У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.
1Формули та методи
Опорні реакції балок
Рівновага
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Рівномірне навантаження
рівнодійна w·L посередині навантаження
Момент
M = F·d
Метод
Накресліть розрахункову схему й замініть кожну опору її реакціями.
Замініть кожне розподілене навантаження однією силою в його центрі ваги.
Візьміть моменти відносно однієї опори, щоб знайти реакцію другої.
Використайте ΣFy = 0, щоб знайти решту реакції, і перевірте другим рівнянням моментів.
Поперечна сила і згинальний момент
Поперечна сила і момент
V = ΣF з одного боку, M = ΣF·d з одного боку
Напруження згину
σ = M·y/I
Прямокутник
I = bh³/12
Момент опору перерізу
W = I/ymax
Шарнірно оперта, рівномірне навантаження
Mmax = wL²/8
Метод
Знайдіть реакції опор з рівноваги всієї балки.
Розріжте балку в потрібному перерізі й залиште одну частину.
Поперечна сила: сума вертикальних сил з цього боку. Згинальний момент: сума їхніх моментів відносно перерізу.
Для максимального моменту знайдіть, де поперечна сила дорівнює нулю.
Ферма: метод вирізання вузлів
Метод вирізання вузлів
ΣFx = 0, ΣFy = 0 at each joint
Метод перерізів
ΣM = 0 about a cut point
Зусилля в стрижні
додатне = розтяг, від’ємне = стиск
Метод
Знайдіть реакції опор для всієї ферми.
Метод вирізання вузлів: почніть з вузла, де не більше двох невідомих зусиль у стрижнях, і використайте ΣFx = 0 і ΣFy = 0.
Метод перерізів: розріжте потрібний стрижень і візьміть моменти відносно точки, де перетинаються інші невідомі стрижні.
Припускайте розтяг; від’ємна відповідь означає стиск.
Прогин балки
Зосереджена сила посередині прольоту
δ = PL³/(48EI)
Рівномірне навантаження, шарнірно оперта балка
δ = 5wL⁴/(384EI)
Консоль, сила на кінці
δ = PL³/(3EI)
Консоль, рівномірне навантаження
δ = wL⁴/(8EI)
Метод накладання
δ = δ1 + δ2
Стійкість колон
Критична сила Ейлера
Pcr = π²EI/(KL)²
Коефіцієнт розрахункової довжини
K = 1 шарнір–шарнір, 0,5 защемлення–защемлення, 0,7 защемлення–шарнір, 2 защемлення–вільний кінець
Критичне напруження
σcr = Pcr/A
Гнучкість
λ = KL/r, r = √(I/A)
2Задачі для практики
1.Опорні реакції балокСередня
Шарнірно оперта балка має нерухому шарнірну опору в A і рухому в B. Вона навантажена зосередженою силою P на відстані 7 m від A і зосередженим моментом M, що діє за годинниковою стрілкою, на відстані 4 m від A. Знайдіть вертикальну реакцію RB, вважаючи напрямок угору додатним.
L = 10 mP = 15 kN у 7 mM = 30 kN·m (за годинниковою стрілкою) у 4 m
RB = kN
2.Опорні реакції балокСкладна
Шарнірно оперта балка має нерухому шарнірну опору в A і рухому в B. Знайдіть вертикальну опорну реакцію RB.
L = 5 mP = 35 kN у 3 mw = 4 kN/m від 3 до 5 m
RB = kN
3.Поперечна сила і згинальний моментСередня
Шарнірно оперта балка навантажена двома зосередженими силами. Знайдіть максимальний згинальний момент Mmax у балці.
L = 10 mP1 = 50 kN у 2 mP2 = 35 kN у 3 m
Mmax = kN·m
4.Поперечна сила і згинальний моментСкладна
Позначки від A до G ділять балку на шість рівних частин. У якій позначці згинальний момент найбільший за величиною, додатний чи від’ємний? Клацніть її на діаграмі.
50 kN @ 6 m55 kN @ 2 m15 kN/m, 0–4 m
1A (x = 0 m)
2B (x = 1 m)
3C (x = 2 m)
4D (x = 3 m)
5E (x = 4 m)
6F (x = 5 m)
7G (x = 6 m)
5.Ферма: метод вирізання вузлівСередня
Методом вирізання вузлів знайдіть зусилля FBC у стрижні BC. Розтяг давайте додатним, стиск — від’ємним.
проліт = 4 mвисота = 2 mB на відстані 1 m від Aвертикальне навантаження = 40 kN
FBC = kN
6.Ферма: метод вирізання вузлівСкладна
Методом вирізання вузлів знайдіть зусилля FAC у стрижні AC. Розтяг давайте додатним, стиск — від’ємним.
проліт = 4 mвисота = 4 mB на відстані 1 m від Aвертикальне навантаження = 60 kNгоризонтальне навантаження = 20 kN →
FAC = kN
7.Прогин балкиСередня
Консоль навантажена рівномірно розподіленим навантаженням w по всій довжині і зосередженою силою P на вільному кінці. За принципом накладання знайдіть прогин δ вільного кінця.
