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)

Статически неопределимой называется такая система, которая не может быть рассчитана при помощи одних только уравнений статики, так как имеет лишние связи. Для расчета таких систем составляются дополнительные уравнения, учитывающие деформации системы.

Статически неопределимые системы обладают рядом характерных особенностей:

1. Статически неопределимые конструкции являются более жесткими, чем соответствующие статически определимые , так как имеют дополнительные связи.
2. В статически неопределимых системах возникают меньшие внутренние усилия, что определяет их экономичность по сравнению со статически определимыми системами при одинаковых внешних нагрузках.
3. Нарушение лишних связей в статически неопределимой системе не всегда приводит к разрушению, в то время как потеря связи в статически определимой системе делает ее геометрически изменяемой.
4. Для расчета статически неопределимых систем необходимо предварительно задаваться геометрическими характеристиками поперечных сечений элементов, т.е. фактически их формой и размерами, так как их изменение приводит к изменению усилий в связях и новому распределению усилий во всех элементах системы.
5. При расчете статически неопределимых систем необходимо заранее выбрать материал конструкции, так как необходимо знать его модули упругости.
6. В статически неопределимых системах температурное воздействие, осадка опор, неточности изготовления и монтажа вызывают появление дополнительных усилий.

Основными методами расчета статически неопределимых систем являются:

1. Метод сил . Здесь в качестве неизвестных рассматриваются усилия – силы и моменты.
2.Метод перемещений. Неизвестными являются деформационные факторы – углы поворотов и линейные смещения.
3.Смешанный метод. Здесь часть неизвестных представляет собой усилия, а другая часть – перемещения.
4. Комбинированный метод. Используется при расчете симметричных систем на несимметричные нагрузки. Оказывается, что на симметричную составляющую заданной нагрузки систему целесообразно рассчитывать методом перемещений, а на обратносимметричную составляющую – методом сил.
Помимо указанных аналитичеких методов при расчете особо сложных систем используются различные численные методы.

Канонические уравнения метода сил

Для получения дополнительных уравнений, о которых говорилось в предыдущем параграфе, нужно прежде всего превратить заданную, n раз статически неопределимую систему, в статически определимую, удалив из нее лишние связи. Полученная статически определимая система называется основной. Отметим, что преобразование заданной системы в статически определимую не является обязательным. Иногда используется модификация метода сил, в которой основная система может быть статически неопределимой , однако изложение этого вопроса выходит за рамки этого пособия. Устранение каких-либо связей не изменяет внутренние усилия и деформации системы, если к ней приложить дополнительные силы и моменты, представляющие собой реакции отброшенных связей. Значит, если к основной системе приложить заданную нагрузку и реакции удаленных связей, то основная и заданная системы станут эквивалентными.

В заданной системе по направлениям имеющихся жестких связей, в том числе и тех связей, которые отброшены при переходе к основной системе, перемещений быть не может, поэтому и в основной системе перемещения по направлениям отброшенных связей должны равняться нулю. А для этого реакции отброшенных связей должны иметь строго определенные значения.

Условие равенства нулю перемещения по направлению любой i-ой связи из n отброшенных на основании принципа независимости действия сил имеет вид:

где первый индекс означает направление перемещения и номер отброшенной связи, а второй указывает на причину, вызвавшую перемещение, т.е. - это перемещение по направлению i-ой связи, вызванное реакцией k-ой связи; - перемещение по направлению i-ой связи, вызванное одновременным действием всей внешней нагрузки.

В методе сил реакцию k-ой связи принято обозначать через Xk. С учетом этого обозначения и в силу справедливости закона Гука перемещения можно представить в виде:

где - единичное (или удельное) перемещение по направлению i-ой связи, вызванное реакцией т.е. реакцией, совпадающей по направлению с Xk, но равной единице.

Подставляя (2) в (1), получим:

Физический смысл уравнения (3): перемещение в основной системе по направлению i-ой отброшенной связи равно нулю.

Записывая выражения, аналогичные (3), для всей совокупности отброшенных связей, получим систему канонических уравнений метода сил :

Вид уравнения (4), т.е. количество слагаемых в каждом из них и их общее число, определяется только степенью статической неопределимости системы и не зависит от ее конкретных особенностей.

Коэффициенты системы канонических уравнений (4) определяются методом Мора-Верещагина путем перемножения соответствующих эпюр. Все эти коэффициенты, как указывалось выше, представляют собой перемещения; коэффициенты, стоящие при неизвестных – единичные перемещения, а свободные члены – грузовые. Единичные перемещения делятся на главные, расположенные по главной диагонали и имеющие одинаковые индексы и побочные (). Главные перемещения всегда положительные, в отличие от побочных. Симметрично расположенные перемещения в соответствии с теоремой о взаимности перемещений равны друг другу, т.е. .

Алгоритм расчета методом сил

Независимо от особенностей рассматриваемой конструкции, можно выделить следующую последовательность расчета статически неопределимых систем методом сил :

1. Определить степень статической неопределимости .
2. Выбрать основную систему.
3. Сформировать эквивалентную систему.
4. Записать систему канонических уравнений .
5. Построить единичные и грузовые эпюры внутренних силовых факторов, возникающих в элементах рассматриваемой конструкции.
6. Вычислить коэффициенты при неизвестных и свободные члены системы канонических уравнений.
7. Построить суммарную единичную эпюру.
8. Выполнить универсальную проверку коэффициентов при неизвестных и свободных членов.
9. Решить систему (4), т.е. определить реакции лишних связей.
10. Построить эпюры возникающих внутренних силовых факторов для заданной системы (иначе говоря, окончательные эпюры).
11. Выполнить статическую и кинематическую проверки.
Отметим, что пункты 7, 8, 11 приведенного алгоритма не являются безусловно необходимыми, хотя и позволяют контролировать правильность выполнения расчета. А для систем с одной лишней связью пункты 7 и 8 просто лишены смысла, так как в этом случае суммарная единичная эпюра совпадает с единичной.
Остановимся подробнее на некоторых из вышеперечисленных этапов расчета.

Выбор основной системы

Это важнейший этап расчета, так как рациональный выбор основной системы существенно упрощает вычислительную работу. Рассмотрим возможные способы удаления лишних связей, что и определяет вид основной системы.

1. Отбрасывание лишних связей осуществляется полным удалением некоторых опор или их заменой опорами с меньшим числом связей. Реакции, действующие в направлениях отброшенных связей, являются лишними неизвестными. На рис.1,б, в, г показаны различные варианты эквивалентной системы, полученные этим способом для рамы (рис.1,а).

