Расчетные схемы для балок. Чистый изгиб
Мы начнем с простейшего случая, так называемого чистого изгиба.
Чистый изгиб есть частный случай изгиба, при котором в сечениях балки поперечная сила равна нулю. Чистый изгиб может иметь место только в том случае, когда собственный вес балки настолько мал, что его влиянием можно пренебречь. Для балок на двух опорах примеры нагрузок, вызывающих чистый
изгиб, представлены на рис. 88. На участках этих балок, где Q = 0 и, следовательно, М= const; имеет место чистый изгиб.
Усилия в любом сечении балки при чистом изгибе сводятся к паре сил, плоскость действия которой проходит через ось бал-ки, а момент постоянен.
Напряжения могут быть определены на основании следую-щих соображений.
1. Касательные составляющие усилий по элементарным пло-щадкам в поперечном сечении балки не могут быть приведены к паре сил, плоскость действия которой перпендикулярна к пло-скости сечения. Отсюда следует, что изгибающее усилие в сече-нии является результатом действия по элементарным площадкам
лишь нормальных усилий, а потому при чистом изгибе и напряжения сводятся только к нормальным.
2. Чтобы усилия по элементарным площадкам свелись только к паре сил, среди них должны быть как положительные, так и отрицательные. Поэтому должны существовать как растянутые, так и сжатые волокна балки.
3. Ввиду того, что усилия в различных сечениях одинаковы, то и напряжения в соответственных точках сечений одинаковы.
Рассмотрим какой-либо элемент вблизи поверхности (рис. 89, а). Так как по нижней его грани, совпадающей с по-верхностью балки, силы не приложены, то на ней нет и напря-жений. Поэтому и на верхней грани элемента нет напряжений, так как иначе элемент не находился бы и равновесии, Рассмат-ривая соседний с ним по высоте элемент (рис. 89,б), придем к
Такому же заключению и т. д. Отсюда следует, что по горизон-тальным граням любого элемента напряжения отсутствуют. Рас-сматривая элементы, входящие в состав горизонтального слоя, начиная с элемента у поверхности балки (рис. 90), придем к за-ключению, что и по боковым вертикальным граням любого эле-мента напряжения отсутствуют. Таким образом, напряженное состояние любого элемента (рис. 91,а), а в пределе и волокна, должно быть представлено так, как это показано на рис. 91,б, т. е. оно может быть либо осевым растяжением, либо осевым сжатием.
4. В силу симметрии приложения внешних сил сечение по середине длины балки после деформации должно остаться пло-ским и нормальным к оси балки (рис. 92, а). По этой же причине и сечения в четвертях длины балки тоже остаются плоскими и нормальными к оси балки (рис. 92,б), если только крайние се-чения балки при деформации остаются плоскими и нормальными к оси балки. Аналогичное заключение справедливо и для сечений в восьмых длины балки (рис. 92, в) и т. д. Следовательно, если при изгибе крайние сечения балки остаются плоскими, то и для любого сечения остается
справедли-вым утверждение, что оно после де-формации остается плоским и нор-мальным к оси изогнутой балки. Но в таком случае очевидно, что изменение удлинений волокон балки по ее высоте должно происходить не только непре-рывно, но и монотонно. Если назвать слоем совокупность волокон, имеющих одинаковые удлинения, то из сказан-ного следует, что растянутые и сжатые волокна балки должны располагаться по разные стороны от слоя, в котором удлинения волокон равны нулю. Бу-дем называть волокна, удлинения ко-торых равны нулю, нейтральными; слой, состоящий из нейтральных воло-кон, - нейтральным слоем; линию пе-ресечения нейтрального слоя с плоскостью поперечного сечения балки - нейтральной линией этого сечения. Тогда на основании предыдущих рассуждений можно утверждать, что при чистом изгибе балки в каждом ее сечении имеется нейтральная линия, которая делит это сечение на две части (зоны): зону растяну-тых волокон (растянутую зону) и зону сжатых волокон (сжа-тую зону). Соответственно с этим в точках растянутой зоны се-чения должны действовать нормальные растягивающие напря-жения, в точках сжатой зоны - сжимающие напряжения, а в точках нейтральной линии напряжения равны нулю.
