Задания для выполнения самостоятельной работы
6.1. Задания для расчета балок на прочность
6.2.1. Задачи на прочность
6.2. Задачи для расчета балок на прочность
6.3. Задания для расчета балок на жесткость
7. Основные размеры двутавровых балок
8. Пример расчета консольной балки на прочность
Пример 8.1.
Рис. 12. Схема балки и эпюры Q и Mи. | Исходные данные. М = 4,0 кН·м, Р = -13,6кН, q = 10,8кН/м. l = 3,0 м, aм = 2,4 м, aр = 0 м, aq = 1,2 м. Требуется: 1. Изобразить схему балки согласно числовым данным. 2. Определить реакции опор и построить эпюры Q и Mи. 3а. Выбрать № двутавра при = 160 Мпа (материал – сталь). 3б. Определить диаметр деревянной балки круглого сечения при = 10 Мпа. 3в. Определить размеры деревянной балки прямоугольного сечения при = 10 Мпа, если высота h, больше ширины b в два раза. Решение. Определим равнодействующую G равномерно распределенной нагрузки (РРН). |
G = q·l1, где l1 – длина участка балки на которую действует (РРН).
G = 10,8 · 1,8 = 19,44 кН.
1.Определение сил реакций в опорах.
= 0. P · 3 – G · 0,9 – M – MA = 0
– + MA = P · 3 – G · 0,9 – M = 13,6 · 3–19,44 · 0,9 –4 =
= 40,8 – 17,5 + 4 = 19,3 кН·м.
= 0. G · 2,1 – M + RA · 3 – MA = 0. RA = =
= = – 5,83 кН.
Проверка. = 0. – P + G – RA = 0.
– 13,6 + 19,44 – 5,83 = 0. 19,44 – 19,43 = 0. 0 = 0
2. Построение эпюр Q и Mи.
I - й участок. 0 х1 1,2
Уравнение Q1. Q1 = – P = – 13,6 кН. Строим эпюру Q1.
Уравнение Mи1. Mи 1 = – P·х1 = – 13,6·х1. Это уравнение прямой линии. Её можно построить по двум точкам. х1 = 0, Mи 1 = 0
х1 = 1,2 Mи 1 = – 13,6·1,2 = – 16,32 кН·м. Строим эпюру Mи 1.
II - й участок. 1,2 х2 2,4
Уравнение Q2 . Q2 = –P+G2 = – 13,6 + q(х2 – 1,2) = – 13,6 + 10,8(х2 – 1,2).
х2 = 1,2 Q2 = –13.6 + 10,8 ·0 = –13.6 кН.
х2 = 2,4 Q2 = –13.6 + 10,8 ·1,2 = –0,64 кН. Строим эпюру Q2.
Уравнение Mи 2. Mи 2 = –P· х2 + q = –13,6·х2 + q . Это уравнение параболы. Параболу можно построить как минимум по трем точкам. х2 = 1,2 Mи 2 = –13,6·1,2 + 10,8 = – 16,32 кН·м.
х2 = 2,4 Mи 2 = –13,6·2,4+10,8 = –31,64 + 10,8 =
–31,64 + 7,77= –24,86 кН·м. В качестве 3 –й точки возьмем точку расположенную в центре второго участка.
х2 = aq + = 1,2 + = 1,2 + 0,6 = 1,8 м.
Mи 2 = –13,6·1,8+10,8 = –24,48+ = –24,48+1,944= –22,54 кН·м.
По 3-м точкам строим эпюру Mи 2.
III - й участок. 0 х3 0,6
Уравнение Q3. Q3 = RA – G3 = 5,83– q · х3. х3 = 0, Q3 = 5,83кН.
х3 = 0.6, Q3 = 5,83 – 10,8· 0,6 = 5,83 – 6,48 = – 0,65кН. Строим эпюру Q3.
Эпюра Q3 показывает, что на 3-м участке есть точка в которой поперечная сила равна нулю. Надо расчитать расстояние х3 до этой точки. Для этого приравняем уравнение Q3 нулю. 0 = 5,83– 10,8· х3. х03 = = 0,54 м.
Уравнение Mи 3. Mи 3 = –RA х3 – MA + G3 = –5,84 х3 – 19,3 + q =
– 5,84 х3 – 19,3 +10,8 . х3 = 0, Mи 3 = – 19,3 кН·м.
х3 = 0,6, Mи 3 = – 5,84·0,6– 19,3 +10,8 = – 22,8 + 1,94 = – 20,86 кН·м.