2.Постановка шарниров в промежуточных сечениях стержней позволяет в каждом таком сечении установить связь, соответствующую изгибающему моменту. Эти моменты являются лишними неизвестными. Для рамы, имеющей степень статической неопределимости n=3 (рис.2,а), при выборе основной системы необходимо поставить три шарнира. Положение этих шарниров может быть произвольным, но удовлетворяющим требованию геометрической неизменяемости системы (рис.2,б).

3. Рассечение стержня устраняет три связи, соответствующие внутренним усилиям M, Q, N (рис.2,в). В частных случаях (рис.2,г) рассечение стержня по шарниру освобождает две связи (рис.2,д), а рассечение прямолинейного стержня с шарнирами по концам – одну связь (рис.2,е).

Среди связей статически неопределимой системы различают абсолютно необходимые и условно необходимые. К абсолютно необходимым относятся связи, при удалении которых система становится геометрически изменяемой. Для абсолютно необходимой связи характерна статическая определимость усилия в ней, т.е. реакция такой связи может быть вычислена из условия равновесия. При выборе основной системы абсолютно необходимые связи отбрасывать нельзя.

Связи, при удалении которых система продолжает оставаться геометрически неизменяемой, называются условно необходимыми. Система, у которой удалили такую связь, может являться основной системой метода сил .

Вычисление коэффициентов и свободных членов канонических уравнений

Этому этапу расчета предшествует построение единичных и грузовых эпюр внутренних силовых факторов (для балок и рам – эпюр изгибающих моментов). Единичные эпюры строятся от действия безразмерной единичной силы или безразмерного единичного момента, совпадающих по направлению с направлением соответствующей лишней неизвестной в эквивалентной системе, и обозначаются через , а единичная эпюра – через .

Грузовая эпюра строится от внешней нагрузки, приложенной к основной системе. При этом можно строить одну эпюру от одновременного действия всех внешних нагрузок или несколько эпюр, отдельно от каждой из приложенных нагрузок. Такое разбиение одной грузовой эпюры на несколько более простых, как правило, целесообразно только тогда, когда среди действующих нагрузок есть равномерно распределенная, и эпюра моментов на соответствующем участке под ней является знакопеременной. При этом в каждом каноническом уравнении число свободных членов будет равно числу построенных грузовых эпюр.

Единичные и грузовые перемещения (коэффициенты и свободные члены канонических уравнений) в общем случае можно вычислить методом Мора. Для балок и рам это можно сделать при помощи правила Верещагина.

Универсальная проверка коэффициентов и свободных членов канонических уравнений

Для выполнения универсальной проверки необходимо построить суммарную единичную эпюру - эпюру моментов от одновременного действия всех единичных сил, приложенных к основной системе:

Перемножим суммарную единичную эпюру с эпюрой :

Таким образом результат перемножения суммарной и i-ой единичной эпюр - это перемещение по направлению i-ой связи от совместного действия единичных лишних неизвестных. Это перемещение равно сумме коэффициентов i-го канонического уравнения:

Такая проверка называется построчной и выполняется для каждого канонического уравнения.
Вместо n построчных проверок чаще всего выполняется одна – универсальная поверка, которая состоит в перемножении суммарной единичной эпюры самой на себя и проверке условия:

Если универсальная проверка выполняется, значит единичные перемещения вычислены правильно; если нет – необходимо выполнить построчные проверки, что позволит уточнить перемещение, при вычислении которого допущена ошибка.

Для выполнения проверки грузовых перемещений необходимо перемножить суммарную единичную и грузовую эпюры изгибающих моментов:

Таким образом, проверка свободных членов системы канонических уравнений (4) состоит в выполнении условия.

Для решения большинства статически неопределимых встречающихся на практике задач обозначенные приемы оказываются, однако, далеко не достаточными. Поэтому необходимо остановиться на более общих методах раскрытия статической неопределимости на примере стержневых систем.

Под стержневой системой в широком смысле слова понимается всякая конструкция, состоящая из элементов, имеющих форму бруса. Если элементы конструкции работают в основном на растяжение или сжатие, то стержневая система называется фермой (рис. 1).

Рис.1. Расчетная схема формы

Ферма состоит из прямых стержней, образующих треугольники. Для формы характерно приложение внешних сил в узлах.

Если элементы стержневой системы работают в основном на изгиб или кручение, то система называется рамой (рис. 2).

Особую, наиболее простую для исследования группу стержневых систем составляют плоские системы. У плоской рамы или фермы оси всех составляющих элементов до и после деформации расположены в одной плоскости. В этой же плоскости действуют все внешние силы, включая и реакции опор (см. рис. 2,а ).

Наряду с плоскими рассматриваются так называемые плоско-пространственные системы. Для такого рода систем оси составляющих элементов в недеформированном состоянии располагаются, как и для плоских систем, в одной плоскости. Внешние же силовые факторы действуют в плоскостях, перпендикулярных к этой плоскости (рис. 2,в) . Стержневые системы, не относящиеся к двум указанным классам, называются пространственными (рис.2,в ).

Рамы и фермы принято разделять на статически определимые и статически неопределимые . Под статически определимой понимается такая кинематически неизменяемая система, для которой все реакции опор могут быть определены при помощи уравнений равновесия, а затем при найденных опорных реакциях методом сечений могут быть найдены также и внутренние силовые факторы в любом поперечном сечении. Под статически неопределимой системой имеется в виду такая, опять же кинематически неизменяемая система, для которой определение внешних реакций и внутренних силовых факторов не может быть произведено при помощи метода сечений и уравнений равновесия.

а) плоская, б) плоскопространственная. в) пространственная

Рис.2. Расчетные схемы рамных конструкций:

Разность между числом неизвестных (реакций опор и внутренних силовых факторов) и числом независимых уравнений статики, которые могут быть составлены для рассматриваемой системы, носит название степени или числа статической неопределимости . В зависимости от этого числа системы разделяются на один, два, три...., n раз статически неопределимые. Иногда говорят, что степень статической неопределимости равна числу дополнительных связей, наложенных на систему. Остановимся на этом вопросе подробнее.

