การวิเคราะห์โครงสร้าง: ชุดสรุปเร่งรัด

สรุปสูตร ขั้นตอนวิธีทำที่สำคัญของทุกหัวข้อ และโจทย์ฝึก 10 ข้อ พร้อมเฉลยละเอียดไว้ท้ายเล่ม

โจทย์ใหม่กลับไปที่รายวิชา

ในหน้าต่างพิมพ์ ให้เลือก “บันทึกเป็น PDF” เพื่อเก็บสำเนาไว้ในอุปกรณ์ของคุณ

1สูตรและวิธีทำ

ปฏิกิริยาที่จุดรองรับของคาน

สมดุล
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
น้ำหนักแผ่สม่ำเสมอ
แรงลัพธ์ w·L ที่กึ่งกลางของน้ำหนัก
โมเมนต์
M = F·d

วิธีการ

  1. วาดแผนภาพวัตถุอิสระและแทนจุดรองรับแต่ละจุดด้วยแรงปฏิกิริยา
  2. แทนน้ำหนักแผ่ทุกชนิดด้วยแรงเดียวที่เซนทรอยด์ของมัน
  3. หาโมเมนต์รอบจุดรองรับหนึ่งเพื่อหาปฏิกิริยาที่อีกจุดหนึ่ง
  4. ใช้ ΣFy = 0 หาปฏิกิริยาที่เหลือ และตรวจสอบด้วยสมการโมเมนต์ที่สอง

แรงเฉือนและโมเมนต์ดัด

แรงเฉือนและโมเมนต์
V = ΣF ด้านหนึ่ง, M = ΣF·d ด้านหนึ่ง
ความเค้นดัด
σ = M·y/I
สี่เหลี่ยมผืนผ้า
I = bh³/12
มอดูลัสหน้าตัด
W = I/ymax
รับแรงสองจุด น้ำหนักแผ่สม่ำเสมอ
Mmax = wL²/8

วิธีการ

  1. หาปฏิกิริยาที่จุดรองรับจากสมดุลของคานทั้งตัว
  2. ตัดคานที่หน้าตัดที่ต้องการและเก็บไว้ด้านหนึ่ง
  3. แรงเฉือน: ผลรวมแรงแนวดิ่งทางด้านนั้น โมเมนต์ดัด: ผลรวมโมเมนต์ของแรงเหล่านั้นรอบรอยตัด
  4. สำหรับโมเมนต์สูงสุด ให้หาตำแหน่งที่แรงเฉือนเป็นศูนย์

โครงข่ายถัก: วิธีจุดต่อ

วิธีจุดต่อ
ΣFx = 0, ΣFy = 0 at each joint
วิธีหน้าตัด
ΣM = 0 about a cut point
แรงในชิ้นส่วน
บวก = แรงดึง ลบ = แรงอัด

วิธีการ

  1. หาปฏิกิริยาที่จุดรองรับจากโครงข่ายถักทั้งหมด
  2. วิธีจุดต่อ: เริ่มที่จุดต่อซึ่งมีแรงในชิ้นส่วนที่ไม่ทราบค่าไม่เกินสองตัว และใช้ ΣFx = 0 และ ΣFy = 0
  3. วิธีหน้าตัด: ตัดผ่านชิ้นส่วนที่ต้องการ และหาโมเมนต์รอบจุดที่ชิ้นส่วนที่ไม่ทราบค่าอื่นมาพบกัน
  4. สมมติว่าเป็นแรงดึง คำตอบที่เป็นลบหมายความว่าเป็นแรงอัด

การแอ่นตัวของคาน

แรงจุดที่กึ่งกลางช่วง
δ = PL³/(48EI)
น้ำหนักแผ่สม่ำเสมอ รับแรงสองจุด
δ = 5wL⁴/(384EI)
คานยื่น แรงที่ปลาย
δ = PL³/(3EI)
คานยื่น น้ำหนักแผ่สม่ำเสมอ
δ = wL⁴/(8EI)
การซ้อนทับ
δ = δ1 + δ2

