Продольная сила в балке. Дифференциальные зависимости между продольной силой, нагрузкой, деформацией
Рассчитывать балку на изгиб
можно несколькими вариантами:
1. Расчет максимальной нагрузки, которую она выдержит
2. Подбор сечения этой балки
3. Расчет по максимальным допустимым напряжениям (для проверки)
Давайте рассмотрим общий принцип подбора сечения балки
на двух опорах загруженной равномерно распределенной нагрузкой или сосредоточенной силой.
Для начала, вам необходимо будет найти точку (сечение), в которой будет максимальный момент. Это зависит от опирания балки или же ее заделки. Снизу приведены эпюры изгибающих моментов для схем, которые встречаются чаще всего.
После нахождения изгибающего момента мы должны найти момент сопротивления Wx этого сечения по формуле приведенной в таблице:
Далее, при делении максимального изгибающего момента на момент сопротивления в данном сечении, мы получаем максимальное напряжение в балке
и это напряжение мы должны сравнить с напряжением, которое вообще сможет выдержать наша балка из заданного материала.
Для пластичных материалов
(сталь, алюминий и т.п.) максимальное напряжение будет равно пределу текучести материала
, а для хрупких
(чугун) – пределу прочности
. Предел текучести и предел прочности мы можем найти по таблицам ниже.
Давайте рассмотрим пару примеров:
1. [i]Вы хотите проверить, выдержит ли вас двутавр №10 (сталь Ст3сп5) длиной 2 метра жестко заделанного в стену, если вы на нем повисните. Ваша масса пусть будет 90 кг.
Для начала нам необходимо выбрать расчетную схему.
На данной схеме видно, что максимальный момент будет в заделке, а поскольку наш двутавр имеет одинаковое сечение по всей длине , то и максимальное напряжение будет в заделке. Давайте найдем его:
P = m * g = 90 * 10 = 900 Н = 0.9 кН
М = P * l = 0.9 кН * 2 м = 1.8 кН*м
По таблице сортамента двутавров находим момент сопротивления двутавра №10.
Он будет равен 39.7 см3. Переведем в кубические метры и получим 0.0000397 м3.
Далее по формуле находим максимальные напряжения, которые у нас возникают в балке.
б = М / W = 1.8 кН/м / 0.0000397 м3 = 45340 кН/м2 = 45.34 МПа
После того, как мы нашли максимальное напряжение, которое возникает в балке, то мы его может сравнить с максимально допустимым напряжением равным пределу текучести стали Ст3сп5 – 245 МПа.
45.34 МПа – верно, значит данный двутавр выдержит массу 90 кг.
2. [i]Поскольку у нас получился доволи-таки большой запас, то решим вторую задачу, в которой найдем максимально возможную массу, которую выдержит все тот же двутавр №10 длиной 2 метра.
Если мы хотим найти максимальную массу, то значения предела текучести и напряжения, которое будет возникать в балке, мы должны приравнять (б=245 Мпа = 245 000 кН*м2).
На практике очень часто встречаются случаи совместной работы стержня на изгиб и на растяжение или сжатие. Подобного рода деформация может вызываться или совместным действием на балку продольных и поперечных сил, или только одними продольными силами.
Первый случай изображен на Рис.1. На балку АВ действуют равномерно распределенная нагрузка q и продольные сжимающие силы Р.
Рис.1.
Предположим, что прогибами балки по сравнению с размерами поперечного сечения можно пренебречь; тогда с достаточной для практики степенью точности можно считать, что и после деформации силы Р будут вызывать лишь осевое сжатие балки.
Применяя способ сложения действия сил, мы можем найти нормальное напряжение в любой точке каждого поперечного сечения балки как алгебраическую сумму напряжений, вызванных силами Р и нагрузкой q.
Сжимающие напряжения от сил Р равномерно распределены по площади F поперечного сечения и одинаковы для всех сечений
нормальные напряжения от изгиба в вертикальной плоскости в сечении с абсциссой х, которая отсчитана, скажем, от левого конца балки, выражаются формулой
Таким образом, полное напряжение в точке с координатой z (считая от нейтральной оси) для этого сечения равно
На Рис.2 изображены эпюры распределения напряжений в рассматриваемом сечении от сил Р, нагрузки q и суммарная эпюра.
Наибольшее напряжение в этом сечении будет в верхних волокнах, где оба вида деформации вызывают сжатие; в нижних волокнах может быть или сжатие или растяжение в зависимости от числовых величин напряжений и. Для составления условия прочности найдем наибольшее нормальное напряжение.
