Методические указания по выполнению расчетно-графической работы для студентов специальностей 2903, 2906,2907, 2908, 2910

Казань, 2006 г.

Составитель: Р.А.Каюмов

УДК 539.3

Расчет статически неопределимой стержневой системы, содержащей абсолютно жесткий элемент; Методические указания по выполнению расчетно-графической работы для студентов специальностей 2903, 2906, 2907, 2908, 2910 / КазГАСУ; сост. Р.А. Каюмов. Казань, 2005, 24 с.

В данных методических указаниях кратко излагается методика расчета простейших ферменных конструкций с жестким элементом и приводится пример расчета.

Илл.6.

Рецензент канд.физ.-мат. наук, проф. Кафедры теоретической механики КГАСУ Шигабутдинов Ф.Г.

ã Казанский государственный архитектурно-строительный университет

ЗАДАНИЕ № 3

РАСЧЕТ СТАТИЧЕСКИ НЕОПРЕДЕЛИМОЙ ШАРНИРНО-стержневой системы

Для заданной шарнирно-стержневой системы (см.схему), состоящей из абсолютно жесткого бруса и упругих стержней с заданными соотношениями площадей поперечных сечений, требуется:

1. Установить степень статической неопределимости.

2. Найти усилия в стержнях.

3. Записать условия прочности для стержней от силовых воздействий и произвести подбор поперечных сечений стержней с учетом заданных соотношений площадей. Материал Ст-3, предел текучести принять равным 240 МПа = 24 кН/см 2 , коэффициент запаса прочности k = 1,5.

4. Найти напряжения в стержнях от неточности изготовления стержней d 1 = d 2 = d 3 = (см. табл.3). Если имеет знак плюс, то, значит, стержень сделан длиннее; если минус – короче.

5. Найти напряжения в стержнях от изменения температуры в стержнях на Dt° (см. табл.3). Коэффициент линейного расширения для стали 1/град.

6. Сделать проверку прочности системы при различных вариантах силовых и несиловых воздействий: 1) конструкция собрана, еще не нагружена, но произошел перепад температур; 2) случай, когда нет перепада температур, а конструкция собрана и нагружена. 3) случай, когда конструкция собрана, нагружена и произошел перепад температур.

7. Определить предельную грузоподъемность системы и истинный коэффициент запаса прочности, приняв постоянное соотношение между и .

Задание выполняется в полном объеме студентами специальностей ПГС и АД. Студенты других специальностей выполняют расчет системы только на внешнее нагружение по допускаемым напряжениям и по допускаемой нагрузке, исключив стержень 3.

Исходные данные для выполнения расчетно-графической работы выбираются по шифру, выдаваемому преподавателем.

Схемы к заданию № 3

таблица 3

	А	Б	В	Г	Б	в	В
, кН	, кН/м	, м	, м	, м	, м	, м		, мм
									0.3	3/2
								-30	-0.4	1/2
									0.5		3/2
								-25	-0.6	3/4	3/2
									0.7	5/4	1/2
								-35	-0.4	1/2	4/5
									0.5	2/3	1/2
									-0.7	1/2	4/5
								-20	-0.3	3/2	2/3
									0.6	2/3	5/4

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Рассматривается шарнирно-стержневая система (рис.1), состоящая из жесткого бруса и деформируемых стержней, изготовленных с заданным соотношением площадей поперечных сечений, которое указывается в задании. Известны проектные нагрузки F , q ; размеры конструкции h 1 , h 2 , L 1 , L 2 , L 3 ; проектные колебания температуры: Dt 1 - в первом стержне, Dt 2 - во втором, Dt 3 - в третьем; неточности изготовления стержней, а именно d 1 – отличие от проектной длины в первом стержне, d 2 – во втором, d 3 – в третьем. Известны механические характеристики материала: модуль упругости Е = 2×10 4 кн/см 2 , предел текучести s т = 24 кн/см 2 , коэффициент температурного расширения a =125×10 -7 1/Град. Коэффициент запаса прочности k для этой конструкции принимается равным 1,5.

Необходимо решить 3 задачи:

1. Произвести подбор сечений стержней для изготовления этой системы из условия прочности этих стержней по допустимым напряжениям при проектных нагрузках.

2. Сделать заключение о допустимости проектных колебаний температуры и неточностей изготовления стержней.

3. Найти предельную грузоподъемность конструкции, допустимые нагрузки и истинный запас прочности.

Таким образом, работа состоит из проектировочного расчета, поверочного расчета, расчета предельных нагрузок для системы.

В РГР должны быть приведены 3 рисунка (выполненных в масштабе): исходная схема стержневой системы, силовая схема и кинематическая схема деформирования конструкции.

2. Метод сечений.

3. Закон Гука.

4. Удлинение от изменения температуры.

5. Предел прочности, допустимое напряжение, условие прочности.

6. Пластическое течение, предел текучести.

7. Статическая неопределимость.

8. Условие совместности деформаций.

9. Расчет по допускаемым напряжениям.

10. Расчет по теории предельного равновесия.

ОБЩИЙ ПЛАН РАСЧЕТА КОНСТРУКЦИИ

Вначале конструкцию освобождают от связей, заменяя их реакциями. Методом сечений вводят в рассмотрение внутренние продольные силы (нормальные силы), возникающие в стержнях. При этом направлять их нужно от сечения, т.е. условно считать стержни растянутыми. Определить реакции и продольные силы из уравнений равновесия не удается, т.к. в плоской задаче статики можно составить 3 независимых уравнения равновесия, число же неизвестных силовых факторов (реакций и продольных сил) больше трех. Поэтому необходимо составить дополнительные уравнения, вытекающие из предположения о деформируемости стержней (уравнения совместности деформаций, связывающие удлинения стержней между собой). Вытекают они из геометрических соображений. При этом используется предположение о малости деформаций. Кроме того, необходимо учесть следующее правило знаков. Полную разницу между проектной длиной стержня l и конечной истинной длиной l кон обозначают через Dl . Следовательно, если стержень удлиняется, то , если укорачивается, то .

Как видно из рис.2, изменение длины стержня Dl складывается из удлинения Dl ( N ) , вызванного усилием осевого растяжения N , удлинения Dl (t) , вызванного изменением температуры, и неточности изготовления d .

Если температура понижается, то Dt < 0, то длина стержня уменьшается, т.е. ; если стержень сделан короче проектного, то d < 0. С учетом закона Гука это соотношение примет вид:

Поскольку удлинения выражаются через продольные силы по формулам (1), то из уравнений совместности вытекают соотношения, связывающие между собой искомые усилия. Здесь и далее для упрощения записи используются следующие обозначения: продольная сила и напряжение в стержне с номером i .

В рассматриваемой РГР не требуется отыскивать реакции. Поэтому из 3-х уравнений равновесия достаточно оставить одно – условие равенства нулю моментов всех внешних и внутренних сил относительно оси, проходящей через центр шарнира D (рис.1). Решение полученной системы (уравнений равновесия и совместности деформаций) позволяет отыскать усилия в стержнях.

