Понятие о деформации балок при изгибе. Чистый изгиб. Поперечный изгиб. Общие понятия. Условие примера задачи на прямой поперечный изгиб
Для наглядного представления характера деформации брусьев (стержней) при изгибе проводится следующий опыт. На боковые грани резинового бруса прямоугольного сечения наносится сетка линий, параллельных и перпендикулярных оси бруса (рис. 30.7, а). Затем к брусу по его концам прикладываются моменты (рис. 30.7, б), действующие в плоскости симметрии бруса, пересекающей каждое его поперечное сечение по одной из главных центральных осей инерции. Плоскость, проходящая через ось бруса и одну из главных центральных осей инерции каждого его поперечного сечения, будем называть главной плоскостью.
Под действием моментов брус испытывает прямой чистый изгиб. В результате деформации, как показывает опыт, линии сетки, параллельные оси бруса, искривляются, сохраняя между собой прежние расстояния. При указанном на рис. 30.7, б направлении моментов эти линии в верхний части бруса удлиняются, а в нижней - укорачиваются.
Каждую линию сетки, перпендикулярную к оси бруса, можно рассматривать как след плоскости некоторого поперечного сечения бруса. Так как эти линии остаются прямыми, то можно предполагать, что поперечные сечения бруса, плоские до деформации, остаются плоскими и в процессе деформации.
Это предположение, основанное на опыте, как известно, носит название гипотезы плоских сечений, или гипотезы Бернулли (см. § 6.1).
Гипотеза плоских сечений применяется не только при чистом, но и при поперечном изгибе. Для поперечного изгиба она является приближенной, а для чистого изгиба строгой, что подтверждается теоретическими исследованиями, проведенными методами теории упругости.
Рассмотрим теперь прямой брус с поперечным сечением, симметричным относительно вертикальной оси, заделанный правым концом и нагруженный на левом конце внешним моментом действующим в одной из главных плоскостей бруса (рис. 31.7). В каждом поперечном сечении этого бруса возникают только изгибающие моменты действующие в той же плоскости, что и момент
Таким образом, брус на всем своем протяжении находится в состоянии прямого чистого изгиба. В состоянии чистого изгиба могут находиться отдельные участки балки и в случае действия на нее поперечных нагрузок; например, чистый изгиб испытывает участок 11 балки, изображенной на рис. 32.7; в сечениях этого участка поперечная сила
Выделим из рассматриваемого бруса (см. рис. 31.7) двумя поперечными сечениями элемент длиной . В результате деформации, как это следует из гипотезы Бернулли, сечения останутся плоскими, но наклонятся по отношению друг к другу на некоторый угол Примем левое сечение условно за неподвижное. Тогда в результате поворота правого сечения на угол оно займет положение (рис. 33.7).
Прямые пересекутся в некоторой точке А, которая является центром кривизны (или, точнее, следом оси кривизны) продольных волокон элемента Верхние волокна рассматриваемого элемента при показанном на рис. 31.7 направлении момента удлиняются, а нижние укорачиваются. Волокна же некоторого промежуточного слоя перпендикулярного к плоскости действия момента сохраняют свою длину. Этот слой называется нейтральным слоем.
Обозначим радиус кривизны нейтрального слоя, т. е. расстояние от этого слоя до центра кривизны А (см. рис. 33.7). Рассмотрим некоторый слой расположенный на расстоянии у от нейтрального слоя. Абсолютное удлинение волокон этого слоя равно а относительное
Рассматривая подобные треугольники устанавливаем, что Следовательно,
В теории изгиба предполагается, что продольные волокна бруса не давят друг на друга. Экспериментальные и теоретические исследования показывают, что это предположение не влияет существенно на результаты расчета.
При чистом изгибе в поперечных сечениях бруса не возникают касательные напряжения. Таким образом, все волокна при чистом изгибе находятся в условиях одноосного растяжения или сжатия.
По закону Гука для случая одноосного растяжения или сжатия нормальное напряжение о и соответствующая относительная деформация связаны зависимостью
или на основании формулы (11.7)
Из формулы (12.7) следует, что нормальные напряжения в продольных волокнах бруса прямо пропорциональны их расстояниям у от нейтрального слоя. Следовательно, в поперечном сечении бруса в каждой его точке нормальные напряжения пропорциональны расстоянию у от этой точки до нейтральной оси, представляющей собой линию пересечения нейтрального слоя с поперечным сечением (рис.
34.7, а). Из симметрии бруса и нагрузки следует, что нейтральная ось горизонтальна.
В точках нейтральной оси нормальные напряжения равны нулю; по одну сторону от нейтральной оси они растягивающие, а по другую - сжимающие.
Эпюра напряжений о представляет собой график, ограниченный прямой линией, с наибольшими по абсолютной величине значениями напряжений для точек, наиболее удаленных от нейтральной оси (рис. 34.7,б).
Рассмотрим теперь условия равновесия выделенного элемента бруса. Действие левой части бруса на сечение элемента (см. рис. 31.7) представим в виде изгибающего момента остальные внутренние усилия в этом сечении при чистом изгибе равны нулю. Действие правой части бруса на сечение элемента представим в виде элементарных сил о приложенных к каждой элементарной площадке поперечного сечения (рис. 35.7) и параллельных оси бруса.
Составим шесть условий равновесия элемента
Здесь - суммы проекций всех сил, действующих на элемент соответственно на оси - суммы моментов всех сил относительно осей (рис. 35.7).
Ось совпадает с нейтральной осью сечения а ось у перпендикулярна к ней; обе эти оси расположены в плоскости поперечного сечения
Элементарная сила не дает проекций на оси у и и не вызывает момента относительно оси Поэтому уравнения равновесия удовлетворяются при любых значениях о.
Уравнение равновесия имеет вид
Подставим в уравнение (13.7) значение а по формуле (12.7):
Так как (рассматривается изогнутый элемент бруса, для которого ), то
Интеграл представляет собой статический момент поперечного сечения бруса относительно нейтральной оси . Равенство его нулю означает, что нейтральная ось (т. е. ось ) проходит через центр тяжести поперечного сечения. Таким образом, центр тяжести всех поперечных сечений бруса, а следовательно, и ось бруса, являющаяся геометрическим местом центров тяжести, расположены в нейтральном слое. Следовательно, радиус кривизны нейтрального слоя является радиусом кривизны изогнутой оси бруса.
Составим теперь уравнение равновесия в виде суммы моментов всех сил, приложенных к элементу бруса, относительно нейтральной оси :
Здесь представляет собой момент элементарной внутренней силы относительно оси .
Обозначим площадь части поперечного сечения бруса, расположенной над нейтральной осью, - под нейтральной осью.
Тогда представит собой равнодействующую элементарных сил приложенных выше нейтральной оси, ниже нейтральной оси (рис. 36.7).
Обе эти равнодействующие равны друг другу по абсолютной величине, так как их алгебраическая сумма на основании условия (13.7) равна нулю. Эти равнодействующие образуют внутреннюю пару сил, действующую в поперечном сечении бруса. Момент этой пары сил, равный т. е. произведению величины одной из них на расстояние между ними (рис. 36.7), представляет собой изгибающий момент в поперечном сечении бруса.