การโก่งเดาะของเสา

น้ำหนักวิกฤตของออยเลอร์
Pcr = π²EI/(KL)²
ตัวประกอบความยาวประสิทธิผล
K = 1 หมุด–หมุด, 0.5 ยึดแน่น–ยึดแน่น, 0.7 ยึดแน่น–หมุด, 2 ยึดแน่น–อิสระ
ความเค้นวิกฤต
σcr = Pcr/A
ความเพรียว
λ = KL/r, r = √(I/A)

2โจทย์ฝึก

1.ปฏิกิริยาที่จุดรองรับของคานปานกลาง
P1​ = 15 kNP2​ = 15 kNABCRA​ = ?4 m0.5 m1.5 m

คานมีหมุดที่ A และลูกกลิ้งที่ B ห่างจาก A 4.5 m และมีส่วนยื่นเลย B ไปถึงปลายอิสระ C จงหาแรงปฏิกิริยาในแนวดิ่ง RA โดยให้ทิศขึ้นเป็นบวก

AB = 4.5 mAC = 6 mP1 = 15 kN ที่ 4 mP2 = 15 kN ที่ 6 m
RA = kN
2.ปฏิกิริยาที่จุดรองรับของคานยาก
w = 5 kN/mP = 40 kNQ = 70 kNADCMA​ = ?0.5 m2.5 m2.5 m0.5 m

คานประกอบยึดแน่นกับผนังที่ A มีบานพับภายในที่ C (ห่างจาก A 3 m) และวางบนลูกกลิ้งที่ D (ห่างจาก A 6 m) รับ แรงกระทำเป็นจุด P ที่ระยะ 5.5 m จาก A, แรงกระทำแบบแผ่สม่ำเสมอ w บนส่วน CD ทั้งหมด และแรงกระทำเป็นจุด Q ที่ระยะ 0.5 m จาก A จงหาขนาดของโมเมนต์ปฏิกิริยา MA ที่ผนัง

AC = 3 mAD = 6 mP = 40 kN ที่ 5.5 mw = 5 kN/m จาก 3 ถึง 6 mQ = 70 kN ที่ 0.5 m
MA = kN·m
3.แรงเฉือนและโมเมนต์ดัดปานกลาง
w = 12 kN/mABหน้าตัด1 m3 m

หาแรงเฉือน Vx ที่หน้าตัด x = 1 m จากจุดรองรับ A ให้โมเมนต์ที่ทำให้คานแอ่นลงเป็นบวก และแรงเฉือนที่ชี้ขึ้นบนหน้าซ้ายเป็นบวก

L = 4 mw = 12 kN/m จาก 0 ถึง 4 mx = 1 m
Vx = kN
4.แรงเฉือนและโมเมนต์ดัดยาก
w = 8 kN/mP = 20 kNABหน้าตัด1 m9 m

หาโมเมนต์ดัด Mx ที่หน้าตัด x = 1 m จากจุดรองรับ A ให้โมเมนต์ที่ทำให้คานแอ่นลงเป็นบวก และแรงเฉือนที่ชี้ขึ้นบนหน้าซ้ายเป็นบวก

L = 10 mP = 20 kN ที่ 1 mw = 8 kN/m จาก 0 ถึง 10 mx = 1 m
Mx = kN·m
5.โครงข่ายถัก: วิธีจุดต่อปานกลาง
ABBCACACB20 kN8 m6 m3 m

ใช้วิธีจุดต่อเพื่อหาแรง FAB ในชิ้นส่วน AB ให้แรงดึงเป็นบวกและแรงอัดเป็นลบ

ช่วงกว้าง = 8 mความสูง = 3 mB อยู่ห่างจาก A 6 mน้ำหนักบรรทุกแนวดิ่ง = 20 kN
FAB = kN
6.โครงข่ายถัก: วิธีจุดต่อยาก
ABBCACACB10 kN25 kN8 m6 m4 m

