Теоретическая механика - теория, задания и примеры решения задач

Подождите немного. Документ загружается.

Стержни 3, 7, 11 – называются стойками.

Стержни 1, 4, 9, 12 – называются раскосами.

Стержни, образующие замкнутый треугольник, называют пане-

лью фермы.

Рис. 56

Ферма на рис. 56 имеет 6 панелей.

При расчете фермы принимают следующие допущения.

1. Все стержни фермы прямолинейные и невесомые.

2. Узлы фермы — идеальные шарниры.

3. Внешние силы приложены к узлам фермы.

4. Стержни фермы воспринимают только продольные

усилия: сжатие или растяжение.

Расчет фермы состоит в определении опорных реакций и внут-

ренних усилий

в стержнях фермы.

При расчете опорных реакций ферма рассматривается как твер-

дое тело, на которое действует плоская система сил. Расчет заклю-

чается в составлении расчетной схемы, составлении уравнений

равновесия и определении неизвестных реакций.

Усилия в стержнях фермы определяются:

1. Методом вырезания узлов.

2. Методом сечений (методом Риттера).

При составлении расчетных схем следует

иметь в виду, что если

стержень растянут, то сила, с которой он действует на узел, направ-

лена от узла к стержню. Если же стержень сжат, то усилие направ-

лено к узлу от стержня (рис. 57).

Рис. 57

Метод вырезания узлов

Метод вырезания узлов состоит в последовательном вырезании

узлов фермы и рассмотрении их равновесия. Так как на узел дейст-

вует плоская сходящаяся система сил, для которой можно записать

только два уравнения равновесия, то вырезать узлы надо так, чтобы

неизвестных сил было не больше двух. При составлении расчетной

схемы будем считать, что все

стержни растянуты, т.е. все внутрен-

ние усилия направим от узла к стержню. Для каждого узла состав-

ляются уравнения равновесия

∑

Если усилия в стержнях, найденные по этим формулам, имеют

знак « + », то формально это указывает на то, что стержень растя-

нут, если же знак усилия « – », то стержень сжат.

Метод сечений

Метод сечений (метод Риттера) заключается в том, что ферма

рассекается на две части. Одна часть фермы отбрасывается, а ее

действие отображается усилиями в стержнях оставшейся части, ко-

торые попали в сечение. Усилия в стержнях направляются вдоль

стержней к отброшенной части фермы, т.е. опять предполагаем,

что все стержни растянуты. Рассматриваемая часть фермы, на ко-

торую действуют активные (заданные) силы, опорные реакции и

усилия в стержнях, находится в равновесии. При этом получается

произвольная плоская (не сходящаяся) система сил, для которой

можно записать три уравнения равновесия. Поэтому неизвестных

сил в сечении не должно быть больше трех.

Как известно, существуют три формы уравнений равновесия

для плоской системы:

k=1

F0;

M( ) 0.

∑

1-я форма 2-я форма 3-я форма

При составлении уравнений равновесия выбирается та форма,

которая позволяет получить наиболее простые уравнения. Напри-

мер, если в сечении две неизвестные силы параллельны, то удобно

применить 2-ю форму уравнений. Если все силы в сечении попарно

пересекаются, то 3-ю форму. В этом случае точки пересечения сил

выбираются в качестве моментных точек. Полученное таким

обра-

зом каждое уравнение равновесия будет содержать одну неизвест-

ную. По сравнению с методом вырезания узлов это значительно ус-

коряет расчет и увеличивает точность вычислений.

Если в сечении оказывается больше трех неизвестных усилий,

то приходится проводить дополнительные сечения.

k=1

F0;

M( ) 0.

∑

k=1

M( ) 0.

∑

Пример решения задачи

На ферму, показанную на рис. 58, действуют силы F

= 1 кН,

= 2 кН и F

= 3 кН.

Рис. 58

Определить реакции опор, усилия в стержнях фермы методом

вырезания узлов. Для отмеченных стержней проверить усилия ме-

тодом сечений.

Решение

Обозначим все узлы буквами, а стержни цифрами. Отбросим все

опоры и заменим их действие опорными реакциями N

, N

и N

Покажем координатные оси. Полученная расчетная схема пред-

ставлена на рис. 59.

Проверим ферму на статическую определимость. Ферма имеет 6

узлов и 9 стержней, т.е. У = 6, С = 9. Подставив эти значения в фор-

мулу С = 2У – 3, получаем тождество 9 = 2•6 – 3 = 9. Ферма стати-

чески определимая.

Для определения опорных реакций воспользуемся первой фор-

мой уравнения равновесия для плоской

системы сил.

112

cos60 cos30 0;

kx B

FNFF N=+− − =

∑

22 3

sin60 sin30 0;

ky B

FNF FN=− −− =

∑

12 2

( ) 1 60 cos60 1 60 sin60 4

4sin3050.

oooo

MF F tg F tg F

=− ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ − ⋅ −

−⋅− ⋅=

∑

Рис. 59

Из последнего уравнения находим

( 1 60 cos60 1 60

5sin30

ooo

NFtgFtg=⋅⋅−⋅⋅+

⋅

4) 0,4 (1,732 1,732 6,928 12)F+⋅= ⋅ − + + =

=0,4 18,928 =7,571 кН

⋅

Подставив это значение в первые два уравнения, находим

112

cos60 cos30 1 2 0,5 7,571 0,866

NFF N=− + + =− + ⋅ + ⋅ =

1 1 6,557 6,557кН=− + + = ,

22 3

sin60 sin30 2 0,866 3 7,571 0,5

NF FN=+ + − = ⋅ + − ⋅ =

1,732 3 3,785 0,947 кН=+− = .