Далее проводятся проектировочный (задача 1) и поверочный (задача 2) расчеты методом допустимых напряжений. За опасное напряжение принимается предел текучести s т . Согласно метода допустимых напряжений конструкция считается вышедшей из строя, если напряжение достигло опасного значения хотя бы в одном стержне, т.е. оказался разрушенным хотя бы один из стержней:

Для обеспечения безопасности конструкции требуется наличие запаса прочности, т.е. должно выполняться условие прочности вида

, (3)

где k - коэффициент запаса, [s ] - допустимое напряжение.

Разрушение одного элемента конструкции не всегда означает потерю ее эксплуатационных свойств (т.е. обрушения). Другие элементы могут взять на себя нагрузку или ее часть, которую должен был нести разрушенный элемент. Это соображение используется в задаче 3, решаемой методом предельного равновесия, называемого еще методом допустимых нагрузок .

В постановке задачи предполагается, что силы Р и Q увеличиваются пропорционально (Р / Q = const), площади сечений стержней известны из решения задачи 1, материал стержней - упруго-идеально-пластический. При увеличении нагрузки сначала "потечет" один стержень, напряжение в нем при дальнейшей деформации не будет увеличиваться и по модулю останется равным пределу текучести s т (см.рис.3). Последующее увеличение нагрузок приведет к тому, что сначала во втором, а затем и в третьем стержнях начнется пластическое течение, т.е. напряжения достигнут предела текучести. Очевидно, что какими бы ни были в начале процесса монтажные или температурные напряжения, наконец наступает момент, когда во всех стержнях напряжения достигнут предела текучести (т.к. они не могут принять больших значений, согласно диаграмме деформирования на рис.3). Достигнутые значения сил F = F пр и Q = Q пр называются предельными, т.к. их увеличение невозможно, а система начнет неограниченно деформироваться. Поскольку усилия N i в предельном состоянии известны (т.к. выражаются через напряжения), то из уравнения равновесия определяется F пр . Из условия безопасности нагружения находятся допустимые нагрузки

Как видно из рассуждений при решении задачи 3, наличие изменений температуры или неточностей изготовления стержней не уменьшает грузоподъемности конструкции, если стержни изготовлены из упруго-идеально-пластического материала.

ПРИМЕЧАНИЯ

1. Преподаватель может конкретизировать задачу подбора стержней, потребовав использовать сортамент прокатной стали, например, подобрать составное сечение из уголков по таблицам сортамента (см. пример расчета).

2. При вычислениях достаточно оставлять 3 значащие цифры.

3. При подборе размеров стержней допускается 5 % перегрузки.

Пример расчета

Пусть дана шарнирно-стержневая система (рис.4). Известно, что

E = 2×10 4 кн/см 2 , s т = 24 кн/см 2 , a = 125×10 -7 1/град. (5)

Стержневые системы, опорные реакции и внутренние силовые факторы в которых не могут быть найдены из одних лишь уравнений равновесия, называются статически неопределимыми .

Разность между числом искомых неизвестных усилий и независимых уравнений равновесия определяет степень статической неопределимости системы . Степень статической неопределимости всегда равна числу избыточных (лишних) связей, удаление которых превращает статически неопределимую систему в статически определимую геометрически неизменяемую систему. Избыточными могут быть как внешние (опорные) связи, так и внутренние, накладывающие определенные ограничения на перемещение сечений системы друг относительно друга.

Геометрически неизменяемой называется такая система, изменение формы которой возможно лишь в связи с деформациями ее элементов.

Геометрически изменяемой называется такая система, элементы которой могут перемещаться под действием внешних сил без деформации (механизм).

Изображенная на рис. 12.1 рама имеет семь внешних (опорных) связей. Для определения усилий в этих связях (опорных реакций) можно составить всего лишь три независимых уравнения равновесия. Следовательно, данная система имеет четыре избыточных связи, а это означает, что она четыре раза статически неопределима. Таким образом, степень статической неопределимости для плоских рам равна:

где R - число опорных реакций.

Контур, состоящий из ряда элементов (прямых или криволинейных), жестко (без шарниров) связанных между собой и образующих замкнутую цепь, называется замкнутым . Прямоугольная рама, изображенная на рисунке 12.2, представляет собой замкнутый контур. Она трижды статически неопределима, так как для превращения ее в статически определимую необходимо перерезать один из ее элементов и устранить три лишние связи. Реакциями этих связей являются: продольная сила, поперечная сила и изгибающий момент, действующие в месте разреза; их нельзя определить при помощи уравнений статики. В аналогичных условиях в смысле статической неопределимости находится любой замкнутый контур, который всегда трижды статически неопределим .

Включение шарнира в узел рамы, в которой сходятся два стержня, или же постановка его в любое место на оси стержня снимает одну связь и снижает общую степень статической неопределимости на единицу. Такой шарнир называется одиночным или простым (рис. 12.3).

В общем случае каждый шарнир, включенный в узел, соединяющий c стержней, снижает степень статической неопределимости на c -1 , так как такой шарнир заменяет c -1 одиночных шарниров (рис. 12.3). Таким образом, степень статической неопределимости системы при наличии замкнутых контуров определяется по формуле.

Статически неопределимыми системами называются стержневые системы, для определения реакций опор в которых только уравнений равновесия недостаточно. С кинематической точки зрения это такие стержневые системы, число степеней свободы которых меньше числа связей. Для раскрытия статической неопределимости таких систем необходимо составлять дополнительные уравнения совместности деформаций. Число таких уравнений определяется числом статической неопределимости стержневой системы. На рис.8.14 приведены примеры статически неопределимых балок и рам.

Балка, изображенная на рис.8.14б, называется неразрезной балкой. Происходит это название оттого, что промежуточная опора лишь подпирает балку. В месте опоры балка не разрезана шарниром, шарнир не врезан в тело балки. Поэтому влияние напряжений и деформаций, которые балка испытывает на левом пролете, сказываются и на правом пролете. Если в месте промежуточной опоры врезать шарнир в тело балки, то в результате система станет статически определимой  из одной балки мы получим две независимые друг от друга балки, каждая из которых будет статически определимой. Следует отметить, что неразрезные балки являются менее материалоемкими по сравнению с разрезными, так как более рационально распределяют изгибающие моменты по своей длине. В связи с этим неразрезные балки получили широкое применение в строительстве и машиностроении. Однако, неразрезные балки, будучи статически неопределимыми, требуют специальной методики расчета, включающей в себя использование деформаций системы.

Прежде, чем приступать к расчету статически неопределимых систем, необходимо научиться определять степень их статической неопределимости. Одним из наиболее простых правил определения степени статической неопределимости является следующее:

, (8.3)

где  число связей, накладываемых на конструкцию;  число возможных независимых уравнений равновесия, которые можно составить для рассматриваемой системы.

Воспользуемся уравнением (8.3) для определения степени статической неопределимости систем, изображенных на рис 8.14.