Положение жесткого бруса в пространстве определяется шестью независимыми координатами, иначе говоря, жесткий брус обладает шестью степенями свободы. На брус могут быть наложены связи, т. е. ограничения, обусловливающие его определенное положение в пространстве. Наиболее простыми связями являются такие, при которых полностью исключается то или иное обобщенное перемещение для некоторых сечений бруса. Наложение одной связи снимает одну степень свободы с бруса как с жесткого целого. Следовательно, если на свободный жесткий брус наложено шесть связей, то положение его в пространстве как жесткого целого будет, за некоторыми исключениями, определено полностью и система из механизма, обладающего шестью степенями свободы, превращается в кинематически неизменяемую систему. То число связей, при котором достигается кинематическая неизменяемость, носит название необходимого числа связей . Всякую связь, наложенную сверх необходимых, называют дополнительной . Число дополнительных связей равно степени статической неопределимости системы.

Связи в рамах и стержневых системах делят обычно на связи внешние и связи внутренние, или взаимные. Под внешними связями понимаются условия, накладываемые на абсолютные перемещения некоторых точек системы.

а)внешняя связь, б) две внешние связи в) шесть внешних связей в общем случае

Рис.3. Схемы эквивалентных связей

Если, например, на левый конец бруса (рис. 3, а ) наложено условие, запрещающее вертикальное перемещение, говорят, что в этой точке имеется одна внешняя связь. Условно она изображается в виде двух шарниров или катка. Если запрещено как вертикальное, так и горизонтальное смещение, говорят, что наложены две внешние связи (рис. 3, б ). Заделка в плоской системе дает три внешние связи. Пространственная заделка соответствует шести внешним связям (рис. 3, б ). Внешние связи часто, как уже упоминалось, делят на необходимые и дополнительные. Например, на рис. 4, а и б показана плоская рама, имеющая в первом случае три внешние связи, а во втором - пять внешних связей. Для того чтобы определить положение рамы в плоскости как жесткого целого, необходимо наложение трех связей. Следовательно, в первом случае рама имеет необходимые внешние связи, а во втором, кроме того, две дополнительные внешние связи.

а) три внешних связи, б) пять внешних связей

Рис.4. Плоская рама

Под внутренними, или взаимными, связями понимаются ограничения, накладываемые на взаимные смещения элементов рамы. Здесь также можно говорить как о необходимых, так и о дополнительных связях. Так, например, плоская рама, показанная на рис. 5, а , имеет необходимое количество как внешних, так и внутренних связей между элементами. Это - кинематически неизменяемая система. Если будут заданы внешние силы, мы сможем найти как реакции опор, так и внутренние силовые факторы в любом поперечном сечении рамы. В той же раме, показанной на рис. 5, б , дополнительно наложены две дополнительные внутренние связи, запрещающие взаимное вертикальное и горизонтальное смещения точек А и В . Система в данном случае дважды статически неопределима (иногда добавляют: «внутренним образом»).

В раме рис. 4, а и б также имеются внутренние дополнительные связи. Контур рамы полностью замкнут. Разрезая его в любом сечении (рис.5 в), мы, не нарушая кинематической неизменяемости, получаем возможность при заданных силах найти внутренние силовые факторы в каждом сечении рамы. Следовательно, разрезая замкнутую раму, мы снимаем дополнительные связи, т.е. позволяем сечениям А и В поворачиваться и смещаться в двух направлениях друг относительно друга. Обобщая, можно сказать, что замкнутый плоский контур имеет три дополнительные взаимные связи- трижды статически неопределим. Таким образом, рама, показанная на рис. 4, а , трижды статически неопределима. Рама, показанная на рис. 4, б , пять раз статически неопределима (три раза внутренним образом и два раза - внешним).

а) кинематически неизменяемая, б) неопределимая внутренним образом, в)со снятием дополнительных связей

Рис.5. Классификационные признаки рам:

Рассмотрим теперь несколько примеров определения степени статической неопределимости стержневых и рамных систем. На рис. 6 показано несколько рам. Последовательно рассмотрим их.

а) Рама имеет четыре дополнительные внешние связи и три взаимные связи, т. е. семь раз статически неопределима.

б) Полагаем сначала, что шарнир А отсутствует. Тогда имеются две внешние и три внутренние дополнительные связи. Система без шарнира А была бы пять раз статически неопределимой.

Шарнир А принадлежит одновременно трем стержням. Его можно рассматривать как два совпавших шарнира (рис. 7). Так как каждый шарнир снимает одну связь, т. е. разрешает поворот одного сечения относительно другого, то можно сказать, что шарнир А снимает две связи. Система становится, таким образом, вместо пяти - три раза статически неопределимой.

Обобщая сказанное, можно сделать вывод, что шарнир снимает число связей, на единицу меньшее числа сходящихся в нем стержней. В данном случае в шарнире А сходятся три стержня и шарнир снимает две связи.

а) статически неопределимая - семь, б) - три, в) - четыре, г) - три, е) - двенадцать,
ж) - семь, д) - три, и) - тринадцать раз статически неопределима

Рис.6. Примеры рамных конструкций:

в) Если бы шарнир А отсутствовал, система была бы четыре раза внешним образом и три раза внутренним образом статически неопределимой, т. е. всего семь раз. Шарнир А снимает число связей, на единицу меньшее числа сходящихся в нем стержней, т. е. три связи. Рама четыре раза статически неопределима.

г) Рама три раза статически неопределима.

д) Внешние связи не удовлетворяют условиям кинематической неизменяемости. Это - механизм, точнее говоря, мгновенный механизм. Система имеет возможность поворачиваться относительно верхней опоры как жесткое целое Понятно, что угол поворота будет небольшим. Нижняя связь заклинится и будет достигнуто какое-то положение равновесия, но новое положение связей будет зависеть от жесткости системы. К раме неприменимы основные принципы сопротивления материалов: принцип неизменности начальных размеров и принцип независимости действия сил.

Рис.7. модель двух совпадших шарниров

е) Рама - пространственная. Имеется шесть дополнительных внешних связей (лишняя заделка) и шесть дополнительных взаимных связей (замкнутый контур) Система 12 раз статически неопределима.

ж) Система семь раз статически неопределима (один раз внешним образом и шесть раз - внутренним).

з) Здесь для плоской рамы не показаны внешние связи, но дана система внешних сил, удовлетворяющая условиям равновесия. В таком случае условились считать, что дополнительных внешних связей нет, и положение рамы в пространстве считается определенным; рассматриваются только внутренние связи. Система три раза статически неопределима.

и) Здесь также рассматриваются только внутренние связи, поскольку система указанных внешних сил удовлетворяет условиям равновесия. Нужно подсчитать, сколько сечений необходимо сделать в раме, чтобы, с одной стороны, она не «рассыпалась», а с другой, чтобы в ней не осталось ни одного замкнутого контура. Таких сечений следует сделать пять (см. рис. 6, и ). Система 30 раз статически неопределима.