Таким образом, при чистом изгибе балки постоянного се-чения:
1) в сечениях действуют только нормальные напряжения;
2) все сечение может быть разбито на две части (зоны) - растянутую и сжатую; границей зон является нейтральная линия сечения, в точках которой нормальные напряжения равны нулю;
3) любой продольный элемент балки (в пределе любое во-локно) подвергается осевому растяжению или сжатию, так что соседние волокна друг с другом не взаимодействуют;
4) если крайние сечения балки при деформации остаются плоскими и нормальными к оси, то и все ее поперечные сечения остаются плоскими и нормальными к оси изогнутой балки.
Напряженное состояние балки при чистом изгибе
Рас-смотрим элемент балки, подверженной чистому изгибу, заклю-
ченный между сечениями m- m и n - n, которые отстоят одно от дру-гого на бесконечно малом расстоя-нии dx (рис. 93). Вследствие по-ложения (4) предыдущего пункта, сечения m- m и n - n, бывшие до деформации параллельными, после изгиба, оставаясь плоскими, будут составлять угол dQ и пересекаться по прямой, проходящей через точ-ку С, которая является центром кривизны нейтрального волокна NN. Тогда заключенная между ними часть АВ волокна, находящегося на расстоянии z от нейтрального во-локна (положительное направление оси z принимаем в сторону выпук-лости балки при изгибе), превра-тится после деформации в дугу А"В".Отрезок нейтрального волокна О1О2, превратившись в дугу О1О2 не изменит своей длины, тогда как волокно АВ получит удлинение:
до деформации
после деформации
где р - радиус кривизны нейтрального волокна.
Поэтому абсолютное удлинение отрезка АВ равно
и относительное удлинение
Так как согласно положению (3) волокно АВ подвергается осевому растяжению, то при упругой деформации
Отсюда видно, что нормальные напряжения по высоте балки распределяются по линейному закону (рис. 94). Так как равно-действующая всех усилий по всем элементарным площадкам се-чения должна равняться нулю, то
откуда, подставляя значение из (5.8), найдем
Но последний интеграл есть статический момент относительно оси Оу, перпендикулярной к плоскости действия изгибающих уси-лий.
Вследствие равен-ства его нулю эта ось должна проходить через центр тяжести О сечения. Тамим образом,нейтраль-ная линия сечения балки есть прямая уу, перпен-дикулярная к плоскости действия изгибающих усилий. Ее называют ней-тральной осью сечения балки. Тогда из (5.8) следует, что напряжения в точках, лежа-щих на одинаковом расстоянии от нейтральной оси, одинаковы.
Случай чистого изгиба, при котором изгибающие усилия действуют только в одной плоскости, вызывая изгиб только в этой плоскости, является плоским чистым изгибом. Если названная плоскость проходит через ось Oz, то момент элементарных уси-лий относительно этой оси должен быть равен нулю, т. е.
Подставляя сюда значение σ из (5.8), находим
Стоящий в левой части этого равенства интеграл, как изве-стно, является центробежным моментом инерции сеченияотноси-тельно осей у и z, так что
Оси, относительно которых центробежный момент инерции сечения равен нулю, называют главными осями инерции этого сечения. Если они, кроме того, проходят через центр тяжести сечения, то их можно назвать главными центральными осями инерции сечения. Таким образом, при плоском чистом изгибе направление плоскости действия изгибающих усилий и нейтраль-ная ось сечения являются главными центральными осями инер-ции последнего. Иными словами, для получения плоского чи-стого изгиба балки нагрузка к ней не может прикладываться произвольно: она должна сводиться к силам, действующим в плоскости, которая проходит через одну из главных центральных осей инерции сечений балки; при этом другая главная централь-ная ось инерции будет являться нейтральной осью сечения.
Как известно, в случае сечения, симметричного относительно какой-либо оси, ось симметрии является одной из главных цент-ральных осей инерции его. Следовательно, в этом частном случае мы заведомо получим чистый изгиб, приложив соответствующие анагрузки в плоскости, проходящей через продольную ось балки я ось симметрии ее сечения. Прямая, перпендикулярная к оси симметрии и проходящая через центр тяжести сечения, является при этом нейтральной осью этого сечения.
Установив положение нейтральной оси, нетрудно найти и ве-личину напряжения в любой точке сечения. В самом деле, так как сумма моментов элементарных усилий относительно нейт-ральной оси уу должна равняться изгибающему моменту, то
откуда, подставляя значение σ из (5.8), найдем
Так как интеграл 
является. моментом инерции сечения относительно оси уу, то
и из выражения (5.8) получим
Произведение ЕI У называют жесткостью балки при изгибе.
