Пример расчета (задача № 11)

Стальная балка АВ, расчетная схема и поперечное сечение ко­торой показаны на рис. 5.28, а, (c = 0,03 м) нагружена силами Р₁ и Р₂. Требуется:

1. Построить эпюры изгибающих моментов в главных плоско­стях инерции;

2. Установить по эпюрам изгибающих моментов опасное сече­ние балки. Найти для опасного сечения положение нулевой линии;

3. Вычислить наибольшие растягивающие и сжимающие нор­мальные напряжения;

4. Определить значение полного прогиба в середине пролета балки и указать его направление.

Решение

1. Построить эпюры изгибающих моментов в глав­ных плоскостях инерции. Ввиду симметричности сечения бал­ки относительно осей x и y (рис. 5.28, а), можно сделать вывод, что эти оси - главные. Для построения эпюр изгибающих моментов, используя принцип независимости действия сил, представим косой изгиб как изгиб в двух главных плоскостях инерции бруса (рис. 5.28, б, г). Определив опорные реакции, составим аналитиче­ские выражения изгибающих моментов и вычислим их значения в характерных сечениях. Построим эпюры изгибающих моментов M_x и M_y (рис. 5.28, в, г), откладывая ординаты со стороны растянутых волокон. В соответствии с принятым правилом знаков (п. 5.9), M_x < 0, M_y > 0.

2. Установить по эпюрам изгибающих моментов опасное сечение балки. Найти для опасного сечения положение нулевой линии. Сравнивая ординаты эпюр M_x и M_y , делаем вывод, что опасными могут быть сечения D или С, т.к. в них предположительно возникают наибольшие по величине изгибающие моменты. Для того, чтобы установить, какое из них является наиболее опас­ным, нужно вычислить возникающие в сечениях C и D наибольшие нормальные напряжения и сравнить их. Теоретически доказано, что если контур поперечного сечения так вписывается в прямо­угольник, что четыре крайние точки сечения совпадают с углами прямоугольника, то максимальное нормальное напряжение будет в одном из углов прямоугольника и определится по формуле:

,

где все величины берутся по абсолютной величине. У нас именно такой случай. Осевые моменты инерции сечения вычислим по следующим зависимостям:

=

м⁴;

м⁴.

Моменты сопротивления сечения W_x и W_y определятся следу­ющим образом:

м³;

м³.

Таким образом, наибольшие напряжения в сечениях С и D рав­ны:

сечение С

кПа = 10,29 МПа;

сечение D

кПа = 10,38 МПа.

Рис. 5.29

Сравнивая эти значения, заключаем - опасным является сече­ние D. Подставив значения I_x , I_{y ,} M_x , M_y в формулу (5.29) полу­чим:

= 0,535, откуда j » 28,17°.

Нулевая линия пройдет в тех четвертях поперечного сечения, в которых изгиба­ющие моменты будут вызы­вать нормальные напряже­ния разных знаков. В на­шем случае это будут пер­вая и третья четверти. По­этому, отложив угол j » »28,17° от оси x против хода часовой стрелки, проведем нулевую линию (рис. 5.29).

3. Вычислить наибольшие растягивающие и сжима­ющие нормальные напряжения. Вершины стрелок нормаль­ных напряжений, определяемых по формуле (5.26) будут лежать на плоскости, пересекающей плоскость поперечного сечения по нуле­вой линии. При взгляде на плоскость напряжений вдоль нулевой линии мы увидим ее в виде прямой, ординаты которой показаны в виде эпюры s на рис. 5.29. Наибольшие нормальные напряжения будут иметь место в точках 2 и 4 и различаться только знаком. Дей­ствительно, подставляя в формулу (5.26) координаты точек 2 и 4, получаем:

точка 2

» -10385 кН/м² »
» -10,38 МПа;

точка 4

» -10385 кН/м² »
» 10,38МПа.

Отложив в удобном масштабе полученные величины напряже­ний, построим эпюру напряжений s (рис. 5.29).

4. Определить значение полного прогиба в середине пролета балки и указать его направление. Полный про­гиб (перемещение центра тяжести сечения С) вычисляем по фор­муле:

,

где - проекции полного прогиба на главные оси. Эти ве­личины можно определить методом начальных параметров. Начало координат поместим на левом конце балки в точке А.

Прогиб в плоскости x0z. Начальные параметры:

кН.

Составим выражение прогибов f_x (z) с помощью универсального уравнения упругой линии балки:

. (5.30)

Величину j₀ определим из условия, что при f_x (l) = 0. Под­ставляя в выражение (5.30) z = l = 4 м, получим:

;

.

Окончательно выражение прогибов f_x (z) будет иметь вид:

. (5.31)

Для определения прогиба в середине пролета подставим z =
= 0,5×l = 2 м в выражение (5.31):

кН×м³.

Учитывая, что Е = 2×10⁸ кН/м² и I_y = 891×10^-8 м⁴, получаем:

м = 7,45×10^-4 м.

Прогиб в плоскости y0z. Начальные параметры:

кН.

Выражение для прогибов f_y (z) получаем с помощью метода на­чальных параметров:

. (5.32)

Подставляя z = l = 4 м в выражение (5.32) и учитывая, что в т. В прогиб равен нулю, получаем уравнение для определения j₀ :

,

откуда

.

Окончательно выражение для прогибов f_y (z) будет иметь вид:

. (5.33)

Для определения прогиба в середине пролета подставим z = = 0,5 l = 2 м в выражение (5.33):

кН×м³;

м = -0,64×10^-4 м.

Определим величину модуля вектора полного прогиба

м.

Направление вектора полного прогиба показано на рис. 5.30. При этом, угол b определим по формуле:

; b = -40,5°.