Лекция № 38. Метод сил.

Наиболее широко применяемым в машиностроении общим методом раскрытия статической неопределимости стержневых и рамных систем является метод сил . Он заключается в том, что заданная статически неопределимая система освобождается от дополнительных связей как внешних, так и взаимных, а их действие заменяется силами и моментами. Величина их в дальнейшем подбирается так, чтобы перемещения в системе соответствовали тем ограничениям, которые накладываются на систему отброшенными связями. Таким образом, при указанном способе решения неизвестными оказываются силы. Отсюда и название «метод сил». Такой прием не является единственно возможным. В строительной механике широко применяются и другие методы, например метод деформаций, в котором за неизвестные принимаются не силовые факторы, а перемещения в элементах стержневой системы.

Итак, раскрытие статической неопределимости любой рамы методом сил начинается с отбрасывания дополнительных связей. Система, освобожденная от дополнительных связей, становится статически определимой. Она носит название основной системы .

а-д) модификации основной системы
Рис.1. пример стержневой рамы:

Для каждой статически неопределимой стержневой системы можно подобрать, как правило, сколько угодно основных систем. Например, для рамы, показанной на рис. 1, можно предложить основные системы, а ), б ),..., которые получены путем отбрасывания семи дополнительных связей в различных комбинациях. Вместе с тем нужно помнить, что не всякая система с семью отброшенными связями может быть принята как основная. На рис. 2 показано три примера для той же рамы, в которой также отброшено семь связей, однако сделано это неправильно, так как оставшиеся связи не обеспечивают кинематической неизменяемости системы, с одной стороны, и статической определимости во всех узлах,- с другой.

Рис.2. Некорректные преобразования заданной системы в основные по причине кинематической изменяемости- а) б), или статической определимости во всех узлах - в)

После того как дополнительные связи отброшены и система превращена в статически определимую, необходимо, как уже говорилось, ввести вместо связей неизвестные силовые факторы. В тех сечениях, где запрещены линейные перемещения, вводятся силы. Там, где запрещены угловые смещения, вводятся моменты. Как в том, так и в другом случае неизвестные силовые факторы будем обозначать X i -, где i - номер неизвестного. Наибольшее значение i равно степени статической неопределимости системы. Заметим, что для внутренних связей силы X i , - являются взаимными. Если в каком-либо сечении рама разрезана, то равные и противоположные друг другу силы и моменты прикладываются как к правой, так и к левой частям системы.

а)-д) по отношению к заданной системе
Рис.3. Пять разновидностей основных систем

Основная система, к которой приложены все внешние заданные силы и неизвестные силовые факторы, носит название эквивалентной системы . На рис. 3 показано пять эквивалентных систем, которые соответствуют приведенным выше основным системам (рис. 1). Принцип приложения неизвестных силовых факторов становится ясным без дальнейших пояснений.

Теперь остается составить уравнения для определения неизвестных.

Обратимся к некоторому конкретному примеру. Рассмотрим, например, первую эквивалентную систему из числа представленных на рис. 3,4. Тем, что рассматривается конкретно взятая семь раз статически неопределимая система, общность рассуждений не будет нарушена.

Перейдем теперь к составлению уравнений для определения неизвестных силовых факторов. Условимся через обозначать взаимное смещение точек системы.

Рис.4. Пример расчета рамы а)по выбранной основной системе- б)

Первый индекс при соответствует направлению перемещения, а второй - силе, вызвавшей это перемещение.

В рассматриваемой раме в точке А отброшена неподвижная опора. Следовательно, горизонтальное перемещение здесь равно нулю и можно записать:

Индекс 1 означает, что речь идет о перемещении по направлению силы Х 1 , а индекс [Х 1 , Х 2 ,..., Р ] показывает, что перемещение определяется суммой всех сил, как заданных, так и неизвестных.

Аналогично можно записать:

Так как под величиной понимается взаимное смещение точек, то обозначает вертикальное смещение точки В относительно С , - горизонтальное взаимное смещение тех же точек, есть взаимное угловое смещение сечений В и С . Угловым смещением будет также в рассматриваемой системе величина .

В точках A и D смещения являются абсолютными. Но абсолютные смещения можно рассматривать как смещения, взаимные с неподвижными отброшенными опорами. Поэтому принятые обозначения приемлемы для всех сечений системы.

Пользуясь принципом независимости действия сил, раскроем выражения для перемещений

Аналогичным образом запишем и остальные пять уравнений: каждое из слагаемых , входящих в уравнение, обозначает перемещение в направлении силы с первым индексом под действием силы, стоящей во втором индексе. Поскольку каждое перемещение пропорционально соответствующей силе, величину можно записать в следующем виде:

Что касается перемещений , и т. д., то под индексом Р будем понимать не просто внешнюю силу Р , а вообще систему внешних сил, которая может быть произвольной Поэтому величины , ,... в уравнениях оставим неизменными.

Теперь уравнения примут вид:

Эти уравнения являются окончательными и носят название канонических уравнений метода сил . Число их равно степени статической неопределимости системы. В некоторых случаях, как увидим далее, когда имеется возможность сразу указать значения некоторых неизвестных, число совместно решаемых уравнений снижается. Остается теперь выяснить, что представляют собой коэффициенты и как следует их определять. Для этого обратимся к выражению (6.1).

Если , то

Следовательно, коэффициент это есть перемещение по направлению i -го силового фактора под действием единичного фактора, заменяющего k -й фактор. Например, коэффициент уравнения представляет собой взаимное горизонтальное смещение точек B и С , которое возникло бы в раме, если бы к ней вместо всех сил была приложена только единичная сила в точке А (рис. 5 а). Если, например, вместо сил приложив единичные силы, а все прочие силы с эквивалентной системы снять (рис. 5 б), то угол поворота в сечении D под действием этих сил будет , горизонтальное перемещение в точке А будет и т. д.

а) , б) и
Рис.5. Интерпретация коэффициентов уравнений метода сил:

Весьма существенно отметить, что в проделанном выводе совершенно не обусловливается то, каким образом возникают перемещения . Хотя мы и рассматриваем раму, работающую на изгиб, все сказанное с равным успехом может быть отнесено, вообще, к любой системе, работающей на кручение, растяжение и изгиб или на то, другое и третье совместно.

