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
Консольна балка защемлена в стіні в A. Вона навантажена рівномірно розподіленим навантаженням w від стіни до 2 m і зосередженою силою P на відстані 3 m від стіни. Знайдіть вертикальну реакцію RA у стіні.
L = 4 mP = 25 kN у 3 mw = 4 kN/m від 0 до 2 m
RA = kN
2.Опорні реакції балокСкладна
Шарнірно оперта балка має нерухому шарнірну опору в A і рухому в B. Сила P прикладена на відстані 5 m від A під кутом 60° до горизонталі, а вертикальна сила Q — на відстані 0,5 m від A. Знайдіть величину повної реакції RA у шарнірі A.
L = 6 mP = 10 kN у 5 m, θ = 60°Q = 65 kN у 0,5 m
RA = kN
3.Поперечна сила і згинальний моментСередня
Знайдіть згинальний момент Mx у перерізі x = 1 m від опори A. Додатними вважайте моменти, що розтягують нижні волокна, і поперечну силу, спрямовану вгору на лівій грані.
L = 5 mw = 6 kN/m від 0 до 5 mx = 1 m
Mx = 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.
20 kN @ 12 m60 kN @ 4 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 вирізання вузлівСередня
Методом вирізання вузлів знайдіть зусилля FBC у стрижні BC. Розтяг давайте додатним, стиск — від’ємним.
проліт = 5 mвисота = 4 mB на відстані 2 m від Aвертикальне навантаження = 10 kN
FBC = kN
6.Ферма: метод вирізання вузлівСкладна
Методом вирізання вузлів знайдіть зусилля FBC у стрижні BC. Розтяг давайте додатним, стиск — від’ємним.
проліт = 4 mвисота = 4 mB на відстані 1 m від Aвертикальне навантаження = 55 kNгоризонтальне навантаження = 5 kN →
FBC = kN
7.Прогин балкиСередня
Шарнірно оперта балка навантажена зосередженою силою P на відстані a = 3 m від опори A. Знайдіть прогин δP під силою.
P = 5 kNa = 3 mL = 5 mE = 70 GPa (алюміній)I = 8,5 × 10⁶ mm⁴
δP = mm
8.Прогин балкиСкладна
Шарнірно оперта балка навантажена зосередженою силою P на відстані b = 2 m від опори B. Знайдіть максимальний прогин δmax балки.
P = 8 kNb = 2 mL = 5 mE = 11 GPa (конструкційна деревина)I = 57 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
9.Стійкість колонСередня
Колона довжиною L з матеріалу (сталь) защемлена внизу й шарнірно оперта вгорі. За формулою Ейлера знайдіть її критичну силу Pcr.
L = 2,5 mE = 200 GPa (сталь)b × h = 20 × 50 mm
Pcr = kN
10.Стійкість колонСкладна
Суцільна кругла колона довжиною L з матеріалу (сталь) шарнірно оперта з обох кінців. Вона має витримати 105 kN з коефіцієнтом запасу стійкості 2,5. Знайдіть найменший діаметр d.
P = 105 kNn = 2,5L = 2 mE = 200 GPa (сталь)
d = mm
3Розчини
1.Опорні реакції балок
Відповідь: RA = 33 kN
Рівновага консолі: защемлення може не лише підпирати, а й протидіяти повороту, тож воно дає вертикальну реакцію RA і реактивний момент MA. ΣFy = 0 дає RA, а моменти відносно стіни дають MA = Σ(навантаження × відстань від стіни). Розподілене навантаження діє як рівнодійна, прикладена в центрі ваги епюри навантаження.
Рівнодійна розподіленого навантаження
W = 4·2 = 8 kN, x̄ = 1 m
Рівновага по вертикалі
RA = P + W = 25 + 8 = 33 kN
Відповідь
RA = 33 kN
2.Опорні реакції балок
Відповідь: RA = 61,23 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.
Складові P
Pv = 10·sin 60° = 8,66 kN
Ph = 10·cos 60° = 5 kN
Реакції
ΣMA = 0: RB·6 = 8,66·5 + 65·0,5 → RB = 12,63 kN
Ay = 8,66 + 65 − 12,63 = 61,03 kN
Ax = Ph = 5 kN
Повна реакція в A
RA = √(5² + 61,03²) = 61,23 kN
Відповідь
RA = 61,23 kN
3.Поперечна сила і згинальний момент
Відповідь: Mx = 12 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.
Опорні реакції
Рівновага всієї балки.
Рівнодійна розподіленого навантаження: W = w·ℓ = 6·5 = 30 kN, прикладена в x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 6·5·2,5
RB = 75/5 = 15 kN
ΣFy = 0: RA = 30 − 15 = 15 kN
Розріжте в x = 1 m і залиште ліву частину
Враховуються лише сили ліворуч від перерізу. Ділянка розподіленого навантаження діє як одна сила посередині цієї ділянки.
M = RA·x − (кожне навантаження ліворуч від перерізу × його відстань до перерізу)
Mx = 15·1 − 6·1·0,5 = 12 kN·m
Відповідь
Mx = 12 kN·m
4.Поперечна сила і згинальний момент
Відповідь: C (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 kN, R2 = 48 kN
Згинальний момент у кожній позначці
Додайте моменти всіх сил з одного боку розрізу. Прогин униз додатний, вигин угору від’ємний.
MA = 0, MB = 64, MC = 128 kN·m, MD = 72, ME = 16, MF = −40, MG = 0
Відповідь
Позначка C: MC = 128 kN·m
5.Ферма: метод вирізання вузлів
Відповідь: FBC = −5 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·5 = 10·2 → Cy = 4 kN
ΣFy = 0: Ay = 10 − 4 = 6 kN
Вузол C
Рухома опора дає лише вертикальну реакцію, тож у вузлі C лише дві невідомі сили в стрижнях. Припустіть, що обидва розтягнуті.
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 = 55·1 + 5·4 → Cy = 18,75 kN
ΣFy = 0: Ay = 55 − 18,75 = 36,25 kN
ΣFx = 0: Ax = −5 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 = 5000 N, a = 3000 mm, b = 2000 mm, L = 5000 mm
EI = 5,95 × 10¹¹ N·mm²
Прогин під силою
δP = Pa²b²/(3EIL) = 5000·3000²·2000²/(3·5,95 × 10¹¹·5000) = 20,17 mm
Відповідь
δP = 20,17 mm
8.Прогин балки
Відповідь: δmax = 31,51 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 = 8000 N, b = 2000 mm, L = 5000 mm
EI = 6,27 × 10¹¹ N·mm²
Положення максимуму
Прирівнявши до нуля кут повороту на довшій ділянці, отримаємо положення.
x = √((L² − b²)/3) = √((5000² − 2000²)/3) = 2646 mm
Максимальний прогин
δmax = Pb(L² − b²)3/2/(9√3·EIL) = 31,51 mm
Відповідь
δmax = 31,51 mm
9.Стійкість колон
Відповідь: Pcr = 21,48 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
Прямокутник втрачає стійкість відносно слабкої осі, з меншим розміром у кубі.
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 = 2,5·105000 = 262500 N
KL = 1·2000 = 2000 mm
Виразіть діаметр
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·262500·2000²/(π³·200000))^(1/4) = 57,37 mm
Відповідь
d = 57,37 mm
Перевірка: гнучкість KL/r дорівнює 139,4, тож колона гнучка й формула Ейлера застосовна.