х3 = 0,54, Mи 3 = – 5,84· 0,54– 19,3 +10,8 =
= – 3,15 – 19,3 + 1,57 = – 20,88 кН·м. Cтроим эпюру Mи .
После тго как эпюры будут построены, надо провести их анализ. Эпюры Q и Mи должны соответствовать следующим требованиям.
а) на участке, где поперечная сила имеет знак «+», эпюра Mи слева на право возрастает, и наоборот;
б) скачок на эпюре Q возникает в том сечении, к которому приложена внешняя сила, в том числе сила реакции. Скачок равен величине прикладываемой силы;
в) скачок на эпюре Mи возникает в том сечении, к которому приложен внешний момент. Скачок равен этому моменту;
г) на участке, где приложена равномерно распределенная нагрузка (РРН), эпюра Mи имеет вид параболы. Выпуклость параболы направлена навстречу стрелочкам РРН;
д) в сечении, где Q = 0, эпюра Mи имеет экстремум (минимальное или максимальное значение) на данном участке.
Построенные на рис. 12. эпюры, соответствуют перечисленным свойствам.
3. Выбор № двутавра и размеров поперечных сечений.
3.1. Номер двутавра выбирают по осевому моменту сопротиления W0, которое находят из условия прочности при изгибе:
= , W0 = .
В этом примере Mи max = 24,86 кН·м = 24860 · Н·мм.
W0 = = 155, 37· мм3 = 155, 37 см3. По данному W0 выбирается двутавр № 18а. Его осевой момент сопротивления
W0 = 159,0 см3.
3.2. Для круглого поперечного сечения W0 = 0,1d3. Для дерева = 10 МПа . Из условия прочности W0 = = , отсюда d = = = 10 =
=10 = 10·29,37 = 293,7 мм.
3.3. Для прямоугольного сечения W0 = , где b и h соответственно ширина и высота сечения. В примере h = 2 b.
W0 = = = = .
b = = =10 =10·15,5= 155 мм.
h = 2 b = 2·155 = 310 мм.
Пример 9.1.
А(0) D (0,8) E(1,5) B(2,3) F(3,1) K(4,0) C(4,6) Рис. 13. Схема, эпюры и изогнутая ось балки. | Для данной схемы необходимо: 1. Определить силы реакций. 2. Построить эпюры поперечной силы Q и момента изгибающего Mи. 3. Подобрать № двутавра. 4. Используя универсальные уравнения упругой линии балки определить прогиб в точке С ( ) и в т. В, ( ). 5. Определив перемещения еще 4 – 5 точек построить изогнутую линию оси балки. Модуль упругости материала балки Е = 2·105 МПа. aq1 = 1,3 м, aq2 = 2,7 м, aP = 2,7 м, aM =4,6 м, l = 4,6 м, M = 8,8 кН·м, P = 6,2 кН, q = – 3,8 кН/м, = 145 МПа. |
Решение.
Равнодействующая равномерно распределенной нагрузки
G = q· l1 = 3,8·1,4 = 5,32 кН.
1.Определение опорных реакций.
= 0. – MA + G · 2 + P· 2,7 – M = 0.
MA = G · 2 + P· 2,7 – M = 5,32 · 2 + 6,2 · 2,7 – 8,8 = 18,58 кН·м.
= 0. – MA + RA· 4,6 – G · 2,6 – P · 1,9 – M = 0.
RA = = = = 11,52 кН.
Проверка. = 0. – RA + G + P = 0. – 11,52 + 5,32 + 6,2 = 0.
11,52 – 11,52 = 0. 0 = 0
2.Построение эпюр Q и Mи.
I – й участок. 0 х1 1,3
Уравнение Q1. Q1 = – RA = – 11,52 кН. Строим эпюру Q1.
Уравнение Mи1. Mи1 = MA – RA· х1 = 18,58 – 11,52· х1.
х1 = 0; Mи1 = 18,58 кН·м.
х1 = 1,3; Mи1 = 18,58 – 11,52· 1,3 = 3,6 кН·м. Строим эпюру Mи1.
II – й участок. 1,3 х2 2,7
Уравнение Q2. Q2= – RA + G2 = – 11,52 + q(х2 – 1,3) =– 11,52 + 3,8(х2 – 1,3).
х2 = 1,3; Q2 = – 11,52 кН. х2 = 2,7; Q2 = – 11,52+ 3,8(2,7– 1,3)= – 6,2 кН.