ใช้วิธีจุดต่อเพื่อหาแรง FBC ในชิ้นส่วน BC ให้แรงดึงเป็นบวกและแรงอัดเป็นลบ

ช่วงกว้าง = 8 mความสูง = 4 mB อยู่ห่างจาก A 6 mน้ำหนักบรรทุกแนวดิ่ง = 10 kNน้ำหนักบรรทุกแนวนอน = 25 kN ←
FBC = kN
7.การแอ่นตัวของคานปานกลาง
w = 10 kN/mP = 9 kNABδ2.5 m

คานยื่นรับแรงกระทำแบบแผ่สม่ำเสมอ w ตลอดความยาว และแรงกระทำเป็นจุด P ที่ปลายอิสระ จงใช้หลักการซ้อนทับหาการโก่งตัว δ ที่ปลายอิสระ

P = 9 kNw = 10 kN/mL = 2.5 mE = 200 GPa (เหล็กกล้า)I = 23 × 10⁶ mm⁴
δ = mm
8.การแอ่นตัวของคานยาก
w = 15 kN/mP = 23 kNδL = 1.5 m

คานรับแรงสองจุดรับน้ำหนักแผ่สม่ำเสมอ w และแรงจุด P ที่กึ่งกลางช่วง ใช้การซ้อนทับหาระยะแอ่น δmax ที่กึ่งกลางช่วง

P = 23 kNw = 15 kN/mL = 1.5 mE = 11 GPa (ไม้เนื้อแข็ง)I = 23 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
9.การโก่งเดาะของเสาปานกลาง
PL = 5 md = 40 mmหน้าตัด

เสายาว L ทำจากอะลูมิเนียม โดยยึดด้วยหมุดทั้งสองปลาย ใช้สูตรของออยเลอร์หาน้ำหนักวิกฤตที่ทำให้โก่งเดาะ Pcr

L = 5 mE = 70 GPa (อะลูมิเนียม)d = 40 mm
Pcr = kN
10.การโก่งเดาะของเสายาก
P = 35 kNL = 1.5 md = ?หน้าตัด

เสากลมตันยาว L ทำจากอะลูมิเนียม โดยยึดแน่นทั้งสองปลาย ต้องรับ 35 kN ด้วยตัวประกอบความปลอดภัย 2 ต่อการโก่งเดาะ หาเส้นผ่านศูนย์กลางที่เล็กที่สุด d

P = 35 kNn = 2L = 1.5 mE = 70 GPa (อะลูมิเนียม)
d = mm

3สารละลาย

1.ปฏิกิริยาที่จุดรองรับของคาน

คำตอบ: RA = −3.333 kN

สมดุลสถิต: วัตถุที่หยุดนิ่งมี ΣFx = 0, ΣFy = 0 และ ΣM = 0 รอบจุดใดก็ได้ ให้แทนแรงกระทำแบบแผ่แต่ละแรงด้วยแรงลัพธ์ (พื้นที่ของมัน) ที่กระทำที่เซนทรอยด์ของแผนภาพแรง และหาโมเมนต์รอบจุดรองรับหนึ่งเพื่อกำจัดแรงปฏิกิริยาของจุดรองรับนั้นออกจากสมการ

โมเมนต์รอบจุด A

ทวนเข็มนาฬิกาเป็นบวก

ΣMA = 0: RB·4.5 = 15·4 + 15·6
RB = 150/4.5 = 33.33 kN

สมดุลในแนวดิ่ง

RA = 15 + 15 − 33.33 = −3.333 kN

คำตอบ

RA = −3.333 kN

RA เป็นลบ: หมุดที่ A ต้องรั้งคานลง

2.ปฏิกิริยาที่จุดรองรับของคาน

คำตอบ: MA = 77.5 kN·m

สมดุลสถิต: วัตถุที่หยุดนิ่งมี ΣFx = 0, ΣFy = 0 และ ΣM = 0 รอบจุดใดก็ได้ ให้แทนแรงกระทำแบบแผ่แต่ละแรงด้วยแรงลัพธ์ (พื้นที่ของมัน) ที่กระทำที่เซนทรอยด์ของแผนภาพแรง และหาโมเมนต์รอบจุดรองรับหนึ่งเพื่อกำจัดแรงปฏิกิริยาของจุดรองรับนั้นออกจากสมการ บานพับภายในรับโมเมนต์ดัดไม่ได้ ซึ่งให้สมการเพิ่มหนึ่งสมการ: โมเมนต์รอบบานพับของแรงทั้งสองข้างเป็นศูนย์

