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
P1​ = 35 kNP2​ = 45 kNABRA​RB​ = ?3 m2 m3 m

Шарнирно опёртая балка имеет неподвижную шарнирную опору в A и подвижную в B. Найдите вертикальную опорную реакцию RB.

L = 8 mP1 = 35 kN в 3 mP2 = 45 kN в 5 m
RB = kN
2.Опорные реакции балокСложная
w = 10 kN/mP = 55 kNABRA​RB​ = ?2 m2 m1 m

Шарнирно опёртая балка имеет неподвижную шарнирную опору в A и подвижную в B. Найдите вертикальную опорную реакцию RB.

L = 5 mP = 55 kN в 4 mw = 10 kN/m от 0 до 2 m
RB = kN
3.Поперечная сила и изгибающий моментСредняя
P1​ = 45 kNP2​ = 30 kNAB1,5 m2,5 m2 m

Шарнирно опёртая балка нагружена двумя сосредоточенными силами. Найдите наибольший изгибающий момент Mmax в балке.

L = 6 mP1 = 45 kN в 1,5 mP2 = 30 kN в 4 m
Mmax = kN·m
4.Поперечная сила и изгибающий моментСложная
w = 2 kN/mP = 40 kNABсечение3 m2 m

Найдите изгибающий момент Mx в сечении x = 3 m от опоры A. Положительными считайте моменты, растягивающие нижние волокна, и поперечную силу, направленную вверх на левой грани.

L = 5 mP = 40 kN в 3 mw = 2 kN/m от 0 до 5 mx = 3 m
Mx = kN·m
5.Ферма: метод вырезания узловСредняя
ABBCACACB60 kN6 m2 m2 m

Методом вырезания узлов найдите усилие FAC в стержне AC. Растяжение указывайте положительным, сжатие — отрицательным.

пролёт = 6 mвысота = 2 mB на расстоянии 2 m от Aвертикальная нагрузка = 60 kN
FAC = kN
6.Ферма: метод вырезания узловСложная
ABBCACACB40 kN15 kN4 m3 m4 m

Методом вырезания узлов найдите усилие FAC в стержне AC. Растяжение указывайте положительным, сжатие — отрицательным.

пролёт = 4 mвысота = 4 mB на расстоянии 3 m от Aвертикальная нагрузка = 40 kNгоризонтальная нагрузка = 15 kN ←
FAC = kN
7.Прогиб балкиСредняя
w = 12 kN/mδL = 5 m

Шарнирно опёртая балка нагружена равномерно распределённой нагрузкой w по всему пролёту. Найдите наибольший прогиб δmax в середине пролёта.

w = 12 kN/mL = 5 mE = 11 GPa (конструкционная древесина)I = 160 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
8.Прогиб балкиСложная
w = 2 kN/mP = 3 kNδL = 2 m

Шарнирно опёртая балка нагружена равномерно распределённой нагрузкой w и сосредоточенной силой P в середине пролёта. Используя принцип суперпозиции, найдите прогиб в середине δmax.

P = 3 kNw = 2 kN/mL = 2 mE = 11 GPa (конструкционная древесина)I = 36 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 2 m20 × 40 mmпоперечное сечение

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

L = 2 mE = 70 GPa (алюминий)b × h = 20 × 40 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 25 kNL = 3 md = ?поперечное сечение

Сплошная круглая колонна длиной L из материала (сталь) защемлена внизу и шарнирно оперта вверху. Она должна выдерживать 25 kN с коэффициентом запаса устойчивости 3. Найдите наименьший диаметр d.

P = 25 kNn = 3L = 3 mE = 200 GPa (сталь)
d = mm

3Растворы

1.Опорные реакции балок

Ответ: RB = 41,25 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.

P1​ = 35 kNP2​ = 45 kNABRA​RB​3 m2 m3 m

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·8 = 35·3 + 45·5
RB = 330/8 = 41,25 kN
ΣFy = 0: RA = 80 − 41,25 = 38,75 kN

Ответ

RB = 41,25 kN
2.Опорные реакции балок

Ответ: RB = 48 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.

w = 10 kN/mP = 55 kNABRA​RB​2 m2 m1 m

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.