Подставим в уравнение (15.7) значение а по формуле (12.7):
Здесь представляет собой осевой момент инерции , т. е. оси, проходящей через центр тяжести сечения. Следовательно,
Подставим значение из формулы (16.7) в формулу (12.7):
При выводе формулы (17.7) не учтено, что при внешнем моменте направленном, как это показано на рис. 31.7, согласно принятому правилу знаков, изгибающий момент является отрицательным. Если учесть это, то перед правой частью формулы (17.7) необходимо поставить знак «минус». Тогда при положительном изгибающем моменте в верхней зоне бруса (т. е. при ) значения а получатся отрицательными, что укажет на наличие в этой зоне сжимающих напряжений. Однако обычно знак «минус» в правой части формулы (17.7) не ставится, а эта, формула используется лишь для определения абсолютных значений напряжений а. Поэтому в формулу (17.7) следует подставлять абсолютные значения изгибающего момента и ординаты у. Знак же напряжений всегда легко устанавливается по знаку момента или по характеру деформации балки.
Составим теперь уравнение равновесия в виде суммы моментов всех сил, приложенных к элементу бруса, относительно оси у:
Здесь представляет собой момент элементарной внутренней силы относительно оси у (см. рис. 35.7).
Подставим в выражение (18.7) значение а по формуле (12.7):
Здесь интеграл представляет собой центробежный момент инерции поперечного сечения бруса относительно осей у и . Следовательно,
Но так как
Как известно (см. § 7.5), центробежный момент инерции сечения равен нулю относительно главных осей инерции.
В рассматриваемом случае ось у является осью симметрии поперечного сечения бруса и, следовательно, оси у и являются главными центральными осями инерции этого сечения. Поэтому условие (19.7) здесь удовлетворяется.
В случае, когда поперечное сечение изгибаемого бруса не имеет ни одной оси симметрии, условие (19.7) удовлетворяется, если плоскость действия изгибающего момента проходит через одну из главных центральных осей инерции сечения или параллельна этой оси.
Если плоскость действия изгибающего момента не проходит ни через одну из главных центральных осей инерции поперечного сечения бруса и не параллельна ей, то условие (19.7) не удовлетворяется и, следовательно, нет прямого изгиба - брус испытывает косой изгиб.
Формула (17.7), определяющая нормальное напряжение в произвольной точке рассматриваемого сечения бруса, применима при условии, что плоскость действия изгибающего момента проходит через одну из главных осей инерции этого сечения или ей параллельна. При этом нейтральная ось поперечного сечения является его главной центральной осью инерции, перпендикулярной к плоскости действия изгибающего момента.
Формула (16.7) показывает, что при прямом чистом изгибе кривизна изогнутой оси бруса прямо пропорциональна произведению модуля упругости Е на момент инерции Произведение будем называть жесткостью сечения при изгибе; она выражается в и т. д.
При чистом изгибе балки постоянного сечения изгибающие моменты и жесткости сечений постоянны по ее длине. В этом случае радиус кривизны изогнутой оси балки имеет постоянное значение [см. выражение (16.7)], т. е. балка изгибается по дуге окружности.
Из формулы (17.7) следует, что наибольшие (положительные - растягивающие) и наименьшие (отрицательные-сжимающие) нормальные напряжения в поперечном сечении бруса возникают в точках, наиболее удаленных от нейтральной оси, расположенных по обе стороны от нее. При поперечном сечении, симметричном относительно нейтральной оси, абсолютные величины наибольших растягивающих и сжимающих напряжений одинаковы и их можно определить по формуле
где - расстояние от нейтральной оси до наиболее удаленной точки сечения.
Величина зависящая только от размеров и формы поперечного сечения, называется осевым моментом сопротивления сечения и обозначается
(20.7)
Следовательно,
Определим осевые моменты сопротивления для прямоугольного и круглого сечений.
Для прямоугольного сечения шириной b и высотой
Для круглого сечения диаметром d
Момент сопротивления выражается в .
Для сечений, не симметричных относительно нейтральной оси, например для треугольника, тавра и т. п., расстояния от нейтральной оси до наиболее удаленных растянутых и сжатых волокон различны; поэтому для таких сечений имеются два момента сопротивления:
где - расстояния от нейтральной оси до наиболее удаленных растянутых и сжатых волокон.
Расчет балки на изгиб «вручную», по-дедовски, позволяет познать один из важнейших, красивейших, четко математически выверенных алгоритмов науки сопротивление материалов. Использование многочисленных программ типа «ввел исходные данные...
...– получи ответ» позволяет современному инженеру сегодня работать гораздо быстрее, чем его предшественникам сто, пятьдесят и даже двадцать лет назад. Однако при таком современном подходе инженер вынужден полностью доверять авторам программы и со временем перестает «ощущать физический смысл» расчетов. Но авторы программы – это люди, а людям свойственно ошибаться. Если бы это было не так, то не было бы многочисленных патчей, релизов, «заплаток» практически к любому программному обеспечению. Поэтому, мне кажется, любой инженер должен уметь иногда «вручную» проверить результаты расчетов.
Справка (шпаргалка, памятка) для расчётов балок на изгиб представлена ниже на рисунке.
Давайте на простом житейском примере попробуем ей воспользоваться. Допустим, я решил сделать в квартире турник. Определено место – коридор шириной один метр двадцать сантиметров. На противоположных стенах на необходимой высоте напротив друг друга надежно закрепляю кронштейны, к которым будет крепиться балка-перекладина – пруток из стали Ст3 с наружным диаметром тридцать два миллиметра. Выдержит ли эта балка мой вес плюс дополнительные динамические нагрузки, которые возникнут при выполнении упражнений?
Чертим схему для расчета балки на изгиб. Очевидно, что наиболее опасной будет схема приложения внешней нагрузки, когда я начну подтягиваться, зацепившись одной рукой за середину перекладины.
Исходные данные:
F1 = 900 н – сила, действующая на балку (мой вес) без учета динамики
d = 32 мм – наружный диаметр прутка, из которого сделана балка
E = 206000 н/мм^2 — модуль упругости материала балки стали Ст3
[σи] = 250 н/мм^2 — допустимые напряжения изгиба (предел текучести) для материала балки стали Ст3
Граничные условия:
Мx (0) = 0 н*м – момент в точке z = 0 м (первая опора)
Мx (1,2) = 0 н*м– момент в точке z = 1,2 м (вторая опора)
V (0) = 0 мм – прогиб в точке z = 0 м (первая опора)
V (1,2) = 0 мм – прогиб в точке z = 1,2 м (вторая опора)
Расчет:
1. Для начала вычислим момент инерции Ix и момент сопротивления Wx сечения балки. Они нам пригодятся в дальнейших расчетах. Для кругового сечения (каковым является сечение прутка):
Ix = (π*d^4)/64 = (3.14*(32/10)^4)/64 = 5,147 см^4
Wx = (π*d^3)/32 = ((3.14*(32/10)^3)/32) = 3,217 см^3
2. Составляем уравнения равновесия для вычисления реакций опор R1 и R2:
Qy = -R1+F1-R2 = 0
Мx (0) = F1*(0-b2) -R2*(0-b3) = 0
Из второго уравнения: R2 = F1*b2/b3 = 900*0.6/1.2 = 450 н
Из первого уравнения: R1 = F1-R2 = 900-450 = 450 н
3. Найдем угол поворота балки в первой опоре при z = 0 из уравнения прогиба для второго участка:
V (1.2) = V (0)+U (0)*1.2+(-R1*((1.2-b1)^3)/6+F1*((1.2-b2)^3)/6)/
U (0) = (R1*((1.2-b1)^3)/6 -F1*((1.2-b2)^3)/6)/(E*Ix)/1,2 =
= (450*((1.2-0)^3)/6 -900*((1.2-0.6)^3)/6)/
/(206000*5,147/100)/1,2 = 0,00764 рад = 0,44˚
4.
