Строительная механика: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (10) с полными решениями в конце.

Новые задачи Назад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Опорные реакции балок

Равновесие: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0, ΣM = 0
Равномерная нагрузка: равнодействующая w·L в середине нагрузки
Момент: M = F·d

Метод

Нарисуйте расчётную схему и замените каждую опору её реакциями.
Замените каждую распределённую нагрузку одной силой, приложенной в её центре тяжести.
Возьмите моменты относительно одной опоры, чтобы найти реакцию другой.
Найдите оставшуюся реакцию из ΣF_y = 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/y_max
Шарнирно опёртая, равномерная нагрузка: M_max = wL²/8

Метод

Найдите опорные реакции из равновесия всей балки.
Рассеките балку в нужном сечении и оставьте одну часть.
Поперечная сила: сумма вертикальных сил на этой части. Изгибающий момент: сумма их моментов относительно сечения.
Чтобы найти максимальный момент, найдите сечение, где поперечная сила равна нулю.

Ферма: метод вырезания узлов

Метод вырезания узлов: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0 at each joint
Метод сечений: ΣM = 0 about a cut point
Усилие в стержне: положительное = растяжение, отрицательное = сжатие

Метод

Найдите опорные реакции для всей фермы.
Метод вырезания узлов: начните с узла, где не более двух неизвестных усилий, и используйте ΣF_x = 0 и ΣF_y = 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: P_cr = π²EI/(KL)²
Коэффициент расчётной длины: K = 1 шарнир–шарнир, 0,5 заделка–заделка, 0,7 заделка–шарнир, 2 заделка–свободный конец
Критическое напряжение: σ_cr = P_cr/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. Она нагружена сосредоточенной силой P на расстоянии 7 m от A и сосредоточенным моментом M, направленным против часовой стрелки, на расстоянии 3 m от A. Найдите вертикальную реакцию R_B, считая положительным направление вверх.

L = 8 mP = 10 kN в 7 mM = 15 kN·m (против часовой стрелки) в 3 m

R_B = 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 3,5 m от A и равномерно распределённой нагрузкой w от 3 m до свободного конца в точке 5 m. Найдите вертикальную реакцию R_B, считая положительным направление вверх.

AB = 4 mAC = 5 mP = 35 kN в 3,5 mw = 10 kN/m от 3 до 5 m

R_B = kN

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.

55 kN @ 5 m40 kN @ 3 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)

4.Поперечная сила и изгибающий моментСложная

Найдите изгибающий момент M_x в сечении x = 2 m от опоры A. Положительными считайте моменты, растягивающие нижние волокна, и поперечную силу, направленную вверх на левой грани.

L = 10 mP = 15 kN в 2 mw = 2 kN/m от 0 до 10 mx = 2 m

M_x = kN·m

5.Ферма: метод вырезания узловСредняя

Методом вырезания узлов найдите усилие F_AB в стержне AB. Растяжение указывайте положительным, сжатие — отрицательным.

пролёт = 5 mвысота = 4 mB на расстоянии 2 m от Aвертикальная нагрузка = 15 kN

F_AB = kN

6.Ферма: метод вырезания узловСложная

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

пролёт = 5 mвысота = 3 mB на расстоянии 4 m от Aвертикальная нагрузка = 30 kNгоризонтальная нагрузка = 25 kN ←

F_AC = kN

7.Прогиб балкиСредняя

Шарнирно опёртая балка нагружена сосредоточенной силой P на расстоянии a = 2,5 m от опоры A. Найдите прогиб δ_P под силой.

P = 25 kNa = 2,5 mL = 4 mE = 200 GPa (сталь)I = 57 × 10⁶ mm⁴

δ_P = 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 δ_max.

P = 24 kNw = 10 kN/mL = 6 mE = 70 GPa (алюминий)I = 120 × 10⁶ mm⁴

δ_max = mm

9.Устойчивость колоннСредняя

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

L = 2,5 mE = 200 GPa (сталь)b × h = 50 × 60 mm

P_cr = kN

10.Устойчивость колоннСложная

Сплошная круглая колонна длиной L из материала (сталь) шарнирно оперта с обоих концов. Она должна выдерживать 140 kN с коэффициентом запаса устойчивости 3. Найдите наименьший диаметр d.

P = 140 kNn = 3L = 4 mE = 200 GPa (сталь)

d = mm

3Растворы

1.Опорные реакции балок

Ответ: R_B = 6,875 kN

Статическое равновесие: для покоящегося тела ΣF_x = 0, ΣF_y = 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.

ΣM_A = 0: R_B·8 − 10·7 + 15 = 0

R_B = 55/8 = 6,875 kN

Равновесие по вертикали

R_A = 10 − 6,875 = 3,125 kN

Ответ

R_B = 6,875 kN

Отрицательная реакция направлена вниз.

