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 по всей длине и сосредоточенной силой P на расстоянии 7 m от стены. Найдите вертикальную реакцию RA в заделке.
L = 8 mP = 70 kN в 7 mw = 4 kN/m от 0 до 8 m
RA = kN
2.Опорные реакции балокСложная
Консольная балка защемлена в стене в точке A. Она нагружена линейно изменяющейся нагрузкой интенсивностью 4 kN/m у стены, убывающей до нуля на свободном конце B, а также сосредоточенной силой P на расстоянии 5,5 m от стены. Найдите величину реактивного момента MA в заделке.
L = 6 mw0 = 4 kN/mP = 25 kN в 5,5 m
MA = kN·m
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 2 m от A. Найдите изгибающий момент MA в заделке A. Положительными считайте моменты, растягивающие нижние волокна, и поперечную силу, направленную вверх на левой грани.
L = 2 mP = 30 kN в 2 mw = 4 kN/m от 0 до 2 m
MA = 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.
60 kN @ 12 m60 kN @ 6 m6 kN/m, 0–8 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)
5.Ферма: метод вырезания узловСредняя
Методом вырезания узлов найдите усилие FBC в стержне BC. Растяжение указывайте положительным, сжатие — отрицательным.
пролёт = 8 mвысота = 3 mB на расстоянии 1 m от Aвертикальная нагрузка = 35 kN
FBC = kN
6.Ферма: метод вырезания узловСложная
Методом вырезания узлов найдите усилие FBC в стержне BC. Растяжение указывайте положительным, сжатие — отрицательным.
пролёт = 8 mвысота = 3 mB на расстоянии 3 m от Aвертикальная нагрузка = 35 kNгоризонтальная нагрузка = 25 kN ←
FBC = kN
7.Прогиб балкиСредняя
Консоль нагружена равномерно распределённой нагрузкой w по всей длине. Найдите прогиб δ свободного конца.
w = 8 kN/mL = 3 mE = 200 GPa (сталь)I = 12 × 10⁶ mm⁴
δ = mm
8.Прогиб балкиСложная
Шарнирно опёртая деревянная балка прямоугольного сечения шириной 125 mm нагружена равномерно распределённой нагрузкой w по всему пролёту. Её прогиб в середине пролёта не должен превышать пролёт/360. Найдите наименьшую высоту hreq сечения.
w = 2,5 kN/mL = 4,5 mE = 11 GPa (конструкционная древесина)b = 125 mm
hreq = mm
9.Устойчивость колоннСредняя
Колонна длиной L из материала (сталь) защемлена с обоих концов. По формуле Эйлера найдите её критическую силу Pcr.
L = 5 mE = 200 GPa (сталь)b × h = 20 × 50 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
Сплошная круглая колонна длиной L из материала (сталь) защемлена внизу и шарнирно оперта вверху. Она должна выдерживать 105 kN с коэффициентом запаса устойчивости 2,5. Найдите наименьший диаметр d.
P = 105 kNn = 2,5L = 2,5 mE = 200 GPa (сталь)
d = mm
3Растворы
1.Опорные реакции балок
Ответ: RA = 102 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 = 4·8 = 32 kN, x̄ = 4 m
Равновесие по вертикали
RA = P + W = 70 + 32 = 102 kN
Ответ
RA = 102 kN
2.Опорные реакции балок
Ответ: MA = 161,5 kN·m
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 треугольной нагрузки
W = ½·4·6 = 12 kN
x̄ = L/3 = 2 m
Момент относительно стены
MA = W·x̄ + P·a = 12·2 + 25·5,5 = 161,5 kN·m
Ответ
MA = 161,5 kN·m
3.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: MA = −68 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: −30·2 = −60 kN·m
w: −4·2²/2 = −8 kN·m
MA = −60 − 8 = −68 kN·m
Ответ
MA = −68 kN·m
Знак минус означает, что растянута верхняя грань.
4.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: E (x = 8 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 = 9 kN, R2 = 159 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 = 6, MC = −12, MD = −54, ME = −240 kN·m, MF = −120, MG = 0
Ответ
Отметка E: ME = −240 kN·m
5.Ферма: метод вырезания узлов
Ответ: FBC = −11,11 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 = 35·1 → Cy = 4,375 kN
ΣFy = 0: Ay = 35 − 4,375 = 30,63 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 = 3/7,616 = 0,3939, cos γ = 7/7,616 = 0,9191
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 = 35·3 − 25·3 → Cy = 3,75 kN
ΣFy = 0: Ay = 35 − 3,75 = 31,25 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 = 3/5,831 = 0,5145, cos γ = 5/5,831 = 0,8575
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 = 8 N/mm, L = 3000 mm
EI = 2,4 × 10¹² N·mm²
Прогиб
δ = wL⁴/(8EI) = 8·3000⁴/(8·2,4 × 10¹²) = 33,75 mm
Ответ
δ = 33,75 mm
8.Прогиб балки
Ответ: hreq = 210,4 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.
bh³/12 = Ireq → h = (12·9,708 × 10⁷/125)1/3 = 210,4 mm
Ответ
hreq = 210,4 mm
На практике выберите ближайшую большую стандартную высоту.
9.Устойчивость колонн
Ответ: Pcr = 10,53 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 = 0,7·2500 = 1750 mm
Выразите диаметр
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·262500·1750²/(π³·200000))^(1/4) = 53,67 mm
Ответ
d = 53,67 mm
Проверка: гибкость KL/r равна 130,4, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.