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. Знайдіть вертикальну опорну реакцію RA.
L = 6 mP1 = 40 kN у 3 mP2 = 10 kN у 5 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 1,5 m від A під кутом 30° до горизонталі, а вертикальна сила Q — на відстані 3,5 m від A. Знайдіть величину повної реакції RA у шарнірі A.
L = 4 mP = 20 kN у 1,5 m, θ = 30°Q = 75 kN у 3,5 m
RA = kN
3.Поперечна сила і згинальний моментСередня
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 @ 2 m10 kN/m, 0–6 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)
4.Поперечна сила і згинальний моментСкладна
Знайдіть згинальний момент Mx у перерізі x = 7 m від опори A. Додатними вважайте моменти, що розтягують нижні волокна, і поперечну силу, спрямовану вгору на лівій грані.
L = 8 mP = 40 kN у 7 mw = 6 kN/m від 0 до 8 mx = 7 m
Mx = kN·m
5.Ферма: метод вирізання вузлівСередня
Методом вирізання вузлів знайдіть зусилля FAC у стрижні AC. Розтяг давайте додатним, стиск — від’ємним.
проліт = 4 mвисота = 2 mB на відстані 3 m від Aвертикальне навантаження = 55 kN
FAC = kN
6.Ферма: метод вирізання вузлівСкладна
Методом вирізання вузлів знайдіть зусилля FAB у стрижні AB. Розтяг давайте додатним, стиск — від’ємним.
проліт = 6 mвисота = 3 mB на відстані 2 m від Aвертикальне навантаження = 20 kNгоризонтальне навантаження = 10 kN →
FAB = 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 = 5 kNw = 2 kN/mL = 2,5 mE = 70 GPa (алюміній)I = 23 × 10⁶ mm⁴
δ = mm
8.Прогин балкиСкладна
Шарнірно оперта балка навантажена рівномірно розподіленим навантаженням w. Її прогин не може перевищувати проліт/360. Знайдіть найменший момент інерції Ireq, що задовольняє цю умову.
w = 12 kN/mL = 3 mE = 70 GPa (алюміній)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.Стійкість колонСередня
Колона довжиною L з матеріалу (алюміній) защемлена внизу й шарнірно оперта вгорі. За формулою Ейлера знайдіть її критичну силу Pcr.
L = 4 mE = 70 GPa (алюміній)d = 50 mm
Pcr = kN
10.Стійкість колонСкладна
Суцільна кругла колона довжиною L з матеріалу (сталь) защемлена з обох кінців. Вона має витримати 105 kN з коефіцієнтом запасу стійкості 2,5. Знайдіть найменший діаметр d.
P = 105 kNn = 2,5L = 3 mE = 200 GPa (сталь)
d = mm
3Розчини
1.Опорні реакції балок
Відповідь: RA = 21,67 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.
ΣMA = 0: RB·6 = 40·3 + 10·5
RB = 170/6 = 28,33 kN
ΣFy = 0: RA = 50 − 28,33 = 21,67 kN
Відповідь
RA = 21,67 kN
2.Опорні реакції балок
Відповідь: RA = 23,33 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 = 20·sin 30° = 10 kN
Ph = 20·cos 30° = 17,32 kN
Реакції
ΣMA = 0: RB·4 = 10·1,5 + 75·3,5 → RB = 69,38 kN
Ay = 10 + 75 − 69,38 = 15,63 kN
Ax = Ph = 17,32 kN
Повна реакція в A
RA = √(17,32² + 15,63²) = 23,33 kN
Відповідь
RA = 23,33 kN
3.Поперечна сила і згинальний момент
Відповідь: C (x = 2 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 = 63,33 kN, R2 = 46,67 kN
Згинальний момент у кожній позначці
Додайте моменти всіх сил з одного боку розрізу. Прогин униз додатний, вигин угору від’ємний.
MA = 0, MB = 58,33, MC = 106,7 kN·m, MD = 95, ME = 73,33, MF = 41,67, MG = 0
Відповідь
Позначка C: MC = 106,7 kN·m
4.Поперечна сила і згинальний момент
Відповідь: Mx = 56 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 = 6·8 = 48 kN, прикладена в x̄ = 4 m
ΣMA = 0: RB·8 = 40·7 + 6·8·4
RB = 472/8 = 59 kN
ΣFy = 0: RA = 88 − 59 = 29 kN
Розріжте в x = 7 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 = 29·7 − 6·7·3,5 = 56 kN·m
Відповідь
Mx = 56 kN·m
5.Ферма: метод вирізання вузлів
Відповідь: FAC = 20,63 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 = 55·3 → Cy = 41,25 kN
ΣFy = 0: Ay = 55 − 41,25 = 13,75 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 = 2/2,236 = 0,8944, cos γ = 1/2,236 = 0,4472
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·6 = 20·2 + 10·3 → Cy = 11,67 kN
ΣFy = 0: Ay = 20 − 11,67 = 8,333 kN
ΣFx = 0: Ax = −10 kN
Вузол A
Припустіть, що кожен стрижень розтягнутий (тягне від вузла). Лише AB має вертикальну складову у вузлі A.
sin α = 3/3,606 = 0,8321
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −8,333/0,8321 = −10,02 kN
Відповідь
FAB = −10,02 kN (стиск)
7.Прогин балки
Відповідь: δ = 22,24 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 = 5000 N, w = 2 N/mm, L = 2500 mm
EI = 1,61 × 10¹² N·mm²
Кожне навантаження окремо
δP = PL³/(3EI) = 5000·2500³/(3·1,61 × 10¹²) = 16,17 mm
δw = wL⁴/(8EI) = 2·2500⁴/(8·1,61 × 10¹²) = 6,066 mm
Додайте
δ = 16,17 + 6,066 = 22,24 mm
Відповідь
δ = 22,24 mm
8.Прогин балки
Відповідь: Ireq = 21,7 × 10⁶ mm⁴
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).
Обмеження прогину
δallow = L/360 = 3000/360 = 8,333 mm
Потрібний момент інерції
I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·12·3000⁴/(384·70000·8,333) = 2,17 × 10⁷ mm⁴
Ireq = 21,7 × 10⁶ mm⁴
Відповідь
Ireq = 21,7 × 10⁶ mm⁴
9.Стійкість колон
Відповідь: Pcr = 27,04 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 = 2,5·105000 = 262500 N
KL = 0,5·3000 = 1500 mm
Виразіть діаметр
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·262500·1500²/(π³·200000))^(1/4) = 49,69 mm
Відповідь
d = 49,69 mm
Перевірка: гнучкість KL/r дорівнює 120,8, тож колона гнучка й формула Ейлера застосовна.