Балка, изображенная на рис 8.14а, является один раз статически неопределимой, так как имеет три связи на левой опоре и одну связь на правой опоре. Независимых уравнений равновесия для такой балки можно составить только три. Таким образом, степень статической неопределимости балки
. Неразрезная балка, изображенная на рис 8.14б также один раз статически неопределима, так как обладает двумя связями на левой опоре и по одной связи на промежуточной опоре и на правой опоре – всего четыре связи. Таким образом, степень ее статической неопределимости
.

Рама, изображенная на рис. 8.14в, три раза статически неопределима, так как обладает шестью связями в опорах. Независимых уравнений равновесия для этой рамы можно составить только три. Таким образом, степень статической неопределимости для этой рамы из уравнения (8.3) равна:
. Степень статической неопределимости рамы, изображенной на рис.8.18,г равна четырем, так как рама обладает семью связями на опорах. Следовательно, степень ее статической неопределимости равна
.

Правило (8.3) для определения степени статической неопределимости применяют только для простых систем. В более сложных случаях это правило не работает. На рис 8.15 представлена рама, степень статической неопределимости которой, пользуясь уравнением (8.3), определить невозможно.

Внешне, система, приведенная на рис 8.15, пять раз статически неопределима. Это легко установить с помощью уравнения (8.3): из шести внешних связей (три в сечении А, три в сечении В и два в сечении С) вычитаются три возможные уравнения равновесия. Однако, эта система обладает еще и внутренней статической неопределимостью. Учесть внутреннюю статическую неопределимость с помощью уравнения (8.3) нельзя. Прежде, чем перейти к определению степени статической неопределимости рамы, изображенной на рис 8.15, введем несколько определений. Первое из этих определений включает в себя понятие о простом шарнире.

Простым называется шарнир, соединяющий два стержня (Рис.8.16).

Рис.8.16. Простой шарнир

Шарнир, соединяющий несколько стержней, называется сложным (Рис.8.17).

Рис.8.17. Сложный шарнир

Число простых шарниров, которые могут заменить один сложный шарнир, определим из формулы:

, (8.4)

где
 число стержней, входящих в узел.

Пересчитаем сложный шарнир, изображенный на рис.8.17 в число простых шарниров с помощью формулы (8.4):
. Таким образом, сложный шарнир, изображенный на рис.8.17, можно заменить четырьмя простыми шарнирами.

Введем еще одно понятие  замкнутый контур .

Докажем теорему: любой замкнутый контур три раза статически неопределим.

Для доказательства теоремы рассмотрим замкнутый контур, нагруженный внешними силами (Рис.8.18).

Разрежем замкнутый контур вертикальным сечением и покажем внутренние силовые факторы, возникающие в месте сечения. В каждом из сечений возникают три внутренних фактора: поперечная сила , изгибающий момент
и продольная сила
. Всего на каждую из отсеченных частей контура кроме внешних сил действуют шесть внутренних факторов (Рис.8.18,б,в). Рассматривая равновесие одной из отсеченных частей, например, левой (Рис.8.18,б), выясняем, что задача три раза статически неопределима, так как для отсеченной части можно составить всего три независимых уравнения равновесия, а неизвестных сил, действующих на отсеченную часть, шесть. Таким образом, степень статической неопределимости замкнутого контура равна
. Теорема доказана.

Теперь, используя понятие о простом шарнире и замкнутом контуре, можно сформулировать еще одно правило для определения степени статической неопределимости:

, (8.5)

где
 число замкнутых контура;
 число шарниров в пересчете на простые (8.4).

Пользуясь уравнением (8.5), определим степень статической неопределимости рамы, изображенной на рис 8.15. Рама имеет пять контуров
, включая контур, образуемый опорными стержнями. Шарнир в узле D простой, так как соединяет два стержня. Шарнир в сечении К – сложный, так как соединяет четыре стержня. Число простых шарниров, которые могли бы заменить шарнир в сечении К, равно по формуле (8.4):
. Шарнир С также является сложным, так как соединяет три стержня. Для этого шарнира
. Кроме того, система имеет еще два простых шарнира, с помощью которых крепится к основанию. Таким образом, число простых шарниров в системе равно
. Подставляя число замкнутых контуров
и число простых шарниров
в формулу (8.5) определяем степень статической неопределимости рамы:
. Таким образом, изображенная на рис. 8.15 рама, семь раз статически неопределима. А это означает, что для расчета подобной системы необходимо составить дополнительно к трем уравнениям равновесия семь уравнений совместности деформаций. Решая полученную таким образом систему из 10 уравнений относительно неизвестных, входящих в эти уравнения, можно определить как величины реакций во внешних связях, так и внутренние усилия, возникающие в раме. Процедуру решения этой задачи можно несколько упростить, исключив из системы уравнений уравнения равновесия. Однако такой подход требует применения специальных методов решения, одним из которых является метод сил.

Задача. Определить напряжение в стальных стержнях, поддерживающих абсолютно жёсткую балку. Материал — сталь Ст3, α=60°, [σ]=160МПа.

1. Схему вычерчиваем в масштабе . Нумеруем стержни.

В шарнирно-неподвижной опоре А возникают реакции R А и Н А . В стержнях 1 и 2 возникают усилия N 1 и N 2 . Применим . Замкнутым разрезом вырежем среднюю часть системы. Жесткую балку покажем схематично — линией, усилия N 1 и N 2 направим от сечения.

Составляем уравнения равновесия

Количество неизвестных превышает количество уравнений статики на 1 . Значит, система , и для её решения потребуется одно дополнительное уравнение . Чтобы составить дополнительное уравнение, следует рассмотреть схему деформации системы . Шарнирно-неподвижная опора А остается на месте, а стержни деформируются под действием силы .

Схема деформаций

По схеме деформаций составим условие совместности деформаций из рассмотрения подобия треугольников АСС 1 и АВВ 1 . Из подобия треугольников АВВ 1 и АСС 1 запишем соотношение:

, где ВВ 1 =Δℓ 1 (удлинение первого стержня)

Теперь выразим СС 1 через деформацию второго стержня. Укрупним фрагмент схемы.

Из рисунка видно, что СС 2 = СС 1 ·cos (90º-α )= СС 1 ·sinα .

Но СС 2 = Δℓ 2 , тогда Δℓ 2 = СС 1 ·sinα , откуда:

Превратим условие совместности деформации (4) в уравнение совместности деформации с помощью . При этом обязательно учитываем характер деформаций (укорочение записываем со знаком «-», удлинение со знаком «+»).

Тогда будет:

Сокращаем обе части на Е , подставляем числовые значения и выражаем N 1 через N 2

Подставим соотношение (6) в уравнение (3) , откуда найдем:

N 1 = 7,12кН (растянут),

N 2 =-20,35кН (сжат).

Определим напряжения в стержнях.

Расчет бруса с зазором. Для статически неопределимого стального ступенчатого бруса построить эпюры продольных сил, нормальных напряжений, перемещений. Проверить прочность бруса. До нагружения между верхним концом и опорой имел место зазор Δ=0,1 мм. Материал – сталь Ст 3, модуль продольной упругости Е=2·10 5 МПа, допускаемое напряжение [σ]=160МПа.