Рис.2.
Так как напряжения от сил Р во всех сечениях одинаковы и равномерно распределены, то опасными будут волокна, наиболее напряженные от изгиба. Такими являются крайние волокна в сечении с наибольшим изгибающим моментом; для них
Таким образом, напряжения в крайних волокнах 1 и 2 среднего сечения балки выражаются формулой
и расчетное напряжение будет равно
Если бы силы Р были растягивающими, то знак первого слагаемого изменился бы, опасными были бы нижние волокна балки.
Обозначая буквой N сжимающую или растягивающую силу, можем написать общую формулу для проверки прочности
Описанный ход расчета применяется и при действии на балку наклонных сил. Такую силу можно разложить на нормальную к оси, изгибающую балку, и продольную, сжимающую или растягивающую.
балка изгиб сила сжатие
УДК 539.52
ПРЕДЕЛЬНАЯ НАГРУЗКА ДЛЯ ЗАЩЕМЛЕННОЙ БАЛКИ, НАГРУЖЕННОЙ ПРОДОЛЬНОЙ СИЛОЙ, НЕСИММЕТРИЧНО РАСПРЕДЕЛЕННОЙ НАГРУЗКОЙ И ОПОРНЫМИ МОМЕНТАМИ
И.А. Монахов1, Ю.К. Басов2
кафедра строительного производства Строительный факультет Московский государственный машиностроительный университет ул. Павла Корчагина, 22, Москва, Россия, 129626
2Кафедра строительных конструкций и сооружений Инженерный факультет Российский университет дружбы народов ул. Орджоникидзе, 3, Москва, Россия, 115419
В статье разработана методика решения задач о малых прогибах балок из идеального жестко-пластического материала при действии несимметрично распределенных нагрузок с учетом предварительного растяжения-сжатия. Разработанная методика применена для исследования напряженно-деформированного состояния однопролетных балок, а также для вычисления предельной нагрузки балок.
Ключевые слова: балка, нелинейность, аналитическое.
В современном строительстве, судостроении, машиностроении, химической промышленности и в других отраслях техники наиболее распространенными видами конструкций являются стержневые, в частности балки. Естественно, что для определения реального поведения стержневых систем (в частности, балок) и ресурсов их прочности необходим учет пластических деформаций.
Расчет конструктивных систем при учете пластических деформаций с помощью модели идеального жесткопластического тела является наиболее простым, с одной стороны, и достаточно приемлемым с точки зрения требований практики проектирования - с другой. Если иметь в виду область малых перемещений конструктивных систем, то это объясняется тем, что несущая способность («предельная нагрузка») идеальных жесткопластических и упругопластических систем оказывается одной и той же.
Дополнительные резервы и более строгая оценка несущей способности конструкций выявляются в результате учета геометрической нелинейности при деформировании их. В настоящее время учет геометрической нелинейности в расчетах конструктивных систем является первоочередной задачей не только с точки зрения развития теории расчета, но и с точки зрения практики проектирования сооружений. Приемлемость решений задач о расчете конструкций в условиях малости
перемещений достаточно неопределенна, с другой стороны, практические данные и свойства деформируемых систем позволяют считать, что большие перемещения являются реально достижимыми. Достаточно указать на конструкции строительных, химических, судо- и машиностроительных объектов. Кроме того, модель жесткопластического тела означает пренебрежение упругими деформациями, т.е. пластические деформации намного превосходят упругие. Поскольку деформациям соответствуют перемещения, то учет больших перемещений жесткопластических систем является уместным.
Однако геометрически нелинейное деформирование конструкций в большинстве случаев неизбежно приводит и к возникновению пластических деформаций. Поэтому особое значение приобретает одновременный учет пластических деформаций и геометрической нелинейности в расчетах конструктивных систем и, конечно, стержневых.
В данной статье рассматриваются малые прогибы. Подобные задачи решались в работах .
Рассматривается балка с защемленными опорами, под действием ступенчатой нагрузки, краевых моментов и предварительно приложенной продольной силы (рис. 1).