Обратимся к интегралам Мора. Для того чтобы определить величину , следует вместо внешних сил рассматривать единичную силу, заменяющую k -й фактор. Поэтому внутренние моменты и силы , , , , и в интегралах Мора заменим на , , , , и , понимая под ними внутренние моменты и силы от единичного k -го фактора. В итоге получим:

где , … - внутренние моменты и силы, возникающие под действием i -го единичного фактора. Таким образом, коэффициенты получаются как результат перемножения i -го и k -го внутренних единичных силовых факторов. Индексы i и k непосредственно указывают, какие факторы должны быть перемножены под знаком интегралов Мора. Если рама состоит из прямых участков и можно пользоваться правилом Верещагина, то представляет собой результат перемножения i -х единичных эпюр на k -е единичные эпюры.

Очевидно, что

Это следует, с одной стороны, непосредственно из выражений для , а с другой стороны, из теоремы о взаимности перемещений, поскольку перемещения и возникают под действием одной и той же силы, равной единице.

Величины , входящие в канонические уравнения, представляют собой перемещения в направлениях 1, 2,..., возникающие под действием заданных внешних сил в эквивалентной системе. Они определяются перемножением эпюры моментов заданных сил на соответствующие единичные эпюры.

Пример Раскрыть статическую неопределимость и построить эпюру изгибающих моментов для рамы, показанной на рис. 6.

Рис.6. Заданная расчетная схема

Рама три раза статически неопределима. Выбираем основную систему, отбрасывая левую заделку. Действие заделки заменяем двумя силами , и моментом и определяем эквивалентную систему (рис. 7).

Рис.7. Динамика решения: от эквивалентной системы и силовой эпюры Р , включая эпюры моментов от единичных сил: 1, 2, 3 в точках приложения неизвестных , ,

Канонические уравнения (6.2) принимают для рассматриваемой системы такой вид:

Основные перемещения в рассматриваемой раме определяются изгибом. Поэтому, пренебрегая сдвигом и сжатием стержней, строим эпюры изгибающих моментов от заданной силы P и от трех единичных силовых факторов (рис. 7).

Определяем коэффициенты уравнений, считая, что жесткость на изгиб всех участков рамы постоянна и равна EJ . Величина определяется перемножением первой единичной эпюры самой на себя. Для каждого участка берется, следовательно, площадь эпюры и умножается на ординату этой же эпюры, проходящую через ее центр тяжести:

Заметим, что величины при всегда положительны, поскольку площади эпюр и ординаты имеют общий знак.

, , , , , , , .

Подставляем найденные коэффициенты в канонические уравнения. После сокращений получаем:

, ,

Решая эти уравнения, находим:

Раскрытие статической неопределимости на этом заканчивается.

Рис.8. Суммарная эпюра изгибающих моментов.

Эпюра изгибающих моментов может быть получена наложением на эпюру моментов заданных сил трех единичных эпюр, увеличенных соответственно в , и раза Суммарная эпюра изгибающих моментов представлена на рис. 8. Там же пунктиром показана форма изогнутой оси рамы.

Лекция № 39. Расчет толстостенных цилиндров.

В тонкостенных цилиндрических резервуарах, подвергнутых внутреннему давлению, вполне возможно при вычислениях считать напряжения равномерно распределенными по толщине стенки. Это допущение мало отзывается на точности расчета.

В цилиндрах, у которых толщина стенок не мала по сравнению с радиусом, подобное предположение повело бы к большим погрешностям. Расчет таких цилиндров дан Ляме и Гадолиным в 1852 - 1854 гг. Работы русского академика А. В. Гадолина в области расчета кривых стержней в применении к расчету прочности артиллерийских орудий создали ему мировую известность. Отечественные артиллерийские заводы (и многие зарубежные) до сих пор проектируют и изготовляют орудия, пользуясь исследованиями Гадолина.

На Рис.1 изображено поперечное сечение толстостенного цилиндра с наружным радиусом , внутренним ; цилиндр подвергнут наружному и внутреннему давлению .

Рис.1. Расчетная схема толстостенного цилиндра.

Рассмотрим очень узкое кольцо материала радиусом внутри стенки цилиндра. Толщину кольца обозначим . Пусть АВ изображает небольшую часть этого кольца, соответствующую центральному углу .

Размер выделенного элемента, перпендикулярный к плоскости чертежа, возьмем равным единице. Пусть и будут напряжения, действующие по внутренней и наружной поверхностям элемента АВ , a - напряжения по его боковым граням. По симметрии сечения цилиндра и действующей нагрузки элемент АВ перекашиваться не будет, и касательные напряжения по его граням будут отсутствовать. По граням элемента AB , совпадающим с плоскостью чертежа, будет действовать третье главное напряжение , вызванное давлением на днище цилиндра. Это напряжение можно считать постоянным по всем точкам поперечного сечения цилиндра.

(1)

Условие равновесия дало только одно уравнение для нахождения двух неизвестных напряжений. Задача статически неопределима, и необходимо обратиться к рассмотрению деформаций. Деформация цилиндра будет заключаться в его удлинении и в радиальном, перемещении всех точек его поперечных сечений. Назовем радиальное перемещение точек внутренней поверхности рассматриваемого элемента через u (Рис.3). Точки наружной поверхности переместятся по радиусу на другую величину ; таким образом, толщина dr выделенного элемента увеличится на du , и относительное удлинение материала в радиальном направлении будет

R и подставим в него значение и и то прочность цилиндра определяется этими последними. Применяя третью теорию прочности (наибольших касательных напряжений), получаем, что наибольшая разность главных напряжений, равная (для случая )

(11)

Рис.3. Распределение напряжений по толщине цилиндра при

будет иметь место в точках внутренней поверхности цилиндра и всегда будет по абсолютной величине значительно больше внутреннего давления.

Брусья и шарнирно-стержневые системы, в которых внутренние усилия от заданной нагрузки можно определить при помощи уравнений равновесия (уравнений статики), называются статически определимыми.

В отличие от них статически неопределимыми называются брусья и системы, внутренние усилия в которых нельзя определить при помощи одних лишь уравнений равновесия. Поэтому при их расчете необходимо составлять дополнительные уравнения (уравнения перемещений учитывающие характер деформации системы. Число дополнительных уравнений, необходимых для расчета системы, характеризует степень ее статической неопределимости. Можно составить столько дополнительных уравнений, сколько необходимо для решения задачи.

Усилия в элементах статически определимых систем возникают только от действия внешней нагрузки (включая собственный вес конструкции). В элементах статически неопределимых систем усилия могут возникать и при отсутствии внешней нагрузки - в результате, например, изменения температуры, смещения опорных закреплений, неточности изготовления отдельных элементов конструкции.