ส่วน CD

บานพับไม่มีโมเมนต์ ดังนั้นโมเมนต์รอบ C บน CD เพียงส่วนเดียวต้องสมดุล

W = 5·3 = 15 kN ที่ 1.5 m จาก C
ΣMC = 0: RD·3 = 40·2.5 + 15·1.5
RD = 40.83 kN
VC = 55 − 40.83 = 14.17 kN

ส่วน AC

แรงที่บานพับ VC กระทำลงบน AC (เท่ากันและตรงข้ามกับแรงที่กระทำต่อ CD)

RA = 70 + 14.17 = 84.17 kN
MA = 70·0.5 + 14.17·3 = 77.5 kN·m

คำตอบ

MA = 77.5 kN·m
3.แรงเฉือนและโมเมนต์ดัด

คำตอบ: Vx = 12 kN

วิธีหน้าตัด: ตัดคานตรงจุดที่ต้องการหาแรงภายในแล้วเก็บไว้ด้านหนึ่ง แรงเฉือน V สมดุลกับแรงแนวดิ่งทางด้านนั้น และโมเมนต์ดัด M สมดุลกับโมเมนต์ของแรงเหล่านั้นรอบรอยตัด

ปฏิกิริยาที่จุดรองรับ

สมดุลของคานทั้งตัว

แรงลัพธ์ของน้ำหนักแผ่สม่ำเสมอ: W = w·ℓ = 12·4 = 48 kN กระทำที่ x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·4 = 12·4·2
RB = 96/4 = 24 kN
ΣFy = 0: RA = 48 − 24 = 24 kN
w = 12 kN/mABRA​ = 24RB​ = 24หน้าตัด1 m3 m

ตัดที่ x = 1 m และเก็บส่วนทางซ้ายไว้

มีเฉพาะแรงทางซ้ายของรอยตัดเท่านั้น ส่วนของน้ำหนักแผ่สม่ำเสมอกระทำเป็นแรงเดียวที่กึ่งกลางของส่วนนั้น

V = RA − (น้ำหนักบรรทุกลงทั้งหมดทางซ้ายของรอยตัด)
Vx = 24 − 12·1 = 12 kN

คำตอบ

Vx = 12 kN
4.แรงเฉือนและโมเมนต์ดัด

คำตอบ: Mx = 54 kN·m

วิธีหน้าตัด: ตัดคานตรงจุดที่ต้องการหาแรงภายในแล้วเก็บไว้ด้านหนึ่ง แรงเฉือน V สมดุลกับแรงแนวดิ่งทางด้านนั้น และโมเมนต์ดัด M สมดุลกับโมเมนต์ของแรงเหล่านั้นรอบรอยตัด

ปฏิกิริยาที่จุดรองรับ

สมดุลของคานทั้งตัว

แรงลัพธ์ของน้ำหนักแผ่สม่ำเสมอ: W = w·ℓ = 8·10 = 80 kN กระทำที่ x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 20·1 + 8·10·5
RB = 420/10 = 42 kN
ΣFy = 0: RA = 100 − 42 = 58 kN
w = 8 kN/mP = 20 kNABRA​ = 58RB​ = 42หน้าตัด1 m9 m

ตัดที่ x = 1 m และเก็บส่วนทางซ้ายไว้

มีเฉพาะแรงทางซ้ายของรอยตัดเท่านั้น ส่วนของน้ำหนักแผ่สม่ำเสมอกระทำเป็นแรงเดียวที่กึ่งกลางของส่วนนั้น

M = RA·x − (น้ำหนักบรรทุกแต่ละตัวทางซ้ายของรอยตัด × ระยะถึงรอยตัด)
Mx = 58·1 − 8·1·0.5 = 54 kN·m