Наибольшее растягивающее и наибольшее по абсолютной величине сжимающее напряжения действуют в точках сечения, для которых абсолютная величина z наибольшая, т. е. в точках, наиболее удаленных от нейтральной оси. При обозначениях, рис. 95 имеем
Величину Jy/h1 называют моментом сопротивления сечения рас-тяжению и обозначают Wyр; аналогично, Jy/h2называют моментом сопротивления сечения сжатию
и обозначают Wyc,так что
и поэтому
Если нейтральная ось является, осью симметрии сечения, то h1 = h2 = h/2 и, следовательно, Wyp = Wyc, так что их различать нет надобности, и пользуются одним обозначением:
называя W y просто моментом сопротивления сечения.Следова-тельно, в случае сечения, симметричного относительно нейтраль-ной оси,
Все приведенные выше выводы получены на основании допу-щения, что поперечные сечения балки, при изгибе остаются пло-скими и нормальными к ее оси (гипотеза плоских сечений). Как было показано, это допущение справедливо только в том случае, когда крайние (концевые) сечения балки при изгибе остаются плоскими. С другой стороны, из гипотезы плоских сечений сле-дует, что элементарные усилия в таких сечениях должны распре-деляться по линейному закону. Поэтому для справедливости по-лученной теории плоского чистого изгиба необходимо, чтобы из-гибающие моменты на концах балки были приложены в виде элементарных сил, распределенных по высоте сечения по линей-ному закону (рис. 96), совпадающему с законом распределения напряжений по высоте сечения балки. Однако на основании принципа Сен-Венана можно утверждать, что изменение способа приложения изгибающих моментов на концах балки вызовет лишь местные деформации, влияние которых скажется лишь на некотором расстоянии от этих концов (приблизительно равном высоте сечения). Сечения же, находящиеся во всей остальной части длины балки, останутся плоскими. Следовательно, изложенная теория плоского чистого изгиба при любом способе приложения изгибающих моментов справедлива только в пределах средней части длины балки, находящейся от ее концов на расстояниях, при-близительно равных высоте сечения. Отсюда ясно, что эта тео-рия заведомо неприменима, если высота сечения превосходит половину длины или пролета балки.
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 в поперечном сечении стержня возникает только один силовой фактор изгибающий момент М х
(рис. 1). Так как Q y =dM x /dz=0,
то M x
=const и чистый прямой изгиб может быть реализован при загружении стержня парами сил, приложенными в торцевых сечениях стержня. Поскольку изгибающий момент M х
по определению равен сумме моментов внутренних сил относительно оси Ох
с нормальными напряжениями его связывает выкающее из этого определения уравнение статики Сформулируем предпосылки теории чистого прямого изгиба призматического стержня. Для этого проанализируем деформации модели стержня из низкомодульного материала, на боковой поверхности которого нанесена сетка продольных и поперечных рисок (рис. 2). Поскольку поперечные риски при изгибе стержня парами сил, приложенными в торцевых сечениях, остаются прямыми и перпендикулярными к искривленным продольным рискам, это позволяет сделать вывод о выполнении гипотезы плоских сечений,
которая, как показывает решение этой задачи методами теории упругости, перестает быть гипотезой, становясь точным фактом законом плоских сечений.
Замеряя изменение расстояний между продольными рисками, приходим к выводу о справедливости гипотезы о ненадавливании продольных волокон . Ортогональность продольных и поперечных рисок до и после деформирования (как отражение действия закона плоских сечений) указывает также на отсутствие сдвигов, касательных напряжений в поперечных и продольных сечениях стержня. Рис.1.
Связь внутреннего усилия и напряжения
Рис.2.
Модель чистого изгиба
Таким образом, чистый прямой изгиб призматического стержня сводится к одноосному растяжению или сжатию продольных волокон напряжениями (индекс г
в дальнейшем опускаем). При этом часть волокон находится в зоне растяжения (на рис. 2 этонижние волокна), а другая частьв зоне сжатия (верхние волокна). Эти зоны разделены нейтральным слоем (пп),
не меняющим своей длины, напряжения в котором равны нулю. Учитывая сформулированные выше предпосылки и полагая, что материал стержня линейно-упругий, т. е. закон Гука в этом случае имеет вид: ,
выведем формулы для кривизны нейтрального слоя (радиус кривизны) и нормальных напряжений . Предварительно отметим, что постоянство поперечного сечения призматического стержня и изгибающего момента (M х =сonst),
обеспечивает постоянство радиуса кривизны нейтрального слоя по длине стержня (рис. 3, а
), нейтральный слой (пп)
описывается дугой окружности. Рассмотрим призматический стержень в условиях прямого чистого изгиба (рис. 3, а) с поперечным сечением, симметричным относительно вертикальной оси Оу.