Наиболее важным этапом расчета статически неопределимых систем является составление дополнительных (к уравнениям равновесия) уравнений перемещений. Способы их составления рассмотрим на примерах решения различных задач расчета статически неопределимых систем.

Рассмотрим стержень, защемленный (заделанный) обоими концами и нагруженный силой Р (рис. 26.2, а). Под действием силы Р в заделках возникают реакции и требуется определить величины этих сил. Для данного случая (когда все силы действуют вдоль одной прямой) статика позволяет составить только одно уравнение равновесия:

Следовательно, для определения двух неизвестных необходимо составить дополнительно одно уравнение. Поэтому рассматриваемый стержень является один раз статически неопределимым (т. е. степень его статической неопределимости равна единице). Для составления дополнительного уравнения отбросим нижнюю заделку и заменим ее влияние на стержень реакцией (рис. 26.2, б). Предположим, что действует только одна сила Р, а силы нет. Под действием силы Я деформируется только верхний участок стержня длиной а, в результате чего сечение, где приложена сила Р, перемещается вниз на величину Нижний участок стержня длиной b при этом не деформируется, а перемещается вниз, как жесткое тело, на такую же величину, на какую перемещается сечение, где приложена сила Р. В частности, на эту же величину перемещается вниз и нижний конец стержня.

Предположим теперь, что действует только сила а сила Р отсутствует.

Под действием силы деформируется весь стержень, в результате чего нижний конец стержня перемещается вверх на величину .

В действительности нижний конец стержня, будучи заделанным, не получает перемещения. Следовательно, перемещение его вниз, вызванное силой Р, должно быть равно перемещению вверх, вызванному силой откуда Зная величину из уравнения (46.2) можно найти .

После определения реакций вызванных действием силы Р, построение эпюры продольных сил и расчет на прочность производятся, как в случае статически определимой задачи.

Следует отметить, что направления неизвестных реакций, перемещений и т. д. можно принимать совершенно произвольно. В рассмотренном примере для реакций принято направление вверх. В результате расчета значения обеих реакции полечились положительными; это означает, что действительные направления их совпадают с принятыми предварительно. Если, например, для реакции принять направление вниз, то в результате решения дополнительного уравнения получим Знак «минус» укажет на то, что действительное направление реакции нижней заделки обратно принятому направлению ее, т. е. что она направлена вверх. Таким образом, окончательный результат расчета не зависит от того, какое направление реакции принято предварительно.

Рассмотрим статически неопределимую плоскую шарнирно-стержневую систему, состоящую из трех стержней, нижние концы которых соединены общим шарниром D (рис. 27.2). Площадь поперечного сечения среднего стержня равна а крайних стержней

К шарниру D приложена вертикальная сила Р. Требуется определить усилия в стержнях от действия этой силы.

Так как соединения всех концов стержней шарнирные, то реакции шарниров А, В и С направлены вдоль осей стержней и, следовательно, пересекаются в точке D.

Число реакций равно трем. Но так как система и нагрузка симметричны относительно вертикальной оси, то реакции RA и равны между собой, а потому для решения задачи достаточно определить две реакции RA и

Для плоской системы сил, пересекающихся в одной точке, можно, как известно, составить два уравнения равновесия: и Однако этих двух уравнений недостаточно для определения реакций и RB, так как уже использовано условие симметрии, а это равносильно использованию уравнения равновесия Остается лишь одно уравнение равновесия, а число неизвестных усилий равно двум. Таким образом, для решения задачи необходимо составить одно дополнительное уравнение и, следовательно, задача является один раз статически неопределимой.

Уравнение равновесия имеет вид

Для составления дополнительного уравнения рассмотрим перемещения системы.

В стержнях AD, BD и CD возникают продольные силы, равные соответственно Стержень BD под действием продольной силы удлинится на величину Стержень AD удлинится на величину Учитывая, что получаем

Шарнир D опустится на величину и займет положение D (рис. 27.2).

Для того чтобы выразить удлинение стержня AD через перемещение надо спроектировать это перемещение на направление оси стержня:

Здесь в связи с тем, что перемещение мало по сравнению с длинами стержней, угол ADB (рис. 27.2) принят равным а, т. е. углу ADB (между осями стержней AD и BD в недеформированной конструкции).

Подставим в уравнение (48.2) выражения и ДБ, полученные выше:

Решая это уравнение совместно с уравнением равновесия (47.2), получаем

Из выражений (49.2) видно, что с увеличением площадей поперечных сечений стержней AD и CD (т. е. с увеличением ) усилия в них увеличиваются, а усилие в стержне BD уменьшается.

Такой результат отражает особенности статически неопределимых систем, в которых повышение жесткостей некоторых элементов приводит к увеличению в них усилий и обычно к уменьшению усилий в остальных элементах. В статически же определимых системах распределение усилий в конструкции не зависит от жесткостей ее элементов.

Рассмотрим систему, состоящую из трех стержней: алюминиевой трубки стальной трубки 2, вставленной в алюминиевую, и чугунного сплошного стержня 3, расположенного внутри стальной трубки (рис. 28.2, а).

Обе трубки и чугунный стержень помещены между абсолютно жесткими плитами и сжимаются силой Р. Требуется определить напряжения в поперечных сечениях каждого из стержней, вызываемые силой Р.

Проведем горизонтальное сечение и составим уравнение равновесия для верхней части системы (рис. 28.2, б):

где - нормальные напряжения в поперечных сечениях соответственно алюминиевого, стального и чугунного стержней (сжимающие нормальные напряжения приняты здесь положительными); - площади поперечных сечений этих стержней.

Произведения представляют собой продольные силы в поперечных сечениях стержней.

Другие уравнения равновесия для рассматриваемой системы параллельных сил составить нельзя, а потому для определения трех неизвестных напряжений кроме уравнения равновесия (50.2), необходимо составить два дополнительных уравнения. В соответствии с этим рассматриваемая систета является два раза (дважды) статически неопределимой.

Для составления дополнительных уравнений используем то обстоятельство, что все три стержня зажаты между двумя жесткими плитами, а потому продольные деформации всех стержней одинаковы. Обозначим относительную продольную деформацию стержней.

На основании закона Гука

где - модули упругости материалов стержней.

