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​ = 15 kNP2​ = 35 kNABRA​RB​ = ?3 m3 m4 m

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

L = 10 mP1 = 15 kN в 3 mP2 = 35 kN в 6 m
RB = kN
2.Опорные реакции балокСложная
w = 5 kN/mP = 75 kNABCRB​ = ?4 m3 m3 m

Балка имеет неподвижную шарнирную опору в A и подвижную опору в B на расстоянии 7 m от A и консольный свес за B до свободного конца C. Она нагружена сосредоточенной силой P на расстоянии 4 m от A и равномерно распределённой нагрузкой w от 4 m до свободного конца в точке 10 m. Найдите вертикальную реакцию RB, считая положительным направление вверх.

AB = 7 mAC = 10 mP = 75 kN в 4 mw = 5 kN/m от 4 до 10 m
RB = kN
3.Поперечная сила и изгибающий моментСредняя
15 kN10 kNABCDEFG2 m2 m2 m2 m2 m2 m

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 @ 10 m10 kN @ 6 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 2 m)
  3. 3C (x = 4 m)
  4. 4D (x = 6 m)
  5. 5E (x = 8 m)
  6. 6F (x = 10 m)
  7. 7G (x = 12 m)
4.Поперечная сила и изгибающий моментСложная
w = 12 kN/mP = 35 kNABсечение2 m6 m

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

L = 8 mP = 35 kN в 2 mw = 12 kN/m от 0 до 8 mx = 2 m
Mx = kN·m
5.Ферма: метод вырезания узловСредняя
ABBCACACB15 kN5 m4 m3 m

Методом вырезания узлов найдите усилие FBC в стержне BC. Растяжение указывайте положительным, сжатие — отрицательным.

пролёт = 5 mвысота = 3 mB на расстоянии 4 m от Aвертикальная нагрузка = 15 kN
FBC = kN
6.Ферма: метод вырезания узловСложная
ABBCACACB20 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 = 20 kNгоризонтальная нагрузка = 15 kN →
FAC = kN
7.Прогиб балкиСредняя
P = 25 kNABδ3 m2 m

Шарнирно опёртая балка нагружена сосредоточенной силой P на расстоянии a = 3 m от опоры A. Найдите прогиб δP под силой.

P = 25 kNa = 3 mL = 5 mE = 11 GPa (конструкционная древесина)I = 84 × 10⁶ mm⁴
δP = mm
8.Прогиб балкиСложная
w = 6 kN/mP = 30 kNδL = 4 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 = 30 kNw = 6 kN/mL = 4 mE = 200 GPa (сталь)I = 8,5 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 4 md = 30 mmпоперечное сечение

Колонна длиной L из материала (сталь) защемлена внизу и шарнирно оперта вверху. По формуле Эйлера найдите её критическую силу Pcr.

L = 4 mE = 200 GPa (сталь)d = 30 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 130 kNL = 6 md = ?поперечное сечение

Сплошная круглая колонна длиной L из материала (алюминий) защемлена внизу и шарнирно оперта вверху. Она должна выдерживать 130 kN с коэффициентом запаса устойчивости 2. Найдите наименьший диаметр d.

P = 130 kNn = 2L = 6 mE = 70 GPa (алюминий)
d = mm

3Растворы

1.Опорные реакции балок

Ответ: RB = 25,5 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​ = 15 kNP2​ = 35 kNABRA​RB​3 m3 m4 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·10 = 15·3 + 35·6
RB = 255/10 = 25,5 kN
ΣFy = 0: RA = 50 − 25,5 = 24,5 kN

Ответ

RB = 25,5 kN
2.Опорные реакции балок

Ответ: RB = 72,86 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.

Равнодействующая распределённой нагрузки

W = 5·6 = 30 kN, x̄ = (4 + 10)/2 = 7 m

Равновесие

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

ΣMA = 0: RB·7 = 75·4 + 30·7
RB = 510/7 = 72,86 kN
RA = 105 − 72,86 = 32,14 kN

Ответ

RB = 72,86 kN
3.Поперечная сила и изгибающий момент

Ответ: D (x = 6 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 = 7,5 kN, R2 = 17,5 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 = 15, MC = 30, MD = 45 kN·m, ME = 40, MF = 35, MG = 0

Ответ

Отметка D: MD = 45 kN·m
4.Поперечная сила и изгибающий момент

Ответ: Mx = 124,5 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 = 12·8 = 96 kN, приложена в x̄ = 4 m
ΣMA = 0: RB·8 = 35·2 + 12·8·4
RB = 454/8 = 56,75 kN
ΣFy = 0: RA = 131 − 56,75 = 74,25 kN
w = 12 kN/mP = 35 kNABRA​ = 74,25RB​ = 56,75сечение2 m6 m

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 = RA·x − (каждая нагрузка левее сечения × её расстояние до сечения)
Mx = 74,25·2 − 12·2·1 = 124,5 kN·m

Ответ

Mx = 124,5 kN·m
5.Ферма: метод вырезания узлов

Ответ: FBC = −12,65 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.

ABBCACACB15 kNAy​Cy​

Опорные реакции

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

ΣMA = 0: Cy·5 = 15·4 → Cy = 12 kN
ΣFy = 0: Ay = 15 − 12 = 3 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
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −12/0,9487 = −12,65 kN

Ответ

FBC = −12,65 kN (сжатие)
6.Ферма: метод вырезания узлов

Ответ: FAC = 7,5 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.

ABBCACACB20 kN15 kNAy​Cy​Ax​

Опорные реакции

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

ΣMA = 0: Cy·4 = 20·3 + 15·4 → Cy = 30 kN
ΣFy = 0: Ay = 20 − 30 = −10 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 = −30/0,9701 = −30,92 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−30,92)·0,2425 = 7,5 kN

Ответ

FAC = 7,5 kN (растяжение)
7.Прогиб балки

Ответ: δP = 64,94 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 = 3000 mm, b = 2000 mm, L = 5000 mm
EI = 9,24 × 10¹¹ N·mm²

Прогиб под силой

δP = Pa²b²/(3EIL) = 25000·3000²·2000²/(3·9,24 × 10¹¹·5000) = 64,94 mm

Ответ

δP = 64,94 mm
8.Прогиб балки

Ответ: δmax = 35,29 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 = 30000 N, w = 6 N/mm, L = 4000 mm, EI = 1,7 × 10¹² N·mm²

Каждая нагрузка отдельно

δP = PL³/(48EI) = 30000·4000³/(48·1,7 × 10¹²) = 23,53 mm
δw = 5wL⁴/(384EI) = 5·6·4000⁴/(384·1,7 × 10¹²) = 11,76 mm

Сложите

δmax = 23,53 + 11,76 = 35,29 mm

Ответ

δmax = 35,29 mm
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 10,01 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

У круглого сечения одинаковый I относительно любой оси.

I = πd⁴/64 = π·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Расчётная длина

KL = 0,7·4000 = 2800 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·39761/2800² = 10011 N = 10,01 kN

Ответ

Pcr = 10,01 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 107,8 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 = 2·130000 = 260000 N
KL = 0,7·6000 = 4200 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·260000·4200²/(π³·70000))^(1/4) = 107,8 mm

Ответ

d = 107,8 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 155,8, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

ExamProblems · examproblems.com/courses/structural-analysis