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

Расчет статически определимых рам

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

Расчет статически неопределимых стержневых систем методом сил

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

Особенности расчета методом сил многопролетных неразрезных балок

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

Использование свойств симметрии при раскрытии статической неопределимости стержневых систем

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

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

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

Расчет статически неопределимых стержневых систем методом сил в матричной форме

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

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

Материал из Википедии - свободной энциклопедии

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

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

Библиографический список

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

Общие сведения

Расчет статически неопределимых систем методом сил начинают с вы­явления степени статической неопределимости. Степень статической не­определимости любой системы может быть установлена по формуле, которая для выявления степени статической неопределимости рам будет иметь вид:

Л = 3К - Ш, (23)

где Л – число лишних связей, К – число контуров, а для неразрезных балок - формулой (24):

Л = С оп - 3, (24)

где С оп - число опорных стержней.

Остановимся на применении формулы (23).

Пример 7.1.

Пользуясь формулой (23), опреде­лить степень статической неопределимости рамы, изображенной на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Рама

Решение

Рама состоит из двух замкнутых контуров I и II. Шарнирно-неподвижная опора А равноценна одному простому шарниру, шарнирно-подвижная опора В - двум шарнирам. Следова­тельно, Ш= 1 + 2 = 3.

Степень статической неопределимости Л = 3К - Ш=3∙2 - 3 ==3 - рама трижды ста­тически неопределима.

Пример 7.2.

Определить степень статической неопределимости рамы, приведенной на рис. 7.2.

Рис. 7.2. 3-х контурная рама. Рис. 7.3. 6-ти контурная рама

Решение

Рама имеет три замкнутых контура (I, II и III). Сум­марное число шарниров Ш = 6 (два простых шарнира - Е и F и две шарнирно подвижные опоры -A и D). Число лишних связей Л =3∙3 - 6=3. Следовательно, рама трижды статически неопределима.

Пример 7.3.

Определить степень статической неопределимости рамы, изображённой на рис. 7.3.

Решение

В этой раме шесть замкнутых контуров. Простых шар­ниров - три (шарниры F,H и I ). Шарнир G - двукратный, как соединяю­щий три стержня. Каждая из шарнирно-подвижных опор А, В, D и Е эквивалентна двум простым шарнирам, а шарнирно-неподвижная опора С - одному. Следовательно, Ш = 1∙3 + 2∙1 + 2∙4 + 1 =14. Тогда степень статической неопределимости Л =3∙6-14 =4. Таким образом, рама имеет четыре лишние связи, т. е. является четырежды статически неопределимой.

После того как будет установлена степень статической неопределимости, выбирают основную систему.

Выбор основной системы

Основной системой будем называть геометрически неизме­няемую статически определимую систему, полученную из заданной стати­чески неопределимой путем устранения лишних связей и нагрузки.

На рис. 7.4., а показана статически неопределимая рама - заданная система. Степень статической неопределимости этой системы:

Л = 3К - Ш =3∙1-0 =3.

Следовательно, чтобы из заданной системы получить основную систему, надо освободить раму от нагрузки q и отбросить три лишние связи; по­следнее может быть выполнено различными способами, но в результате применения любого из них полученная основная система должна быть геометрически неизменяемой.

Так, например, на рис. 7.4., б показана основная система, полученная путем устранения нагрузки q и правой защемляющей опоры В, эквивалент­ной трем лишним связям.

Рис. 7.4. Выбор основной системы

Теперь сечение В основной системы может перемещаться по горизонталь­ному и вертикальному направлениям и поворачиваться в плоскости рамы на некоторый угол, т. е. в основной системе стали возможными те перемещения, которым в заданной системе препятствует правая защемляющая опора.

Чтобы устранить различие между заданной и основной системами, поступим так, как показано на рис. 7.4., в: нагрузим основную систему заданной нагрузкой q и вточке В ее, по направлениям указанных переме­щений сечения В, приложим соответствующие им пока неизвестные, горизонтальную и вертикальную силы Х 1 ; Х 2 и момент Х 3 .