Составляем уравнения для построения эпюр для первого участка (0 Поперечная сила: Qy (z) = -R1 Изгибающий момент: Мx (z) = -R1*(z-b1) Угол поворота: Ux (z) = U (0)+(-R1*((z-b1)^2)/2)/(E*Ix) Прогиб: Vy (z) = V (0)+U (0)*z+(-R1*((z-b1)^3)/6)/(E*Ix) z = 0 м:
Qy (0) = -R1 = -450 н Ux (0) = U (0) = 0,00764 рад Vy (0) = V (0) = 0 мм z = 0,6 м:
Qy (0,6) = -R1 = -450 н Мx (0,6) = -R1*(0,6-b1) = -450*(0,6-0) = -270 н*м Ux (0,6) = U (0)+(-R1*((0,6-b1)^2)/2)/(E*Ix) = 0,00764+(-450*((0,6-0)^2)/2)/(206000*5,147/100) = 0 рад Vy (0,6) = V (0)+U (0)*0,6+(-R1*((0,6-b1)^3)/6)/(E*Ix) = 0+0,00764*0,6+(-450*((0,6-0)^3)/6)/ (206000*5,147/100) = 0,003 м Балка прогнется по центру на 3 мм под тяжестью моего тела. Думаю, это приемлемый прогиб. 5.
Пишем уравнения эпюр для второго участка (b2 Поперечная сила: Qy (z) = -R1+F1 Изгибающий момент: Мx (z) = -R1*(z-b1)+F1*(z-b2) Угол поворота: Ux (z) = U (0)+(-R1*((z-b1)^2)/2+F1*((z-b2)^2)/2)/(E*Ix) Прогиб: Vy (z) = V (0)+U (0)*z+(-R1*((z-b1)^3)/6+F1*((z-b2)^3)/6)/(E*Ix) z = 1,2 м:
Qy (1,2) = -R1+F1 = -450+900 = 450 н Мx (1,2) = 0 н*м Ux (1,2) = U (0)+(-R1*((1,2-b1)^2)/2+F1*((1,2-b2)^2)/2)/(E*Ix) = 0,00764+(-450*((1,2-0)^2)/2+900*((1,2-0,6)^2)/2)/ /(206000*5,147/100) = -0.00764 рад Vy (1,2) = V (1,2) = 0 м 6.
Строим эпюры, используя данные полученные выше. 7.
Рассчитываем напряжения изгиба в наиболее нагруженном сечении – посередине балки и сравниваем с допустимыми напряжениями: σи = Mx max/Wx = (270*1000)/(3,217*1000) = 84 н/мм^2 σи = 84 н/мм^2 < [σи] = 250 н/мм^2 По прочности на изгиб расчет показал трехкратный запас прочности – турник можно смело делать из имеющегося прутка диаметром тридцать два миллиметра и длиной тысяча двести миллиметров. Таким образом, вы теперь легко можете произвести расчет балки на изгиб «вручную» и сравнить с результатами, полученными при расчете по любой из многочисленных программ, представленных в Сети. Прошу УВАЖАЮЩИХ
труд автора ПОДПИСАТЬСЯ
на анонсы статей.
86 комментариев на «Расчет балки на изгиб — «вручную»!»
При прямом чистом изгибе бруса в его поперечных сечениях возникают только нормальные напряжения. Когда величина изгибающего момента М в сечении стержня меньше некоторого значения, эпюра, характеризующая распределение нормальных напряжений вдоль оси у поперечного сечения, перпендикулярной нейтральной оси (рис. 11.17, а), имеет вид, показанный на рис. 11.17, б. Наибольшие напряжения при этом равны По мере увеличения изгибающего момента М нормальные напряжения возрастают, пока наибольшие их значения (в волокнах, наиболее удаленных от нейтральной оси) становятся равными пределу текучести (рис. 11.17, в); при этом изгибающий момент равен опасному значению: При увеличении изгибающего момента сверх опасного значения напряжения, равные пределу текучести возникают не только в волокнах, наиболее удаленных от нейтральной оси, но и в некоторой зоне поперечного сечения (рис. 11.17, г); в этой зоне материал находится в пластическом состоянии. В средней части сечения напряжения меньше предела текучести, т. е. материал в этой части находится еще в упругом состоянии. При дальнейшем увеличении изгибающего момента пластическая зона распространяется в сторону нейтральной оси, а размеры упругой зоны уменьшаются. При некотором предельном значении изгибающего момента , соответствующем полному исчерпанию несущей способности сечения стержня на изгиб, упругая зона исчезает, а зона пластического состояния занимает всю площадь поперечного сечения (рис. 11.17, д). При этом в сечении образуется так называемый пластический шарнир (или шарнир текучести). В отличие от идеального шарнира, который не воспринимает момента, в пластическом шарнире действует постоянный момент Пластический шарнир является односторонним: он исчезает при действии на стержень моментов обратного (по отношению к ) знака или при разгрузке балки. Для определения величины предельного изгибающего момента выделим в части поперечного сечения балки, расположенной над нейтральной осью, элементарную площадку отстоящую на расстоянии от нейтральной оси, а в части, расположенной под нейтральной осью, - площадку отстоящую на расстоянии от нейтральной оси (рис. 11.17, а). Элементарная нормальная сила, действующая на площадку в предельном состоянии, равна а ее момент относительно нейтральной оси равен аналогично момент нормальной силы действующей на площадку равен Оба эти момента имеют одинаковые знаки. Величина предельного момента равна моменту всех элементарных сил относительно нейтральной оси: где - статические моменты соответственно верхней и нижней частей поперечного сечения относительно нейтральной оси . Сумму называют осевым пластическим моментом сопротивления и обозначают Следовательно, Продольная сила в поперечном сечении при изгибе равна нулю, а потому площадь сжатой зоны сечения равняется площади растянутой зоны. Таким образом, нейтральная ось в сечении, совпадающем с пластическим шарниром, делит это поперечное сечение на две равновеликие части. Следовательно, при несимметричном поперечном сечении нейтральная ось не проходит в предельном состоянии через центр тяжести сечения. Определим по формуле (11.17) величину предельного момента для стержня прямоугольного сечения высотой h и шириной b: Опасное значение момента при котором эпюра нормальных напряжений имеет вид, изображенный на рис. 11.17, в, для прямоугольного сечения определяется по формуле Отношение Для круглого сечения отношение а для двутаврового Если изгибаемый брус является статически определимым, то после снятия нагрузки, вызвавшей в нем момент изгибающий момент в его поперечном сечении равняется нулю. Несмотря на это, нормальные напряжения в поперечном сечении не исчезают. На эпюру нормальных напряжений в пластической стадии (рис. 11.17, е) накладывается эпюра напряжений в упругой стадии (рис. 11.17, е), аналогичная эпюре, изображенной на рис. 11.17,б, так как при разгрузке (которую можно рассматривать как нагрузку моментом обратного знака) материал ведет себя как упругий. Изгибающий момент М, соответствующий эпюре напряжений, показанный на рис. 11.17, е, по абсолютной величине равен так как только при этом условии в поперечном сечении бруса от действия момента и М суммарный момент равен нулю. Наибольшее напряжение на эпюре (рис. 11.17, е) определяется из выражения Суммируя эпюры напряжений, показанные на рис. 11.17, д,е, получаем эпюру, изображенную на рис. 11.17, ж. Эта эпюра характеризует распределение напряжений после снятия нагрузки, вызывавшей момент При такой эпюре изгибающий момент в сечении (а также и продольная сила) равняется нулю. Изложенная теория изгиба за пределом упругости используется не только в случае чистого изгиба, но и в случае поперечного изгиба, когда в поперечном сечении балки кроме изгибающего момента действует также поперечная сила. Определим теперь предельное значение силы Р для статически определимой балки, изображенной на рис. 12.17, а. Эпюра изгибающих моментов для этой балки показана на рис. 12.17,б. Наибольший изгибающий момент возникает под грузом где он равен Предельное состояние, соответствующее полному