Это условие не отразится на конечном результате (чтобы прямой изгиб был возможен, необходимо совпадение оси Оу с
главной осью инерции поперечного сечения, которая и является осью симметрии). Ось Ox
поместим на нейтральном слое, положение которого
заранее неизвестно. а
) расчетная схема, б
) деформации и напряжения Рассмотрим вырезанный из стержня элемент длиной dz
, который в масштабе с искаженными в интересах наглядности пропорциями изображен на рис. 3, б
. Поскольку интерес представляют деформации элемента, определяемые относительным смещением его точек, одно из торцевых сечений элемента можно считать неподвижным. Ввиду малости считаем, что точки поперечного сечения при повороте на этот угол перемещаются не по дугам, а по соответствующим касательным. Вычислим относительную деформацию продольного волокна АВ,
отстоящего от нейтрального слоя на у:
Из подобия треугольников С00 1
и 0 1 ВВ 1
следует, что Продольная деформация оказалась линейной функцией расстояния от нейтрального слоя, что является прямым следствием закона плоских сечений Эта формула не пригодна для практического использования, так как содержит две неизвестные: кривизну нейтрального слоя и положение нейтральной оси Ох
, от которой отсчитывается координата у.
Для определения этих неизвестных воспользуемся уравнениями равновесия статики. Первое выражает требование равенства нулю продольной силы Подставляя в это уравнение выражение (2) и учитывая, что , получаем, что Интеграл в левой части этого уравнения представляет собой статический момент поперечного сечения стержня относительно нейтральной оси Ох,
который может быть равным нулю только относительно центральной оси. Поэтому нейтральная ось Ох
проходит через центр тяжести поперечного сечения. Вторым уравнением равновесия статики является, связывающее нормальные напряжения с изгибающим моментом (который легко может быть выражен через внешние силы и поэтому считается заданной величиной). Подставляя в уравнение связки выражение для. напряжений, получим: и учитывая, что Рис.4.
Распределение нормальных напряжений
которая была впервые получена Ш. Кулоном в 1773 году. Для согласования знаков изгибающего момента М х
и нормальных напряжений в правой части формулы (5) ставится знак минус, так как при M х >0
нормальные напряжения при y
>0 оказываются сжимающими. Однако в практических расчетах удобнее, не придерживаясь формального правила знаков, определять напряжения по модулю, а знак ставить по смыслу. Нормальные напряжения при чистом изгибе призматического стержня являются линейной функцией координаты у
и достигают наибольших значений в волокнах, наиболее удаленных от нейтральной оси (рис. 4), т. е. Здесь введена геометрическая характеристика 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.
Изгибом
называется деформация, при которой ось стержня и все его волокна, т. е. продольные линии, параллельные оси стержня, искривляются под действием внешних сил. Наиболее простой случай изгиба получается тогда, когда внешние силы будут лежать в плоскости, проходящей через центральную ось стержня, и не дадут проекций на эту ось. Такой случай изгиба называют поперечным изгибом. Различают плоский изгиб и косой. Плоский изгиб
– такой случай, когда изогнутая ось стержня расположена в той же плоскости, в которой действуют внешние силы. Косой (сложный) изгиб
– такой случай изгиба, когда изогнутая ось стержня не лежит в плоскости действия внешних сил. Работающий на изгиб стержень обычно называют балкой.
При плоском поперечном изгибе балок в сечении с системой координат у0х могут возникать два внутренних усилия – поперечная сила Q у и изгибающий момент М х; в дальнейшем для них вводятся обозначения Q
и M.
Если в сечении или на участке балки поперечная сила отсутствует (Q=0), а изгибающий момент не равен нулю или М – const, то такой изгиб принято называть чистым
. Поперечная сила
в каком-либо сечении балки численно равна алгебраической сумме проекций на ось у всех сил (включая опорные реакции), расположенных по одну сторону (любую) от проведенного сечения. Изгибающий момент
в сечении балки численно равен алгебраической сумме моментов всех сил (включая и опорные реакции), расположенных по одну сторону (любую) от проведенного сечения относительно центра тяжести этого сечения, точнее, относительно оси, проходящей перпендикулярно плоскости чертежа через центр тяжести проведенного сечения. Сила Q
представляет равнодействующую
распределенных по сечению внутренних касательных напряжений
, а момент
М
– сумму моментов
вокруг центральной оси сечения Х внутренних нормальных напряжений.