คำตอบ

Mx = 54 kN·m
5.โครงข่ายถัก: วิธีจุดต่อ

คำตอบ: FAB = −11.18 kN

วิธีจุดต่อ: ทุกหมุดของโครงข่ายถักอยู่ในสมดุล ดังนั้น ΣFx = 0 และ ΣFy = 0 ที่แต่ละจุดต่อ เริ่มที่จุดต่อซึ่งมีแรงในชิ้นส่วนที่ไม่ทราบค่าไม่เกินสองตัว ผลลัพธ์ที่เป็นลบหมายความว่าชิ้นส่วนรับแรงอัด

ABBCACACB20 kNAy​Cy​

ปฏิกิริยาที่จุดรองรับ

สมดุลของโครงข่ายถักทั้งหมด โมเมนต์รอบจุด A โดยให้ทวนเข็มนาฬิกาเป็นบวก

ΣMA = 0: Cy·8 = 20·6 → Cy = 15 kN
ΣFy = 0: Ay = 20 − 15 = 5 kN

จุดต่อ A

สมมติให้ทุกชิ้นส่วนรับแรงดึง (ดึงออกจากจุดต่อ) มีเพียง AB ที่มีองค์ประกอบแนวดิ่งที่ A

sin α = 3/6.708 = 0.4472
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −5/0.4472 = −11.18 kN

คำตอบ

FAB = −11.18 kN (แรงอัด)
6.โครงข่ายถัก: วิธีจุดต่อ

คำตอบ: FBC = 5.59 kN

วิธีจุดต่อ: ทุกหมุดของโครงข่ายถักอยู่ในสมดุล ดังนั้น ΣFx = 0 และ ΣFy = 0 ที่แต่ละจุดต่อ เริ่มที่จุดต่อซึ่งมีแรงในชิ้นส่วนที่ไม่ทราบค่าไม่เกินสองตัว ผลลัพธ์ที่เป็นลบหมายความว่าชิ้นส่วนรับแรงอัด

ABBCACACB10 kN25 kNAy​Cy​Ax​

ปฏิกิริยาที่จุดรองรับ

สมดุลของโครงข่ายถักทั้งหมด โมเมนต์รอบจุด A โดยให้ทวนเข็มนาฬิกาเป็นบวก

ΣMA = 0: Cy·8 = 10·6 − 25·4 → Cy = −5 kN
ΣFy = 0: Ay = 10 − −5 = 15 kN
ΣFx = 0: Ax = 25 kN

จุดต่อ C

ลูกกลิ้งให้เพียงปฏิกิริยาแนวดิ่ง จุดต่อ C จึงมีแรงในชิ้นส่วนที่ไม่ทราบค่าเพียงสองตัว สมมติให้ทั้งสองรับแรงดึง

sin γ = 4/4.472 = 0.8944, cos γ = 2/4.472 = 0.4472
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −−5/0.8944 = 5.59 kN

คำตอบ

FBC = 5.59 kN (แรงดึง)
7.การแอ่นตัวของคาน

คำตอบ: δ = 20.81 mm

การแอ่นตัวของคาน: ระยะแอ่นได้จากการอินทิเกรตความโค้ง M/(EI) สองครั้ง กรณีมาตรฐานมีตารางให้ เช่น PL³/(3EI) สำหรับคานยื่นที่รับแรงที่ปลาย และ 5wL⁴/(384EI) สำหรับคานรับแรงสองจุดที่รับน้ำหนักแผ่สม่ำเสมอเต็มช่วง ระยะแอ่นจากน้ำหนักแต่ละตัวบวกกันได้ (การซ้อนทับ)

หน่วยที่สอดคล้องกัน

คำนวณเป็น N และ mm: P เป็น N, w เป็น N/mm (kN/m = N/mm), L เป็น mm, E เป็น N/mm² (GPa × 1000), I เป็น mm⁴

P = 9000 N, w = 10 N/mm, L = 2500 mm
EI = 4.6 × 10¹² N·mm²

น้ำหนักแต่ละตัวแยกกัน

δP = PL³/(3EI) = 9000·2500³/(3·4.6 × 10¹²) = 10.19 mm
δw = wL⁴/(8EI) = 10·2500⁴/(8·4.6 × 10¹²) = 10.61 mm