Итак, N

= 6, 557 кН, N

= 0,947 кН, N

= 7,571 кН.

Теперь определим усилия в стержнях фермы методом выреза-

ния узлов

. Начинать вырезание можно с узла A или узла B, так как в

них неизвестны усилия только в двух стержнях. Начнем с узла A.

Вырежем узел A и рассмотрим его равновесие. На узел действует

сходящаяся система сил: реакции опор

и N

, а также усилия в

стержне 1 –

и в стержне 2 - S

. Усилия в стержнях направляем от

узла в сторону соответствующих стержней, т.е. мы предполагаем,

что эти стержни растянуты. В точке A поместим начало прямоуголь-

ной координатной системы

Axy. Расчетная схема для узла A пока-

зана на рис. 60.

Узел A

Рис. 60

В этом случае уравнения равновесия имеют вид

11 2

cos 60 0;

sin60 0.

FNS S

FNS

=+ +=

=+ =

∑

Из второго уравнения находим

0,947

1,093

0,866

sin60

S кН=− =− =−

Из первого уравнения находим

211

cos60 6,557 ( 1,093) 0,5 6,01

SNS кН=− − =− − − ⋅ =− .

Знак « – » формально указывает, что оба стержня сжаты.

Так как усилие в стержне 2 найдено, то можно переходить к узлу

C. В этом случае неизвестны усилия в стержнях 3, 4 – S

, S

Вырежем узел C и составим для него расчетную схему также, как

это было сделано для узла A (рис. 61).

Узел C

Рис. 61

Уравнения равновесия имеют вид

FSS

′

−+ =

∑

Так как S

= S

= –6,01кН, то из уравнений находим

6,01 ,

SS кН

′

=−

Следовательно, стержень 4 сжат, а в стержне 3 усилия нет.

Вырежем узел D. Расчетная схема для него показана на рис. 62.

Неизвестными здесь являются усилия в стержнях 5 и 6 –

, S

Узел D

Рис. 62

Уравнения равновесия имеют вид

11 5 6

135

cos60 cos30 0,

sin60 sin30 0.

FFS S S

FS SS

′

=− + + =

′′

=− − − =

∑

Так как

= S

= –1,093кН, S

= S

= 0, то из уравнений находим

()

513

611 5

sin60 1,093 0,866 0 1,893 ,

0,5

sin30

cos60 cos30

1 ( 1,093) 0,5 1,893 0,866 3,186 .

SSS кН

SFS S

кН

′′

⎡⎤

=− −=−−⋅−=

⎣⎦

′

=− + − =

=− + − ⋅ − ⋅ =−

Стержень 5 растянут, стержень 6 сжат.

Так как усилия в стержнях

4, 5 и 6 найдены, то можно переходить

к узлу E или H.

Вырежем узел E. Расчетная схема для него показана на рис. 63.

Неизвестными здесь являются усилия в стержнях 7 и 9 –

, S

Узел E

Рис. 63

Уравнения равновесия имеют вид

45 9

573

cos30 0,

sin30 0.

FSS S

FS SF

′′

=− − + =

′

=+−=

∑

Так как S'

= S

= –6,01 кН и S'

= S

= 1,893 кН, то из уравнений

находим

945

735

cos30 6,01 1,893 0,866 4,371 ,

sin30 3 1,893 0,5 2,054 .

SSS кН

SFS кН

′′

=+ = + ⋅ =−

′

=− =− ⋅ =

Стержень

7 растянут, а стержень 9 сжат.

Вырежем узел H. Расчетная схема для него показана на рис.64.

Неизвестным здесь является усилие в стержнях 8 –

Узел H

Рис. 64

Уравнения равновесия для этого узла имеют вид

62 8

78 2

cos60 cos60 0,

sin60 sin60 0.

FSF S

FSS F

′

=− − + =

′

=− − − =

∑

Так как

= S

= -3,186 кН, то из первого уравнения находим

3,186

2 4,372 .

0,5

cos 60

SF кН

′

−

=+ =+ =−

Стержень 8 сжат. Второе уравнение используем для проверки

уже найденного усилия

78 2

sin60 sin60 ( 4,372) 0,866 2 0,866

2,054 .

SS F

кН

′

=− − =−− ⋅ − ⋅ =

Усилия в стержне 7, найденные при вырезании узлов E и H, сов-

пали.

Узел B можно использовать для проверки выполненного расче-

та. Вырежем узел B и рассмотрим его равновесие. Усилия в стерж-

нях 8 и 9 будем считать неизвестными. Из уравнений равновесия

для узла B определим эти усилия. Если они совпадут с соответст-

вующими усилиями, найденными выше, то расчет

верен, если нет –

то следует искать ошибки в предыдущих вычислениях. Расчетная

схема для узла B показана на рис. 65.

Узел B

Рис. 65

Уравнения равновесия для узла B имеют вид

cos60 cos30 0,

sin60 sin30 0.

kx B

ky B

FSS N

FS N

′′

=− − − =

′

=+ =

∑

Решая эту систему уравнений, находим

sin30 0,5

7,571 4,371 ,

0,866

sin60

cos60 cos30

(

4,371

)

0,5 7,571 0,866

4,371 .

SN кН

SS N

кН

′

=− =− ⋅ =−

′′

=− − =−− ⋅ − ⋅ =

=−

Так как значения усилий в стержнях 8 и 9 совпали, то выполнен-

ные вычисления верны.