Будівельна механіка: шпаргалка-підсумок

Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 10 задач для практики, з повними розв’язками наприкінці.

Нові задачіНазад до курсу

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

  1. Накресліть розрахункову схему й замініть кожну опору її реакціями.
  2. Замініть кожне розподілене навантаження однією силою в його центрі ваги.
  3. Візьміть моменти відносно однієї опори, щоб знайти реакцію другої.
  4. 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

  1. Знайдіть реакції опор з рівноваги всієї балки.
  2. Розріжте балку в потрібному перерізі й залиште одну частину.
  3. Поперечна сила: сума вертикальних сил з цього боку. Згинальний момент: сума їхніх моментів відносно перерізу.
  4. 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

  1. Знайдіть реакції опор для всієї ферми.
  2. Метод вирізання вузлів: почніть з вузла, де не більше двох невідомих зусиль у стрижнях, і використайте ΣFx = 0 і ΣFy = 0.
  3. Метод перерізів: розріжте потрібний стрижень і візьміть моменти відносно точки, де перетинаються інші невідомі стрижні.
  4. 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
P1​ = 30 kNP2​ = 40 kNABRA​RB​ = ?1 m2 m5 m

Шарнірно оперта балка має нерухому шарнірну опору в A і рухому в B. Знайдіть вертикальну опорну реакцію RB.

L = 8 mP1 = 30 kN у 1 mP2 = 40 kN у 3 m
RB = kN
2.Опорні реакції балокСкладна
w0​ = 6 kN/mP = 35 kNABMA​ = ?3 m1 m

Консольна балка защемлена в стіні в A. Вона навантажена лінійно змінним навантаженням, що дорівнює 6 kN/m біля стіни й спадає до нуля на вільному кінці B, а також зосередженою силою P на відстані 3 m від стіни. Знайдіть величину реактивного моменту MA у стіні.

L = 4 mw0 = 6 kN/mP = 35 kN у 3 m
MA = kN·m
3.Поперечна сила і згинальний моментСередня
P1​ = 55 kNP2​ = 65 kNAB6 m1 m1 m

Шарнірно оперта балка навантажена двома зосередженими силами. Знайдіть максимальний згинальний момент Mmax у балці.

L = 8 mP1 = 55 kN у 6 mP2 = 65 kN у 7 m
Mmax = kN·m
4.Поперечна сила і згинальний моментСкладна
8 kN/m25 kN25 kNABCDEFG2 m2 m2 m2 m2 m2 m

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.

25 kN @ 12 m25 kN @ 4 m8 kN/m, 0–10 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)
5.Ферма: метод вирізання вузлівСередня
ABBCACACB25 kN5 m4 m4 m

Методом вирізання вузлів знайдіть зусилля FAC у стрижні AC. Розтяг давайте додатним, стиск — від’ємним.

проліт = 5 mвисота = 4 mB на відстані 4 m від Aвертикальне навантаження = 25 kN
FAC = kN
6.Ферма: метод вирізання вузлівСкладна
ABBCACACB20 kN25 kN4 m3 m4 m

Методом вирізання вузлів знайдіть зусилля FBC у стрижні BC. Розтяг давайте додатним, стиск — від’ємним.

проліт = 4 mвисота = 4 mB на відстані 3 m від Aвертикальне навантаження = 20 kNгоризонтальне навантаження = 25 kN ←
FBC = kN
7.Прогин балкиСередня
w = 12 kN/mP = 25 kNABδ1,5 m

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 = 25 kNw = 12 kN/mL = 1,5 mE = 70 GPa (алюміній)I = 23 × 10⁶ mm⁴
δ = mm
8.Прогин балкиСкладна
w = 1,5 kN/mABδ5 m

Шарнірно оперта дерев’яна балка прямокутного перерізу шириною 125 mm навантажена рівномірно розподіленим навантаженням w на весь проліт. Її прогин посередині прольоту не може перевищувати проліт/250. Знайдіть найменшу висоту hreq перерізу.

w = 1,5 kN/mL = 5 mE = 11 GPa (конструкційна деревина)b = 125 mm
hreq = mm
9.Стійкість колонСередня
PL = 5 m50 × 80 mmпоперечний переріз

Колона довжиною L з матеріалу (алюміній) защемлена внизу й вільна вгорі. За формулою Ейлера знайдіть її критичну силу Pcr.

L = 5 mE = 70 GPa (алюміній)b × h = 50 × 80 mm
Pcr = kN
10.Стійкість колонСкладна
PL = 5 md = 50 mmпоперечний переріз

Колона довжиною L з матеріалу (сталь) шарнірно оперта з обох кінців. Знайдіть її гнучкість і критичне напруження σcr за формулою Ейлера.

L = 5 mE = 200 GPa (сталь)d = 50 mm
σcr = MPa

3Розчини

1.Опорні реакції балок

Відповідь: RB = 18,75 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.