Величины Х 1 ; Х 2 ; X 3 называются лишними неизвестными и являются искомыми реакциями лишних связей, заменяющими действие отброшен­ных лишних связей на заданную систему.

Обращаем внимание, на то, что основная система, нагружен­ная заданной нагрузкой и лишними неизвестными, в отношении внут­ренних усилий и перемещений эквивалентна заданной статически неопре­делимой.

Кроме того, условимся в дальнейшем, как это принято в практических расчетах, основную систему на отдельном рисунке не изображать и взамен ее приводить рисунок выбранной основной системы, нагруженной задан­ной нагрузкой и лишними неизвестными.

Далее составляют уравнения совместности перемещений, каждое из которых должно выражать условие равенства нулю суммарного пере­мещения по направлению той или иной, отброшенной связи (неизвестной силы) от заданной нагрузки и всех лишних неизвестных. Эти уравнения, написанные в определенной, раз навсегда установленной форме, называют каноническими уравнениями метода сил. Число их должно равняться числу отброшенных связей. Для рассматриваемой рамы необходимо составить, таким образом, три канонических уравнения, имеющих следующий вид:

δ 11 X 1 + δ 12 X 2 + δ 13 X 3 + ∆ 1 p = 0

δ 21 X 1 + δ 22 X 2 + δ 23 X 3 + ∆ 2 p = 0 (25)

δ 31 X 1 + δ 32 X 2 + δ 33 X 3 + ∆ 3 p = 0

Где δ 11 -перемещение точки приложения силы X 1 по направлению этой силы от единичной силы = 1;

δ 11 X 1 -перемещение той же точки в том же направлении, вызванное полным значением X 1 ;

δ 12 - перемещение точки приложения силы X 1 по направлению этой силы, вызванное единич­ной силой

δ 12 X 2 - перемещение той же точки в том же направле­нии, вызванное полным значением силы Х 2 ;

δ 13 - перемещение точки приложения силы Х х по направлению этой силы от единичной силы = 1;

δ 13 X 3 - перемещение той же точки в том же направлении, вызван­ное полным значением силы Х 3 ;

∆ 1 p -перемещение той же точки в том же направлении, вызванное заданной нагрузкой; δ 21 X 1 - перемещение точки приложения силы Х 2 по направлению этой силы, вызванное силой X 1 , и т. д.

Следует иметь в виду, что один раз составленные в общем виде п канонических уравнений с п неизвестными применимы для любой п раз стати­чески неопределимой системы. Так, уравнения (25) справедливы для любой трижды статически неопределимой системы.

Составив канонические уравнения метода сил, следует перейти к вы­числению единичных δ ik и грузовых ∆ ip перемещений.

Для этого предварительно введем понятия о грузовом и единичном состояниях основной системы.

Грузовым назовем то состояние основной системы, при котором она находится только под действием заданной нагрузки.

Единичным будем называть состояние основной системы, при ко­тором она нагружена только одной силой, равной единице е = 1, дейст­вующей в направлении неизвестной реакции X t .

Заметим, что число единичных состояний основной системы должно соответствовать степени статической неопределимости заданной системы,

т. е. числу лишних неизвестных. Изобразив на рисунках грузовое и отдельно все единичные состояния основной системы, строят соответствующие им грузовую М р и единичные M 1 , M 2 , ..., М п эпюры изгибающих моментов.

Наконец, используя способ перемножения эпюр, вычисляют единич­ные δ ik и грузовые ∆ ip перемещения.

Перемножая эпюры, следует помнить, что на основании теоремы о взаимности пере­мещений (теоремы Максвелла) единичные перемещения с взаимно пере­ставленными индексами равны между собой, т. е. δ ik = δ ki .

Вычисленные значения δ ik и ∆ ip подставляют в канонические уравнения и решают полученную систему уравнений, в результате чего нахо­дят значения неизвестных реакций связей X 1 , X 2 , ..., Х п.

Нагрузив те­перь основную систему заданной нагрузкой и уже известными силами X 1 = А 1 ;Х 2 = А 2 , ..., Х п = А п, строят обычным путем (как для статиче­ски определимой системы) эпюры Q, М и N, которые и являются оконча­тельными эпюрами поперечных сил, изгибающих моментов и продольных сил для заданной системы.