P = 23 kNw = 2 kN/mL = 1,5 mE = 11 GPa (конструкційна деревина)I = 57 × 10⁶ mm⁴
δ = mm
8.Прогин балкиСкладна
Шарнірно оперта балка навантажена зосередженою силою P на відстані b = 3 m від опори B. Знайдіть максимальний прогин δmax балки.
P = 2 kNb = 3 mL = 8 mE = 11 GPa (конструкційна деревина)I = 57 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
9.Стійкість колонСередня
Колона довжиною L з матеріалу (сталь) защемлена з обох кінців. За формулою Ейлера знайдіть її критичну силу Pcr.
L = 2 mE = 200 GPa (сталь)d = 20 mm
Pcr = kN
10.Стійкість колонСкладна
Суцільна кругла колона довжиною L з матеріалу (алюміній) защемлена внизу й вільна вгорі. Вона має витримати 5 kN з коефіцієнтом запасу стійкості 2,5. Знайдіть найменший діаметр d.
P = 5 kNn = 2,5L = 2,5 mE = 70 GPa (алюміній)
d = mm
3Розчини
1.Опорні реакції балок
Відповідь: RB = 13,5 kN
Статична рівновага: для тіла в спокої ΣFx = 0, ΣFy = 0 і ΣM = 0 відносно будь-якої точки. Замініть кожне розподілене навантаження його рівнодійною (площею епюри навантаження), прикладеною в центрі ваги епюри, і складіть рівняння моментів відносно опори, щоб виключити її реакцію.
Моменти відносно A
Проти годинникової стрілки — додатний напрямок.
ΣMA = 0: RB·10 − 15·7 − 30 = 0
RB = 135/10 = 13,5 kN
Рівновага по вертикалі
RA = 15 − 13,5 = 1,5 kN
Відповідь
RB = 13,5 kN
Від’ємна реакція спрямована вниз.
2.Опорні реакції балок
Відповідь: RB = 27,4 kN
Статична рівновага: для тіла в спокої ΣFx = 0, ΣFy = 0 і ΣM = 0 відносно будь-якої точки. Моменти відносно однієї опори виключають її реакцію з рівняння.
Розрахункова схема
Замініть опори силами реакції. Рухома опора дає одну вертикальну реакцію; якщо навантаження лише вертикальні, нерухома шарнірна опора теж дає одну вертикальну реакцію.
Рівновага
Моменти відносно A, додатні проти годинникової стрілки. Потім рівновага вертикальних сил.
Рівнодійна розподіленого навантаження: W = w·ℓ = 4·2 = 8 kN, прикладена в x̄ = 4 m
ΣMA = 0: RB·5 = 35·3 + 4·2·4
RB = 137/5 = 27,4 kN
ΣFy = 0: RA = 43 − 27,4 = 15,6 kN
Відповідь
RB = 27,4 kN
3.Поперечна сила і згинальний момент
Відповідь: Mmax = 143,5 kN·m
Метод перерізів: розріжте балку там, де потрібні внутрішні сили, і залиште одну частину. Поперечна сила V зрівноважує вертикальні сили цієї частини, а згинальний момент M — їхні моменти відносно перерізу. Максимальний момент: оскільки dM/dx = V, згинальний момент досягає максимуму там, де поперечна сила переходить через нуль: або під зосередженою силою, або в межах розподіленого навантаження.
Опорні реакції
Рівновага всієї балки.
ΣMA = 0: RB·10 = 50·2 + 35·3
RB = 205/10 = 20,5 kN
ΣFy = 0: RA = 85 − 20,5 = 64,5 kN
Момент під кожною силою
Залиште частину ліворуч від кожної сили.
під P1: M = RA·2 = 64,5·2 = 129 kN·m
під P2: M = RB·7 = 20,5·7 = 143,5 kN·m
Найбільше значення
Mmax = 143,5 kN·m (під P2)
Відповідь
Mmax = 143,5 kN·m
4.Поперечна сила і згинальний момент
Відповідь: E (x = 4 m)
Найбільший згинальний момент: нахил M змінюється там, де змінюється поперечна сила, тож його піки лежать там, де поперечна сила проходить через нуль: під зосередженою силою, всередині розподіленого навантаження або над опорою консолі. У жорсткому закладенні консолі момент найбільший біля стіни. Порівняйте величину M у цих місцях, прогинальний чи від’ємний.
Опорні реакції
Візьміть моменти відносно однієї опори, потім використайте баланс вертикальних сил.
R1 = 32,5 kN, R2 = 132,5 kN
Згинальний момент у кожній позначці
Додайте моменти всіх сил з одного боку розрізу. Прогин униз додатний, вигин угору від’ємний.
MA = 0, MB = 25, MC = 35, MD = −25, ME = −100 kN·m, MF = −50, MG = 0
Відповідь
Позначка E: ME = −100 kN·m
5.Ферма: метод вирізання вузлів
Відповідь: FBC = −18,03 kN
Метод вирізання вузлів: кожен вузол ферми перебуває в рівновазі, тож у кожному вузлі ΣFx = 0 і ΣFy = 0. Почніть із вузла, де не більше двох невідомих зусиль. Від’ємний результат означає, що стрижень стиснутий.