Рис. 1. Балка под распределенной нагрузкой
Уравнения равновесия балки при больших прогибах в безразмерной форме имеет вид
d2 т / , ч d2 w dn
-- + (п ± щ)-- + р = ^ - = 0, dx ах ах
х 2w р12 М N ,г,
где х ==, w =-, р =--, т =--, п =-, N и М - внутренние нормальная
I к 5хЪк Ъ!!Ък 25!!Ък
сила и изгибающий момент, р - поперечная равномерно распределенная нагрузка, W - прогиб, х - продольная координата (начало координат на левой опоре), 2к - высота поперечного сечения, Ъ - ширина поперечного сечения, 21 - пролет балки, 5^ - предел текучести материала. Если N задано, то усилие N является следствием действия р при
имеющихся прогибах, 11 = = , черта над буквами означает размерность величин.
Рассмотрим первый этап деформирования - «малые» прогибы. Пластическое сечение возникает при х = х2, в нем т = 1 - п2.
Выражения для скоростей прогибов имеют вид - прогиб при х = х2):
(2-х), (х > Х2),
Решение задачи разбивается на два случая: х2 < 11 и х2 > 11.
Рассмотрим случай х2 < 11.
Для зоны 0 < х2 < 11 из (1) получаем:
Рх 111 1 Р11 к1р/1 т = + к1 р + р/1 -к1 р/1 -±4- +-^41
х -(1 -п2)±а,
(, 1 , р/2 к1 р12Л
Рх2 + к1 р + р11 - к1 р11 -+ 1 ^
Х2 = к1 +11 - к111 - + ^
Учитывая возникновение пластического шарнира при х = х2, получаем:
тх=х = 1 - п2 =- р
(12 к12 Л к +/ - к1 - ^ + к"А
к, + /, - к,/, -L +
(/ 2 к/ 2 Л к1 + /1 - к1/1 - ^ + М
Рассматривая случай х2 > /1, получаем:
для зоны 0 < х < /1 выражение для изгибающих моментов имеет вид
к р-р2 + кар/1+р/1 -к1 р/1 ^ х-(1-П12)±
а для зоны 11 < х < 2 -
^ р-рЦ + 1^ Л
х -(1 -п-)±а +
(. рг- к1 р1-Л
Кх рх2 + кх р+
0, и тогда
I2 12 1 ч ч х2 = 1 -- + -.
Из условия пластичности вытекает равенство
откуда получаем выражение для нагрузки:
к1 - 12 + М Л2
К1/12 - к2 ¡1
Таблица 1
к1 = 0 11 = 0,66
Таблица 2
к1 = 0 11 = 1,33
0 6,48 9,72 12,96 16,2 19,44
0,5 3,24 6,48 9,72 12,96 16,2
Таблица 3
к1 = 0,5 11 = 1,61
0 2,98 4,47 5,96 7,45 8,94
0,5 1,49 2,98 4,47 5,96 7,45
Таблица 5 к1 = 0,8 11 = 0,94
0 2,24 3,56 4,49 5,61 6,73
0,5 1,12 2,24 3,36 4,49 5,61
0 2,53 3,80 5,06 6,33 7,59
0,5 1,27 2,53 3,80 5,06 6,33
Таблица 3
к1 = 0,5 11 = 2,0
0 3,56 5,33 7,11 8,89 10,7
0,5 1,78 3,56 5,33 7,11 8,89
Таблица 6 к1 = 1 11 = 1,33
0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0
0,5 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0
Таблица 7 Таблица 8
к, = 0,8 /, = 1,65 k, = 0,2 /, = 0,42
0 2,55 3,83 5,15 6,38 7,66
0,5 1,28 2,55 3,83 5,15 6,38
0 7,31 10,9 14,6 18,3 21,9
0,5 3,65 7,31 10,9 14,6 18,3
Задавая коэффициент нагрузки к1 от 0 до 1, изгибающий момент а от -1 до 1, значение продольной силы п1 от 0 до 1, расстояние /1 от 0 до 2, получим положение пластического шарнира по формулам (3) и (5), а затем получим значение предельной нагрузки по формулам (4) или (6). Численные результаты расчетов сведены в таблицы 1-8.
ЛИТЕРАТУРА
Басов Ю.К., Монахов И.А. Аналитическое решение задачи о больших прогибах жестко-пластической защемленной балки под действием локальной распределенной нагрузки, опорных моментов и продольной силы // Вестник РУДН. Серия «Инженерные исследования». - 2012. - № 3. - С. 120-125.
Савченко Л.В., Монахов И.А. Большие прогибы физически нелинейных круглых пластинок // Вестник ИНЖЕКОНА. Серия «Технические науки». - Вып. 8(35). - СПб., 2009. - С. 132-134.