Окончательную эпюру изгибающих моментов можно также получить путем суммирования ординат эпюры М р с соответствующими ординатами эпюры

После определения неизвестных можно сразу получить эпюру М, по которой построить эпюру Q, а продольные силы определить из условий равновесия вырезаемых узлов рамы. Опорные реакции в этом случае находят в последнюю очередь, используя эпюры Q, М и N,

Умноженными на X 1 , ординатами эпюры , умноженными на Х 2 ..., и ординатами эпюры , умноженными на Х п, т. е.

Единичные перемещения с одинаковыми индексами (δ 11 , δ 22 , δ 33 и т.д.) принято называть главными перемещениями , а с разными индексами

(δ 12 , δ 13 , δ 23 и т.д.) - побочными .

Главные перемещения никогда не обращаются в нуль и всегда имеют положительное значение, так как в этом случае эпюры умножаются сами на себя, т. е. и площадь ω и ордината у берутся из одной и той же эпюры.

Побочные перемещения могут быть положительными, отрицательными, а при удачном выборе основной системы и равными нулю. В последнем случае в значительной мере сокращаются и упрощаются операции по вы­числению перемещений.

На рис. 7.4., б основная система выбрана неудачно, так как для нее ни одно из побочных перемещений не обратится в нуль. Ниже эта рама будет рассчитана, при более рациональном выборе основной системы.

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

1. Схему вычерчиваем в масштабе . Нумеруем стержни.

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

Составляем уравнения равновесия

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

Схема деформаций

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

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

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

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

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

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

Тогда будет:

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

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

N 1 = 7,12кН (растянут),

N 2 =-20,35кН (сжат).

Определим напряжения в стержнях.

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

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

∑у =0 R A - F 1 + F 2 - R В =0

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

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

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

Выпишем отдельно значения продольных сил в сечениях:

N 1 = - R А

N 2 = 120 - R А

N 3 = 120 - R А

N 4 = 30- R А

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

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

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

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

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

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

4. Вычисляем N и строим эпюру продольных сил .

N 1 =- R А = -47,5кН

N 2 =120 - R А = 72,5кН

N 3 =120 - R А = 72,5кН

N 4 =30- R А = -17,5кН.

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

Строим эпюру нормальных напряжений.

Проверяем прочность .

σ max = 90,63 МПа < [σ]=160МПа.

Прочность обеспечена .

1. Вычисляем перемещения , используя формулу для деформаций.

Идем от стены А к зазору .

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

Строим эпюру перемещений .

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

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

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

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

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

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

Тогда полное перемещение сечения 1-1 :

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

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

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

(1) -уравнение равновесия

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

По закону Гука имеем:

Длины стержней : Тогда получим:

Подставим полученное соотношение в уравнение (1):

Определяем напряжение в стержнях:

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

При сравнении видим увеличение нагрузки:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Тогда напряжения на участках:

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

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

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

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

В соответствии со схемой деформирования уравнение равновесия примет вид:

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

Согласно закона Гука абсолютные деформации:

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

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

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

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

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

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

Откуда:

В результате R B =20723Н.

Нормальные силы и напряжения на участках:

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

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

Составим уравнение равновесия стержня:

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

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

Для рассматриваемых участков их абсолютные деформации :

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

Подставим все найденные значения в дополнительное уравнение:

После подстановки исходных данных и сокращений:

Из уравнения равновесия получаем:

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

Расчет нормальных сил:
Строим эпюру N

Расчет нормальных напряжений:
Строим эпюру нормальных напряжений

Расчет перемещений характерных сечений.

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

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

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

Покажем схему системы с усилиями N 1 и N 2

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

Из анализа системы в деформируемом состоянии следует, что:

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

Запишем значения абсолютных деформаций стержней:

Тогда с учетом исходных данных дополнительное уравнение примет вид:

Принимая во внимание уравнение равновесия , получим систему:

Из решения этой системы уравнений следует:

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

Согласно условию прочности стержня 1:

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

Согласно условию прочности стержня 2 :Тогда

Окончательно принимаем:

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

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.