Опорні реакції
Рівновага всієї ферми. Моменти відносно A, додатні проти годинникової стрілки.
ΣMA = 0: Cy·4 = 40·1 → Cy = 10 kN
ΣFy = 0: Ay = 40 − 10 = 30 kN
Вузол C
Рухома опора дає лише вертикальну реакцію, тож у вузлі C лише дві невідомі сили в стрижнях. Припустіть, що обидва розтягнуті.
sin γ = 2/3,606 = 0,5547, cos γ = 3/3,606 = 0,8321
Метод вирізання вузлів: кожен вузол ферми перебуває в рівновазі, тож у кожному вузлі ΣFx = 0 і ΣFy = 0. Почніть із вузла, де не більше двох невідомих зусиль. Від’ємний результат означає, що стрижень стиснутий.
Опорні реакції
Рівновага всієї ферми. Моменти відносно A, додатні проти годинникової стрілки.
ΣMA = 0: Cy·4 = 60·1 + 20·4 → Cy = 35 kN
ΣFy = 0: Ay = 60 − 35 = 25 kN
ΣFx = 0: Ax = −20 kN
Вузол C
Рухома опора дає лише вертикальну реакцію, тож у вузлі C лише дві невідомі сили в стрижнях. Припустіть, що обидва розтягнуті.
Прогин балок: прогини отримують подвійним інтегруванням кривини M/(EI). Типові випадки наведено в таблицях, наприклад PL³/(3EI) для консолі із силою на кінці та 5wL⁴/(384EI) для шарнірно опертої балки з рівномірним навантаженням на весь проліт. Прогини від окремих навантажень додаються (принцип накладання).
Узгоджені одиниці
Рахуйте в N і mm: P у N, w у N/mm (kN/m = N/mm), L у mm, E у N/mm² (GPa × 1000), I у mm⁴.
P = 23000 N, w = 2 N/mm, L = 1500 mm
EI = 6,27 × 10¹¹ N·mm²
Кожне навантаження окремо
δP = PL³/(3EI) = 23000·1500³/(3·6,27 × 10¹¹) = 41,27 mm
δw = wL⁴/(8EI) = 2·1500⁴/(8·6,27 × 10¹¹) = 2,019 mm
Додайте
δ = 41,27 + 2,019 = 43,29 mm
Відповідь
δ = 43,29 mm
8.Прогин балки
Відповідь: δmax = 31,3 mm
Прогин балок: прогини отримують подвійним інтегруванням кривини M/(EI). Типові випадки наведено в таблицях, наприклад PL³/(3EI) для консолі із силою на кінці та 5wL⁴/(384EI) для шарнірно опертої балки з рівномірним навантаженням на весь проліт. Прогини від окремих навантажень додаються (принцип накладання).
Узгоджені одиниці
Рахуйте в N і mm: P у N, w у N/mm (kN/m = N/mm), L у mm, E у N/mm² (GPa × 1000), I у mm⁴.
P = 2000 N, b = 3000 mm, L = 8000 mm
EI = 6,27 × 10¹¹ N·mm²
Положення максимуму
Прирівнявши до нуля кут повороту на довшій ділянці, отримаємо положення.
x = √((L² − b²)/3) = √((8000² − 3000²)/3) = 4282 mm
Максимальний прогин
δmax = Pb(L² − b²)3/2/(9√3·EIL) = 31,3 mm
Відповідь
δmax = 31,3 mm
9.Стійкість колон
Відповідь: Pcr = 15,5 kN
Втрата стійкості за Ейлером: гнучка колона втрачає стійкість при Pcr = π²EI/(KL)², де KL — розрахункова довжина: K = 1 для шарнір–шарнір, 2 для защемлення–вільний кінець, 0,7 для защемлення–шарнір і 0,5 для защемлення–защемлення. Вона вигинається відносно осі з найменшим I. Формула справедлива для гнучких колон, критичне напруження яких менше за межу текучості.
Найменший момент інерції
Круглий переріз має однаковий I відносно будь-якої осі.
Втрата стійкості за Ейлером: гнучка колона втрачає стійкість при Pcr = π²EI/(KL)², де KL — розрахункова довжина: K = 1 для шарнір–шарнір, 2 для защемлення–вільний кінець, 0,7 для защемлення–шарнір і 0,5 для защемлення–защемлення. Вона вигинається відносно осі з найменшим I. Формула справедлива для гнучких колон, критичне напруження яких менше за межу текучості.
Потрібна критична сила
Pcr = n·P = 2,5·5000 = 12500 N
KL = 2·2500 = 5000 mm
Виразіть діаметр
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·12500·5000²/(π³·70000))^(1/4) = 55,1 mm
Відповідь
d = 55,1 mm
Перевірка: гнучкість KL/r дорівнює 363, тож колона гнучка й формула Ейлера застосовна.