Из этого равенства получаем два дополнительных уравнения:

Подставив значения из уравнений (52.2) в уравнение (50.2), найдем

где - приведенная к алюминию площадь поперечного сечёния всего составного стержня:

На рис. 28.2, б показан вид эпюры нормальных напряжений в рассматриваемой системе при соотношении между модулями упругости равном 1:3:2.

Приведенные площади используют при проектировании брусьев разнородной упругости, например железобетонных колонн, состоящих из стальных стержней (арматуры), расположенных в бетоне. Сцепление между арматурой и бетоном исключает возможность перемещения арматуры относительно окружающего ее бетона. Поэтому продольные деформации бетона и арматуры одинаковы, а отношение нормальных напряжений в арматуре к напряжениям в бетоне равно отношению модулей упругости этих материалов.

Рассмотрим теперь систему, изображенную на рис. 29.2, а, состоящую из абсолютно жесткого бруса, опертого на шарнирную опору и прикрепленного к двум стержням ААХ и ССХ (изготовленным из пластичной стали) при помощи шарниров.

Определим из условия прочности стальных стержней допускаемую Нагрузку предельную нагрузку и предельно допускаемую нагрузку .

Реакции и стержней шарнирно прикрепленных по концам, направлены вдоль осей этих стержней. Реакция опоры В имеет горизонтальную составляющую и вертикальную составляющую , как эта опора препятствует горизонтальному и вертикальному перемещениям точки В бруса.

Таким образом, всего имеется четыре неизвестные реакции (рис. 29.2, б), а уравнений равновесия для плоской системы сил можно составить всего три. Следовательно, данная система один раз статически неопределима и для ее решения требуется составить одно дополнительное уравнение.

По условию задачи необходимо определить реакции стальных стержней ААХ и ССХ (равные продольным силам в поперечных сечениях этих стержней), а в определении реакций и нет необходимости. Поэтому достаточно из трех возможных уравнений равновесия использовать одно, в которое не входили бы реакции и .

Таким является уравнение в виде суммы моментов всех сил относительно шарнира В:

Для составления дополнительного уравнения рассмотрим деформацию системы. На рис. 29.2, б штриховой линией показана ось бруса после деформации системы. Эта ось остается прямолинейной, так как брус является абсолютно жестким и, следовательно, не деформируется, а может лишь повернуться вокруг точки В. Шарниры А и С после деформации переходят в положения А и С соответственно, т. е. перемещаются по вертикали на величины . Из подобия треугольников ААВ и ССВ находим

Выразим удлинение стержня, и удлинение стержня через перемещения . Для этого спроектируем перемещения на направления стержней:

или с учетом равенства (56.2)

Но по закону Гука [по формуле (13.2)]

и, следовательно, на основании равенства (57.2)

Решив уравнение (58.2) совместно с уравнением равновесия (55.2), найдем значения продольных сил выраженные через нагрузку Q. Разделив силы на площади поперечных сечений соответственно, определим нормальные напряжения и в стальных стержнях. Приравняв затем большее из этих напряжений допускаемому напряжению найдем значение Q, равное величине допускаемой нагрузки

При увеличении нагрузки Q сверх значения напряжения в обоих стержнях сначала увеличиваются прямо пропорционально нагрузке. Если, например, и, следовательно, значение найдено из условия то при увеличении нагрузки до некоторой величины напряжения в первом стержне достигают предела текучести При этом напряжения во втором гтепжне остаются меньше

В процессе дальнейшего увеличения нагрузки напряжения в первом стержне остаются постоянными, равными пределу текучести, а во втором - возрастают, пока также не становятся равными Это состояние системы называется предельным, соответствующим исчерпанию ее грузоподъемности; дальнейшее, даже незначительное увеличение нагрузки связано с весьма большими деформациями системы. Величину Q, вызывающую предельное состояние, обозначают и называют предельной нагрузкой.

Для определения значения составим уравнение равновесия в виде суммы моментов (относительно шарнира В) всех сил, действующих на жесткий брус в предельном состоянии, когда

Разделив на нормативный коэффициент запаса несущей способности получим величину предельно допускаемой нагрузки:

Если значение в формуле (59.2) принять равным значению [см. формулу (42.2)], то величина предельно допускаемой нагрузки будет больше величины допускаемой нагрузки полученной расчетом по допускаемым напряжениям.

Более подробно вопросы определения предельных и предельно допускаемых нагрузок рассмотрены в гл. 17.

Установим теперь метод определения монтажных напряжений в статически неопределимой конструкции, вызванных неточностью изготовления ее элементов. Рассмотрим для примера конструкцию, состоящую из трех стальных стержней с площадями поперечных сечений концы которых шарнирно прикреплены к двум жестким плитам (рис. 30.2, а). Все стержни должны были иметь одинаковую длину l, однако первый стержень был изготовлен на длиннее, а второй на 68 короче, чем по проекту весьма малы по сравнению с I). В связи с этим после монтажа в стержнях возникли так называемые начальные (или монтажные) напряжения. Определим эти напряжения.

Предположим, что после монтажа конструкции нижняя плита заняла положение, показанное на рис. 30.2, а штриховой линией, т. е. что при монтаже все стержни удлинились и, следовательно, все они растянуты.

Проведем через стержни сечение (рис. 30.2, о) и составим условия равновесия для нижней (отсеченной) части конструкции (рис. 30.2, б):

а) сумма проекций сил на вертикаль

б) сумма моментов сил относительно нижнего левого шарнира А

Из уравнения (61.2) видно, что усилия во втором и третьем стержнях имеют различные знаки, т. е. один из них растянут, а другой сжат.

Поэтому сделанное предположение о том, что все стержни растянуты, неверно; оно, однако, упрощает дальнейшие рассуждения и не вносит ошибки в результаты расчета.

В два уравнения равновесия (60.2) и (61.2) входят три неизвестных усилия. Следовательно, рассматриваемая конструкция один раз статически неопределима.

Для составления дополнительного уравнения рассмотрим удлинения стержней при монтаже. Обозначим удлинения соответственно первого, второго и третьего стержней (рис. 30.2, а). Исходя из допущения об абсолютной жесткости плит заключаем, что все три нижних шарнира расположены на одной прямой. Это позволяет составить для подобных треугольников АСЕ и BCD (рис. 30.2, а) следующее соотношение:

Но из рис. 30.2, а следует, что

На основании закона Гука

Статически неопределимыми называются такие стержни и стержневые системы, в которых реактивные факторы и внутренние усилия не могут быть определены только из уравнений равновесия. Данные системы классифици­руются по степени статической неопределимости. Степень статической не­определимости представляет собой разность между числом неизвестных реакций и числом уравнений равновесия. Степень статической неопредели­мости системы определяет количество дополнительных уравнений (уравне­ния перемещений), которые необходимо составить при раскрытии статической неопределимости.