исчерпанию несущей способности балки, достигается тогда, когда в сечении под грузом возникает пластический шарнир, в результате чего балка превращается в механизм (рис. 12.17, в). При этом изгибающий момент в сечении под грузом равняется Из условия находим [см. формулу (11.17)] Теперь вычислим предельную нагрузку для статически неопределимой балки. Рассмотрим в качестве примера два раза статически неопределимую балку постоянного сечения, изображенную на рис. 13.17, а. Левый конец А балки жестко защемлен, а правый конец В закреплен против поворота и вертикального смещения. Если напряжения в балке не превышают предела пропорциональности, то эпюра изгибающих моментов имеет вид, показанный на рис. 13.17, б. Она построена по результатам расчета балки обычными методами, например с помощью уравнений трех моментов. Наибольший изгибающий момент равный возникает в левом опорном сечении рассматриваемой балки. При значении нагрузки изгибающий момент в этом сечении достигает опасного значения вызывающего появление напряжений, равных пределу текучести, в волокнах балки, наиболее удаленных от нейтральной оси. Увеличение нагрузки сверх указанной величины приводит к тому, что в левом опорном сечении А изгибающий момент становится равным предельному значению и в этом сечении появляется пластический шарнир. Однако несущая способность балки полностью еще не исчерпывается. При дальнейшем возрастании нагрузки до некоторого значения пластические шарниры появляются также в сечениях В и С. В результате появления трех шарниров балка, вначале дважды статически неопределимая, становится геометрически изменяемой (превращается в механизм). Такое состояние рассматриваемой балки (когда в ней возникают три пластических шарнира) является предельным и соответствует полному исчерпанию ее несущей способности; дальнейшее увеличение нагрузки Р становится невозможным. Величину предельной нагрузки можно установить без исследования работы балки в упругой стадии и выяснения последовательности образования пластических шарниров. Значения изгибающих моментов в сечениях. А, В и С (в которых возникают пластические шарниры) в предельном состоянии равны соответственно и, следовательно, эпюра изгибающих моментов при предельном состоянии балки имеет вид, изображенный на рис. 13.17, в. Эту эпюру можно представить состоящей из двух эпюр: первая из них (рис. 13.17, г) представляет собой прямоугольник с ординатами и вызвана моментами приложенными по концам простой балки, лежащей на двух опорах (рис. 13.17, д); вторая эпюра (рис. 13.17, е) представляет собой треугольник с наибольшей ординатой и вызвана грузом действующим на простую балку (рис. 13.17, ж. Известно, что сила Р, действующая на простую балку, вызывает в сечении под грузом изгибающий момент где а и - расстояния от груза до концов балки. В рассматриваемом случае (рис. И, следовательно, момент под грузом Но этот момент, как показано (рис. 13.17, е), равняется Аналогичным образом устанавливаются предельные нагрузки для каждого пролета многопролетной статически неопределимой балки. В качестве примера рассмотрим четырежды статически неопределимую балку постоянного сечения, изображенную на рис. 14.17, а. В предельном состоянии, соответствующем полному исчерпанию несущей способности балки в каждом ее пролете, эпюра изгибающих моментов имеет вид, показанный на рис. 14.17, б. Эту эпюру можно рассматривать состоящей из двух эпюр, построенных в предположении, что каждый пролет представляет собой простую балку, лежащую на двух опорах: одной эпюры (рис. 14.17, в), вызванной моментами действующими в опорных пластических шарнирах, и второй (рис. 14.17, г), вызванной предельными нагрузками, приложенными в пролетах. Из рис. 14.17, г устанавливаем: В этих выражениях Полученное значение предельной нагрузки для каждого пролета балки не зависит от характера и величин нагрузок в остальных пролетах. Из разобранного примера видно, что расчет статически неопределимой балки по несущей способности оказывается проще, чем расчет по упругой стадии. Несколько иначе проводится расчет неразрезной балки по несущей способности в тех случаях, когда кроме характера нагрузки в каждом пролете задаются также соотношения между величинами нагрузок в разных пролетах. В этих случаях предельной нагрузкой считается такая, при которой происходит исчерпание несущей способности балки не во всех пролетах, а в одном из ее пролетов. Предельно допускаемая нагрузка определяется путем деления величин на нормативный коэффициент запаса прочности. Значительно сложнее определение предельных нагрузок при действии на балку сил, направленных не только сверху вниз, но также и снизу вверх, а также при действии сосредоточенных моментов. Прямой изгиб. Плоский поперечный изгиб
Построение эпюр внутренних силовых факторов для балок
Построение эпюр Q и М по уравнениям
Построение эпюр Q и М по характерным сечениям (точкам)
Расчёты на прочность при прямом изгибе балок
Главные напряжения при изгибе. Полная проверка прочности балок
Понятие о центре изгиба
Определение перемещений в балках при изгибе. Понятия
деформации балок и условия их жёсткости
Дифференциальное уравнение изогнутой оси балки
Метод непосредственного интегрирования
Примеры определения перемещений в балках методом
непосредственного интегрирования
Физический смысл постоянных интегрирования
Метод начальных параметров (универсальное уравнение
изогнутой оси балки).
Примеры определения перемещений в балке по методу начальных
параметров
Определение перемещений по методу Мора.
Правило А.К. Верещагина. Вычисление интеграла Мора по правилу А.К. Верещагина
Примеры определения перемещений посредством интеграла Мора
Библиографический список
Прямой изгиб.
Плоский поперечный изгиб.
1.1. Построение эпюр внутренних силовых факторов
для балок
Прямым изгибом называется такой вид деформации, при котором в поперечных
сечениях стержня возникают два внутренних силовых фактора: изгибающий момент
и поперечная сила. В частном случае, поперечная сила может быть равна нулю,
тогда изгиб называется чистым.
При плоском поперечном изгибе все силы расположены в одной из главных
плоскостей инерции стержня и перпендикулярны его продольной оси, в той же
плоскости расположены моменты (рис. 1.1, а,б).
Рис. 1.1
Поперечная сила в произвольном поперечном сечении балки численно равна
алгебраической сумме проекций на нормаль к оси балки всех внешних сил,
действующих по одну сторону от рассматриваемого сечения. Поперечная сила в
сечении m-n балки (рис. 1.2, а) считается положительной, если равнодействующая
внешних сил слева от сечения направлена вверх, а справа – вниз, и отрицательной –
в противоположном случае (рис. 1.2, б).
Рис. 1.2
Вычисляя поперечную силу в данном сечении, внешние силы, лежащие слева
от сечения, берут со знаком плюс, если они направлены вверх, и со знаком минус,
если вниз. Для правой части балки – наоборот.
5
Изгибающий момент в произвольном поперечном сечении балки численно равен
алгебраической сумме моментов относительно центральной оси z сечения всех
внешних сил, действующих по одну сторону от рассматриваемого сечения.