Галилеев С.М., Салихова Е.А. Исследование частот собственных колебаний элементов конструкции из стеклопластика, углепластика и графена // Вестник ИНЖЕКОНА. Серия «Технические науки». - Вып. 8. - СПб., 2011. - С.102.
Ерхов М.И., Монахов А.И. Большие прогибы предварительно напряженной жесткопласти-ческой балки с шарнирными опорами при равномерно распределенной нагрузке и краевых моментах // Вестник отделения строительных наук Российской академии архитектуры и строительных наук. - 1999. - Вып. 2. - С. 151-154. .
THE LITTLE DEFLECTIONS OF THE PREVIOUSLY INTENSE IDEAL PLASTIC BEAMS WITH THE REGIONAL MOMENTS
I.A. Monakhov1, U.K. Basov2
"Department of Building production manufacture Building Faculty Moscow State Machine-building University Pavla Korchagina str., 22, Moskow, Russia,129626
Department of Bulding Structures and Facilities Enqineering Faculty Peoples" Friendship University of Russia Ordzonikidze str., 3, Moskow, Russia, 115419
In the work up the technique of the decision of problems about the little deflections of beams from ideal hard-plastic material, with various kinds of fastening, for want of action of the asymmetrically distributed loads with allowance for of preliminary stretching-compression is developed. The developed technique is applied for research of the strained-deformed condition of beams, and also for calculation of a deflection of beams with allowance for of geometrical nonlinearity.
Key words: beam, analytic, nonlinearity.
Изгибающий момент, поперечная сила, продольная сила - внутренние усилия возникающие от действия внешних нагрузок (изгиб, поперечная внешняя нагрузка,растяжение-сжатие).
Эпюры -графики изменения внутренних усилий вдоль продольной оси стержня, построенные в определённом масштабе.
Ордината на эпюре показывает значение внутреннего усилия в данной точке оси сечения.
17.Изгибающий момент. Правила (порядок) построения эпюры изгибающих моментов.
Изгибающий момент - внутреннее усилие возникающее от действия внешней нагрузки(изгиба, внецентренного сжатия –растяжения).
Порядок построения эпюры изгибающих моментов :
1.Определение опорных реакций данной конструкции.
2.Определение участков данной конструкции,в пределах которых изгибающий момент будет изменяться по одному и тому же закону.
3.Произвести сечение данной конструкции в окрестности точки, которая разделяет участки.
4.Отбросить одну из частей конструкции, разделённой пополам.
5.Найти момент,который уравновесит действие на одну из оставшихся частей конструкции всех внешних нагрузок и реакций связи.
6.Нанести значение этого момента, с учётом знака и выбранного масштаба, на эпюру.
Вопрос № 18.Поперечная сила. Построение эпюры поперечных сил, используя эпюру изгибающих моментов.
Поперечная сила Q –внутреннее усилие возникающее в стержне под воздействием внешней нагрузки(изгиб, поперечная нагрузка). Поперечная сила направлена перпендикулярно оси стержня.
Эпюра поперечных сил Q строится исходя из следующей дифференциальной зависимости: ,т.е. Первая производная от изгибающего момента по продольной координате равна поперечной силе.
Знак поперечной силы определяется исходя из следующего положения:
Если нейтральная ось конструкции на эпюре моментов поворачивается к оси эпюры по часовой стрелке, то эпюра поперечных сил имеет знак плюс, если против- минус.
В зависимости от эпюры M эпюра Q может принимать тот или иной вид:
1.если эпюра моментов имеет вид прямоугольника, то эпюра поперечных сил равна нулю.
2.Если эпюра моментов представляет собой треугольник, то эпюра поперечных сил имеет вид прямоугольника.
3.Если эпюра моментов имеет вид квадратной параболы, то эпюра поперечных сил имеет треугольника и строится по следующему принципу
Вопрос №19 . Продольная сила. Метод построения эпюры продольных сил используя эпюру поперечных сил. Правило знаков.
Полольная сила N- внутреннее усилие возникающее вследствие центрального и внецентренного растяжения-сжатия. Продольная сила направлена вдоль оси стержня.
Для того что бы построить эпюру продольных усилий нужно:
1.Вырезать узел данной конструкции. Если мы имеем дело с одномерной конструкцией, то сделать сечение на интересующем нас участке этой конструкции.
2.Снять с эпюры Q значения усилий действующих в непосредственной близости от вырезанного узла.
