การวิเคราะห์โครงสร้าง: ชุดสรุปเร่งรัด

สรุปสูตร ขั้นตอนวิธีทำที่สำคัญของทุกหัวข้อ และโจทย์ฝึก 10 ข้อ พร้อมเฉลยละเอียดไว้ท้ายเล่ม

โจทย์ใหม่กลับไปที่รายวิชา

ในหน้าต่างพิมพ์ ให้เลือก “บันทึกเป็น PDF” เพื่อเก็บสำเนาไว้ในอุปกรณ์ของคุณ

1สูตรและวิธีทำ

ปฏิกิริยาที่จุดรองรับของคาน

สมดุล: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0, ΣM = 0
น้ำหนักแผ่สม่ำเสมอ: แรงลัพธ์ w·L ที่กึ่งกลางของน้ำหนัก
โมเมนต์: M = F·d

วิธีการ

วาดแผนภาพวัตถุอิสระและแทนจุดรองรับแต่ละจุดด้วยแรงปฏิกิริยา
แทนน้ำหนักแผ่ทุกชนิดด้วยแรงเดียวที่เซนทรอยด์ของมัน
หาโมเมนต์รอบจุดรองรับหนึ่งเพื่อหาปฏิกิริยาที่อีกจุดหนึ่ง
ใช้ ΣF_y = 0 หาปฏิกิริยาที่เหลือ และตรวจสอบด้วยสมการโมเมนต์ที่สอง

แรงเฉือนและโมเมนต์ดัด

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

วิธีการ

หาปฏิกิริยาที่จุดรองรับจากสมดุลของคานทั้งตัว
ตัดคานที่หน้าตัดที่ต้องการและเก็บไว้ด้านหนึ่ง
แรงเฉือน: ผลรวมแรงแนวดิ่งทางด้านนั้น โมเมนต์ดัด: ผลรวมโมเมนต์ของแรงเหล่านั้นรอบรอยตัด
สำหรับโมเมนต์สูงสุด ให้หาตำแหน่งที่แรงเฉือนเป็นศูนย์

โครงข่ายถัก: วิธีจุดต่อ

วิธีจุดต่อ: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0 at each joint
วิธีหน้าตัด: ΣM = 0 about a cut point
แรงในชิ้นส่วน: บวก = แรงดึง ลบ = แรงอัด

วิธีการ

หาปฏิกิริยาที่จุดรองรับจากโครงข่ายถักทั้งหมด
วิธีจุดต่อ: เริ่มที่จุดต่อซึ่งมีแรงในชิ้นส่วนที่ไม่ทราบค่าไม่เกินสองตัว และใช้ ΣF_x = 0 และ ΣF_y = 0
วิธีหน้าตัด: ตัดผ่านชิ้นส่วนที่ต้องการ และหาโมเมนต์รอบจุดที่ชิ้นส่วนที่ไม่ทราบค่าอื่นมาพบกัน
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: P_cr = π²EI/(KL)²
ตัวประกอบความยาวประสิทธิผล: K = 1 หมุด–หมุด, 0.5 ยึดแน่น–ยึดแน่น, 0.7 ยึดแน่น–หมุด, 2 ยึดแน่น–อิสระ
ความเค้นวิกฤต: σ_cr = P_cr/A
ความเพรียว: λ = KL/r, r = √(I/A)

2โจทย์ฝึก

1.ปฏิกิริยาที่จุดรองรับของคานปานกลาง

คานมีหมุดที่ A และลูกกลิ้งที่ B ห่างจาก A 3 m และมีส่วนยื่นเลย B ไปถึงปลายอิสระ C จงหาแรงปฏิกิริยาในแนวดิ่ง R_A โดยให้ทิศขึ้นเป็นบวก

AB = 3 mAC = 4 mP₁ = 35 kN ที่ 2.5 mP₂ = 50 kN ที่ 4 m

R_A = kN

2.ปฏิกิริยาที่จุดรองรับของคานยาก

คานมีหมุดที่ A และลูกกลิ้งที่ B ห่างจาก A 4 m และมีส่วนยื่นเลย B ไปถึงปลายอิสระ C รับแรงกระทำเป็นจุด P ที่ระยะ 2.5 m จาก A และแรงกระทำแบบแผ่สม่ำเสมอ w จาก 2 m ถึงปลายอิสระที่ 6 m จงหาแรงปฏิกิริยาในแนวดิ่ง R_A โดยให้ทิศขึ้นเป็นบวก

AB = 4 mAC = 6 mP = 70 kN ที่ 2.5 mw = 6 kN/m จาก 2 ถึง 6 m

R_A = kN

3.แรงเฉือนและโมเมนต์ดัดปานกลาง

คานวางบนจุดรองรับแบบหมุดที่ A และแบบลูกกลิ้งที่ B และมีส่วนยื่นเลย B ไป 1 m ถึงปลายอิสระ C คานรับแรงกระทำเป็นจุด P₁ ระหว่างจุดรองรับ และแรงกระทำเป็นจุด P₂ ที่ C จงหาโมเมนต์ดัด M_x ใต้แรง P₁ ให้โมเมนต์ที่ทำให้คานแอ่นลงเป็นบวก และแรงเฉือนที่ชี้ขึ้นบนหน้าตัดด้านซ้ายเป็นบวก

L = 9 mP₁ = 75 kN ที่ 4 mP₂ = 20 kN ที่ 9 mจุดรองรับที่ x = 0 และ x = 8 m

M_x = kN·m

4.แรงเฉือนและโมเมนต์ดัดยาก

คานช่วงเดียวรองรับอย่างง่ายรับแรงกระทำแบบแผ่สม่ำเสมอบนบางส่วนของช่วงคาน จงหาโมเมนต์ดัดสูงสุด M_max ในคาน

L = 8 mw = 4 kN/m จาก 2 ถึง 4 m

M_max = kN·m

5.โครงข่ายถัก: วิธีจุดต่อปานกลาง

มีชิ้นส่วนหนึ่งเดียวของโครงถักนี้ที่ไม่รับแรงภายใต้โหลดเหล่านี้ ชิ้นส่วนใดคือชิ้นส่วนแรงเป็นศูนย์ คลิกที่มันในแผนภาพ

B: 15 kN ↓D: 25 kN ↓F: 15 kN ↓H: 15 kN ↓

1ชิ้นส่วน AB
2ชิ้นส่วน BC
3ชิ้นส่วน CD
4ชิ้นส่วน DE
5ชิ้นส่วน FG
6ชิ้นส่วน GH
7ชิ้นส่วน AF
8ชิ้นส่วน HE
9ชิ้นส่วน BF
10ชิ้นส่วน CG
11ชิ้นส่วน DH
12ชิ้นส่วน FC
13ชิ้นส่วน HC

6.โครงข่ายถัก: วิธีจุดต่อยาก

ใช้วิธีจุดต่อเพื่อหาแรง F_AB ในชิ้นส่วน AB ให้แรงดึงเป็นบวกและแรงอัดเป็นลบ

ช่วงกว้าง = 5 mความสูง = 3 mB อยู่ห่างจาก A 3 mน้ำหนักบรรทุกแนวดิ่ง = 60 kNน้ำหนักบรรทุกแนวนอน = 10 kN →

F_AB = kN

7.การแอ่นตัวของคานปานกลาง

คานรับแรงสองจุดรับน้ำหนักแผ่สม่ำเสมอ w ตลอดช่วงคาน หาระยะแอ่นสูงสุด δ_max ที่กึ่งกลางช่วง

w = 6 kN/mL = 3 mE = 11 GPa (ไม้เนื้อแข็ง)I = 57 × 10⁶ mm⁴

δ_max = mm

8.การแอ่นตัวของคานยาก

คานไม้ช่วงเดียวรองรับอย่างง่ายหน้าตัดสี่เหลี่ยมผืนผ้ากว้าง 50 mm รับแรงกระทำแบบแผ่สม่ำเสมอ w ตลอดช่วงคาน การโก่งตัวที่กึ่งกลางช่วงคานต้องไม่เกิน ช่วงคาน/250 จงหาความลึกที่น้อยที่สุด h_req ของหน้าตัด

w = 2.5 kN/mL = 3 mE = 11 GPa (ไม้เนื้อแข็ง)b = 50 mm

h_req = mm

9.การโก่งเดาะของเสาปานกลาง

เสายาว L ทำจากเหล็กกล้า โดยยึดด้วยหมุดทั้งสองปลาย ใช้สูตรของออยเลอร์หาน้ำหนักวิกฤตที่ทำให้โก่งเดาะ P_cr

L = 6 mE = 200 GPa (เหล็กกล้า)b × h = 40 × 60 mm

P_cr = kN

10.การโก่งเดาะของเสายาก

เสากลมตันยาว L ทำจากเหล็กกล้า โดยยึดแน่นทั้งสองปลาย ต้องรับ 10 kN ด้วยตัวประกอบความปลอดภัย 3 ต่อการโก่งเดาะ หาเส้นผ่านศูนย์กลางที่เล็กที่สุด d

P = 10 kNn = 3L = 2.5 mE = 200 GPa (เหล็กกล้า)

d = mm

3สารละลาย

1.ปฏิกิริยาที่จุดรองรับของคาน

คำตอบ: R_A = −10.83 kN

สมดุลสถิต: วัตถุที่หยุดนิ่งมี ΣF_x = 0, ΣF_y = 0 และ ΣM = 0 รอบจุดใดก็ได้ ให้แทนแรงกระทำแบบแผ่แต่ละแรงด้วยแรงลัพธ์ (พื้นที่ของมัน) ที่กระทำที่เซนทรอยด์ของแผนภาพแรง และหาโมเมนต์รอบจุดรองรับหนึ่งเพื่อกำจัดแรงปฏิกิริยาของจุดรองรับนั้นออกจากสมการ

โมเมนต์รอบจุด A

ทวนเข็มนาฬิกาเป็นบวก

ΣM_A = 0: R_B·3 = 35·2.5 + 50·4

R_B = 287.5/3 = 95.83 kN

สมดุลในแนวดิ่ง

R_A = 35 + 50 − 95.83 = −10.83 kN

คำตอบ

R_A = −10.83 kN

R_A เป็นลบ: หมุดที่ A ต้องรั้งคานลง

2.ปฏิกิริยาที่จุดรองรับของคาน

คำตอบ: R_A = 26.25 kN

แรงลัพธ์ของแรงกระทำแบบแผ่

W = 6·4 = 24 kN, x̄ = (2 + 6)/2 = 4 m

สมดุล

โมเมนต์รอบจุด A โดยให้ทวนเข็มนาฬิกาเป็นบวก จากนั้นสมดุลของแรงแนวดิ่ง

ΣM_A = 0: R_B·4 = 70·2.5 + 24·4

R_B = 271/4 = 67.75 kN

R_A = 94 − 67.75 = 26.25 kN

คำตอบ

R_A = 26.25 kN

3.แรงเฉือนและโมเมนต์ดัด

คำตอบ: M_x = 140 kN·m

ปฏิกิริยาที่จุดรองรับ

สมดุลของคานทั้งหมด แรงที่ส่วนยื่นก็ทำให้เกิดโมเมนต์รอบจุด A ด้วย

ΣM_A = 0: R_B·8 = 75·4 + 20·9

R_B = 480/8 = 60 kN

ΣF_y = 0: R_A = 95 − 60 = 35 kN

ตัดใต้ P₁ แล้วเก็บส่วนซ้ายไว้

M_x = R_A·4 = 35·4 = 140 kN·m

คำตอบ

M_x = 140 kN·m

4.แรงเฉือนและโมเมนต์ดัด

คำตอบ: M_max = 13.13 kN·m

วิธีหน้าตัด: ตัดคานตรงจุดที่ต้องการหาแรงภายในแล้วเก็บไว้ด้านหนึ่ง แรงเฉือน V สมดุลกับแรงแนวดิ่งทางด้านนั้น และโมเมนต์ดัด M สมดุลกับโมเมนต์ของแรงเหล่านั้นรอบรอยตัด โมเมนต์สูงสุด: เนื่องจาก dM/dx = V โมเมนต์ดัดจึงมีค่าสูงสุดที่ตำแหน่งซึ่งแรงเฉือนผ่านศูนย์ ซึ่งอาจเป็นที่แรงกระทำเป็นจุดหรืออยู่ภายในแรงกระทำแบบแผ่

ปฏิกิริยาที่จุดรองรับ

สมดุลของคานทั้งตัว

แรงลัพธ์ของน้ำหนักแผ่สม่ำเสมอ: W = w·ℓ = 4·2 = 8 kN กระทำที่ x̄ = 3 m

ΣM_A = 0: R_B·8 = 4·2·3

R_B = 24/8 = 3 kN

ΣF_y = 0: R_A = 8 − 3 = 5 kN

แรงเฉือนเป็นศูนย์

แรงเฉือนเริ่มต้นที่ R_A คงที่ตลอดส่วนที่ไม่มีแรงกระทำ และลดลงด้วยความชัน w ภายในแรงกระทำ

R_A − w·(x₀ − 2) = 0

x₀ = 2 + 5/4 = 3.25 m

โมเมนต์สูงสุด

M_max = R_A·x₀ − w·(x₀ − 2)²/2 = 5·3.25 − 4·1.25²/2 = 13.13 kN·m

คำตอบ

M_max = 13.13 kN·m

5.โครงข่ายถัก: วิธีจุดต่อ

คำตอบ: ชิ้นส่วน CG

ชิ้นส่วนแรงเป็นศูนย์: ที่จุดต่อ แรงต้องสมดุลทุกทิศทาง ถ้าจุดต่อไม่มีโหลดและไม่มีจุดรองรับ และสองในสามชิ้นส่วนอยู่ในแนวเดียวกัน สมดุลขวางแนวนั้นเกี่ยวข้องกับชิ้นส่วนที่สามเท่านั้น แรงของมันจึงเป็นศูนย์ ถ้ามีเพียงสองชิ้นส่วนมาพบกันที่จุดต่อที่ไม่มีโหลดและไม่อยู่ในแนวเดียวกัน ทั้งสองเป็นศูนย์

จุดต่อ G

FG และ GH อยู่บนเส้นตรงเดียวกันและจุดต่อไม่รับโหลด สมดุลแรงขวางแนวนั้นเหลือเพียง CG

ΣF⊥ = 0 → F_CG = 0

ตรวจสอบด้วยวิธีจุดต่อ

การแก้ทุกจุดต่อให้แรงในชิ้นส่วนเหล่านี้ (T = แรงดึง, C = แรงอัด)

AB: 32.5 kN (T), BC: 32.5 kN (T), CD: 37.5 kN (T), DE: 37.5 kN (T), FG: 35 kN (C), GH: 35 kN (C), AF: 45.96 kN (C), HE: 53.03 kN (C), BF: 15 kN (T), CG: 0, DH: 25 kN (T), FC: 3.536 kN (T), HC: 3.536 kN (C)

คำตอบ

ชิ้นส่วนแรงเป็นศูนย์: CG

6.โครงข่ายถัก: วิธีจุดต่อ

คำตอบ: F_AB = −25.46 kN

วิธีจุดต่อ: ทุกหมุดของโครงข่ายถักอยู่ในสมดุล ดังนั้น ΣF_x = 0 และ ΣF_y = 0 ที่แต่ละจุดต่อ เริ่มที่จุดต่อซึ่งมีแรงในชิ้นส่วนที่ไม่ทราบค่าไม่เกินสองตัว ผลลัพธ์ที่เป็นลบหมายความว่าชิ้นส่วนรับแรงอัด

ปฏิกิริยาที่จุดรองรับ

สมดุลของโครงข่ายถักทั้งหมด โมเมนต์รอบจุด A โดยให้ทวนเข็มนาฬิกาเป็นบวก

ΣM_A = 0: C_y·5 = 60·3 + 10·3 → C_y = 42 kN

ΣF_y = 0: A_y = 60 − 42 = 18 kN

ΣF_x = 0: A_x = −10 kN

จุดต่อ A

สมมติให้ทุกชิ้นส่วนรับแรงดึง (ดึงออกจากจุดต่อ) มีเพียง AB ที่มีองค์ประกอบแนวดิ่งที่ A

sin α = 3/4.243 = 0.7071

ΣF_y = 0: A_y + F_AB·sin α = 0

F_AB = −18/0.7071 = −25.46 kN

คำตอบ

F_AB = −25.46 kN (แรงอัด)

