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
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. Найдите вертикальную реакцию RB, считая положительным направление вверх.
AB = 8 mAC = 10 mP1 = 65 kN в 2 mP2 = 70 kN в 10 m
RB = kN
2.Опорные реакции балокСложная
Балка имеет неподвижную шарнирную опору в A и подвижную опору в B на расстоянии 4 m от A и консольный свес за B до свободного конца C. Она нагружена сосредоточенной силой P на расстоянии 2 m от A и равномерно распределённой нагрузкой w от 3,5 m до свободного конца в точке 5 m. Найдите вертикальную реакцию RA, считая положительным направление вверх.
AB = 4 mAC = 5 mP = 40 kN в 2 mw = 6 kN/m от 3,5 до 5 m
RA = kN
3.Поперечная сила и изгибающий моментСредняя
Консоль защемлена в A. Она нагружена равномерно распределённой нагрузкой w по всей длине и сосредоточенной силой P на расстоянии 2,5 m от A. Найдите изгибающий момент MA в заделке A. Положительными считайте моменты, растягивающие нижние волокна, и поперечную силу, направленную вверх на левой грани.
L = 5 mP = 25 kN в 2,5 mw = 4 kN/m от 0 до 5 m
MA = kN·m
4.Поперечная сила и изгибающий моментСложная
Найдите изгибающий момент Mx в сечении x = 1,5 m от опоры A. Положительными считайте моменты, растягивающие нижние волокна, и поперечную силу, направленную вверх на левой грани.
L = 4 mP = 45 kN в 1,5 mw = 8 kN/m от 0 до 4 mx = 1,5 m
Mx = kN·m
5.Ферма: метод вырезания узловСредняя
Методом вырезания узлов найдите усилие FBC в стержне BC. Растяжение указывайте положительным, сжатие — отрицательным.
пролёт = 5 mвысота = 4 mB на расстоянии 1 m от Aвертикальная нагрузка = 60 kN
FBC = kN
6.Ферма: метод вырезания узловСложная
Методом вырезания узлов найдите усилие FBC в стержне BC. Растяжение указывайте положительным, сжатие — отрицательным.
пролёт = 5 mвысота = 2 mB на расстоянии 1 m от Aвертикальная нагрузка = 60 kNгоризонтальная нагрузка = 5 kN ←
FBC = kN
7.Прогиб балкиСредняя
Шарнирно опёртая балка нагружена сосредоточенной силой P на расстоянии a = 1,5 m от опоры A. Найдите прогиб δP под силой.
P = 20 kNa = 1,5 mL = 6 mE = 200 GPa (сталь)I = 36 × 10⁶ mm⁴
δP = mm
8.Прогиб балкиСложная
Шарнирно опёртая балка нагружена равномерно распределённой нагрузкой w и сосредоточенной силой P в середине пролёта. Используя принцип суперпозиции, найдите прогиб в середине δmax.
P = 18 kNw = 10 kN/mL = 5 mE = 200 GPa (сталь)I = 160 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
9.Устойчивость колоннСредняя
Колонна длиной L из материала (алюминий) защемлена внизу и свободна вверху. По формуле Эйлера найдите её критическую силу Pcr.
L = 1 mE = 70 GPa (алюминий)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
Сплошная круглая колонна длиной L из материала (алюминий) защемлена внизу и свободна вверху. Она должна выдерживать 25 kN с коэффициентом запаса устойчивости 2,5. Найдите наименьший диаметр d.
P = 25 kNn = 2,5L = 3 mE = 70 GPa (алюминий)
d = mm
3Растворы
1.Опорные реакции балок
Ответ: RB = 103,8 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.
Моменты относительно A
Против часовой стрелки — положительно.
ΣMA = 0: RB·8 = 65·2 + 70·10
RB = 830/8 = 103,8 kN
Равновесие по вертикали
RA = 65 + 70 − 103,8 = 31,25 kN
Ответ
RB = 103,8 kN
2.Опорные реакции балок
Ответ: RA = 19,44 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 = 6·1,5 = 9 kN, x̄ = (3,5 + 5)/2 = 4,25 m
Равновесие
Моменты относительно A, положительные против часовой стрелки. Затем равновесие вертикальных сил.
ΣMA = 0: RB·4 = 40·2 + 9·4,25
RB = 118,3/4 = 29,56 kN
RA = 49 − 29,56 = 19,44 kN
Ответ
RA = 19,44 kN
3.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: MA = −112,5 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.
Оставляем часть со свободным концом
P: −25·2,5 = −62,5 kN·m
w: −4·5²/2 = −50 kN·m
MA = −62,5 − 50 = −112,5 kN·m
Ответ
MA = −112,5 kN·m
Знак минус означает, что растянута верхняя грань.
4.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: Mx = 57,19 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 = 8·4 = 32 kN, приложена в x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·4 = 45·1,5 + 8·4·2
RB = 131,5/4 = 32,88 kN
ΣFy = 0: RA = 77 − 32,88 = 44,13 kN
Рассеките в x = 1,5 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 = 44,13·1,5 − 8·1,5·0,75 = 57,19 kN·m
Ответ
Mx = 57,19 kN·m
5.Ферма: метод вырезания узлов
Ответ: FBC = −16,97 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·5 = 60·1 → Cy = 12 kN
ΣFy = 0: Ay = 60 − 12 = 48 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 = 4/5,657 = 0,7071, cos γ = 4/5,657 = 0,7071
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·5 = 60·1 − 5·2 → Cy = 10 kN
ΣFy = 0: Ay = 60 − 10 = 50 kN
ΣFx = 0: Ax = 5 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 = 2/4,472 = 0,4472, cos γ = 4/4,472 = 0,8944
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.
P = 20000 N, a = 1500 mm, b = 4500 mm, L = 6000 mm
EI = 7,2 × 10¹² N·mm²
Прогиб под силой
δP = Pa²b²/(3EIL) = 20000·1500²·4500²/(3·7,2 × 10¹²·6000) = 7,031 mm
Ответ
δP = 7,031 mm
8.Прогиб балки
Ответ: δmax = 4,008 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.
P = 18000 N, w = 10 N/mm, L = 5000 mm, EI = 3,2 × 10¹³ N·mm²
Каждая нагрузка отдельно
δP = PL³/(48EI) = 18000·5000³/(48·3,2 × 10¹³) = 1,465 mm
δw = 5wL⁴/(384EI) = 5·10·5000⁴/(384·3,2 × 10¹³) = 2,543 mm
Сложите
δmax = 1,465 + 2,543 = 4,008 mm
Ответ
δmax = 4,008 mm
9.Устойчивость колонн
Ответ: Pcr = 21,7 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
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 = 2,5·25000 = 62500 N
KL = 2·3000 = 6000 mm
Выразите диаметр
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·62500·6000²/(π³·70000))^(1/4) = 90,25 mm
Ответ
d = 90,25 mm
Проверка: гибкость KL/r равна 265,9, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.