1. После нагружения зазор закроется и реакции возникнут и в нижней , и в верхней опоре. Покажем их произвольно , это реакции R A и R В . Составим уравнение статики .

∑у =0 R A - F 1 + F 2 - R В =0

В уравнении 2 неизвестных, а уравнение одно , значит задача 1 раз статически неопределима , и для ее решения требуется 1 дополнительное уравнение.

Это уравнение совместности деформаций . В данном случае совместность деформаций участков бруса состоит в том, что изменение длины бруса (удлинение) не может превзойти величины зазора , т.е. Δℓ =Δ , это условие совместности деформации.

1. Теперь разобьем брус на участки и проведем на них сечения – их 4 по количеству характерных участков. Каждое сечение рассматриваем отдельно , двигаясь в одном направлении – от нижней опоры вверх. В каждом сечении выражаем силу N через неизвестную реакцию . Направляем N от сечения .

Выпишем отдельно значения продольных сил в сечениях:

N 1 = - R А

N 2 = 120 - R А

N 3 = 120 - R А

N 4 = 30- R А

3. Вернемся к составлению условия совместности деформации . Имеем 4 участка, значит

Δℓ 1 + Δℓ 2 + Δℓ 3 + Δℓ 4 = Δ (величина зазора).

Используя формулу для определения абсолютной деформации составим уравнение совместности деформаций , — это именно то дополнительное уравнение, которое необходимо для решения задачи.

Попробуем упростить уравнение. Помним, что величина зазора Δ=0,1 мм = 0,1·10 -3 м

Е – модуль упругости, Е =2·10 5 МПа=2·10 8 кПа .

Подставляем вместо N их значения, записанные через опорную реакцию R А .

4. Вычисляем N и строим эпюру продольных сил .

N 1 =- R А = -47,5кН

N 2 =120 - R А = 72,5кН

N 3 =120 - R А = 72,5кН

N 4 =30- R А = -17,5кН.

5. Определяем нормальные напряжения σ по формуле и строим их эпюры

Строим эпюру нормальных напряжений.

Проверяем прочность .

σ max = 90,63 МПа < [σ]=160МПа.

Прочность обеспечена .

1. Вычисляем перемещения , используя формулу для деформаций.

Идем от стены А к зазору .

Получили величину ω 4 , равную зазору ,это является проверкой правильности определения перемещений.

Строим эпюру перемещений .

На стальной стержень действует продольная сила Р и собственный вес (γ = 78 кН/м 3). Найти перемещение сечения 1 –1.

Дано: Е =2·10 5 МПа, А = 11 см 2 , а = 3,0 м, в = 3,0 м, с= 1,3 м, Р = 2 кН.

Перемещение сечения 1 –1 будет складываться из перемещения от действия силы Р, от действия собственного веса выше сечения и от действия собственного веса ниже сечения . Перемещение от действия силы Р будет равно удлинению участка стержня длиной в+а ,расположенного выше сечения 1 –1 . Нагрузка Р вызывает удлинение только участка а, так как только на нем имеется продольная сила от этой нагрузки. Согласно закону Гука удлинение от действия силы Р будет равно: Определим удлинение от собственного веса стержня ниже сечения 1 –1.

Обозначим его как . Оно будет вызываться собственным весом участка с и весом стержня на участке а+в

Определим удлинение от собственного веса стержня выше сечения 1 –1.

Обозначим его как Оно будет вызываться собственным весом участка а+в

Тогда полное перемещение сечения 1-1 :

Т.е, сечение 1-1 опустится на 0,022 мм.

Абсолютно жесткий брус опирается на шарнирно неподвижную опору и прикреплен к двум стержням при помощи шарниров. Требуется: 1) найти усилия и напряжения в стержнях, выразив их через силу Q; 2) Найти допускаемую нагрузку Q доп, приравняв большее из напряжений в двух стержнях к допускаемому напряжению ; 3) найти предельную грузоподъемность системы, если предел текучести 4) сравнить обе величины, полученные при расчете по допускаемым напряжениям и предельным нагрузкам. Размеры: а=2,1 м, в=3,0 м, с=1,8 м, площадь поперечного сечения А=20 см 2

Данная система один раз статически неопределима . Для раскрытия статической неопределимости необходимо решить совместно уравнение равновесия и уравнение совместности деформаций стержней.

(1) -уравнение равновесия

Составим деформационную схему — см. рис. Тогда из схемы:(2)

По закону Гука имеем:

Длины стержней : Тогда получим:

Подставим полученное соотношение в уравнение (1):

Определяем напряжение в стержнях:

В предельном состоянии: Подставим полученные соотношения в уравнение (1):

При сравнении видим увеличение нагрузки:

Колонна, состоящая из стального стержня и медной трубы, сжимается силой Р. Длина колонны ℓ. Выразить усилия и напряжения, возникающие в стальном стержне и медной трубе.
Проведем сечение 1 – 1 и рассмотрим равновесие отсеченной части

Составим уравнение статики: N C + N M - P= 0 , N C + N M = P (1)

Задача статически неопределима. Уравнение совместности деформации запишем из условия, что удлинения стального стержня и медной трубы одинаковы : (2) или Сократим обе части на длину стержня и выразим усилие в медной трубе через усилие в стальном стержне:

(3) Подставим найденное значение в уравнение (1), получим:

При совместной работе всегда сильнее напряжен элемент из материала с большим модулем упругости . При Е С = 2·10 5 МПа, Е М = 1·10 5 МПа:

Для колонны определить напряжения на всех участках. После приложения силы Р зазор закрывается, Р = 200 кН, Е = 2 . 10 5 МПа, А = 25 см 2 После приложения силы Р возникнут усилия в защемлениях. Обозначим их как C и В.

Составим уравнение статики: ∑y = 0; С + В – Р = 0; (1)

Дополнительное уравнение совместности деформаций: ∆ℓ 1 +∆ℓ 2 =0,3 мм (2);

Чтобы найти абсолютную деформацию , необходимо знать продольную силу на участке. На первом участке продольная сила равна С , на втором разности (С- Р) . Подставим эти значения в выражения абсолютных деформаций: (3)

Подставляем выражение (3 ) в выражение (2) и находим: С = 150 кН , а из (1) B = 50 кН .

Тогда напряжения на участках:

На трех стальных стержнях подвешена жесткая балка; стержень 2 выполнен короче проектного. Определить напряжения в стержнях после сборки системы. Дано:

После завершения сборки в данной системе жесткая балка повернется и займет новое положение .

Точки С, D и К переместятся в положения С 1 , D 1 и К 1

Согласно картине деформирования СС 1 =Δℓ 1 , DD 1 =Δ−D 1 D 2 = Δ−Δℓ 2 , KK 1 = Δℓ 3 , при этом стержни 1 и 3 испытывают сжатие , а стержень 2 – растяжение.