Равнодействующая распределённой нагрузки: W = w·ℓ = 10·2 = 20 kN, приложена в x̄ = 1 m
ΣMA = 0: RB·5 = 55·4 + 10·2·1
RB = 240/5 = 48 kN
ΣFy = 0: RA = 75 − 48 = 27 kN

Ответ

RB = 48 kN
3.Поперечная сила и изгибающий момент

Ответ: Mmax = 65,63 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.

ΣMA = 0: RB·6 = 45·1,5 + 30·4
RB = 187,5/6 = 31,25 kN
ΣFy = 0: RA = 75 − 31,25 = 43,75 kN

Момент под каждой силой

Оставляйте часть слева от каждой силы.

под P1: M = RA·1,5 = 43,75·1,5 = 65,63 kN·m
под P2: M = RB·2 = 31,25·2 = 62,5 kN·m

Наибольшее значение

Mmax = 65,63 kN·m (под P1)

Ответ

Mmax = 65,63 kN·m
4.Поперечная сила и изгибающий момент

Ответ: Mx = 54 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 = 2·5 = 10 kN, приложена в x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 40·3 + 2·5·2,5
RB = 145/5 = 29 kN
ΣFy = 0: RA = 50 − 29 = 21 kN
w = 2 kN/mP = 40 kNABRA​ = 21RB​ = 29сечение3 m2 m

Рассеките в x = 3 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 = 21·3 − 2·3·1,5 = 54 kN·m

Ответ

Mx = 54 kN·m
5.Ферма: метод вырезания узлов

Ответ: FAC = 40 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.

ABBCACACB60 kNAy​Cy​

Опорные реакции

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

ΣMA = 0: Cy·6 = 60·2 → Cy = 20 kN
ΣFy = 0: Ay = 60 − 20 = 40 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
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −20/0,4472 = −44,72 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−44,72)·0,8944 = 40 kN

Ответ

FAC = 40 kN (растяжение)
6.Ферма: метод вырезания узлов

Ответ: FAC = 3,75 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.

ABBCACACB40 kN15 kNAy​Cy​Ax​

Опорные реакции

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

ΣMA = 0: Cy·4 = 40·3 − 15·4 → Cy = 15 kN
ΣFy = 0: Ay = 40 − 15 = 25 kN
ΣFx = 0: Ax = 15 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 = 4/4,123 = 0,9701, cos γ = 1/4,123 = 0,2425
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −15/0,9701 = −15,46 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−15,46)·0,2425 = 3,75 kN

Ответ

FAC = 3,75 kN (растяжение)
7.Прогиб балки

Ответ: δmax = 55,49 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 = 12 N/mm, L = 5000 mm
EI = 1,76 × 10¹² N·mm²

Прогиб

δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·12·5000⁴/(384·1,76 × 10¹²) = 55,49 mm

Ответ

δmax = 55,49 mm
8.Прогиб балки

Ответ: δmax = 2,315 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 = 3000 N, w = 2 N/mm, L = 2000 mm, EI = 3,96 × 10¹¹ N·mm²

Каждая нагрузка отдельно

δP = PL³/(48EI) = 3000·2000³/(48·3,96 × 10¹¹) = 1,263 mm
δw = 5wL⁴/(384EI) = 5·2·2000⁴/(384·3,96 × 10¹¹) = 1,052 mm

Сложите

δmax = 1,263 + 1,052 = 2,315 mm

Ответ

δmax = 2,315 mm
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 4,606 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 = 40·20³/12 = 26667 mm⁴

Расчётная длина

KL = 1·2000 = 2000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·26667/2000² = 4606 N = 4,606 kN

Ответ

Pcr = 4,606 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 42,98 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 = 3·25000 = 75000 N
KL = 0,7·3000 = 2100 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·75000·2100²/(π³·200000))^(1/4) = 42,98 mm

Ответ

d = 42,98 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 195,4, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

ExamProblems · examproblems.com/courses/structural-analysis