Изгибающий момент в сечении m-n балки (рис. 1.3, а) считается положительным,
если равнодействующий момент внешних сил слева от сечения направлен по
стрелке часов, а справа – против часовой стрелки, и отрицательным – в
противоположном случае (рис. 1.3, б).
Рис. 1.3
При вычислении изгибающего момента в данном сечении моменты внешних
сил, лежащие слева от сечения, считаются положительными, если они направлены
по ходу часовой стрелки. Для правой части балки – наоборот. Удобно определять
знак изгибающего момента по характеру деформации балки. Изгибающий момент
считается положительным, если в рассматриваемом сечении отсечённая часть балки
изгибается выпуклостью вниз, т. е. растягиваются нижние волокна. В
противоположном случае изгибающий момент в сечении отрицательный.
Между изгибающим моментом М, поперечной силой Q и интенсивностью
нагрузки q существуют дифференциальные зависимости.
1. Первая производная от поперечной силы по абсциссе сечения равна
интенсивности распределенной нагрузки, т.е.
. (1.1)
2. Первая производная от изгибающего момента по абсциссе сечения равна
поперечной силе, т. е.
. (1.2)
3. Вторая производная по абсциссе сечения равна интенсивности
распределённой нагрузки, т. е.
. (1.3)
Распределенную нагрузку, направленную вверх, считаем положительной.
Из дифференциальных зависимостей между М, Q, q вытекает ряд важных
выводов:
1. Если на участке балки:
а) поперечная сила положительна, то изгибающий момент возрастает;
б) поперечная сила отрицательна, то изгибающий момент убывает;
в) поперечная сила равна нулю, то изгибающий момент имеет постоянное
значение (чистый изгиб);
6
г) поперечная сила проходит через нуль, меняя знак с плюса на минус,
max
M M, в противоположном случае M Mmin.
2. Если на участке балки распределенная нагрузка отсутствует, то поперечная
сила постоянна, а изгибающий момент изменяется по линейному закону.
3. Если на участке балки имеется равномерно распределенная нагрузка, то
поперечная сила изменяется по линейному закону, а изгибающий момент – по
закону квадратной параболы, обращенной выпуклостью в сторону действия
нагрузки (в случае построения эпюры М со стороны растянутых волокон).
4. В сечении под сосредоточенной силой эпюра Q имеет скачок (на величину
силы), эпюра М - излом в сторону действия силы.
5. В сечении, где приложен сосредоточенный момент, эпюра М имеет скачок,
равный значению этого момента. На эпюре Q это не отражается.
При сложном нагружении балки строят эпюры поперечных сил Q и
изгибающих моментов М. Эпюрой Q(M) называется график, показывающий закон
изменения поперечной силы (изгибающего момента) по длине балки. На основе
анализа эпюр М и Q устанавливают опасные сечения балки.
Положительные ординаты эпюры Q откладываются вверх, а отрицательные –
вниз от базисной линии, проводимой параллельно продольной оси балки.
Положительные ординаты эпюры М откладываются вниз, а отрицательные – вверх,
т. е. эпюра М строится со стороны растянутых волокон. Построение эпюр Q и М для
балок следует начинать с определения опорных реакций. Для балки с одним
защемленным и другим свободным концами построение эпюр Q и М можно
начинать от свободного конца, не определяя реакций в заделке.
1.2. Построение эпюр Q и М по уравнениям
Балка разбивается на участки, в пределах которых функции для изгибающего
момента и поперечной силы остаются постоянными (не имеют разрывов).
Границами участков служат точки приложения сосредоточенных сил, пар сил и
места изменения интенсивности распределенной нагрузки. На каждом участке
берется произвольное сечение на расстоянии х от начала координат, и для этого
сечения составляются уравнения для Q и М. По этим уравнениям строятся эпюры Q
и M.
Пример 1.1
Построить эпюры поперечных сил Q и изгибающих моментов М для заданной
балки (рис. 1.4,а).
Решение:
1. Определение реакций опор. Составляем уравнения равновесия:
из которых получаем
Реакции опор определены правильно. Балка имеет четыре участка
Рис. 1.4
нагружения: СА, AD, DB, BE.
2. Построение эпюры Q. Участок СА. На участке СА 1проводим
произвольное сечение 1-1 на расстоянии x1 от левого конца балки. Определяем Q
как алгебраическую сумму всех внешних сил, действующих слева от сечения 1-1:
Знак минус взят потому, что сила, действующая слева от сечения, направлена
вниз. Выражение для Q не зависит от переменной x1. Эпюра Q на этом участке
изобразится прямой, параллельной оси абсцисс. Участок AD. На участке проводим
произвольное сечение 2-2 на расстоянии x2 от левого конца балки.
Определяем Q2 как алгебраическую сумму всех внешних сил, действующих
слева от сечения 2-2:
8
Величина Q постоянна на участке (не зависит от переменной x2). Эпюра Q на
участке представляет собой прямую, параллельную оси абсцисс. Участок DB. На
участке проводим произвольное сечение 3-3 на расстоянии x3 от правого конца
балки. Определяем Q3 как алгебраическую сумму всех внешних сил, действующих
справа от сечения 3-3:
Полученное выражение есть уравнение наклонной прямой линии.
Участок BE. На участке проводим сечение 4-4 на расстоянии x4 от правого
конца балки. Определяем Q как алгебраическую сумму всех внешних сил,
действующих справа от сечения 4-4:
4 Здесь знак плюс взят потому, что равнодействующая нагрузка справа от
сечения 4-4 направлена вниз.
По полученным значениям строим эпюры Q (рис. 1.4, б).
3. Построение эпюры М. Участок м1. Определяем изгибающий
момент в сечении 1-1 как алгебраическую сумму моментов сил, действующих слева
от сечения 1-1.
– уравнение прямой.
Участок A 3Определяем изгибающий момент в сечении 2-2 как
алгебраическую сумму моментов сил, действующих слева от сечения 2-2.
– уравнение прямой.
Участок DB 4Определяем изгибающий момент в сечении 3-3 как
алгебраическую сумму моментов сил, действующих справа от сечения 3-3.
– уравнение квадратной параболы.
9
Находим три значения на концах участка и в точке с координатой xk , где
Участок BE 1Определяем изгибающий момент в сечении 4-4 как
алгебраическую сумму моментов сил, действующих справа от сечения 4-4.
– уравнение квадратной параболы
находим три значения M4:
По полученным значениям строим эпюру М (рис. 1.4, в).
На участках CA и AD эпюра Q ограничена прямыми, параллельными оси
абсцисс, а на участках DB и BE – наклонными прямыми. В сечениях C, A и B на
эпюре Q имеют место скачки на величину соответствующих сил, что служит
проверкой правильности построения эпюры Q.
На участках, где Q 0, моменты возрастают слева направо. На участках,
гдеQ 0, моменты убывают. Под сосредоточенными силами имеются изломы в
сторону действия сил. Под сосредоточенным моментом имеет место скачок на
величину момента. Это указывает на правильность построения эпюры М.
Пример 1.2
Построить эпюры Q и М для балки на двух опорах, нагруженной
распределенной нагрузкой, интенсивность которой меняется по линейному закону
(рис. 1.5, а).