7.การแอ่นตัวของคาน

คำตอบ: δ_max = 10.09 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

w = 6 N/mm, L = 3000 mm

EI = 6.27 × 10¹¹ N·mm²

ระยะแอ่น

δ_max = 5wL⁴/(384EI) = 5·6·3000⁴/(384·6.27 × 10¹¹) = 10.09 mm

คำตอบ

δ_max = 10.09 mm

8.การแอ่นตัวของคาน

คำตอบ: h_req = 168.6 mm

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

w = 2.5 N/mm, L = 3000 mm, E = 11000 N/mm²

เกณฑ์ระยะแอ่น

δ_allow = L/250 = 3000/250 = 12 mm

โมเมนต์ความเฉื่อยของพื้นที่ที่ต้องการ

I_req = 5wL⁴/(384·E·δ_allow) = 5·2.5·3000⁴/(384·11000·12) = 1.998 × 10⁷ mm⁴

ความลึกที่ต้องการ

bh³/12 = I_req → h = (12·1.998 × 10⁷/50)^1/3 = 168.6 mm

คำตอบ

h_req = 168.6 mm

ในทางปฏิบัติ ให้เลือกความลึกมาตรฐานถัดไปที่สูงกว่าค่านี้

9.การโก่งเดาะของเสา

คำตอบ: P_cr = 17.55 kN

การโก่งเดาะของออยเลอร์: เสาเพรียวจะไม่เสถียรที่ P_cr = 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

สี่เหลี่ยมผืนผ้าจะโก่งเดาะรอบแกนอ่อน โดยใช้ด้านที่สั้นกว่ายกกำลังสาม

I_min = h·b³/12 = 60·40³/12 = 320000 mm⁴

ความยาวประสิทธิผล

KL = 1·6000 = 6000 mm

น้ำหนักวิกฤต

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·200000·320000/6000² = 17546 N = 17.55 kN

คำตอบ

P_cr = 17.55 kN

10.การโก่งเดาะของเสา

คำตอบ: d = 26.37 mm

น้ำหนักวิกฤตที่ต้องการ

P_cr = n·P = 3·10000 = 30000 N

KL = 0.5·2500 = 1250 mm

แก้หาเส้นผ่านศูนย์กลาง

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·30000·1250²/(π³·200000))^(1/4) = 26.37 mm

คำตอบ

d = 26.37 mm

ตรวจสอบ: ค่าความเพรียว KL/r คือ 189.6 ดังนั้นเสาเป็นเสาเพรียวและใช้สูตรออยเลอร์ได้

ExamProblems · examproblems.com/courses/structural-analysis

การวิเคราะห์โครงสร้าง: ชุดสรุปเร่งรัด

1สูตรและวิธีทำ

ปฏิกิริยาที่จุดรองรับของคาน

วิธีการ

แรงเฉือนและโมเมนต์ดัด

วิธีการ

โครงข่ายถัก: วิธีจุดต่อ

วิธีการ

การแอ่นตัวของคาน

การโก่งเดาะของเสา

2โจทย์ฝึก

3สารละลาย

โมเมนต์รอบจุด A

สมดุลในแนวดิ่ง

คำตอบ

แรงลัพธ์ของแรงกระทำแบบแผ่

สมดุล

คำตอบ

ปฏิกิริยาที่จุดรองรับ

ตัดใต้ P1 แล้วเก็บส่วนซ้ายไว้

คำตอบ

ปฏิกิริยาที่จุดรองรับ

แรงเฉือนเป็นศูนย์

โมเมนต์สูงสุด

คำตอบ

จุดต่อ G

ตรวจสอบด้วยวิธีจุดต่อ

คำตอบ

ปฏิกิริยาที่จุดรองรับ

จุดต่อ A

คำตอบ

หน่วยที่สอดคล้องกัน

ระยะแอ่น

คำตอบ

หน่วยที่สอดคล้องกัน

เกณฑ์ระยะแอ่น

โมเมนต์ความเฉื่อยของพื้นที่ที่ต้องการ

ความลึกที่ต้องการ

คำตอบ

โมเมนต์ความเฉื่อยของพื้นที่ที่น้อยที่สุด

ความยาวประสิทธิผล

น้ำหนักวิกฤต

คำตอบ

น้ำหนักวิกฤตที่ต้องการ

แก้หาเส้นผ่านศูนย์กลาง

คำตอบ

ตัดใต้ P₁ แล้วเก็บส่วนซ้ายไว้