Строим эпюру Q2.
Уравнение Mи2. Mи2 = MA – RA· х2 + G2· = 18,58 –11,52 · х2 +
+ q(х2 – 1,3) = 18,58 –11,52 · х2+ 3,8 .
х2 = 1,3; Mи2=18,58 –11,52 ·1,3+ 0 = 18,58 – 14,98 = 3,6 кН·м.
х2 = 2,7; Mи2=18,58 –11,52 ·2,7 +3,8 =18,58 – 31,1+3,8 =
= –8,8 кН·м.
Параболу надо строить минимум по 3-м точкам. Третью точку лучше взять в центре второго участка.
х2 = 2,0; Mи2=18,58 –11,52 ·2,0 +3,8 =18,58 – 23,04 + 3,8 · 0,245 =
= –4,46 + 0,931 = – 3,53 кН·м. Строим эпюру Mи2 .
III – й участок. 0 х3 1,9
Уравнение Q3. Q3 = 0.
Уравнение Mи3. Mи3 = – M = – 8,8 кН·м. В это уравнение не входит расстояние х3 . График данного уравнения представляет собой прямую линию расположенную параллельно оси х на расстоянии – 8,8 кН·м.
3. Выбор № двутавра.
Номер двутавра выбирают по осевому моменту сопротиления W0, которое расчитывают из условия прочности при изгибе:
= , W0 = .
В этом примере Mи max = 18,58 кН·м = 18 580 · Н·мм.
W0 = = 128, 138· мм3 = 128, 138 см3. По данному W0 выбирается двутавр № 18. Его осевой момент сопротивления
W0 = 143,0 см3. Осевой момент инерции I = 1290 см4 .
4. Определение линейных перемещений.
Перемещения точек балки будем расчитывать используя универсальное уравнение (2), (см. стр. 22).
EI = EI + EIθ0 z + + + ,
4.1. Перемещение т.С. z = l = 4,6 м. Для консольной балки начало координат следует поместить в точку А. При этом θ0 = 0, = 0.
EI = EI + EIθ0 z + + + =
= MA +M –RA + P + q –q =
= 18,58 + 0 –11,52 +6,2 + 3,8 –3,8 =
= 18,58 ·10,58 –11,52 · 16,22 + 6,2 · 1,143 + 3,8 · 4,94 –3,8 · 0,543 =
=196,58 –186,88 + 7,08 + 18,78 –2,06 = 33,5 кН·м3 = 33,5 · 103 Н·м3 .
Вычисляем жесткость материала –произведение EI.
E = 2 · 105 МПа (Н/мм2) = 2 · 102 кН/мм2 = 2 · 108 кН/м2 .
I = 1290 см4 = 1290 · 10-8 м4.
EI = 2 · 108 · 1290 · 10-8 = 2580 кН·м2 = 2580 · 103 Н·м2 .
= = 0,01298 м = 12,98 мм 13 мм.
4.2. Перемещение т. В. z = 2,3 м. θ0 = 0, = 0.
EI = MA – RA + q = 18,58 · – 11,52 · +
+ 3,8 =18,58 · 2,645 – 11,52 · 2,03 + 3,8 · 0,0416 =
= 49,144 – 23,36 + 0,158 = 25,942 кН·м3 = 25,942 · 103 Н·м3 .
= = 0,01005 м = 10,05 мм.
4.3. Перемещение т. К. z = 4,0 м. θ0 = 0, = 0.
EI = MA – RA + q – q =
= 18,58 · – 11,52 + 6,2 + 3,8 – 3,8 =
= 18,58 ·8 – 11,52 · 10,66 + 6,2 ·0,366 + 3,8 · 2,214 – 3,8 · 0,119 =
= 148,64 – 122,8 + 2,269 + 8,413 – 0,452 = 36,07 кН·м3 = 36,07·103 Н·м3 .
= = 0,01398 м = 13,98 мм 14 мм.
4.4. Перемещение т. F. z = 3,1 м. θ0 = 0, = 0.
EI = MA – RA + q – q =
= 18,58 – 11,52 + 6,2 + 3,8 – 3,8 =
=89,28 – 57,2 + 0,062 + 0,425 – 0,004 = 32,563 кН·м3 = 32,563 · 103 Н·м3.
= = 0,0126 м = 12,6 мм.
4.5. Перемещение т. E. z = 1,5 м. θ0 = 0, = 0.