Решение
Определение реакций опор. Равнодействующая распределенной нагрузки равна
площади треугольника, представляющего собой эпюру нагрузки
и приложена в центре тяжести этого треугольника. Составляем суммы моментов
всех сил относительно точек А и В:
Построение эпюры Q. Проведем произвольное сечение на расстоянии x от
левой опоры. Ордината эпюры нагрузки, соответствующая сечению, определяется
из подобия треугольников
Равнодействующая той части нагрузки, которая распложена слева от
сечения
Поперечная сила в сечении равна
Поперечная сила изменяется по закону квадратной параболы
Приравнивая уравнение поперечной силы нулю, находим абсциссу того
сечения, в котором эпюра Q переходит через нуль:
Эпюра Q представлена на рис. 1.5, б. Изгибающий момент в произвольном
сечении равен
Изгибающий момент изменяется по закону кубической параболы:
Максимальное значение изгибающий момент имеет в сечении, где 0, т. е.
при
Эпюра М представлена на рис. 1.5, в.
1.3. Построение эпюр Q и M по характерным сечениям
(точкам)
Используя дифференциальные зависимости между М, Q, q и выводы,
вытекающие из них, целесообразно строить эпюры Q и М по характерным сечениям
(без составления уравнений). Применяя этот способ, вычисляют значения Q и М в
характерных сечениях. Характерными сечениями являются граничные сечения
участков, а также сечения, где данный внутренний силовой фактор имеет
экстремальное значение. В пределах между характерными сечениями очертание
12
эпюры устанавливается на основе дифференциальных зависимостей между М, Q, q и
выводами, вытекающими из них.
Пример 1.3
Построить эпюры Q и М для балки, изображенной на рис. 1.6, а.
Рис. 1.6.
Решение:
Построение эпюр Q и М начинаем от свободного конца балки, при этом
реакции в заделке можно не определять. Балка имеет три участка нагружения: АВ,
ВС, CD. На участках АВ и ВС распределенная нагрузка отсутствует. Поперечные
силы постоянны. Эпюра Q ограничена прямыми, параллельными оси абсцисс.
Изгибающие моменты изменяются по линейному закону. Эпюра М ограничена
прямыми, наклонными к оси абсцисс. На участке CD имеется равномерно
распределенная нагрузка. Поперечные силы изменяются по линейному закону, а
изгибающие моменты – по закону квадратной параболы с выпуклостью в сторону
действия распределенной нагрузки. На границе участков АВ и ВС поперечная сила
изменяется скачкообразно. На границе участков ВС и CD скачкообразно изменяется
изгибающий момент.
1. Построение эпюры Q.
Вычисляем значения поперечных сил Q в граничных сечениях участков:
По результатам расчетов строим эпюру Q для балки (рис. 1, б). Из эпюры Q
следует, что поперечная сила на участке CD равна нулю в сечении, отстоящем на
расстоянии qa a
q от начала этого участка. В этом сечении изгибающий момент
имеет максимальное значение.
2. Построение эпюры М.
Вычисляем значения изгибающих моментов в граничных сечениях участков:
При мaаксимальный момент на участке
По результатам расчетов строим эпюру М (рис. 5.6, в).
Пример 1.4
По заданной эпюре изгибающих моментов (рис. 1.7, а) для балки (рис.
1.7, б) определить действующие нагрузки и построить эпюру Q. Кружком
обозначена вершина квадратной параболы.
Решение:
Определим нагрузки, действующие на балку. Участок АС загружен равномерно
распределённой нагрузкой, так как эпюра М на этом участке – квадратная парабола.
В опорном сечении В к балке приложен сосредоточенный момент, действующий по
часовой стрелке, так как на эпюре М имеем скачок вверх на величину момента. На
участке СВ балка не нагружена, т. к. эпюра М на этом участке ограничена
наклонной прямой. Реакция опоры В определяется из условия, что изгибающий
момент в сечении С равен нулю, т. е.
Для определения интенсивности распределенной нагрузки составим выражение
для изгибающего момента в сечении А как сумму моментов сил справа и
приравняем к нулю
Теперь определим реакцию опоры А. Для этого составим выражение для
изгибающих моментов в сечении как сумму моментов сил слева
Расчетная схема балки с нагрузкой показана на рис. 1.7, в. Начиная с левого
конца балки, вычисляем значения поперечных сил в граничных сечениях участков:
Эпюра Q представлена на рис. 1.7, г. Рассмотренная задача может быть решена
путем составления функциональных зависимостей для М, Q на каждом участке.
Выберем начало координат на левом конце балки. На участке АС эпюра М
выражается квадратной параболой, уравнение которой имеет вид
Постоянные а, b, с находим из условия, что парабола проходит через три точки
с известными координатами:
Подставляя координаты точек в уравнение параболы, получим:
Выражение для изгибающего момента будет
Дифференцируя функцию М1, получим зависимость для поперечной cилы
После дифференцирования функции Q получим выражение для интенсивности
распределённой нагрузки
На участке СВ выражение для изгибающего момента представляется в виде
линейной функции
Для определения постоянных а и b используем условия, что данная прямая
проходит через две точки, координаты которых известны
Получим два уравнения: ,b
из которых имеем a 20.
Уравнение для изгибающего момента на участке СВ будет
После двукратного дифференцирования М2 найдём
По найденным значениям М и Q строим эпюры изгибающих моментов и
поперечных сил для балки. Помимо распределённой нагрузки к балке
прикладываются сосредоточенные силы в трех сечениях, где на эпюре Q имеются
скачки и сосредоточенные моменты в том сечении, где на эпюре М имеется скачок.
Пример 1.5
Для балки (рис. 1.8, а) определить рациональное положение шарнира С, при
котором наибольший изгибающий момент в пролете равен изгибающему моменту в
заделке (по абсолютной величине). Построить эпюры Q и М.
Решение
Определение реакций опор. Несмотря на то, что общее число опорных связей
равно четырем, балка статически определима. Изгибающий момент в шарнире С
равен нулю, что позволяет составить дополнительное уравнение: сумма моментов
относительно шарнира всех внешних сил, действующих по одну сторону от этого
шарнира, равна нулю. Составим сумму моментов всех сил справа от шарнира С.
Эпюра Q для балки ограничена наклонной прямой, так как q = const.
Определяем значения поперечных сил в граничных сечениях балки:
Абсцисса xK сечения, где Q = 0, определяется из уравнения
откуда
Эпюра М для балки ограничена квадратной параболой. Выражения для
изгибающих моментов в сечениях, где Q = 0, и в заделке записываются
соответственно так:
Из условия равенства моментов
получаем квадратное уравнение относительно искомого параметра х:
Реальное значение x2x 1,029 м. Определяем численные значения поперечных
сил и изгибающих моментов в характерных сечениях балки
На рис.1.8, б показана эпюра Q, а на рис. 1.8, в – эпюра М.
Рассмотренную задачу можно было решить способом расчленения шарнирной
балки на составляющие ее элементы, как это показано на рис. 1.8, г. В начале
определяются реакции опор VC и VB . Строятся эпюры Q и М для подвесной балки
СВ от действия приложенной к ней нагрузки. Затем переходят к основной балке АС,
нагрузив ее дополнительной силой VC , являющейся силой давления балки СВ на
балку АС. После чего строят эпюры Q и М для балки АС.
1.4. Расчеты на прочность при прямом изгибе балок
Расчет на прочность по нормальным и касательным напряжениям. При прямом
изгибе балки в поперечных сечениях ее возникают нормальные и касательные
напряжения (рис. 1.9).
