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 RA.
L = 10 mP1 = 45 kN в 2 mP2 = 20 kN в 8 m
RA = kN
2.Опорные реакции балокСложная
Консольная балка защемлена в стене в точке A. Она нагружена линейно изменяющейся нагрузкой интенсивностью 6 kN/m у стены, убывающей до нуля на свободном конце B, а также сосредоточенной силой P на расстоянии 4 m от стены. Найдите величину реактивного момента MA в заделке.
L = 8 mw0 = 6 kN/mP = 25 kN в 4 m
MA = kN·m
3.Поперечная сила и изгибающий моментСредняя
Балка опирается на неподвижный шарнир в A и подвижную опору в B и имеет консольный свес длиной 1,5 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 = 7,5 mP1 = 65 kN в 3 mP2 = 50 kN в 7,5 mопоры при x = 0 и x = 6 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 наибольший положительный изгибающий момент Mmax между опорами.
L = 9 mw = 3 kN/m от 0 до 9 mопоры при x = 0 и x = 8 m
Mmax = kN·m
5.Ферма: метод вырезания узловСредняя
Ровно один элемент этой фермы не несёт усилия при данных нагрузках. Какой это нулевой элемент? Нажмите на него на схеме.
D: 30 kN ↓F: 10 kN ↓G: 35 kN ↓
1элемент AB
2элемент BC
3элемент CD
4элемент DE
5элемент FG
6элемент GH
7элемент AF
8элемент HE
9элемент BF
10элемент CG
11элемент DH
12элемент BG
13элемент DG
6.Ферма: метод вырезания узловСложная
Методом вырезания узлов найдите усилие FAB в стержне AB. Растяжение указывайте положительным, сжатие — отрицательным.
пролёт = 5 mвысота = 3 mB на расстоянии 1 m от Aвертикальная нагрузка = 25 kNгоризонтальная нагрузка = 15 kN ←
FAB = kN
7.Прогиб балкиСредняя
Консоль длиной L защемлена в A и нагружена сосредоточенной силой P на расстоянии a = 1 m от A. Найдите прогиб δB свободного конца B.
P = 25 kNa = 1 mL = 2,5 mE = 200 GPa (сталь)I = 120 × 10⁶ mm⁴
δB = mm
8.Прогиб балкиСложная
Шарнирно опёртая балка нагружена равномерно распределённой нагрузкой w. Её прогиб не должен превышать пролёт/360. Найдите наименьший момент инерции Ireq, удовлетворяющий этому условию.
w = 12 kN/mL = 2 mE = 11 GPa (конструкционная древесина)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.Устойчивость колоннСредняя
Колонна длиной L из материала (алюминий) защемлена с обоих концов. По формуле Эйлера найдите её критическую силу Pcr.
L = 4 mE = 70 GPa (алюминий)b × h = 25 × 40 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
Сплошная круглая колонна длиной L из материала (алюминий) защемлена внизу и шарнирно оперта вверху. Она должна выдерживать 80 kN с коэффициентом запаса устойчивости 2,5. Найдите наименьший диаметр d.
P = 80 kNn = 2,5L = 3 mE = 70 GPa (алюминий)
d = mm
3Растворы
1.Опорные реакции балок
Ответ: RA = 40 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 = 45·2 + 20·8
RB = 250/10 = 25 kN
ΣFy = 0: RA = 65 − 25 = 40 kN
Ответ
RA = 40 kN
2.Опорные реакции балок
Ответ: MA = 164 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 треугольной нагрузки
W = ½·6·8 = 24 kN
x̄ = L/3 = 2,667 m
Момент относительно стены
MA = W·x̄ + P·a = 24·2,667 + 25·4 = 164 kN·m
Ответ
MA = 164 kN·m
3.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: Mx = 60 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·6 = 65·3 + 50·7,5
RB = 570/6 = 95 kN
ΣFy = 0: RA = 115 − 95 = 20 kN
Сечение под P1, оставляем левую часть
Mx = RA·3 = 20·3 = 60 kN·m
Ответ
Mx = 60 kN·m
4.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: Mmax = 23,26 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 = 3·9 = 27 kN, приложена в x̄ = 4,5 m
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).
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 = 25·1 − 15·3 → Cy = −4 kN
ΣFy = 0: Ay = 25 − −4 = 29 kN
ΣFx = 0: Ax = 15 kN
Узел A
Предположите, что каждый стержень растянут (тянет от узла). Только AB имеет вертикальную составляющую в узле A.
sin α = 3/3,162 = 0,9487
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −29/0,9487 = −30,57 kN
Ответ
FAB = −30,57 kN (сжатие)
7.Прогиб балки
Ответ: δB = 1,128 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 = 25000 N, a = 1000 mm, L = 2500 mm
EI = 2,4 × 10¹³ N·mm²
Прогиб свободного конца
Прогиб под силой плюс угол поворота под силой, умноженный на оставшуюся длину.
δP = Pa³/(3EI) = 0,3472 mm
θP = Pa²/(2EI) = 0,0005208 rad
δB = δP + θP·(L − a) = Pa²(3L − a)/(6EI) = 1,128 mm
Ответ
δB = 1,128 mm
8.Прогиб балки
Ответ: Ireq = 40,91 × 10⁶ mm⁴
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).
Ограничение прогиба
δallow = L/360 = 2000/360 = 5,556 mm
Требуемый момент инерции
I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·12·2000⁴/(384·11000·5,556) = 4,091 × 10⁷ mm⁴
Ireq = 40,91 × 10⁶ mm⁴
Ответ
Ireq = 40,91 × 10⁶ mm⁴
9.Устойчивость колонн
Ответ: Pcr = 8,996 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.
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 = 2,5·80000 = 200000 N
KL = 0,7·3000 = 2100 mm
Выразите диаметр
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·200000·2100²/(π³·70000))^(1/4) = 71,41 mm
Ответ
d = 71,41 mm
Проверка: гибкость KL/r равна 117,6, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.