P1​ = 30 kNP2​ = 40 kNABRA​RB​1 m2 m5 m

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.

ΣMA = 0: RB·8 = 30·1 + 40·3
RB = 150/8 = 18,75 kN
ΣFy = 0: RA = 70 − 18,75 = 51,25 kN

Відповідь

RB = 18,75 kN
2.Опорні реакції балок

Відповідь: MA = 121 kN·m

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 трикутного навантаження

W = ½·6·4 = 12 kN
x̄ = L/3 = 1,333 m

Момент відносно стіни

MA = W·x̄ + P·a = 12·1,333 + 35·3 = 121 kN·m

Відповідь

MA = 121 kN·m
3.Поперечна сила і згинальний момент

Відповідь: Mmax = 131,3 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·8 = 55·6 + 65·7
RB = 785/8 = 98,13 kN
ΣFy = 0: RA = 120 − 98,13 = 21,88 kN

Момент під кожною силою

Залиште частину ліворуч від кожної сили.

під P1: M = RA·6 = 21,88·6 = 131,3 kN·m
під P2: M = RB·1 = 98,13·1 = 98,13 kN·m

Найбільше значення

Mmax = 131,3 kN·m (під P1)

Відповідь

Mmax = 131,3 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 = 50 kN, R2 = 80 kN

Згинальний момент у кожній позначці

Додайте моменти всіх сил з одного боку розрізу. Прогин униз додатний, вигин угору від’ємний.

MA = 0, MB = 84, MC = 136 kN·m, MD = 106, ME = 44, MF = −50, MG = 0

Відповідь

Позначка C: MC = 136 kN·m
5.Ферма: метод вирізання вузлів

Відповідь: FAC = 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.

ABBCACACB25 kNAy​Cy​

Опорні реакції

Рівновага всієї ферми. Моменти відносно A, додатні проти годинникової стрілки.

ΣMA = 0: Cy·5 = 25·4 → Cy = 20 kN
ΣFy = 0: Ay = 25 − 20 = 5 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 = 4/4,123 = 0,9701, cos γ = 1/4,123 = 0,2425
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −20/0,9701 = −20,62 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−20,62)·0,2425 = 5 kN

Відповідь

FAC = 5 kN (розтяг)
6.Ферма: метод вирізання вузлів

Відповідь: FBC = 10,31 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.

ABBCACACB20 kN25 kNAy​Cy​Ax​

Опорні реакції

Рівновага всієї ферми. Моменти відносно A, додатні проти годинникової стрілки.

ΣMA = 0: Cy·4 = 20·3 − 25·4 → Cy = −10 kN
ΣFy = 0: Ay = 20 − −10 = 30 kN
ΣFx = 0: Ax = 25 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 = 4/4,123 = 0,9701, cos γ = 1/4,123 = 0,2425
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −−10/0,9701 = 10,31 kN

Відповідь

FBC = 10,31 kN (розтяг)
7.Прогин балки

Відповідь: δ = 22,19 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 = 25000 N, w = 12 N/mm, L = 1500 mm
EI = 1,61 × 10¹² N·mm²

Кожне навантаження окремо

δP = PL³/(3EI) = 25000·1500³/(3·1,61 × 10¹²) = 17,47 mm
δw = wL⁴/(8EI) = 12·1500⁴/(8·1,61 × 10¹²) = 4,717 mm

Додайте

δ = 17,47 + 4,717 = 22,19 mm

Відповідь

δ = 22,19 mm
8.Прогин балки

Відповідь: hreq = 174,6 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.

w = 1,5 N/mm, L = 5000 mm, E = 11000 N/mm²

Обмеження прогину

δallow = L/250 = 5000/250 = 20 mm

Потрібний момент інерції

Ireq = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·1,5·5000⁴/(384·11000·20) = 5,549 × 10⁷ mm⁴

Потрібна висота

bh³/12 = Ireq → h = (12·5,549 × 10⁷/125)1/3 = 174,6 mm

Відповідь

hreq = 174,6 mm

На практиці беруть найближчу більшу стандартну висоту.

9.Стійкість колон

Відповідь: Pcr = 5,757 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.

Imin = h·b³/12 = 80·50³/12 = 833333 mm⁴

Розрахункова довжина

KL = 2·5000 = 10000 mm

Критична сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·833333/10000² = 5757 N = 5,757 kN

Відповідь

Pcr = 5,757 kN
10.Стійкість колон

Відповідь: σcr = 12,34 MPa

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.

I = πd⁴/64 = π·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Радіус інерції і гнучкість

A = 1963 mm²
r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12,5 mm
KL = 1·5000 = 5000 mm
KL/r = 5000/12,5 = 400

Критичне напруження

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/400² = 12,34 MPa

Відповідь

σcr = 12,34 MPa

ExamProblems · examproblems.com/courses/structural-analysis