EI = MA – RA q =
=18,58 – 11,52 + 3,8 = 20,9 – 6,48 + 0,00025 = 14,42 кН·м3 =
= 14,42 · 103 Н·м3. = = 0,00559 м = 5,6 мм.
4.6. Перемещение т. D. z = 0,8 м. θ0 = 0, = 0.
EI = MA – RA = 18,58 – 11,52 =5,945 – 0,983 = =4,962 кН·м3 = 4,962 · 103 Н·м3. = = 0,00192 м = 1,92 мм.
По вычисленным перемещениям построена изогнутая ось балки.
9.2. Расчет на жесткость балки опирающейся на две опоры.
A(0) D(0,8) E(1,6) C(2,4) K(3,2) M(4,0) B(4,8)
Рис. 14. Схема, эпюры и перемещения балки. | Для данной схемы необходимо: 1. Определить силы реакций. 2. Построить эпюры поперечной силы Q и момента изгибающего Mи. 3. Подобрать № двутавра. 4. Используя универсальные уравнения упругой линии балки определить прогиб в центре балки, в т. С ( ). 5. Определив перемещения еще 4 – 5 точек построить изогнутую линию оси балки. Модуль упругости материала балки Е = 2·105 МПа. aq1 = 1,3 м, aq2 = 2,8 м, aP = 1,3 м, aM =2,8 м, l = 4,8 м, M = 12 кН·м, P = – 16,8 кН, q = 12 кН/м, = 140 МПа. |
Решение.
Равнодействующая G = q· l1 = 12 · 1,5 = 18 кН.
1.Определение сил реакций.
= 0. – P · 1,3 – G · 2,05 – M + RB · 4,8 = 0.
RB = = = = =14,74 кН.
= 0. – RA · 1,3 + P · 3,5 + G · 2,75 – M = 0.
RA = = = = = 20,06 кН.
Проверка. = 0. RA – P – G + RB = 0.
20,6 – 16,8 – 18 + 14,74 = 0. 34,8 – 34,8 = 0. 0 = 0.
2.Построение эпюр Q и Mи.
I - й участок, 0 х1 1,3
Уравнение Q1. Q1 = RA = 20,06 кН.
Уравнение Mи1. Mи1 = RA · х1 = 20,06 · х1. х1 = 0, Mи1 = 0.
х1 = 1,3, Mи1 = 20,06 · 1,3 = 26,08 кН·м.
II - й участок, 1,3 х2 2,8.
Уравнение Q2. Q2 = RA – P – q(х2 – 1,3) = 20,06 – 16,8 – 12(х2 – 1,3) =
= 3,26 – 12(х2 – 1,3). х2 = 1,3, Q2 = 3,26 кН.
х2 = 2,8, Q2 = 3,26 – 12(2,8 – 1,3) = 3,26 – 18 = – 14,74 кН. На 2-м участке есть точка, в которой Q2 = 0. Надо определить расстояние х02 от края балки до данной точки. Q2 = 3,26 – 12(х2 – 1,3) = 0, 3,26 – 12 х2 + 15,6 = 0,
18,86 – 12 х02 = 0, х02 = = 1,57 м.
Уравнение Mи2. Mи2 = RA · х2 – P(х2 – 1,3) –G2 =
= 20,06·х2 –16,8(х2 –1,3) – q = 20,06· х2 –16,8(х2 –1,3) –12 .
х2 = 1,3, Mи2 = 20,06·1,3 = 26,08 кН·м.
х2 = 2,8, Mи2 = 20,06·2,8–16,8(2,8 –1,3) –12 = 56,168 – 25,2 – 13,5 =
= 17, 468 кН·м.
х2 = 1,57, Mи2 = 20,06·1,57–16,8(1,57 –1,3) –12 = 31,49 – 4,536 –
– 0,437 = 26,52 кН·м.
III - й участок, 0 х3 2,0
Уравнение Q3. Q3 = – RB = – 14,74 кН.
Уравнение Mи3. Mи3 = RB· х3 = 14,74· х3. х3 = 0, Mи3 = 0.
х3 = 2,0, Mи3 = 14,74·2,0 = 29,48 кН·м.
3. Выбор двутавра.
Условие прочности: = , отсюда W0 = .
Mи max = 29,48 кН·м = 29480·103 Н·мм. W0 = = 210,57·103 мм3 =
= 210,57 см3.
Выбирается двутавр № 22. W0 = 232 см3, I = 2550 см4 = 2550·10-8 м4.
4. Определение перемещений.