บวกเข้าด้วยกัน

δ = 10.19 + 10.61 = 20.81 mm

คำตอบ

δ = 20.81 mm
8.การแอ่นตัวของคาน

คำตอบ: δmax = 10.3 mm

การแอ่นตัวของคาน: ระยะแอ่นได้จากการอินทิเกรตความโค้ง M/(EI) สองครั้ง กรณีมาตรฐานมีตารางให้ เช่น PL³/(3EI) สำหรับคานยื่นที่รับแรงที่ปลาย และ 5wL⁴/(384EI) สำหรับคานรับแรงสองจุดที่รับน้ำหนักแผ่สม่ำเสมอเต็มช่วง ระยะแอ่นจากน้ำหนักแต่ละตัวบวกกันได้ (การซ้อนทับ)

หน่วยที่สอดคล้องกัน

คำนวณเป็น N และ mm: P เป็น N, w เป็น N/mm (kN/m = N/mm), L เป็น mm, E เป็น N/mm² (GPa × 1000), I เป็น mm⁴

P = 23000 N, w = 15 N/mm, L = 1500 mm, EI = 2.53 × 10¹¹ N·mm²

น้ำหนักแต่ละตัวแยกกัน

δP = PL³/(48EI) = 23000·1500³/(48·2.53 × 10¹¹) = 6.392 mm
δw = 5wL⁴/(384EI) = 5·15·1500⁴/(384·2.53 × 10¹¹) = 3.908 mm

บวกเข้าด้วยกัน

δmax = 6.392 + 3.908 = 10.3 mm

คำตอบ

δmax = 10.3 mm
9.การโก่งเดาะของเสา

คำตอบ: Pcr = 3.473 kN

การโก่งเดาะของออยเลอร์: เสาเพรียวจะไม่เสถียรที่ Pcr = π²EI/(KL)² โดย KL คือความยาวประสิทธิผล: K = 1 สำหรับหมุด–หมุด, 2 สำหรับยึดแน่น–อิสระ, 0.7 สำหรับยึดแน่น–หมุด และ 0.5 สำหรับยึดแน่น–ยึดแน่น เสาจะโก่งเดาะรอบแกนที่มี I น้อยที่สุด สูตรนี้ใช้ได้กับเสาเพรียวซึ่งความเค้นวิกฤตยังต่ำกว่าความเค้นครากของวัสดุ

โมเมนต์ความเฉื่อยของพื้นที่ที่น้อยที่สุด

หน้าตัดกลมมี I เท่ากันรอบทุกแกน

I = πd⁴/64 = π·40⁴/64 = 125664 mm⁴

ความยาวประสิทธิผล

KL = 1·5000 = 5000 mm

น้ำหนักวิกฤต

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·125664/5000² = 3473 N = 3.473 kN

คำตอบ

Pcr = 3.473 kN
10.การโก่งเดาะของเสา

คำตอบ: d = 32.83 mm

การโก่งเดาะของออยเลอร์: เสาเพรียวจะไม่เสถียรที่ Pcr = π²EI/(KL)² โดย KL คือความยาวประสิทธิผล: K = 1 สำหรับหมุด–หมุด, 2 สำหรับยึดแน่น–อิสระ, 0.7 สำหรับยึดแน่น–หมุด และ 0.5 สำหรับยึดแน่น–ยึดแน่น เสาจะโก่งเดาะรอบแกนที่มี I น้อยที่สุด สูตรนี้ใช้ได้กับเสาเพรียวซึ่งความเค้นวิกฤตยังต่ำกว่าความเค้นครากของวัสดุ

น้ำหนักวิกฤตที่ต้องการ

Pcr = n·P = 2·35000 = 70000 N
KL = 0.5·1500 = 750 mm

แก้หาเส้นผ่านศูนย์กลาง

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·70000·750²/(π³·70000))^(1/4) = 32.83 mm

คำตอบ

d = 32.83 mm

ตรวจสอบ: ค่าความเพรียว KL/r คือ 91.39 ดังนั้นเสาเป็นเสาเพรียวและใช้สูตรออยเลอร์ได้

ExamProblems · examproblems.com/courses/structural-analysis