Между внутренними усилиями существует дифференциальная зависимость которая используется при построении и проверке эпюр Q и M. Поскольку часть волокон балки растягивается, а часть сжимается, причем переход от растяжения к сжатию происходит плавно, без скачков, в средней части балки находится слой, волокна которого только искривляются, но не испытывают ни растяжения, ни сжатия. Такой слой называют нейтральным слоем
. Линия, по которой нейтральный слой пересекается с поперечным сечением балки, называется нейтральной линие
й или нейтральной осью
сечения. Нейтральные линии нанизаны на ось балки. Линии, проведенные на боковой поверхности балки перпендикулярно оси, остаются плоскими при изгибе. Эти опытные данные позволяют положить в основу выводов формул гипотезу плоских сечений. Согласно этой гипотезе сечения балки плоские и перпендикулярные к ее оси до изгиба, остаются плоскими и оказываются перпендикулярными изогнутой оси балки при ее изгибе. Поперечное сечение балки при изгибе искажается. За счет поперечной деформации размеры поперечного сечения в сжатой зоне балки увеличиваются, а в растянутой сжимаются. Допущения для вывода формул. Нормальные напряжения
1) Выполняется гипотеза плоских сечений. 2) Продольные волокна друг на друга не давят и, следовательно, под действием нормальных напряжений линейные растяжения или сжатия работают. 3) Деформации волокон не зависят от их положения по ширине сечения. Следовательно, и нормальные напряжения, изменяясь по высоте сечения, остаются по ширине одинаковыми. 4) Балка имеет хотя бы одну плоскость симметрии, и все внешние силы лежат в этой плоскости. 5) Материал балки подчиняется закону Гука, причем модуль упругости при растяжении и сжатии одинаков. 6) Соотношения между размерами балки таковы, что она работает в условиях плоского изгиба без коробления или скручивания. При чистом изгибе балки на площадках в ее сечении действуют только нормальные напряжения
, определяемые по формуле: где у – координата произвольной точки сечения, отчитываемая от нейтральной линии — главной центральной оси х. Нормальные напряжения при изгибе по высоте сечения распределяются по линейному закону
. На крайних волокнах нормальные напряжения достигают максимального значения, а в центре тяжести сечения равны нулю. Характер эпюр нормальных напряжений для симметричных сечений относительно нейтральной линии Характер эпюр нормальных напряжений для сечений, не обладающих симметрией относительно нейтральной линии Опасными являются точки, наиболее удаленные от нейтральной линии. Выберем некоторое сечение Для любой точки сечения,назовем ее точкой К
, условие прочности балки по нормальным напряжениям имеет вид: это осевой момент сопротивления сечения
относительно нейтральной оси. Его размерность см 3 , м 3 . Момент сопротивления характеризует влияние формы и размеров поперечного сечения на величину напряжений. Условие прочности по нормальным напряжениям:
Если материал неодинаково сопротивляется растяжению и сжатию, то необходимо использовать два условия прочности: для зоны растяжения с допускаемым напряжением на растяжение; для зоны сжатия с допускаемым напряжением на сжатие. При поперечном изгибе балки на площадках в ее сечении действуют как нормальные
, так и касательные
напряжения.Статьи с близкой тематикой
Отзывы
где J x
главный центральный момент инерции относительно оси Ох,
для кривизны нейтрального слоя получаем формулу
, имеющая размерность м 3 и получившая название момента сопротивления при изгибе.
Поскольку при заданном M х
напряжения max ?
тем меньше, чем больше W x ,
момент сопротивления является геометрической характеристикой прочности поперечного сечения изгибе.
Приведем примеры вычисления моментов сопротивления для простейших форм поперечных сечений. Для прямоугольного поперечного сечения (рис. 5, а
) имеем J х =bh 3 /12,y max
= h/2
и W x = J x /y max
= bh 2 /6.
Аналогично для круга (рис. 5,a J x
=d 4
/64, y max =d/2
) получаем W x
=d 3
/32, для кругового кольцевого сечения (рис. 5, в),
у которого
, где н.о. — это нейтральная ось
Нормальное напряжение равно отношению максимального изгибающего момента к осевому моменту сопротивления сечения относительно нейтральной оси.