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
w = 3 kN/mP = 70 kNABMA​ = ?3 m3 m

Консольная балка защемлена в стене в точке A. Она нагружена равномерно распределённой нагрузкой w от стены до 3 m и сосредоточенной силой P на расстоянии 6 m от стены. Найдите величину реактивного момента MA в заделке.

L = 6 mP = 70 kN в 6 mw = 3 kN/m от 0 до 3 m
MA = kN·m
2.Опорные реакции балокСложная
w = 8 kN/mP = 40 kNABCRA​ = ?6 m1 m1 m2 m

Балка имеет неподвижную шарнирную опору в A и подвижную опору в B на расстоянии 8 m от A и консольный свес за B до свободного конца C. Она нагружена сосредоточенной силой P на расстоянии 6 m от A и равномерно распределённой нагрузкой w от 7 m до свободного конца в точке 10 m. Найдите вертикальную реакцию RA, считая положительным направление вверх.

AB = 8 mAC = 10 mP = 40 kN в 6 mw = 8 kN/m от 7 до 10 m
RA = kN
3.Поперечная сила и изгибающий моментСредняя
P1​ = 45 kNP2​ = 55 kNABC1,5 m2,5 m2 m

Балка опирается на неподвижный шарнир в A и подвижную опору в B и имеет консольный свес длиной 2 m за B до свободного конца C. Она нагружена сосредоточенной силой P1 между опорами и сосредоточенной силой P2 в C. Найдите изгибающий момент MB на опоре B. Положительными считайте моменты, растягивающие нижние волокна, и поперечную силу, направленную вверх на левой грани.

L = 6 mP1 = 45 kN в 1,5 mP2 = 55 kN в 6 mопоры при x = 0 и x = 4 m
MB = kN·m
4.Поперечная сила и изгибающий моментСложная
w = 10 kN/mP = 35 kNABсечение2,5 m3,5 m

Найдите изгибающий момент Mx в сечении x = 2,5 m от опоры A. Положительными считайте моменты, растягивающие нижние волокна, и поперечную силу, направленную вверх на левой грани.

L = 6 mP = 35 kN в 2,5 mw = 10 kN/m от 0 до 6 mx = 2,5 m
Mx = kN·m
5.Ферма: метод вырезания узловСредняя
ABCDEFGH30 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.

G: 30 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
ABCDEFGH35 kN30 kN40 kN20 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: 35 kN ↓D: 30 kN ↓F: 40 kN ↓F: 20 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 FC
  13. 13элемент HC
7.Прогиб балкиСредняя
w = 4 kN/mδL = 3 m

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

w = 4 kN/mL = 3 mE = 70 GPa (алюминий)I = 57 × 10⁶ mm⁴
δ = mm
8.Прогиб балкиСложная
w = 1 kN/mABδ4 m

Шарнирно опёртая деревянная балка прямоугольного сечения шириной 75 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 = 4 mE = 11 GPa (конструкционная древесина)b = 75 mm
hreq = mm
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 1,5 m25 × 50 mmпоперечное сечение

Колонна длиной L из материала (алюминий) защемлена с обоих концов. По формуле Эйлера найдите её критическую силу Pcr.

L = 1,5 mE = 70 GPa (алюминий)b × h = 25 × 50 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
PL = 3 md = 20 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 = 3 mE = 200 GPa (сталь)d = 20 mm
σcr = MPa

3Растворы

1.Опорные реакции балок

Ответ: MA = 433,5 kN·m

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 = 3·3 = 9 kN, x̄ = 1,5 m

Момент относительно стены

MA = P·a + W·x̄ = 70·6 + 9·1,5 = 433,5 kN·m

Ответ

MA = 433,5 kN·m
2.Опорные реакции балок

Ответ: RA = 8,5 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 распределённой нагрузки

W = 8·3 = 24 kN, x̄ = (7 + 10)/2 = 8,5 m

Равновесие

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

ΣMA = 0: RB·8 = 40·6 + 24·8,5
RB = 444/8 = 55,5 kN
RA = 64 − 55,5 = 8,5 kN

Ответ

RA = 8,5 kN
3.Поперечная сила и изгибающий момент

Ответ: MB = −110 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·4 = 45·1,5 + 55·6
RB = 397,5/4 = 99,38 kN
ΣFy = 0: RA = 100 − 99,38 = 0,625 kN

Сечение в B, оставляем консольный свес

На консольный свес действует только P2 с плечом a. Она изгибает балку над опорой так, что растянуты верхние волокна (отрицательный момент).

MB = −P2·a = −55·2 = −110 kN·m

Ответ

MB = −110 kN·m
4.Поперечная сила и изгибающий момент

Ответ: Mx = 94,79 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 = 10·6 = 60 kN, приложена в x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·6 = 35·2,5 + 10·6·3
RB = 267,5/6 = 44,58 kN
ΣFy = 0: RA = 95 − 44,58 = 50,42 kN
w = 10 kN/mP = 35 kNABRA​ = 50,42RB​ = 44,58сечение2,5 m3,5 m

Рассеките в x = 2,5 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 = 50,42·2,5 − 10·2,5·1,25 = 94,79 kN·m

Ответ

Mx = 94,79 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: 30 kN (T), BC: 60 kN (T), CD: 60 kN (T), DE: 50 kN (T), FG: 30 kN (C), GH: 50 kN (C), AF: 37,5 kN (C), HE: 62,5 kN (C), BF: 22,5 kN (T), CG: 0, DH: 7,5 kN (T), BG: 37,5 kN (C), DG: 12,5 kN (C)

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 G

FG и GH 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: 100 kN (T), BC: 100 kN (T), CD: 60 kN (T), DE: 60 kN (T), FG: 80 kN (C), GH: 80 kN (C), AF: 100 kN (C), HE: 75 kN (C), BF: 35 kN (T), CG: 0, DH: 30 kN (T), FC: 25 kN (C), HC: 25 kN (T)

Ответ

Нулевой элемент: CG
7.Прогиб балки

Ответ: δ = 10,15 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 = 3000 mm
EI = 3,99 × 10¹² N·mm²

Прогиб

δ = wL⁴/(8EI) = 4·3000⁴/(8·3,99 × 10¹²) = 10,15 mm

Ответ

δ = 10,15 mm
8.Прогиб балки

Ответ: hreq = 163,4 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 = 1 N/mm, L = 4000 mm, E = 11000 N/mm²

Ограничение прогиба

δallow = L/360 = 4000/360 = 11,11 mm

Требуемый момент инерции

Ireq = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·1·4000⁴/(384·11000·11,11) = 2,727 × 10⁷ mm⁴

Требуемая высота

bh³/12 = Ireq → h = (12·2,727 × 10⁷/75)1/3 = 163,4 mm

Ответ

hreq = 163,4 mm

На практике выберите ближайшую большую стандартную высоту.

9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 79,96 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.

Imin = h·b³/12 = 50·25³/12 = 65104 mm⁴

Расчётная длина

KL = 0,5·1500 = 750 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·65104/750² = 79962 N = 79,96 kN

Ответ

Pcr = 79,96 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: σcr = 11,19 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·20⁴/64 = 7854 mm⁴

Радиус инерции и гибкость

A = 314,2 mm²
r = √(I/A) = √(7854/314,2) = 5 mm
KL = 0,7·3000 = 2100 mm
KL/r = 2100/5 = 420

Критическое напряжение

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/420² = 11,19 MPa

Ответ

σcr = 11,19 MPa

ExamProblems · examproblems.com/courses/structural-analysis