Рассчитывать балку на изгиб можно несколькими вариантами: 1. Расчет максимальной нагрузки, которую она выдержит 2. Подбор сечения этой балки 3. Расчет по максимальным допустимым напряжениям (для проверки)[/i]
Давайте рассмотрим общий принцип подбора сечения балки на двух опорах загруженной равномерно распределенной нагрузкой или сосредоточенной силой.
Для начала, вам необходимо будет найти точку (сечение), в которой будет максимальный момент. Это зависит от опирания балки или же ее заделки. Снизу приведены эпюры изгибающих моментов для схем, которые встречаются чаще всего.
Далее, при делении максимального изгибающего момента на момент сопротивления в данном сечении, мы получаем максимальное напряжение в балке и это напряжение мы должны сравнить с напряжением, которое вообще сможет выдержать наша балка из заданного материала.
Для пластичных материалов (сталь, алюминий и т.п.) максимальное напряжение будет равно пределу текучести материала , а для хрупких (чугун) – пределу прочности . Предел текучести и предел прочности мы можем найти по таблицам ниже.
Давайте рассмотрим пару примеров:
1. [i]Вы хотите проверить, выдержит ли вас двутавр №10 (сталь Ст3сп5) длиной 2 метра жестко заделанного в стену, если вы на нем повисните. Ваша масса пусть будет 90 кг.[/i] Для начала нам необходимо выбрать расчетную схему.
На данной схеме видно, что максимальный момент будет в заделке, а поскольку наш двутавр имеет одинаковое сечение по всей длине , то и максимальное напряжение будет в заделке. Давайте найдем его:
По таблице сортамента двутавров находим момент сопротивления двутавра №10.
Он будет равен 39.7 см3. Переведем в кубические метры и получим 0.0000397 м3.
Далее по формуле находим максимальные напряжения, которые у нас возникают в балке.
После того, как мы нашли максимальное напряжение, которое возникает в балке, то мы его может сравнить с максимально допустимым напряжением равным пределу текучести стали Ст3сп5 – 245 МПа.
45.34 МПа Надеюсь, что данная статья была вам полезна, и рассчитываю на вашу благодарность 🙂
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОГИБОВ БАЛКИ НА ДВУХ ОПОРАХ
Лабораторная работа
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОГИБОВ БАЛКИ
НА ДВУХ ОПОРАХ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОГИБОВ БАЛКИ НА ДВУХ ОПОРАХ
Приобретение практических навыков по измерению прогибов балки.
Содержание работы.
Балка – это стержень, нагруженный силами, действующими в направлении, перпендикулярном его оси. В инженерной практике часто возникает необходимость в определении величины прогибов балки под нагрузкой. Чаще всего это связано с необходимостью ограничения максимального прогиба балки.
Рассмотрим схему балки на двух опорах (шарнирно-подвижной и шарнирно-неподвижной), нагруженной сосредоточенной силой Р в произвольной точке С (рис.1). До приложения силы Р продольная ось балки представляла собой прямую. Под действием силы Р ось балки превратилась в кривую АСВ.
Рис. 1. Схема нагружения балки.
Пусть плоскость ХУявляется плоскостью симметрии балки, и все нагрузки действуют в этой плоскости. Тогда кривая АСВназываемая линией прогибовбалки, или упругой линиейбалки, будет также лежать в этой плоскости.
Алгебраическое решение упругой линии балки методом дифференциальных уравнений выглядит так:
прогиб балки на расстоянии z от левой опоры (см. рис. 1)
при 0 ≤ z ≤ a
(1)
при а ≤ z ≤ l
(2)
где Е– модуль упругости материала балки (для стали E = 2·10 5 МПа), J – осевой момент инерции сечения балки (bи ширина и высота сечения балки).
Оборудование и материалы:
1. Установка ТМт — 12.
2. Индикатор часового типа ИЧ — 10.
3. Грузы подвесные.
Установка ТМт-12 (см. рис.2) выполнена в настольном исполнении и состоит из сварного основания 1, на котором закреплены стойки 2 и 3. На стойках установлена контрольная балка 4, левый конец которой располагается на шарнирно-подвижной опоре 5, а правый — на шарнирно-неподвижной опоре 6. Нагружение балки выполняется с помощью подвеса 7 и гирь. Для фиксации положения подвеса 7 на балке нанесены риски с интервалом 50 мм. Вертикальные перемещения балки (прогибы) измеряются индикаторной головкой часового типа 8, закрепленной на кронштейне 9. Кронштейн можно перемещать по направляющей 10 и фиксировать его положение с помощью винтов 11.
Цена одного деления индикатора часового типа– 0,01 мм. Один оборот большой стрелки соответствует вертикальному перемещению штока индикатора на 1 мм. Полный рабочий ход штока– 10 мм.
Рис. 2.Установка ТМт-12
Меры безопасности:
К работе с указанной установкой допускаются лица, ознакомленные с её устройством, принципом действия и порядком проведения работы.