В соответствии со схемой деформирования уравнение равновесия примет вид:

Дополнительные уравнения можно получить на основе анализа схемы деформирования; из подобия треугольников ВСС 1 и BDD 1 , треугольников ВСС 1 и BKK 1 следует:

Согласно закона Гука абсолютные деформации:

Тогда дополнительные уравнения запишутся следующим образом: Решая совместно данную систему полученных дополнительных уравнений и уравнение равновесия, получим:

N 1 =14,3 кН (стержень сжат), N 2 =71,5 кН (стержень растянут), N 3 =42,9 кН (стержень сжат).

Таким образом, искомые напряжения в стержнях имеют значения:
Задача решена.

Ступенчатый медный стержень нагревается от температуры t Н =20ºС до t К =50ºС. Проверить прочность стержня. Дано:

Составим уравнение равновесия стержня в предположении замены внешних связей реактивными силами: Как видим,система статически неопределима, и для ее решения требуется дополнительное уравнение.

Уравнение совместности деформаций следует из условия, что перемещения внешних связей равны 0 — W В =0 или W К =0. Таким образом:

Откуда:

В результате R B =20723Н.

Нормальные силы и напряжения на участках:

Согласно результатам расчетов σ max =│69,1│MПа , при этом σ max < σ adm , (69,1<80). Следовательно, условие прочности стержня выполняется.

Расчет стержня с зазором. Для стального ступенчатого стержня при наличии зазора между нижним торцом и опорой требуется: построить эпюры нормальных сил и напряжений, перемещений; проверить прочность. Дано:

Составим уравнение равновесия стержня:

В нем два неизвестных, система один раз статически неопределима ,требуется дополнительное уравнение — уравнение деформаций.

Дополнительное уравнение можно записать из условия закрытия зазора в процессе деформирования стержня :

Для рассматриваемых участков их абсолютные деформации :

Определим нормальные (продольные) силы , идем от стены к зазору:

Подставим все найденные значения в дополнительное уравнение:

После подстановки исходных данных и сокращений:

Из уравнения равновесия получаем:

Таким образом, R В =40,74 кН, R К =9,26 кН.

Расчет нормальных сил:
Строим эпюру N

Расчет нормальных напряжений:
Строим эпюру нормальных напряжений

Расчет перемещений характерных сечений.

Принимается правило знаков для перемещений: вниз – положительные, вверх – отрицательные.
Строим эпюру перемещений.

Дана статически неопределимая стержневая система (деталь ВСD — жесткая). Требуется подобрать площади поперечных сечений стержней 1 и 2.

Обозначим усилия в стержнях 1 и 2 соответственно N 1 и N 2.

Покажем схему системы с усилиями N 1 и N 2

Составим для данной системы уравнение равновесия, исключая из рассмотрения реактивные силы в опоре С Данное уравнение содержит два неизвестных: N 1 и N 2 . Следовательно, система один раз статически неопределима, и для ее решения требуется дополнительное уравнение. Это уравнение деформаций. Покажем систему в деформируемом состоянии под действием нагрузки:

Из анализа системы в деформируемом состоянии следует, что:

Поскольку , и учитывая, что можно записать: Последняя запись и есть необходимое дополнительное уравнение деформаций .

Запишем значения абсолютных деформаций стержней:

Тогда с учетом исходных данных дополнительное уравнение примет вид:

Принимая во внимание уравнение равновесия , получим систему:

Из решения этой системы уравнений следует:

N 1 =48кН (стержень растянут), N 2 =-36,31кН (стержень сжат) .

Согласно условию прочности стержня 1:

тогда с учетом условия А 1 =1,5А 2 по заданию, получаем

Согласно условию прочности стержня 2 :Тогда

Окончательно принимаем:

Для того чтобы стержневые системы (балки, рамы и т. п.) могли служить сооружениями и выдерживать внешние нагрузки, необходимо наложить на них определенные связи, которые делят на связи внешние и внутренние. Под связью обычно понимают тела (препятствия), ограничивающие перемещение другим телам, точкам или сечениям конструкции. На практике такие тела называют опорными устройствами, фундаментами и т. п. В инженерных расчетах вводится понятие идеальных связей. Если, например, на левый торец бруса (рис. 1.1, а) наложено условие, запрещающее вертикальное перемещение, то говорят, что в этой точке имеется одна внешняя связь. Условно она изображается в виде стержня с двумя шарнирами. Если запрещено вертикальное и горизонтальное смещения, то на систему наложены две внешние связи (рис. 1.1, б). Заделка в плоской системе дает три внешние связи (рис 1.1, в), препятствующие вертикальному, горизонтальному смещениям и повороту сечения заделки. лд Рис. 1.1 Для того чтобы закрепить тело (стержень) на плоскости и обеспечить ему геометрическую неизменяемость, необходимо и достаточно наложить на него три связи (рис. 1.2), причем все три связи не должны быть взаимно параллельными и не должны пересекаться в одной точке. В дальнейшем связи, обеспечивающие геометрическую неизменяемость системы и ее статическую определимость, будем понимать как необходимые связи. Геометрически неизменяемой системой называют такую систему, которая может изменять свою форму только за счет деформации ее элементов (рис. 1.2), в то время как геометрически изменяемая система может допускать перемещения и при отсутствии деформации (рис. 1.3). Такая система является механизмом (рис. 1.3, а). 5 Рис. 1.2 Наряду с отмеченными различают еще мгновенно изменяемые системы, под которыми понимают системы, допускающие бесконечно малые перемещения без деформации ее элементов (рис. 1.4). Рис. 1.3 Так, например, под действием силы P, приложенной в шарнире Д (рис. 1.4, а), стержни ДВ и ДС без деформации повернутся относительно шарниров В и С на бесконечно малый угол d . Тогда из условия равновесия, вырезанного при малом значении величины силы P усилия в стержнях ДВ и ДС будут стремиться к бесконечности, вызывая осевую деформацию стержней и изменяя положение системы. 6 Рис. 1.4 Для рамы на рис. 1.4, б при рассмотрении уравнения статики момент силы P не уравновешивается (реакция R1 ,не может вызывать момента относительно рассматриваемой точки, так как линия ее действия проходит через эту точку). Аналогичная особенность проявляется и для системы, показанной на рис. 1.4, в. Момент силы P относительно точки k не уравновешивается. Таким образом, эти системы также допускают бесконечно малые перемещения (относительно моментной точки) без деформации их элементов. В сооружениях и конструкциях такие системы недопустимы. Если геометрически неизменяемая система имеет помимо необходимых еще и дополнительные связи, то независимых уравнений статики оказывается недостаточно для определения неизвестных усилий (реакций связей) и такая система называется статически неопределимой. Разница между числом неизвестных усилий, подлежащих определению, и числом независимых уравнений статики характеризует степень статической неопределимости, которую принято обозначать символом n . Так, балка и рама, представленные на рис. 1.5, являются два раза (дважды) статически неопределимыми. В этих схемах число неизвестных реакций равно пяти, а число независимых уравнений статики, которые можно составить для каждой из них, равно трем. Всякий замкнутый контур представляет собой систему трижды статически неопределимую (рис. 1.6). Рис. 1.6 Постановка одиночного шарнира снижает степень статической неопределимости системы на единицу (рис. 1.7, а), поскольку изгибающий момент в шарнире отсутствует. Под одиночным шарниром понимают шарнир, соединяющий концы двух стержней. Рис. 1.7 Шарнир, включенный в узел, где сходятся концы нескольких стержней, понижает степень статической неопределимости системы на число одиночных шарниров, определяемых по формуле О=С–1. Здесь под C понимают число стержней, сходящихся в узле. Например, в раме (рис. 1.7, б) число одиночных шарниров О=С–1=3-1=2, поэтому степень статической неопределимости понижается на две единицы и становится равной n4 .