В статически определимых стержневых системах усилия возникают только от действия внешней нагрузки. В статически неопределимых стерж­невых системах усилия возникают не только от внешних нагрузок, но и в ре­зультате неточности изготовления отдельных элементов системы, изменения температуры элементов системы и т.д. При отклонении действительных про­дольных размеров стержней от номинальных (расчётных) при сборке стати­чески неопределимых систем возникают дополнительные, так называемые монтажные усилия и напряжения. При изменении температуры статически неопределимой стержневой системы в ее элементах возникают дополнитель­ные, так называемые температурные усилия и напряжения.

Расчет статически неопределимых стержней и стержневых систем вы­полняется по следующей методике.

1. Проводится анализ схемы закрепления и определяется степень статиче­ской неопределимости стержневой системы.

2. Рассматривается статическая сторона задачи, т.е. составляются уравне­ния равновесия.

3. Анализируется геометрическая сторона задачи. Система рассматрива­ется в деформированном состоянии, устанавливается взаимосвязь между де­формациями или перемещениями отдельных элементов системы. Полученные уравнения являются уравнениями совместности перемещений (деформаций). Количество уравнений совместности перемещений (деформа­ции) равно степени статической неопределимости системы.

4. Рассматривается физическая сторона задачи. На основе закона Р.Гука перемещения или деформации элементов системы выражаются через дейст­вующие в них внутренние усилия и с учётом этого записываются уравнения совместности перемещений в развёрнутом виде.

5. Решая совместно уравнения равновесия и совместности перемещений в развёрнутом виде определяются неизвестные реакции, т.е. раскрывается ста­тическая неопределимость стержневой системы.

6. Дальнейший расчёт на прочность и жёсткость аналогичен расчёту статически определимых систем.

Методика решения статически неопределимых стержней и стержневых систем показана на примерах решения различных задач.

Пример 1. Ступенчатый стержень, защемлённый с обеих сторон, нагружен силами F (рис.10,а). Требуется раскрыть статическую неопределимость стержня и определить площадь поперечного сечения.

Исходные данные: длина участка стержня l , площадь поперечного сечения стержня А модуль продольной упругости материала стержня Е , допускаемое напряжение .

Заданная стержневая система.

1. В результате действия внешних сил на стержень возникают две опорные реакции R 1 и R 2 . Уравнений равновесия для плоской стержневой системы можно составить одно следовательно стержень один раз статически неопределим (рис. 10,6).

2. Рассматривается статическая сторона задачи. Выбирается расчётная схема (рис. 10,6) и составляется уравнение равновесия:

3. Анализируется условие деформирования стержня и геометрическая сторона задачи, составляется уравнение совместности перемещений.

4. Рассматривается физическая сторона задачи. Условно принимая, что реакции R 1 и R 2 известны, определяются нормальные силы на участках

На основе закона Р.Гука записываются выражения перемещений на каждом участке, и затем составляется уравнение совместности перемещений в развёрнутом виде:

Рис.10. Заданный стержень, расчетная схема стержня, эпюры нормальной силы, нормального напряжения и перемещений

5. Совместное решение уравнения равновесия и уравнения совместности перемещений в развёрнутом виде позволяет определить неизвестные реакции Статическая неопределимость стержня раскрыта.

6. Строятся эпюры N z , σ z , δ (рис 10). Записывается условие прочности

и определяется площадь поперечного сечения стержня

Пример 2. Абсолютно жёсткий брус шарнирно крепится к стержням и опирается на шарнирно неподвижную опору (рис. 11,а). К брусу приложена сила F. Требуется раскрыть статическую неопределимость стержневой системы и определить величину допускаемой силы [F].

Исходные данные: длины стержней и длины участков бруса заданы в долях а , площади поперечного сечения стержней A 1 = 2A и A 2 =А, модуль упругости материала стержней Е, допускаемое напряжение .

Рис.11,а Рис. 11,б

1. Заданная стержневая система один раз статически неопределима, поскольку неизвестных реакций четыре - Н, R, R 1 , R 2 , а уравнений равновесия для плоской системы сил - три.

2. Рассматривается статическая сторона задачи (рис. 11,6). Составляются уравнения равновесия

3. Анализируется геометрическая сторона задачи (рис. 11,в) и составляется уравнение совместности перемещений. Из подобия треугольников имеем:

4. Рассматривается физическая сторона задачи. На основе закона Р.Гука определяются выражения деформаций , и затем записывается уравнение совместности перемещений в развёрнутом виде:

5. Совместное решение уравнений равновесия и развёрнутого уравнения совместности перемещений позволяет определить величины усилий в стержнях через внешнюю нагрузку N 1 =0,442P, N 2 = 0,552Р. Статическая неопределимость системы раскрыта.

Из условия прочности I стержня

допускаемая нагрузка равна

Из условия прочности II стержня

допускаемая нагрузка равна

Окончательно принимаем для стержневой системы меньшее значение . При этом рабочие напряжения во II стержне будут равны допускаемым, а первый стержень будет недогружен.

Вопросы и задания для самопроверки,

1. Какие стержни и стержневые системы называются статически неопределёнными?

2. Как определяется степень статической неопределимости?

3. Что представляют собой уравнения совместности перемещений?

4. Какие усилия и напряжения называются монтажными?

5. Какие усилия и напряжения называются температурными?

6. Перечислите основные этапы расчётов на прочность и жёсткость ста­тически неопределимых систем при растяжении (сжатии).

ВАРИАНТЫ РАСЧЕТНО - ПРОЕКТИРОВОЧНОЙ РАБОТЫ

РАСЧЕТЫ СТАТИЧЕСКИ НЕОПРЕДЕЛИМЫХ СТЕРЖНЕЙ И СТЕРЖНЕВЫХ СИСТЕМ НА ПРОЧНОСТЬ И ЖЕСТ­КОСТЬ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ (СЖАТИИ)

Абсолютно жесткий брус К, нагруженный силами F;, удерживается в равновесии стальными стержнями длиной щ и крепится посредством опор­ных устройств. Требуется выполнить проектировочный расчет (найти пло­щади поперечных сечений стержней).

Последняя цифра соответствует номеру схемы (рис. 12... 14).

Данные варианта приведены в таблице 3.

В расчетах принять: Р =10 кН.

Таблица 3. Данные к задаче РПР