3.Дать направление векторам поперечных сил, исходя из того какой знак имеет данное поперечное усилие на эпюре Q по следующим правилам: если поперечная сила имеет на эпюре Q знак плюс, то её нужно направить так, что бы она вращала данный узел по часовой стрелке, если поперечная сила имеет знак минус –против часовой стрелки. Если внешняя сила проложена к узлу, то её нужно оставить и рассматривать узел вместе с ней.
4.Уравновесить узел продольными усилиями N.
5.Правило знаков для N:если продольная сила направлена к сечению, то она имеет знак минус (работает на сжатие).если продольная сила направлена от сечения, она имеет знак плюс (работает на растяжение).
Вопрос № 20.Правилаприменяемые для проверки правильности построения эпюр внутренних усилий M , Q , N .
1. В сечении, где приложена сосредоточенная сила F, на эпюре Q будет скачок, равный значению этой силы и направленный в ту же сторону (при построении эпюры слева направо), а эпюра М будет иметь перелом, направ- ленный в сторону действия силы F.
2. В сечении, где приложен сосредоточенный изгибающий момент на эпюре М, будет скачок, равный значению момента М; на эпюре Q изменений не будет. При этом направление скачка будет вниз (при построении эпюры слева направо), если сосредоточенный момент действует по ходу часовой стрелки, и вверх, если против хода часовой стрелки.
3.Если на участке, где имеется равномерно распределенная нагрузка, поперечная сила в одном из сечений равна нулю (Q=M"=0), то изгибающий момент в этом сечении принимает экстремальное значение М экстр - максимум или минимум (здесь касательная к эпюре М горизонтальна).
4.Для проверки правильности построения эпюры М можно использовать метод вырезания узлов. При этом момент приложенный в узле нужно при вырезании узла оставлять.
Правильность построения эпюр Q и M можно проверить, дублируя метод вырезания узлов методом сечений и наоборот.
Между изгибающим моментом, поперечной силой и интенсивностью распределенной нагрузки легко установить определенную зависимость. Рассмотрим балку, нагруженную произвольной нагрузкой (рисунок 5.10). Определим поперечную силу в произвольном сечении, отстоящем от левой опоры на расстоянии Z.
Проецируя на вертикаль силы, расположенные левее сечения, получаем
Вычисляем поперечную силу в сечении, расположенном на расстоянии z + dz от левой опоры.
Рисунок 5.8.
Вычитая (5.1) из (5.2) получаем dQ = qdz , откуда
то есть производная от поперечной силы по абсциссе сечения балки равна интенсивности распределенной нагрузки .
Вычислим теперь изгибающий момент в сечении с абсциссой z , взяв сумму моментов сил, приложенных слева от сечения. Для этого распределенную нагрузку на участке длиной z заменяем ее равнодействующей, равной qz и приложенной в середине участка, на расстоянии z/2 от сечения:
(5.3)
Вычитая (5.3) из (5.4), получаем приращение изгибающего момента
Выражение в скобках представляет собой поперечную силу Q . Тогда . Отсюда получаем формулу
Таким образом, производная от изгибающего момента по абсциссе сечения балки равна поперечной силе (теорема Журавского).
Взяв производную от обеих частей равенства (5.5), получим
т. е. вторая производная от изгибающего момента по абсциссе сечения балки равна интенсивности распределенной нагрузки. Полученные зависимости будем использовать при проверке правильности построения эпюр изгибающих моментов и поперечных сил.
Построение эпюр при растяжении-сжатии
Пример 1.
Круглая колонна диаметра d сжимается силой F . Определить увеличение диаметра , зная модуль упругости Е и коэффициент Пуассона материала колонны.
Р е ш е н и е.
Продольная деформация по закону Гука равна
Используя закон Пуассона, находим поперечную деформацию
С другой стороны, .
Следовательно, 
.
Пример 2.
Построить эпюры продольной силы, напряжения и перемещения для ступенчатого бруса.
Р е ш е н и е.
1. Определение опорной реакции. Составляем уравнение равновесия в проекции на ось z :
откуда R E = 2qa .
2. Построение эпюр N z , , W .
Э п ю р а N z . Она строится по формуле
,
Э п ю р а . Напряжение равно . Как следует из этой формулы, скачки на эпюре будут обусловлены не только скачками N z , но также резкими изменениями площади поперечных сечений. Определяем значения в характерных точках:
