Лекция 3 МЕТОДЫ РАСЧЕТА СТАТИЧЕСКИ ОПРЕДЕЛИМЫХ СИСТЕМ НА ПОСТОЯННУЮ НАГРУЗКУ

Решение задачи определения напряженно-деформированного состояния (НДС) сооружения состоит из следующих частей: определение напряжений; определение опорных реакций и внутренних усилий; определение перемещений и деформаций. При этом должны быть известны геометрические размеры и формы элементов сооружения, физические характеристики материала, внешняя нагрузка и особенности ее воздействия. Расчет статически определимых систем является самой простой задачей, решаемой в строительной механике. Статически определимой системой (СОС) называется система, внутренние усилия которой можно определять только из уравнений статики. Особенности СОС: их внутренние усилия не зависят от упругих характеристик материала, форм сечений и площадей элементов; воздействие температуры, осадки опор, неточность изготовления элементов не вызывают внутренних усилий; если нет внешних нагрузок, все внутренние усилия равны нулю.

1. Определение опорных реакций Сооружение, воспринимая внешнюю нагрузку, через свои элементы передает ее опорам, а в них возникают опорные реакции. При определении опорных реакций используется принцип освобождения от связей: всякое тело можно освободить от связей, заменив их реакциями. После этого из уравнений равновесия можно определять величины опорных реакций. Уравнения равновесия плоской системы пишутся в трех формах: 1) X = 0, Y = 0, M A = 0 ( X и Y – суммы проекций сил на взаимно-пересекающиеся оси x и y, M A – сумма моментов всех сил относительно любой точка A); 2) X = 0, M A = 0, M B = 0 (точки A и B не должны лежать на одном перпендикуляре к оси x ); 3) M A = 0, M B = 0, M C = 0 (точки А, В, С не должны лежать на одной прямой).

В элементах плоской стержневой системы возникают три внутренних усилия: 2. Внутренние усилия стержневой системы N продольная сила, Q поперечная сила, M изгибающий момент. 1) эпюра M изображается на стороне растянутого волокна. Ее знак обычно не устанавливается; 2) поперечная сила положительна, если вращает элемент по часовой стрелке, и отрицательна, если вращает элемент против часовой стрелки; 3) продольная сила положительна, если растягивает элемент, и отрицательна, если сжимает его. В строительной механике используется следующее правило знаков внутренних усилий: Внутренние усилия вычисляются по формулам:

Между Q и Q существует дифференциальная зависимость (формула Журавского): Для определения знака Q по M ось эпюры M нужно повернуть до совпадения с ее касательной. Если поворот будет по часовой стрелке, Q берется со знаком «+», а если против часовой стрелки, то со знаком «–». Эпюры поперечных сил Q и продольных сил N можно изображать на любой стороне от оси стержня со своими знаком. Но эпюру изгибающего момента M нужно обязательно изображать на стороне растянутого волокна.

3. Методы определения внутренних усилий Внутренние усилия определяются методами простых сечений, совместных сечений, вырезания узла и замены связей Метод простых сечений Этот метод позволяет рассматривать внутреннее усилие как внешнюю силу и определять его из уравнений статики (равновесия): Алгоритм метода простых сечений: 1) поделить систему на участки; 2) выбрать участок и провести поперечное сечение; 3) выбрать одну (наиболее простую) отсеченную часть; 4) составить три уравнения равновесия; 5) из них определить внутренние усилия M, Q, N; 6) для данного участка построить эпюры M, Q, N; 7) повторить пункты 2-6 для остальных участков.

3.2. Метод совместных сечений Используется при расчете многодисковых систем. Например, при расчете трехдисковой рамы проводятся три сечения I, II, III. Составив для каждого диска по три уравнения равновесия, из 9 уравнений определяются девять неизвестных реакций: опорные реакции R 1, R 2, H и междисковые реакции X 1, X 2, X 3, Y 1, Y 2, Y 3. Алгоритм метода совместных сечений: 1) совместными сечениями разделить систему на части (диски); 2) обозначить опорные и междисковые реакции; 3) для каждого диска записать уравнения равновесия; 4) решить систему полученных уравнений и определить реакции; 5) каждый диск рассчитать отдельно и построить эпюры; 6) объединить все эпюры в общие эпюры M, Q, N.

3.3. Метод вырезания узла Используется для определения усилий простых систем. Его сущность: вырезается узел с не более чем двумя неизвестными усилиями; силы, действующие в узле проецируются на две оси; из этих уравнений определяются искомые усилия. Рассмотрим пример: После определения опорных реакций вырезается узел А и составляются уравнения равновесия: X = N 2 cos45– N 1 cos45= 0, Y = N 1 sin45+ N 2 sin45+ P/2 = 0. Из них определяются искомые продольные силы:

3.4. Метод замены связей Используется при расчете сложных статически определимых систем, которые трудно рассчитать другими способами. Его сущность: сложная система превращается в более простую путем перестановки одной связи в другое место; из условия эквивалентности заданной и заменяющей систем определяется усилие в переставленной связи; затем система рассчитывается известными способами. Например, для расчета следующей рамы в заданной системе ЗС удалим правый вертикальный стержень и введем связь в левый шарнир. Тогда вместо шарнира получим припайку С, а стержни будут жестко связаны. Обозначив усилие в удаленной связи через X, получим основную систему ОС :

Предыдущее уравнение примет вид: X + M C,P =0, где =1 a = a – момент в точке С в единичном состоянии, M C,P =qa 2 /2 – момент в точке С в грузовом состоянии. Тогда неизвестное усилие будет: X= –M C,P / = – qa/2. Условие эквивалентности заданной (ЗС) и основной (ОС) систем: M C =0. По принципу суперпозиции имеем: M C =M C,X + M C,P =0. Теперь рассмотрим два состояния основной системы: 1) единичное состояние (ЕС) прикладывается сила X=1 ; 2) грузовое состояние (ГС) прикладывается нагрузка: После этого можно перейти к расчету более простой системы:

В более сложных случаях переставляются несколько связей и записываются столько же условий эквивалентности: s 11 X 1 + s 12 X s 1n X n + S 1P =0, s 21 X 1 + s 22 X s 2n X n + S 2P =0, s n1 X 1 + s n2 X s nn X n + S nP =0. Здесь 1, 2,, n – заменяемые связи; X 1, X 2,, X n – неизвестные внутренние усилия в этих связях. Из этой системы уравнений определяются неизвестные силы. Общий вывод. Расчет любой статически определимой системы приводит к решению системы n линейных уравнений с n неизвестными. Если определитель полученной системы уравнений отличен от нуля (det 0), внутренние усилия будут конечными величинами. Если же определитель равняется нулю (det=0), то внутренние усилия определить нельзя. В этом случае данная система мгновенно изменяема.