При определении перемещений будем использовать универсальные уравнения изогнутой оси балки.
EIθ = EIθ0 + + , (1)
EI = EI + EIθ0 z + + + , (2)
За начало координат принимается т. А. В этом случае известен один из параметров = = 0, так как на опоре прогиб отсутствует. Для определения линейного перемещения любой точки надо знать угол поворота крайнего левого сечения θ0. Этот угол находят из уравнения (2) при расчете перемещения точки В, заранее зная, что оно равно нулю. При z = 4,8м имеем.
EIθ = EIθ0 z +M +RA – P – q + q =
EIθ0·4,8 +12 + 20,06 – 16,8 – 12 + 12 =
EIθ0·4,8 + 12 · 2 + 20,06 · 18,432 – 16,8·7,146 – 12· 6,25 +12· 0,666 =
EIθ0·4,8 +24 +369,7 –120 – 75 + 8,0 = EIθ0·4,8 + 206,7 = 0
EIθ0·4,8 = – 206,7 кН·м3 = – 206,7·103 Н·м3.
Определение жесткости материала балки EI.
Е = 2 · 105 МПа (Н/мм2) = 2· 1011 Па (Н/м2). I = 2550· 10-8 м4.
EI = 2· 1011 · 2550· 10-8 = 5100 · 103 Н·м2.
θ0 = θA = – = – = – = – 8,44· 10-3 рад. · 57,30 = – 0,4840.
Знак минус показывает, что поперечное сечение на левой опоре поворачивается по часовой стрелке.
4.1.Перемещение т. С. z = 2,4 м.
EIθ = EIθ0 z +RA – P – q =
EI · 2,4 + 20,06 – 16,8 – 12 = – 43,06· 2,4 +
+ 20,06·2,304 – 16,8 · 0,22 – 12 · 0,06 = –103,344 + 46,218 –3,696 – 0,72 =
= – 61,542 кН · м3 = – 61,542· 103 Н · м3.
= – 0,012 м = – 12 мм.
4.2. Перемещение т. D. z = 0,8 м.
EIθ = EIθ0 z +RA = EI 0,8 + 20,06 = – 34,448 + 1,712 =
= – 32,736 кН·м3 = – 32,736 · 103 Н ·м3.
= – 0,00642 м = – 6,42 мм.
4.3. Перемещение т. Е. z = 1,6 м.
EIθ = EIθ0 z +RA – P – q =
EI ·1,6 + 20,06 –16,8 –12 = – 68,896+13,694 –0,076–0,004 =
=13,694 – 68,976 = – 55,282 кН·м3 = – 55,282· 103 Н ·м3.
= = – 0,0108 м = – 10,8 мм.
4.3. Перемещение т. К. z = 3,2 м.
EIθ = EIθ0 z +M +RA – P – q + q =
= EI ·3,2 + 12 + 20,06 – 16,8 – 12 + 12 =
= – 137,792 + 0,96 +109,554 – 19,205 – 6,516 + 0,0013 =
= 110,527 – 163,513 = – 52,986 кН·м3 = – 52,986 · 103 Н ·м3.
= = – 0,0104 м = – 10,4 мм.
4.4. Перемещение т. М. z = 4,0 м.
EIθ = EIθ0 z +M +RA – P – q + q =
EI ·4 + 12 + 20,06 – 16,8 – 12 + 12 =
– 172,24 +8,64 +213,97 – 55,11 –26,57 + 1,07 = 223,68 – 253,92 =
= – 30,24 кН·м3 = – 30,24 · 103 Н ·м3.
= = – 0,00593 м = – 5,93 мм.
По найденным значениям линейных перемещений построена изогнутая линия оси балки.
Литература
1. Степин П.А. Сопротивление материалов. - – СПб.:Лань,2014.- Режим
Доступа: http://e.lanbook.com
2. Миролюбов И.Н., Алмаметов Ф.З., Курицин Н.А., Изотопов И.Н.
Сопротивление материалов. Пособие по решению задач. – СПб.:Лань,2014.-
Режим доступа: http://e.lanbook.com
3. Кудрявцев С.Г., Сердюков В.Н. Сопротивление материалов. Интернет-тестирование базовых знаний. СПб.: Лань,2013. – Режим доступа: http://e.lanbook.com
4. Гнатюк В.В., Соляник С.С. Внутренние силовые факторы. Учебное пособие для выполнения самостоятельной работы студентов по дисциплине «Сопротивление материалов». СПб. 2013.