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
Консольная балка защемлена в стене в точке A. Она нагружена равномерно распределённой нагрузкой w от стены до 2 m и сосредоточенной силой P на расстоянии 3,5 m от стены. Найдите вертикальную реакцию RA в заделке.
L = 4 mP = 50 kN в 3,5 mw = 5 kN/m от 0 до 2 m
RA = kN
2.Опорные реакции балокСложная
Шарнирно опёртая балка имеет неподвижную шарнирную опору в A и подвижную в B. На расстоянии 7 m от A действует сила P, наклонённая под углом 40° к горизонтали, а на расстоянии 1 m от A — вертикальная сила Q. Найдите величину полной силы реакции RA в шарнире A.
L = 10 mP = 15 kN в 7 m, θ = 40°Q = 80 kN в 1 m
RA = 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.
35 kN @ 4 m10 kN @ 2 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
Балка опирается на неподвижный шарнир в A и подвижную опору в B и имеет консольный свес длиной 2,5 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 = 10,5 mw = 6 kN/m от 0 до 10,5 mопоры при x = 0 и x = 8 m
Mmax = kN·m
5.Ферма: метод вырезания узловСредняя
Методом вырезания узлов найдите усилие FAC в стержне AC. Растяжение указывайте положительным, сжатие — отрицательным.
пролёт = 6 mвысота = 3 mB на расстоянии 4 m от Aвертикальная нагрузка = 35 kN
FAC = kN
6.Ферма: метод вырезания узловСложная
Ровно один элемент этой фермы не несёт усилия при данных нагрузках. Какой это нулевой элемент? Нажмите на него на схеме.
Консоль нагружена равномерно распределённой нагрузкой w по всей длине и сосредоточенной силой P на свободном конце. Используя принцип суперпозиции, найдите прогиб δ свободного конца.
P = 11 kNw = 20 kN/mL = 2 mE = 200 GPa (сталь)I = 36 × 10⁶ mm⁴
δ = 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 δmax.
P = 11 kNw = 5 kN/mL = 2,5 mE = 11 GPa (конструкционная древесина)I = 36 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
9.Устойчивость колоннСредняя
Колонна длиной L из материала (алюминий) шарнирно оперта с обоих концов. По формуле Эйлера найдите её критическую силу Pcr.
L = 1,5 mE = 70 GPa (алюминий)b × h = 30 × 40 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
Сплошная круглая колонна длиной L из материала (сталь) защемлена внизу и свободна вверху. Она должна выдерживать 60 kN с коэффициентом запаса устойчивости 2. Найдите наименьший диаметр d.
P = 60 kNn = 2L = 4 mE = 200 GPa (сталь)
d = mm
3Растворы
1.Опорные реакции балок
Ответ: RA = 60 kN
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 распределённой нагрузки
W = 5·2 = 10 kN, x̄ = 1 m
Равновесие по вертикали
RA = P + W = 50 + 10 = 60 kN
Ответ
RA = 60 kN
2.Опорные реакции балок
Ответ: RA = 75,77 kN
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 = 15·sin 40° = 9,642 kN
Ph = 15·cos 40° = 11,49 kN
Реакции
ΣMA = 0: RB·10 = 9,642·7 + 80·1 → RB = 14,75 kN
Ay = 9,642 + 80 − 14,75 = 74,89 kN
Ax = Ph = 11,49 kN
Равнодействующая реакция в A
RA = √(11,49² + 74,89²) = 75,77 kN
Ответ
RA = 75,77 kN
3.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: C (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 = 31,67 kN, R2 = 13,33 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 = 63,33, MC = 106,7 kN·m, MD = 80, ME = 53,33, MF = 26,67, MG = 0
Ответ
Отметка C: MC = 106,7 kN·m
4.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: Mmax = 39,08 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 = 6·10,5 = 63 kN, приложена в x̄ = 5,25 m
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·6 = 35·4 → Cy = 23,33 kN
ΣFy = 0: Ay = 35 − 23,33 = 11,67 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 = 3/3,606 = 0,8321, cos γ = 2/3,606 = 0,5547
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).
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 = 11000 N, w = 20 N/mm, L = 2000 mm
EI = 7,2 × 10¹² N·mm²
Каждая нагрузка отдельно
δP = PL³/(3EI) = 11000·2000³/(3·7,2 × 10¹²) = 4,074 mm
δw = wL⁴/(8EI) = 20·2000⁴/(8·7,2 × 10¹²) = 5,556 mm
Сложите
δ = 4,074 + 5,556 = 9,63 mm
Ответ
δ = 9,63 mm
8.Прогиб балки
Ответ: δmax = 15,46 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 = 11000 N, w = 5 N/mm, L = 2500 mm, EI = 3,96 × 10¹¹ N·mm²
Каждая нагрузка отдельно
δP = PL³/(48EI) = 11000·2500³/(48·3,96 × 10¹¹) = 9,042 mm
δw = 5wL⁴/(384EI) = 5·5·2500⁴/(384·3,96 × 10¹¹) = 6,422 mm
Сложите
δmax = 9,042 + 6,422 = 15,46 mm
Ответ
δmax = 15,46 mm
9.Устойчивость колонн
Ответ: Pcr = 27,63 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 = 2·60000 = 120000 N
KL = 2·4000 = 8000 mm
Выразите диаметр
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·120000·8000²/(π³·200000))^(1/4) = 94,36 mm
Ответ
d = 94,36 mm
Проверка: гибкость KL/r равна 339,1, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.