Расчет статически определимых рам

Основные понятия Рамой называют стержневую систему, у которой все или некоторые узловые соединения являются жёсткими (рис. 1.8 а). Жёсткий узел характеризуется тем, что угол между осями стержней, которые его образуют, не изменяется при действии нагрузки (рис. 1.8 а). Угол между касательными к упругим линиям ригеля и наклонной стойки в узле В сохраняет неизменную величину α, а угол между касательными к упругим линиям того же ригеля и правой стойки в узле D сохраняет неизменную величину β. Рамы могут быть плоскими, когда все оси стержней лежат в одной плоскости (рис 1.8 а, б, в) и пространственными (рис. 1.8 г). Горизонтальный стержень рамы называют ригелем, а стержни, его поддерживающие, называют стойка. Левая стойка наклонная, а правая вертикальная. Рамы могут быть простыми, состоящими из трёх стержней (рис 1.8), сложными, многопролётными (рис 1.8 б) и многоярусными (рис 1.8 в). Также они подразделяются на статически определимые (рис 1.8 б), когда число неизвестных реакций, усилий меньше или равно числу независимых уравнений статики, которые могут быть составлены для данной рамы, и статически неопределимые, если это условие не выполняется (рис 1.8 а, в, г), об этом будет сказано далее. В отличии от балок, в сечениях рам, наряду с изгибающими моментами, поперечной силой, возникает еще и продольная сила. Рис. 1.8 Определение усилий (М, Q, N) выполняются также, как и в балках посредством метода сечений (РОЗУ). При этом правило знаков для изгибающего момента М и поперечной силы Q такое же, как для балок, а для продольной силы N, как в 9 стержнях при растяжении – сжатии. Определение нормальных n и касательных напряжений производится по тем же зависимостям, как в балках, если стержень испытывает изгиб. В случае сложного сопротивления, когда наряду с изгибающим моментом возникает в стержне еще и продольная сила, то расчет ведется как и при изгибе с растяжением – сжатием, излагаемым в разделе "Сложное сопртивление”. Пример 1.1 Для заданной рамы (рис.1.9) построить эпюры внутренних усилий и найти величину и направление полного перемещения сечения К, если Р = 5кН; q = 10 кН/м; EIz = const; сечения стоек и ригеля одинаковые I = 8000 см4: 1. Находим реакции опор: а) вертикальные реакции V1,V2: б) горизонтальные реакции Н1 и Н2: 2. Строим эпюры внутренних усилий М, Q, N. а. Построение эпюры изгибающих моментов М.

Расчет статически неопределимых стержневых систем методом сил

Выбираем точку наблюдения, считая, что она находится внутри контура. В этом случае поля расположены выше участков 1-3, 3-4, 4-К, 4-2, рассматриваются как внешние, а внутри контура – внутренние. При определении изгибающих моментов придерживаемся так же правил, что и в балках. Вычисляем моменты в характерных сечениях каждого из участков рамы. Участок 1-3. Момент на конце со стороны опоры – 1, М13 = 0. Момент в узле 3, Знак минус потому, что на участке 1-3 нижняя отсеченная часть изгибается выпуклостью вверх по отношению к наблюдателю. Участок 3-4 (ригель). Момент в начале участка (в сечении узла 3) М34 , такой же, как и на стойке 1– Момент В шарнире момент равен нулю. Участок 2-4 (наклонная стойка) Участок 4-К В начале участка момент МК4 = 0. В конце участка Эпюра изгибающих моментов показана на (рис. 1.10, а) 11 Рис. 1.10 Выполняем проверку правильности построения эпюры М. Если эпюра М построена верно, то любой внеопорный узел или любая часть рамы под действием внешних и внутренних сил должна находиться в равновесии. Вырежем из рамы сечениями бесконечно близкими к узлу, например, узел (4) и рассмотрим его равновесие. Значения моментов берем в соответствующих сечениях из эпюры М (рис. 1.10, б). Уравнения моментов узла (4) имеет вид

Особенности расчета методом сил многопролетных неразрезных балок

Условие выполняется, значит в примыкающих к узлу (4) сечениях моменты определены верно. Аналогично выполняется проверка в узле (3) и т. д. Примечание Если в узле приложены сосредоточенные внешние усилия (момент или силы) то они должны быть учтены при проверке. Распределенная нагрузка не показывается, т. к. dx – малая величина. б. Построение эпюры поперечных сил Q. Придерживаемся того же правила знака, как для балок: если равнодействующая внешних сил слева от сечения направлена вверх, а справа вниз поперечная сила Q > 0, если наоборот – т Участок 1–3. При рассмотрении левой отсеченной части 10 кН.(минус потому, что левая отсеченная часть находится под воздействием силы Н1 12 направленной вниз, если смотреть на отсеченную часть из точки наблюдателя). Поперечная сила постоянна по длине этого участка (рис. 1.11, а) Рис. 1.11 Участок 3-4 Поперечная сила в любом сечении, взятом на расстоянии х от узла (3) при рассмотрении сил действующих от сечения слева, равна 103 01QV xqx. При х = 0, получим поперечную силу в сечении левее узла (3), т. е. Q34 30кН; при х = 3 м, получаем поперечную силу Q, т. е. в сечении левее узла (4). Поперечная сила на участке 3–4 изменяется по линейному закону (рис.1.11, а). Участок 4–К. В сечении на расстоянии х от правого конца участка (рис. 1.11, а) поперечная сила равна (линейный закон). При х = 0, получаем, а при х = 3 м, получаем Участок 2–4. Поперечную силу в сечении этого участка получим, проектируя внешние силы Н2, V2, приложенные в точке 2 (рис. 1.11,а) на ось У, перпендикулярную продольной оси стержня. По длине участка 3–4 поперечная сила постоянная. Эпюра поперечных сил изображена на (рис. 1.11, а).

Использование свойств симметрии при раскрытии статической неопределимости стержневых систем

в. Построение эпюры продольных сил N. Вычисляем продольную силу в сечении каждого участка. Участок 1–3. Рассматриваем нижнюю часть (рис. 1.12) Минус взят потому, что продольная сила, уравновешивающая реакцию V1, направлена к сечению, т. е. навстречу реакции V1, значит отсеченный участок испытывает сжатие. Если бы продольная сила была направлена от сечения, то знак N – положителен. Участок 3-4 (на ригеле). Продольная сила N30 кН, отрицательна, так как сжимающая. В сечении х (рис.1.12, б) на участке 4-К: перпендикулярны продольной оси участка. Участок 2–4. Рис. 1.12 На наклонной стойке в сечении х продольную силу находим, проектируя внешние силы V2 и Н2 на ось Х, совпадающею с осью стержня (рис. 1.12): 34 5 4 (сжатие), Поэтому присваиваем знак минус N24 кН. 14 Эпюра продольных сил изображена на (рис. 1.11, б). 3. Определяем перемещения сечения К. Для этого используем интеграл Мора, формулы А.К. Верещагина, Симпсона, (см. раздел "Прямой изгиб”). Определяем вертикальное перемещение сечения К. Для этого освобождаем раму от всех внешних нагрузок (q, Р) и прикладываем в этом сечении единичную безразмерную силу (рис.1.13, а). Направление силы принимаем сами, например, в низ.