18
Рис. 1.9
Нормальные напряжения связаны с изгибающим моментом, касательные
напряжения связаны с поперечной силой. При прямом чистом изгибе касательные
напряжения равны нулю. Нормальные напряжения в произвольной точке
поперечного сечения балки определяются по формуле
(1.4)
где M – изгибающий момент в данном сечении;
Iz – момент инерции сечения относительно нейтральной оси z;
y – расстояние от точки, где определяется нормальное напряжение, до
нейтральной оси z.
Нормальные напряжения по высоте сечения изменяются по линейному закону и
достигают наибольшей величины в точках, наиболее удалённых от нейтральной оси
Если сечение симметрично относительно нейтральной оси (рис. 1.11), то
Рис. 1.11
наибольшие растягивающие и сжимающие напряжения одинаковы и определяются
по формуле,
– осевой момент сопротивления сечения при изгибе.
Для прямоугольного сечения шириной b высотой h:
(1.7)
Для круглого сечения диаметра d:
(1.8)
Для кольцевого сечения
– соответственно внутренний и наружный диаметры кольца. Для балок
из пластичных материалов наиболее рациональными являются симметричные
20
формы сечений (двутавровое, коробчатое, кольцевое). Для балок из хрупких
материалов, не одинаково сопротивляющихся растяжению и сжатию,
рациональными являются сечения, несимметричные относительно нейтральной оси
z (тавр., П-образное, несимметричный двутавр). Для балок постоянного сечения из
пластичных материалов при симметричных формах сечений условие прочности
записывается так:
(1.10)
где Mmax – максимальный изгибающий момент по модулю; – допускаемое напряжение для материала.
Для балок постоянного сечения из пластичных материалов при
несимметричных формах сечений условие прочности записывается в следующем
виде:
(1.11)
Для балок из хрупких материалов с сечениями, несимметричными
относительно нейтральной оси, в случае, если эпюра М однозначна (рис. 1.12),
нужно
записать два условия прочности
– расстояния от нейтральной оси до наиболее удалённых точек
соответственно растянутой и сжатой зон опасного сечения; P – допускаемые напряжения соответственно на растяжение и сжатие.
Рис.1.12.
21
Если эпюра изгибающих моментов имеет участки разных знаков (рис. 1.13), то
помимо проверки сечения 1-1, где действуетMmax, необходимо произвести расчет по
наибольшим растягивающим напряжениям для сечения 2-2 (с наибольшим
моментом противоположного знака).
Рис. 1.13
Наряду с основным расчетом по нормальным напряжениям в ряде случаев
приходится делать проверку прочности балки по касательным напряжениям.
Касательные напряжения в балки вычисляются по формуле Д. И. Журавского
(1.13)
где Q – поперечная сила в рассматриваемом поперечном сечении балки;
Szотс – статический момент относительно нейтральной оси площади части
сечения, расположенной по одну сторону прямой, проведенной через данную точку
и параллельной оси z;
b – ширина сечения на уровне рассматриваемой точки;
Iz – момент инерции всего сечения относительно нейтральной оси z.
Во многих случаях максимальные касательные напряжения возникают на
уровне нейтрального слоя балки (прямоугольник, двутавр, круг). В таких случаях
условие прочности по касательным напряжениям записывается в виде, (1.14)
где Qmax – наибольшая по модулю поперечная сила;
– допускаемое касательное напряжение для материала.
Для прямоугольного сечения балки условие прочности имеет вид
(1.15)
А – площадь поперечного сечения балки.
Для круглого сечения условие прочности представляется в виде
(1.16)
Для двутаврового сечения условие прочности записывается так:
(1.17)
где Szо,тmсax – статический момент полусечения относительно нейтральной оси;
d – толщина стенки двутавра.
Обычно размеры поперечного сечения балки определяются из условия
прочности по нормальным напряжениям. Проверка прочности балок по
касательным напряжениям производится в обязательном порядке для коротких
балок и балок любой длинны, если вблизи опор имеются сосредоточенные силы
большой величины, а также для деревянных, клёпанных и сварных балок.
Пример 1.6
Проверить прочность балки коробчатого сечения (рис. 1.14) по нормальным и
касательным напряжениям, если МПа.
Построить эпюры в опасном сечении балки.
Рис. 1.14
Решение
23
1. Построение эпюр Q и М по характерным сечениям. Рассматривая левую
часть балки, получим
Эпюра поперечных сил представлена на рис. 1.14,в.
Эпюра изгибающих моментов показана на рис. 5.14, г.
2. Геометрические характеристики поперечного сечения
3. Наибольшие нормальные напряжения в сечение С, где действует Mmax (по
модулю): МПа.
Максимальные нормальные напряжения в балке практически равны допускаемым.
4. Наибольшие касательные напряжения в сечении С (или А), где действует
max
Q (по модулю):
Здесь – статический момент площади полусечения
относительно нейтральной оси;
b2 см – ширина сечения на уровне нейтральной оси.
5. Касательные напряжения в точке (в стенке) в сечении С:
Рис. 1.15
Здесь Szomc 834,5 108 см3 – статический момент площади части сечения,
расположенной выше линии, проходящей через точку K1;
b2 см – толщина стенки на уровне точки K1. Эпюры и для сечения С
балки показаны рис. 1.15.
Пример 1.7
Для балки, показанной на рис. 1.16, а, требуется:
1. Построить эпюры поперечных сил и изгибающих моментов по характерным
сечениям (точкам).
2. Определить размеры поперечного сечения в виде круга, прямоугольника и
двутавра из условия прочности по нормальным напряжениям, сравнить площади
сечений.
3. Проверить подобранные размеры сечений балок по касательным напряжения.
Дано:
Решение:
1. Определяем реакции опор балки
Проверка:
2. Построение эпюр Q и М. Значения поперечных сил в характерных сечениях
балки
25
Рис. 1.16
На участках CA и AD интенсивность нагрузки q = const. Следовательно, на этих
участках эпюра Q ограничивается прямыми, наклонными к оси. На участке DB
интенсивность распределенной нагрузки q = 0, следовательно, на этом участке
эпюра Q ограничивается прямой, параллельной оси х. Эпюра Q для балки показана
на рис. 1.16,б. Значения изгибающих моментов в характерных сечениях балки:
На втором участке определяем абсциссу x2 сечения, в котором Q = 0:
Максимальный момент на втором участке
Эпюра М для балки показана на рис. 1.16, в.
2. Составляем условие прочности по нормальным напряжениям
откуда определяем требуемый осевой момент сопротивления сечения
из выражения
определяемый требуемый диаметр d балки круглого
сечения
Площадь круглого сечения
Для балки прямоугольного сечения
Требуемая высота сечения
Площадь прямоугольного сечения
Определяем требуемый номер двутавровой балки. По таблицам ГОСТ 8239-89
находим ближайшее большее значение осевого момента сопротивления 597см3, которое соответствует двутавру № 33 с характеристиками: A z 9840 см4.
Проверка на допуск:
(недогрузка на 1 % от допустимого 5 %) ближайший
двутавр № 30 (W 2 см3) приводит к значительной перегрузке (более 5%).
Окончательно принимаем двутавр № 33.
Сравниваем площади круглого и прямоугольного сечений с наименьшей
площадью А двутавра:
Из трех рассмотренных сечений наиболее экономичным является двутавровое
сечение.
3. Вычисляем наибольшие нормальные напряжения в опасном сечении
27
двутавровой балки (рис. 1.17, а):
Нормальные напряжения в стенке около полки двутаврового сечения балки
Эпюра нормальных напряжений в опасном сечении балки показана на
рис. 1.17, б.
