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 = 5 mP1 = 40 kN в 1 mP2 = 15 kN в 4 m
RA = kN
2.Опорные реакции балокСложная
Шарнирно опёртая балка имеет неподвижную шарнирную опору в A и подвижную в B. Найдите вертикальную опорную реакцию RB.
L = 10 mP = 25 kN в 1 mw = 6 kN/m от 4 до 10 m
RB = 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 1 m от A. Найдите изгибающий момент Mx в сечении x = 0,5 m от заделки A. Положительными считайте моменты, растягивающие нижние волокна, и поперечную силу, направленную вверх на левой грани.
L = 3 mP = 35 kN в 1 mw = 2 kN/m от 0 до 3 mx = 0,5 m
Mx = kN·m
4.Поперечная сила и изгибающий моментСложная
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.
15 kN @ 6 m12 kN/m, 0–4 m
1A (x = 0 m)
2B (x = 1 m)
3C (x = 2 m)
4D (x = 3 m)
5E (x = 4 m)
6F (x = 5 m)
7G (x = 6 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: 35 kN ↓G: 20 kN ↓H: 10 kN ↓
1элемент AB
2элемент BC
3элемент CD
4элемент DE
5элемент FG
6элемент GH
7элемент AF
8элемент HE
9элемент BF
10элемент CG
11элемент DH
12элемент FC
13элемент HC
6.Ферма: метод вырезания узловСложная
Методом вырезания узлов найдите усилие FAC в стержне AC. Растяжение указывайте положительным, сжатие — отрицательным.
пролёт = 5 mвысота = 2 mB на расстоянии 3 m от Aвертикальная нагрузка = 35 kNгоризонтальная нагрузка = 25 kN →
FAC = 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 = 2 kNa = 1,5 mL = 5 mE = 11 GPa (конструкционная древесина)I = 84 × 10⁶ mm⁴
δP = 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 = 5 kN/mL = 8 mE = 70 GPa (алюминий)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.Устойчивость колоннСредняя
Колонна длиной L из материала (сталь) шарнирно оперта с обоих концов. По формуле Эйлера найдите её критическую силу Pcr.
L = 3 mE = 200 GPa (сталь)b × h = 50 × 100 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
Сплошная круглая колонна длиной L из материала (сталь) защемлена внизу и свободна вверху. Она должна выдерживать 105 kN с коэффициентом запаса устойчивости 2,5. Найдите наименьший диаметр d.
P = 105 kNn = 2,5L = 5 mE = 200 GPa (сталь)
d = mm
3Растворы
1.Опорные реакции балок
Ответ: RA = 35 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·5 = 40·1 + 15·4
RB = 100/5 = 20 kN
ΣFy = 0: RA = 55 − 20 = 35 kN
Ответ
RA = 35 kN
2.Опорные реакции балок
Ответ: RB = 27,7 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.
Равнодействующая распределённой нагрузки: W = w·ℓ = 6·6 = 36 kN, приложена в x̄ = 7 m
ΣMA = 0: RB·10 = 25·1 + 6·6·7
RB = 277/10 = 27,7 kN
ΣFy = 0: RA = 61 − 27,7 = 33,3 kN
Ответ
RB = 27,7 kN
3.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: Mx = −23,75 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.
Оставляем часть со свободным концом
P: −35·0,5 = −17,5 kN·m
w: −2·2,5²/2 = −6,25 kN·m
Mx = −17,5 − 6,25 = −23,75 kN·m
Ответ
Mx = −23,75 kN·m
Знак минус означает, что растянута верхняя грань.
4.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: E (x = 4 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 = 16,5 kN, R2 = 46,5 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 = 10,5, MC = 9, MD = −4,5, ME = −30 kN·m, MF = −15, MG = 0
Ответ
Отметка E: ME = −30 kN·m
5.Ферма: метод вырезания узлов
Ответ: элемент BF
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 B
AB и BC лежат на одной прямой, и узел не нагружен. Баланс сил поперёк этой прямой оставляет только BF.
ΣF⊥ = 0 → FBF = 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 = 35·3 + 25·2 → Cy = 31 kN
ΣFy = 0: Ay = 35 − 31 = 4 kN
ΣFx = 0: Ax = −25 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 = 2/2,828 = 0,7071, cos γ = 2/2,828 = 0,7071
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 = 2000 N, a = 1500 mm, b = 3500 mm, L = 5000 mm
EI = 9,24 × 10¹¹ N·mm²
Прогиб под силой
δP = Pa²b²/(3EIL) = 2000·1500²·3500²/(3·9,24 × 10¹¹·5000) = 3,977 mm
Ответ
δP = 3,977 mm
8.Прогиб балки
Ответ: Ireq = 171,4 × 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 = 8000/360 = 22,22 mm
Требуемый момент инерции
I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·5·8000⁴/(384·70000·22,22) = 1,714 × 10⁸ mm⁴
Ireq = 171,4 × 10⁶ mm⁴
Ответ
Ireq = 171,4 × 10⁶ mm⁴
9.Устойчивость колонн
Ответ: Pcr = 228,5 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 = 2,5·105000 = 262500 N
KL = 2·5000 = 10000 mm
Выразите диаметр
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·262500·10000²/(π³·200000))^(1/4) = 128,3 mm
Ответ
d = 128,3 mm
Проверка: гибкость KL/r равна 311,8, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.