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​ = 8 kN/mP = 80 kNABRA​ = ?3,5 m1,5 m

Шарнирно опёртая балка (неподвижный шарнир в A, подвижная опора в B) нагружена линейно изменяющейся нагрузкой, убывающей от 8 kN/m в A до нуля в B. Кроме того, на расстоянии 3,5 m от A действует сосредоточенная сила P. Найдите вертикальную опорную реакцию RA.

L = 5 mw0 = 8 kN/mP = 80 kN в 3,5 m
RA = kN
2.Опорные реакции балокСложная
P = 25 kN, 60°Q = 25 kNABα = ?4 m4 m2 m

Шарнирно опёртая балка имеет неподвижную шарнирную опору в A и подвижную в B. На расстоянии 4 m от A действует сила P, наклонённая под углом 60° к горизонтали, а на расстоянии 8 m от A — вертикальная сила Q. Найдите угол α между полной силой реакции в шарнире A и горизонталью.

L = 10 mP = 25 kN в 4 m, θ = 60°Q = 25 kN в 8 m
α = °
3.Поперечная сила и изгибающий моментСредняя
P1​ = 30 kNP2​ = 60 kNABC1,5 m3,5 m1 m

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. Она нагружена сосредоточенной силой P1 между опорами и сосредоточенной силой P2 в C. Найдите изгибающий момент Mx под силой P1. Положительными считайте моменты, растягивающие нижние волокна, и поперечную силу, направленную вверх на левой грани.

L = 6 mP1 = 30 kN в 1,5 mP2 = 60 kN в 6 mопоры при x = 0 и x = 5 m
Mx = kN·m
4.Поперечная сила и изгибающий моментСложная
w = 3 kN/mP = 60 kNAB2 m4 m

Шарнирно опёртая балка нагружена равномерно распределённой нагрузкой w по всему пролёту и сосредоточенной силой P. Найдите наибольший изгибающий момент Mmax в балке.

L = 6 mP = 60 kN в 2 mw = 3 kN/m от 0 до 6 m
Mmax = kN·m
5.Ферма: метод вырезания узловСредняя
ABCDEFGH15 kN20 kN30 kN4 × 4 m3 m

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

B: 15 kN ↓D: 20 kN ↓H: 30 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
ABBCACACB25 kN30 kN8 m5 m2 m

Методом вырезания узлов найдите усилие FBC в стержне BC. Растяжение указывайте положительным, сжатие — отрицательным.

пролёт = 8 mвысота = 2 mB на расстоянии 5 m от Aвертикальная нагрузка = 25 kNгоризонтальная нагрузка = 30 kN →
FBC = kN
7.Прогиб балкиСредняя
w = 4 kN/mδL = 4 m

Консоль нагружена равномерно распределённой нагрузкой w по всей длине. Найдите прогиб δ свободного конца.

w = 4 kN/mL = 4 mE = 200 GPa (сталь)I = 12 × 10⁶ mm⁴
δ = mm
8.Прогиб балкиСложная
w = 10 kN/mAB4 m

Балка защемлена в A и шарнирно оперта в B (консоль с дополнительной опорой). Она нагружена равномерно распределённой нагрузкой w по всей длине. EI постоянна. Найдите величину изгибающего момента MA в заделке.

L = 4 mw = 10 kN/m
MA = kN·m
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 4 md = 60 mmпоперечное сечение

Колонна длиной L из материала (сталь) шарнирно оперта с обоих концов. По формуле Эйлера найдите её критическую силу Pcr.

L = 4 mE = 200 GPa (сталь)d = 60 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 15 kNL = 5 md = ?поперечное сечение

Сплошная круглая колонна длиной L из материала (алюминий) защемлена с обоих концов. Она должна выдерживать 15 kN с коэффициентом запаса устойчивости 2,5. Найдите наименьший диаметр d.

P = 15 kNn = 2,5L = 5 mE = 70 GPa (алюминий)
d = mm

3Растворы

1.Опорные реакции балок

Ответ: RA = 37,33 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 = ½·8·5 = 20 kN
x̄ = L/3 = 1,667 m

Равновесие

Моменты относительно A, положительные против часовой стрелки. Затем равновесие вертикальных сил.