Расчет методом сил статически неопределимых систем, работающих на растяжение или сжатие

Рис. 1.13 На рис. 1.13, а представлена эпюра изгибающих моментов М1 от этой силы. Производим перемножение эпюр М и М1 по способу Верещагина, находим вертикальное перемещение сечения К. На участке 4-К использовалась формула Симпсона, а на участке 2-4 формула Верещагина. Определяем горизонтальное перемещение сечения К. Для этого раму освобождаем от внешних нагрузок, загружаем единичной безразмерной силой, приложенной горизонтально (рис.1.13, б). Эпюра от этой силы показана на рис. 1.13, б. Вычисляем горизонтальное перемещение, используя формулы Верещагина и Симпсона. Знак минус указывает, что действительное горизонтальное перемещение направлено в противоположенную сторону приложения единичной силы, т. е. влево. 15 Находим полное перемещение сечения К как геометрическую сумму найденных перемещений. Направление полного перемещения определяется углом (рис 1.14, б). Определяем угол поворота сечения К. Прикладываем в сечении К единичный безразмерный момент (рис.1.14, а) и строим от него эпюру изгибающих моментов.

Расчет статически неопределимых стержневых систем методом сил в матричной форме

Рис. 1.14 Производим перемножение эпюр М и М3, используя формулу Верещагина, находим угол поворота сечения К: 16 1.3. Расчет статически неопределимых стержневых систем методом сил Наиболее широко применяемым методом раскрытия статической неопределимости стержневых систем является метод сил. Он заключается в том, что заданная статически неопределимая система освобождается от дополнительных (лишних) связей как внешних, так и внутренних, а их действие заменяется силами и моментами. Величина их в дальнейшем определяется так, чтобы перемещения соответствовали тем ограничениям, которые накладываются на систему отброшенными связями. Таким образом при указанном способе решения неизвестными оказываются силы или моменты, действующие в местах отброшенных или рассеченных связей. Отсюда и название «метод сил». Сущность метода сил рассмотрим на примере расчета статически неопределимой рамы, изображенной на рис. 1.15. Считаем, что внешняя нагрузка, размеры и жесткости стержней известны. Порядок расчета 2.1. Устанавливаем степень статической неопределимости, для чего используем выражение, где X – число неизвестных (имеется 5 внешних связей); Y – число независимых уравнений статики, которые можно составить для рассматриваемой системы. Для заданной рамы число неизвестных реакций равно пяти, а число независимых уравнений трем, так как система сил плоская и произвольно расположенная, поэтому Система два раза статически неопределима. 2.2. Преобразуем заданную систему в статически определимую, геометрически неизменяемую и эквивалентную заданной системе, т. е. образуем основную систему. Для этого удаляем лишние связи путем их отбрасывания или перерезания. На рис. 1.15 изображена основная система, полученная путем отбрасывания лишних опорных связей, а на рис. 1.16 основные системы образованы путем отбрасывания и перерезания связей. Например, (рис. 1.16, а) в опоре А отброшена горизонтальная связь и в опоре С перерезана связь, препятствующая повороту сечения. Таким образом, для каждой статически неопределимой стержневой системы можно Рис. 1.15 17 подобрать несколько вариантов основных систем (рис. 1.15, 1.16). Необходимо особо обратить внимание на то, что при образовании основной системы метода сил недопустимо введение новых связей. Желательно, чтобы основная система была рациональной, т. е. такой, для которой легче строить эпюры внутренних силовых факторов и объем вычислений был наименьшим. Такая система показана на рис. 1.15 (вариант I). Здесь нет необходимости определять опорные реакции, если строить эпюры со свободного (незакрепленного) конца рамы. Рис. 1.16 2.3. Образуем эквивалентную систему путем нагружения основной системы внешними силами и усилиями отброшенных (перерезанных) связей (рис. 1.17). Неизвестные силовые факторы будем обозначать символом Xi, где i – номер неизвестного. Если отброшенные связи запрещают линейные перемещения, то неизвестными являются силы, при запрете угловых смещений – моменты. Если же основная система была получена путем перерезания лишних связей, то равные и противоположные друг другу силы и моменты прикладываются как к правой, так и к левой частям рассеченной системы в местах перерезания. В рассматриваемом примере X1 и X2 представляют собой вертикальную и горизонтальную составляющие реакции шарнирной опоры А. 2.4. Составляем канонические уравнения метода сил, которые выражают в математической форме записи условия эквивалентности основной и заданной систем. Иначе они выражают условия, обозначающие, что относительные перемещения по направлению удаленных лишних связей от совместного действия внешней нагрузки и неизвестных усилий должны быть равны нулю. Для эквивалентной системы рассматриваемого примера на основании принципа независимости действия сил и рис. 1.18 канонические уравнения запишутся в форме

К фермам с оговоркой можно отнести шпренгельные балки, представляющие собой комбинацию двух- или трёхпролётной неразрезной балки и подпружной тяги; они характерны для стальных и деревянных конструкций, с верхним поясом из неразрезного прокатного профиля (пиленые брусья или пакеты клееных досок). Также могут быть шпренгельные железобетонные фермы небольших пролётов.

