конца.
w = 5 kN/mL = 2,5 mE = 11 GPa (конструкционная древесина)I = 36 × 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/360. Найдите наименьшую высоту hreq сечения.
w = 1 kN/mL = 3 mE = 11 GPa (конструкционная древесина)b = 50 mm
hreq = mm
9.Устойчивость колоннСредняя
Колонна длиной L из материала (алюминий) защемлена с обоих концов. По формуле Эйлера найдите её критическую силу Pcr.
L = 6 mE = 70 GPa (алюминий)d = 30 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
Сплошная круглая колонна длиной L из материала (сталь) защемлена внизу и свободна вверху. Она должна выдерживать 55 kN с коэффициентом запаса устойчивости 2. Найдите наименьший диаметр d.
P = 55 kNn = 2L = 1 mE = 200 GPa (сталь)
d = mm
3Растворы
1.Опорные реакции балок
Ответ: RB = 24,5 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.
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.
ΣMA = 0: RB·10 = 60·2 + 25·5
RB = 245/10 = 24,5 kN
ΣFy = 0: RA = 85 − 24,5 = 60,5 kN
Ответ
RB = 24,5 kN
2.Опорные реакции балок
Ответ: RA = 30,5 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.
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 = 2·2 = 4 kN, приложена в x̄ = 1 m
ΣMA = 0: RB·4 = 55·2 + 2·2·1
RB = 114/4 = 28,5 kN
ΣFy = 0: RA = 59 − 28,5 = 30,5 kN
Ответ
RA = 30,5 kN
3.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: Mx = 68,25 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.
Опорные реакции
Равновесие всей балки.
Равнодействующая распределённой нагрузки: W = w·ℓ = 6·10 = 60 kN, приложена в x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 6·10·5
RB = 300/10 = 30 kN
ΣFy = 0: RA = 60 − 30 = 30 kN
Рассеките в x = 6,5 m и оставьте левую часть
Учитываются только силы левее сечения. Участок распределённой нагрузки действует как одна сила посередине этого участка.
M = RA·x − (каждая нагрузка левее сечения × её расстояние до сечения)
Mx = 30·6,5 − 6·6,5·3,25 = 68,25 kN·m
Ответ
Mx = 68,25 kN·m
4.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: MB = −1,5 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 с учётом нагрузки на консольном свесе.
Равнодействующая распределённой нагрузки: W = w·ℓ = 3·5 = 15 kN, приложена в x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·4 = 3·5·2,5
RB = 37,5/4 = 9,375 kN
ΣFy = 0: RA = 15 − 9,375 = 5,625 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 = −3·1²/2 = −1,5 kN·m
Ответ
MB = −1,5 kN·m
5.Ферма: метод вырезания узлов
Ответ: FAB = −34,79 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·4 = 45·1 → Cy = 11,25 kN
ΣFy = 0: Ay = 45 − 11,25 = 33,75 kN
Узел A
Предположите, что каждый стержень растянут (тянет от узла). Только AB имеет вертикальную составляющую в узле A.
sin α = 4/4,123 = 0,9701
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −33,75/0,9701 = −34,79 kN
Ответ
FAB = −34,79 kN (сжатие)
6.Ферма: метод вырезания узлов
Ответ: FAB = −30,47 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·8 = 15·3 − 30·4 → Cy = −9,375 kN
ΣFy = 0: Ay = 15 − −9,375 = 24,38 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 = −24,38/0,8 = −30,47 kN
Ответ
FAB = −30,47 kN (сжатие)
7.Прогиб балки
Ответ: δ = 61,65 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 = 2500 mm
EI = 3,96 × 10¹¹ N·mm²
Прогиб
δ = wL⁴/(8EI) = 5·2500⁴/(8·3,96 × 10¹¹) = 61,65 mm
Ответ
δ = 61,65 mm
8.Прогиб балки
Ответ: hreq = 140,3 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 = (12·1,151 × 10⁷/50)1/3 = 140,3 mm
Ответ
hreq = 140,3 mm
На практике выберите ближайшую большую стандартную высоту.
9.Устойчивость колонн
Ответ: Pcr = 3,052 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 = 2·55000 = 110000 N
KL = 2·1000 = 2000 mm
Выразите диаметр
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·110000·2000²/(π³·200000))^(1/4) = 46,16 mm
Ответ
d = 46,16 mm
Проверка: гибкость KL/r равна 173,3, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.