2.Опорные реакции балок

Ответ: R_B = 50,63 kN

Равнодействующая распределённой нагрузки

W = 10·2 = 20 kN, x̄ = (3 + 5)/2 = 4 m

Равновесие

Моменты относительно A, положительные против часовой стрелки. Затем равновесие вертикальных сил.

ΣM_A = 0: R_B·4 = 35·3,5 + 20·4

R_B = 202,5/4 = 50,63 kN

R_A = 55 − 50,63 = 4,375 kN

Ответ

R_B = 50,63 kN

3.Поперечная сила и изгибающий момент

Ответ: D (x = 3 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 = 29,17 kN, R₂ = 65,83 kN

Изгибающий момент в каждой отметке

Сложите моменты всех сил по одну сторону от сечения. Прогибающий (растягивающий нижние волокна) момент положителен, выгибающий вверх — отрицателен.

M_A = 0, M_B = 29,17, M_C = 58,33, M_D = 87,5 kN·m, M_E = 76,67, M_F = 65,83, M_G = 0

Ответ

Отметка D: M_D = 87,5 kN·m

4.Поперечная сила и изгибающий момент

Ответ: M_x = 40 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 = 2·10 = 20 kN, приложена в x̄ = 5 m

ΣM_A = 0: R_B·10 = 15·2 + 2·10·5

R_B = 130/10 = 13 kN

ΣF_y = 0: R_A = 35 − 13 = 22 kN

Рассеките в x = 2 m и оставьте левую часть

Учитываются только силы левее сечения. Участок распределённой нагрузки действует как одна сила посередине этого участка.

M = R_A·x − (каждая нагрузка левее сечения × её расстояние до сечения)

M_x = 22·2 − 2·2·1 = 40 kN·m

Ответ

M_x = 40 kN·m

5.Ферма: метод вырезания узлов

Ответ: F_AB = −10,06 kN

Метод вырезания узлов: каждый узел фермы находится в равновесии, поэтому в каждом узле ΣF_x = 0 и ΣF_y = 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.

ΣM_A = 0: C_y·5 = 15·2 → C_y = 6 kN

ΣF_y = 0: A_y = 15 − 6 = 9 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

ΣF_y = 0: A_y + F_AB·sin α = 0

F_AB = −9/0,8944 = −10,06 kN

Ответ

F_AB = −10,06 kN (сжатие)

6.Ферма: метод вырезания узлов

Ответ: F_AC = 3 kN

Опорные реакции

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

ΣM_A = 0: C_y·5 = 30·4 − 25·3 → C_y = 9 kN

ΣF_y = 0: A_y = 30 − 9 = 21 kN

ΣF_x = 0: A_x = 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 = 3/3,162 = 0,9487, cos γ = 1/3,162 = 0,3162

ΣF_y = 0: C_y + F_BC·sin γ = 0 → F_BC = −9/0,9487 = −9,487 kN

ΣF_x = 0: −F_AC − F_BC·cos γ = 0 → F_AC = −(−9,487)·0,3162 = 3 kN

Ответ

F_AC = 3 kN (растяжение)

7.Прогиб балки

Ответ: δ_P = 2,57 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 = 2500 mm, b = 1500 mm, L = 4000 mm

EI = 1,14 × 10¹³ N·mm²

Прогиб под силой

δ_P = Pa²b²/(3EIL) = 25000·2500²·1500²/(3·1,14 × 10¹³·4000) = 2,57 mm

Ответ

δ_P = 2,57 mm

8.Прогиб балки

Ответ: δ_max = 32,95 mm

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 = 24000 N, w = 10 N/mm, L = 6000 mm, EI = 8,4 × 10¹² N·mm²

Каждая нагрузка отдельно

δ_P = PL³/(48EI) = 24000·6000³/(48·8,4 × 10¹²) = 12,86 mm

δ_w = 5wL⁴/(384EI) = 5·10·6000⁴/(384·8,4 × 10¹²) = 20,09 mm

Сложите

δ_max = 12,86 + 20,09 = 32,95 mm

Ответ

δ_max = 32,95 mm

9.Устойчивость колонн

Ответ: P_cr = 197,4 kN

Потеря устойчивости по Эйлеру: гибкая колонна теряет устойчивость при P_cr = 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.

I_min = h·b³/12 = 60·50³/12 = 625000 mm⁴

Расчётная длина

KL = 1·2500 = 2500 mm

Критическая сила

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·200000·625000/2500² = 197392 N = 197,4 kN

Ответ

P_cr = 197,4 kN

10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 91,26 mm

Требуемая критическая сила

P_cr = n·P = 3·140000 = 420000 N

KL = 1·4000 = 4000 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·420000·4000²/(π³·200000))^(1/4) = 91,26 mm

Ответ

d = 91,26 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 175,3, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

ExamProblems · examproblems.com/courses/structural-analysis