Материал из Википедии - свободной энциклопедии

где 11 – относительное перемещение в основной системе по направлению лишней неизвестной X1, вызванное этим же усилием; 12 – относительное перемещение по направлению лишней неизвестной Х1, вызванное усилием X2; 1P – относительное перемещение по направлению действия неизвестной X1, вызванное заданной нагрузкой. Рис. 1.18 Физический смысл этих уравнений. Первое уравнение отрицает возможность вертикального перемещения опорного сечения А по направлению лишнего неизвестного X1 от совместного действия заданной нагрузки Р и полных значений неизвестных X1 и X2. Аналогичный смысл имеет и второе уравнение. В указанной форме (1.1) использование уравнений при инженерных расчетах затруднительно, поэтому преобразуем их к новому виду. С учетом того, что для линейных систем справедливо выражение можно записать: где 11 – относительное перемещение в основной системе по направлению действия силы X1 от действия силы X1 1 (рис. 1.19); 21 – относительное перемещение в основной системе по направлению действия силы X2 от действия силы X1 1. Здесь X1 и X2 – действительные значения реакций отброшенных связей. Тогда канонические уравнения метода сил (1.1) запишутся в виде По аналогии для n раз статически неопределимых систем канонические уравнения имеют вид Здесь коэффициенты с одинаковыми индексами называют главными, а называют побочными коэффициентами. Главные коэффициенты всегда положительны. Побочные коэффициенты могут быть положительными, отрицательными и равными нулю. 1P  – называются свободными или грузовыми коэффициентами. 2.5. Определяем коэффициенты канонических уравнений. Эти коэффициенты представляют собой перемещения точек системы в направлении отброшенных связей, следовательно, их можно найти посредством интеграла Мора: Порядок определения коэффициентов: Рис. 1.19 20 а) строим эпюры изгибающих моментов для основной системы от заданной внешней нагрузки P и от единичных усилий отброшенных связей X11 (рис. 1.20); Рис. 1.20 б) вычисляем коэффициенты канонических уравнений. Поскольку рассматриваемая система состоит только из прямолинейных стержней и жесткости стержней в пределах их длин постоянны, то вычисления интеграла Мора производим по способу А.К. Верещагина путем перемножения соответствующих эпюр с использованием формул Симпсона и трапеций: 2.6. Записываем систему канонических уравнений. После подстановки найденных коэффициентов в уравнение (1.3) получаем: Решаем систему уравнений и находим неизвестные усилия, кН: Примечание. Если знак усилия получился отрицательный, то это означает, что действительное усилие (реакция) направлено в противоположную строну, чем усилие Xi, принятое в эквивалентной системе. Таким образом, раскрывается статическая неопределимость системы. 2.7. Строим окончательные (действительные) эпюры внутренних силовых факторов для заданной системы. Построение эпюр можно выполнить двумя способами. Первый способ Загружаем основную систему заданной нагрузкой и найденными усилиями X1 и X2 (рис. 1.17), после чего строим эпюры М, Q, и N также, как для обычной статически определимой системы. Построенные таким способом эпюры показаны на рис. 1.21, где ординаты эпюры изгибающих моментов отложены со стороны растянутых волокон. Такой метод наиболее удобен для простых систем. Второй способ Вычисляем значения изгибающих моментов в любом (обычно характерном) сечении на основании принципа независимости действия сил по формуле 22 где k – номер сечения, для которого определяется значение изгибающего момента; n – степень статической неопределимости системы. Рис. 1.21 При этом, если найденное усилие Xi имеет отрицательный знак, то соответствующую эпюру Mi необходимо зеркально отобразить относительно осей стержней. При определении действительных значений изгибающих моментов ординаты моментов в расчетных сечениях берутся из эпюр M1, M2 и MP с учетом их знаков. Знаки моментов в рассматриваемом сечении определяются в зависимости от того, с какой стороны от базовой линии расположены ординаты моментов и от положения точки наблюдателя. В нашем случае принимаем, что точка наблюдателя расположена внутри контура, поэтому за положительные значения моментов принимаются моменты, которые вызывают в расчетном сечении растяжение внутренних волокон, а отрицательные – внешних волокон контура. Например, для сечения Д рамы получаем Аналогично и для других сечений. Окончательная эпюра изгибающих моментов для заданной системы показана на рис. 1.21, а. 23 2.8. Проводим деформационную проверку правильности построения действительной эпюры изгибающих моментов. Смысл деформационной проверки состоит в подтверждении отсутствия перемещений в основной системе в направлении отброшенных (перерезанных) связей при найденных значениях неизвестных усилий. Так, если неизвестные усилия найдены правильно, то для рассматриваемого примера должны удовлетворяться равенства: Если построить эпюру единичных моментов 2то проверку называют проверкой на групповое перемещение (рис. 1.22): Отсутствие перемещения подтверждает правильность решения задачи. Если выполненные расчеты не подтверждают отсутствие перемещений точек основной системы в направлении отброшенных связей, то для выявления ошибки расчета необходимо проверить правильность определения коэффициентов канонических уравнений по формуле При отсутствии равенства в этом уравнении выполняется построчная проверка коэффициентов канонических уравнений. Первая строка: . Если нет ошибки расчета в этой строке, то должно соблюдаться условие: Аналогично можно выполнить проверки 2-й и других строк. При выполнении указанных проверок следует проверить правильность расчета грузовых коэффициентов: 2.9. Строим эпюру поперечных сил Q по эпюре изгибающих моментов М путем последовательного вырезания стержней из заданной системы и рассмотрением их как шарнирно опертых статически определимых балок. По концам стержней прикладываем моменты, значения и направления которых выбираем из эпюры М в соответствующих сечениях. При наличии внешних сил прикладываем их на соответствующих участках. Определяем опорные реакции из условия статического равновесия и строим эпюру Q как обычно для статически определимых балок. Для заданной рамы (рис. 1.15) при построении эпюры поперечных сил для стойки вырезаем участок АВ и в сечении В прикладываем момент В 3 , 56 M P взятый из эпюры действительных моментов М (рис. 1.21, б). Определяем опорные реакции из рассмотрения равновесия 3 P и строим эпюру поперечных сил Q (рис. 1.23). Рис. 1.22 25 Аналогичным образом вырезаем горизонтальный стержень (ригель) ВС, рассматриваем его равновесие и строим эпюру Q для этого участка рамы (рис. 1.24). Переносим эпюры Q для отдельных стержней на задан ную систему. Окончательная эпюра поперечных сил для заданной рамы показана на рис 7.14, б. Построение эпюры поперечных сил по эпюре изгибающих моментов возможно и на основании дифференциальной зависимости: где α – угол наклона прямой, очерчивающей эпюру изгибающих моментов, к базовой линии (оси бруса). Поперечная сила считается положительной, если изгибающий момент возрастает в направлении оси. Для рассматриваемого примера: 2.10. Производим построение эпюры продольных сил N.
Рис. 7.16 Рис. 1.24 26 Для этого используем метод вырезания узлов (вырезаем только внеопорные узлы сечениями, бесконечно близкими к узлу) и рассматриваем их равновесие под действием внешней нагрузки (если такова приложена к узлам) и усилий в отброшенных (перерезанных) связях. Вырезаем узел В. Прикладываем к нему поперечные силы, взятые в соответствующих сечениях из эпюры Q (рис. 1.23, б). Узел должен находиться в равновесии (рис. 1.25) под действием поперечных и продольных сил (неизвестных). Определяем неизвестные продольные силы из условия статического равновесия. Эпюра продольных сил показана на рис. 1.23, в. 2.11. Проводим окончательную проверку правильности решения задачи. Система (рама), внеопорный узел или какая-нибудь часть системы должны находиться в равновесии под действием внешней нагрузки и усилий отброшенных (перерезанных) связей. Для заданного примера рассматриваем равновесие рамы, используя уравнения статики (рис. 1.26):

Условие равновесия выполняется. Примечания. 1. Если рама имеет несколько внеопорных узлов, то проверкой охватываются все узлы.

Библиографический список

Рис. 1.25 Рис. 1.26 27 2. При проверке равновесия внеопорного узла необходимо кроме внутренних усилий (M, Q, N), взятых в соответствующих сечениях, приложить еще внешние усилия (сосредоточенные силу и момент), если таковые приложены в узле. В нашем случае нагрузка в узле отсутствует.