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 = 6 mP1 = 10 kN в 1,5 mP2 = 20 kN в 5 m
RA = kN
2.Опорные реакции балокСложная
Шарнирно опёртая балка имеет неподвижную шарнирную опору в A и подвижную в B. На расстоянии 3 m от A действует сила P, наклонённая под углом 30° к горизонтали, а на расстоянии 0,5 m от A — вертикальная сила Q. Найдите угол α между полной силой реакции в шарнире A и горизонталью.
L = 4 mP = 10 kN в 3 m, θ = 30°Q = 35 kN в 0,5 m
α = °
3.Поперечная сила и изгибающий моментСредняя
Отметки от A до G делят балку на шесть равных частей. В какой отметке изгибающий момент наибольший по величине, положительный или отрицательный? Нажмите на неё на схеме.
25 kN @ 10 m25 kN @ 6 m
1A (x = 0 m)
2B (x = 2 m)
3C (x = 4 m)
4D (x = 6 m)
5E (x = 8 m)
6F (x = 10 m)
7G (x = 12 m)
4.Поперечная сила и изгибающий моментСложная
Найдите изгибающий момент Mx в сечении x = 0,5 m от опоры A. Положительными считайте моменты, растягивающие нижние волокна, и поперечную силу, направленную вверх на левой грани.
L = 5 mP = 15 kN в 4 mw = 10 kN/m от 0 до 5 mx = 0,5 m
Mx = kN·m
5.Ферма: метод вырезания узловСредняя
Методом вырезания узлов найдите усилие FAB в стержне AB. Растяжение указывайте положительным, сжатие — отрицательным.
пролёт = 8 mвысота = 2 mB на расстоянии 2 m от Aвертикальная нагрузка = 40 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 2 m от Aвертикальная нагрузка = 50 kNгоризонтальная нагрузка = 15 kN →
FAB = kN
7.Прогиб балкиСредняя
Шарнирно опёртая балка нагружена равномерно распределённой нагрузкой w по всему пролёту. Найдите наибольший прогиб δmax в середине пролёта.
w = 2 kN/mL = 3 mE = 11 GPa (конструкционная древесина)I = 84 × 10⁶ mm⁴
δmax = 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 = 4 kN/mL = 1,5 mE = 11 GPa (конструкционная древесина)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.Устойчивость колоннСредняя
Колонна длиной L из материала (сталь) защемлена внизу и шарнирно оперта вверху. По формуле Эйлера найдите её критическую силу Pcr.
L = 4 mE = 200 GPa (сталь)b × h = 30 × 50 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
Сплошная круглая колонна длиной L из материала (сталь) защемлена внизу и свободна вверху. Она должна выдерживать 115 kN с коэффициентом запаса устойчивости 2,5. Найдите наименьший диаметр d.
P = 115 kNn = 2,5L = 3 mE = 200 GPa (сталь)
d = mm
3Растворы
1.Опорные реакции балок
Ответ: RA = 10,83 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·6 = 10·1,5 + 20·5
RB = 115/6 = 19,17 kN
ΣFy = 0: RA = 30 − 19,17 = 10,83 kN
Ответ
RA = 10,83 kN
2.Опорные реакции балок
Ответ: α = 74,8 °
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 = 10·sin 30° = 5 kN
Ph = 10·cos 30° = 8,66 kN
Реакции
ΣMA = 0: RB·4 = 5·3 + 35·0,5 → RB = 8,125 kN
Ay = 5 + 35 − 8,125 = 31,88 kN
Ax = Ph = 8,66 kN
Направление реакции в A
α = atan(Ay/Ax) = atan(31,88/8,66) = 74,8°
Ответ
α = 74,8°
3.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: D (x = 6 m)
Наибольший изгибающий момент: наклон M меняется там, где меняется поперечная сила, поэтому его пики находятся там, где поперечная сила проходит через нуль: под сосредоточенной силой, внутри распределённой нагрузки или над опорой консольного свеса. В жёсткой заделке консоли момент наибольший у стены. Сравните величину M в этих местах, положительную или отрицательную.
Опорные реакции
Возьмите моменты относительно одной опоры, затем используйте баланс вертикальных сил.
R1 = 16,67 kN, R2 = 33,33 kN
Изгибающий момент в каждой отметке
Сложите моменты всех сил по одну сторону от сечения. Прогибающий (растягивающий нижние волокна) момент положителен, выгибающий вверх — отрицателен.
MA = 0, MB = 33,33, MC = 66,67, MD = 100 kN·m, ME = 83,33, MF = 66,67, MG = 0
Ответ
Отметка D: MD = 100 kN·m
4.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: Mx = 12,75 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 = 10·5 = 50 kN, приложена в x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 15·4 + 10·5·2,5
RB = 185/5 = 37 kN
ΣFy = 0: RA = 65 − 37 = 28 kN
Рассеките в x = 0,5 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 = 28·0,5 − 10·0,5·0,25 = 12,75 kN·m
Ответ
Mx = 12,75 kN·m
5.Ферма: метод вырезания узлов
Ответ: FAB = −42,43 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 = 40·2 → Cy = 10 kN
ΣFy = 0: Ay = 40 − 10 = 30 kN
Узел A
Предположите, что каждый стержень растянут (тянет от узла). Только AB имеет вертикальную составляющую в узле A.
sin α = 2/2,828 = 0,7071
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −30/0,7071 = −42,43 kN
Ответ
FAB = −42,43 kN (сжатие)
6.Ферма: метод вырезания узлов
Ответ: FAB = −33,54 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 = 50·2 + 15·4 → Cy = 20 kN
ΣFy = 0: Ay = 50 − 20 = 30 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 = 4/4,472 = 0,8944
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −30/0,8944 = −33,54 kN
Ответ
FAB = −33,54 kN (сжатие)
7.Прогиб балки
Ответ: δmax = 2,283 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 = 2 N/mm, L = 3000 mm
EI = 9,24 × 10¹¹ N·mm²
Прогиб
δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·2·3000⁴/(384·9,24 × 10¹¹) = 2,283 mm
Ответ
δmax = 2,283 mm
8.Прогиб балки
Ответ: Ireq = 5,753 × 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 = 1500/360 = 4,167 mm
Требуемый момент инерции
I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·4·1500⁴/(384·11000·4,167) = 5,753 × 10⁶ mm⁴
Ireq = 5,753 × 10⁶ mm⁴
Ответ
Ireq = 5,753 × 10⁶ mm⁴
9.Устойчивость колонн
Ответ: Pcr = 28,32 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 = 2,5·115000 = 287500 N
KL = 2·3000 = 6000 mm
Выразите диаметр
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·287500·6000²/(π³·200000))^(1/4) = 101,7 mm
Ответ
d = 101,7 mm
Проверка: гибкость KL/r равна 236,1, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.