5. Определяем наибольшие касательные напряжения для подобранных сечений
балки.
а) прямоугольное сечение балки:
б) круглое сечение балки:
в) двутавровое сечение балки:
Касательные напряжения в стенке около полки двутавра в опасном сечении А
(справа) (в точке 2):
Эпюра касательных напряжений в опасных сечениях двутавра показана на рис.
1.17,в. Максимальные касательные напряжения в балке не превышают допускаемых
напряжений
Пример 1.8
Определить допускаемую нагрузку на балку (рис. 1.18, а), если60МПа,
размеры поперечного сечения заданы (рис. 1.19, а).
Построить эпюру нормальных напряжений в опасном сечении балки при
допускаемой нагрузке.
Рис 1.18
1. Определение реакций опор балки. Ввиду симметрии системы
2. Построение эпюр Q и M по характерным сечениям. Поперечные силы в
характерных сечениях балки:
Эпюра Q для балки показана на рис. 5.18, б.
Изгибающие моменты в характерных сечениях балки
Для второй половины балки ординаты М – по осям симметрии. Эпюра М для
балки показана на рис. 1.18, б.
3.Геометрические характеристики сечения (рис. 1.19).
Разбиваем фигуру на два простейших элемента: двутавр – 1 и прямоугольник –
2.
Рис. 1.19
По сортаменту для двутавра № 20 имеем
Для прямоугольника:
Статический момент площади сечения относительно оси z1
Расстояние от оси z1 до центра тяжести сечения
Момент инерции сечения относительно главной центральной оси z всего
сечения по формулам перехода к параллельным осям
4. Условие прочности по нормальным напряжениям для опасной точки «а»
(рис. 1.19) в опасном сечении I (рис. 1.18):
После подстановки числовых данных
5. При допускаемой нагрузке в опасном сечении нормальные напряжения в
точках «а» и «b» будут равны:
Эпюра нормальных напряжений для опасного сечения 1-1 показана на рис.
1.19, б.
Деформация изгиба
заключается в
искривлении оси прямого стержня или в
изменении начальной кривизны прямого
стержня (рис. 6.1). Ознакомимся
с основными понятиями, которые используются
при рассмотрении деформации изгиба. Стержни, работающие на изгиб, называют
балками
. Чистым
называется изгиб, при котором
изгибающий момент является единственным
внутренним силовым фактором, возникающем
в поперечном сечении балки. Чаще, в поперечном сечении стержня
наряду с изгибающим моментом возникает
также и поперечная сила. Такой изгиб
называют поперечным. Плоским (прямым)
называют изгиб,
когда плоскость действия изгибающего
момента в поперечном сечении проходит
через одну из главных центральных осей
поперечного сечения. При косом изгибе
плоскость действия
изгибающего момента пересекает поперечное
сечение балки по линии, не совпадающей
ни с одной из главных центральных осей
поперечного сечения. Изучение деформации изгиба начнем со
случая чистого плоского изгиба. Как уже было сказано, при чистом плоском
изгибе в поперечном сечении из шести
внутренних силовых факторов не равен
нулю только изгибающий момент (рис. 6.1,
в): Опыты, поставленные на эластичных
моделях, показывают, что если на
поверхность модели нанести сетку линий
(рис. 6.1, а), то при чистом изгибе она
деформируется следующим образом
(рис. 6.1, б): а) продольные линии
искривляются по длине
окружности; б) контуры поперечных сечений остаются
плоскими; в) линии контуров сечений всюду
пересекаются с продольными волокнами
под прямым углом. На основании этого можно предположить,
что при чистом изгибе поперечные сечения
балки остаются плоскими и поворачиваются
так, что остаются нормальными к изогнутой
оси балки (гипотеза плоских сечений при
изгибе). Рис. 6.1
Замеряя длину продольных линий (рис.
6.1, б), можно обнаружить, что верхние
волокна при деформации изгиба балки
удлиняются, а нижние укорачиваются.
Очевидно, что можно найти такие волокна,
длина которых остается неизменной.
Совокупность волокон, не меняющих своей
длины при изгибе балки, называется
нейтральным слоем (н. с.)
. Нейтральный
слой пересекает поперечное сечение
балки по прямой, которая называетсянейтральной линией (н. л.) сечения
. Для вывода формулы, определяющей величину
нормальных напряжений, возникающих в
поперечном сечении, рассмотрим участок
балки в деформированном и не деформированном
состоянии (рис. 6.2). Рис. 6.2
Двумя бесконечно малыми поперечными
сечениями выделим элемент длиной
Длина этого волокна после деформации
(длина дуги
Его относительная деформация
Очевидно, что
Следовательно, относительная продольная
деформация пропорциональна расстоянию
волокна от нейтральной оси. Введем предположение, что при изгибе
продольные волокна не надавливают друг
на друга. При таком предположении каждое
волокно деформируется изолировано,
испытывая простое растяжение или сжатие,
при котором
т. е. нормальные напряжения прямо
пропорциональны расстояниям рассматриваемых
точек сечения от нейтральной оси. Подставим зависимость (6.3) в выражение
изгибающего момента
Вспомним, что интеграл Зависимость (6.4) представляет собой
закон Гука при изгибе, поскольку она
связывает деформацию (кривизну
нейтрального слоя
Подставим (6.4) в (6.3) Это и есть искомая формула для определения
нормальных напряжений при чистом изгибе
балки в любой точке ее сечения. Для того, чтобы установить,
где в поперечном сечении находится
нейтральная линия подставим значение
нормальных напряжений в выражение
продольной силы Поскольку
Равенство (6.6) указывает, что ось
Равенство (6.7) показывает что
Согласно (6.5) наибольшей величины
напряжения достигают в волокнах наиболее
удаленных от нейтральной линииСтатьи с близкой тематикой
Отзывы
(10.17)
(11.17)
Нормальные напряжения и деформации при чистом изгибе.
.
До деформации сечения, ограничивающие
элемент
,
были параллельны между собой (рис. 6.2,
а), а после деформации они несколько
наклонились, образуя угол
.
Длина волокон, лежащих в нейтральном
слое, при изгибе не меняется
.
Обозначим радиус кривизны следа
нейтрального слоя на плоскости чертежа
буквой
.
Определим линейную деформацию
произвольного волокна
,
отстоящего на расстоянии
от нейтрального слоя.
)
равна
.
Учитывая, что до деформации все волокна
имели одинаковую длину
,
получим, что абсолютное удлинение
рассматриваемого волокна
,
так как длина волокна, лежащего в
нейтральном слое не изменилась. Тогда
после подстановки
получим
(6.2)
.
С учетом (6.2)
, (6.3)
в поперечном сечении (6.1)
.
представляет собой момент инерции
сечения относительно оси
.
(6.4)
)
с действующим в сечении моментом.
Произведение
носит название жесткости сечения при
изгибе, Н·м 2 .
(6.5)
и изгибающего момента
,
;
(6.6)
(6.7)
– нейтральная ось сечения – проходит
через центр тяжести поперечного сечения.
и
- главные центральные оси сечения.
Рекомендуем также
Молитва от врагов и злых людей — сильные защитные молитвы
Молитва святой варваре великомученице Молитва варваре о здоровье ребенка
Молитва о помощи николаю чудотворцу
Самая сильная и чудесная молитва за жизнь и здравие больного человека
Операция по удалению полипа матки и восстановительный период
Скелеты в шкафу английской королевы
Loading...