ΣMA = 0: RB·5 = 20·1,667 + 80·3,5
RB = 62,67 kN
RA = 100 − 62,67 = 37,33 kN

Ответ

RA = 37,33 kN
2.Опорные реакции балок

Ответ: α = 55,21 °

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 = 25·sin 60° = 21,65 kN
Ph = 25·cos 60° = 12,5 kN

Реакции

ΣMA = 0: RB·10 = 21,65·4 + 25·8 → RB = 28,66 kN
Ay = 21,65 + 25 − 28,66 = 17,99 kN
Ax = Ph = 12,5 kN

Направление реакции в A

α = atan(Ay/Ax) = atan(17,99/12,5) = 55,21°

Ответ

α = 55,21°
3.Поперечная сила и изгибающий момент

Ответ: Mx = 13,5 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.

Опорные реакции

Равновесие всей балки. Сила на консольном свесе тоже создаёт момент относительно A.

ΣMA = 0: RB·5 = 30·1,5 + 60·6
RB = 405/5 = 81 kN
ΣFy = 0: RA = 90 − 81 = 9 kN

Сечение под P1, оставляем левую часть

Mx = RA·1,5 = 9·1,5 = 13,5 kN·m

Ответ

Mx = 13,5 kN·m
4.Поперечная сила и изгибающий момент

Ответ: Mmax = 92 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 = 3·6 = 18 kN, приложена в x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·6 = 60·2 + 3·6·3
RB = 174/6 = 29 kN
ΣFy = 0: RA = 78 − 29 = 49 kN

Где V = 0?

V(2⁻) = RA − w·2 = 43 kN
V(2⁺) = 43 − 60 = −17 kN
Поперечная сила меняет знак под силой, поэтому максимум находится под силой.

Наибольший момент

Mmax = RA·2 − w·2²/2 = 49·2 − 3·2²/2 = 92 kN·m

Ответ

Mmax = 92 kN·m

Он достигается при x = 2 m от A.

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: 31,67 kN (T), BC: 43,33 kN (T), CD: 43,33 kN (T), DE: 55 kN (T), FG: 31,67 kN (C), GH: 55 kN (C), AF: 39,58 kN (C), HE: 68,75 kN (C), BF: 23,75 kN (T), CG: 0, DH: 11,25 kN (T), BG: 14,58 kN (C), DG: 14,58 kN (T)

Ответ

Нулевой элемент: CG
6.Ферма: метод вырезания узлов

Ответ: FBC = −41,69 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.

ABBCACACB25 kN30 kNAy​Cy​Ax​

Опорные реакции

Равновесие всей фермы. Моменты относительно A, положительные против часовой стрелки.

ΣMA = 0: Cy·8 = 25·5 + 30·2 → Cy = 23,13 kN
ΣFy = 0: Ay = 25 − 23,13 = 1,875 kN
ΣFx = 0: Ax = −30 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
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −23,13/0,5547 = −41,69 kN

Ответ

FBC = −41,69 kN (сжатие)
7.Прогиб балки

Ответ: δ = 53,33 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 = 4000 mm
EI = 2,4 × 10¹² N·mm²

Прогиб

δ = wL⁴/(8EI) = 4·4000⁴/(8·2,4 × 10¹²) = 53,33 mm

Ответ

δ = 53,33 mm
8.Прогиб балки

Ответ: MA = 20 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 = wL⁴/(8EI)

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) = wL⁴/(8EI) → RB = 3wL/8 = 3·10·4/8 = 15 kN

Момент в заделке

Моменты нагрузок и реакции опоры относительно A.

MA = wL²/2 − RB·L = 80 − 60 = 20 kN·m

Ответ

MA = 20 kN·m
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 78,48 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.

I = πd⁴/64 = π·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Расчётная длина

KL = 1·4000 = 4000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·636173/4000² = 78485 N = 78,48 kN

Ответ

Pcr = 78,48 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 51,27 mm

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 = 2,5·15000 = 37500 N
KL = 0,5·5000 = 2500 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·37500·2500²/(π³·70000))^(1/4) = 51,27 mm

Ответ

d = 51,27 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 195, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

ExamProblems · examproblems.com/courses/structural-analysis