Порядок выполнения работы:
1. Измерить необходимые размеры балки на двух опорах. Рассчитать осевые моменты инерции и сопротивления сечения балки.
2. Для выполнения работы с шарнирно-опертой балкой освободить винт на правой опоре. Для выполнения работы с заделкой на правой опоре наоборот, завернуть винт.
3. Убедиться, что запас хода штока индикаторной головки 8 в нижнем направлении составляет не менее 10 мм, при необходимости переустановить головку.
4. Получить у преподавателя задание на выполнение работы.
5. Нагрузить балку подвесными грузами в соответствии с полученным заданием. С помощью индикаторной головки измерить величину прогиба балки в заданных сечениях. При этом перед каждым измерением следует разгружать балку и, переместив кронштейн в нужное положение, выставлять стрелку индикаторной головки на ноль.
6. С помощью второй индикаторной головки измерить вертикальное перемещение левого края балки. Вычислить угол поворота сечения.
7. Составить отчет и подготовиться к защите по теоретическим вопросам.
Содержание отчета:
1. Название и цель работы.
3. Результаты расчетов.
4. Таблица результатов эксперимента (измерений прогибов)
5. Графики прогибов балки, построенных по теоретическим и экспериментальным данным.
Варианты заданий:
Произвести 6-7 замеров показаний индикатора часового типа по всей длине нагруженной балки (в местах примерно равноотстоящих друг от друга) при следующих значениях массы подвешиваемого груза 7 (рис. 2) и расстояний a от левой опоры до места подвеса груза
Таблица 1. Варианты заданий.
Вариант задания
Масса груза (кг)
Расстояние a (см)
Контрольные вопросы по теории:
1. Как определяются реакции опор для шарнирно-опертой балки?
2. Какие внутренние силовые факторы возникают в поперечных сечениях балок при изгибе?
3. Какой изгиб называется чистым?
4. Какой изгиб называется поперечным?
5. Какой изгиб называется прямым?
6. Какой вид изгиба реализуется на лабораторной установке, используемой в работе?
7. Правило знаков для внутренних поперечных усилий при изгибе.
8. Правило знаков для внутренних изгибающих моментов.
9. Дифференциальные зависимости между распределенной нагрузкой, поперечной силой и изгибающим моментом при поперечном изгибе.
10. В каких сечениях имеют место скачки на эпюре поперечных сил?
11. В каких сечениях имеют место скачки на эпюре изгибающих моментов?
12. На каких допущениях построена теория нормальных напряжений при чистом изгибе?
13. Что такое нейтральный слой и нейтральная линия?
14. Откуда следует, что при изгибе нейтральная линия проходит через центр тяжести поперечного сечения?
15. Что такое статически определимая балка?
16. Что такое статически неопределимая балка?
17. В чем состоит гипотеза плоских сечений?
18. Как распределены нормальные напряжения по высоте балки при изгибе?
19. Как распределены нормальные напряжения по ширине балки при изгибе?
20. В каких точках сечения наибольшие нормальные напряжения?
21. Что такое осевой момент инерции сечения балки и какова его размерность?
22. Что такое осевой момент сопротивления и какова его размерность?
23. Как вычислить момент инерции относительно центральной оси для прямоугольного поперечного сечения балки?
24. Как вычислить момент сопротивления для прямоугольного поперечного сечения балки?
25. Во сколько раз уменьшатся максимальные нормальные напряжения в прямоугольном сечении балки, если ее высота увеличится в два раза?
26. Что такое жесткость поперечного сечения на изгиб?
27. Формула для определения кривизны нейтрального слоя через изгибающий момент.
28. Что такое прогиб, угол поворота сечения?
29. Дифференциальное соотношение между прогибом и углом поворота сечения.
30. Дифференциальное соотношение между изгибающим моментом и углом поворота сечения.
Представлены расчетные схемы, различные виды действующих нагрузок, эпюры сил, отображающие характер изменения касательных напряжений, эпюры изгибающих моментов, отображающие характер изменения нормальных напряжений, возникающих в поперечном сечении балки, а также формулы для определения опорных реакций, действующего изгибающего момента, максимального изгибающего момента, формулы для определения прогиба балки на расстоянии х от начала балки и формулы для определения максимального прогиба балки, а также формулы для определения тангенса угла поворота поперечного сечения на опорах и на концах — для консольных балок. Классификация производилась не по действующим нагрузкам, а по виду опор балки. В данном разделе представлены статически определимые балки.
Ось х, относительно которой производятся расчеты изгибающего момента и прогиба, соответствует продольной оси, проходящей через центр тяжести поперечных сечений балки. Значение момента инерции I следует определять относительно оси z .
Если в таблицах отсутствует формула для определения прогиба на каком-то из участков балки (из-за чрезмерной длины формулы), то опять же ее можно вывести, дважды должным образом проинтегрировав уравнение изгибающего момента, разделив результат на EI и добавив к этому результат интегрирования угла поворота.
В общем виде уравнение для определения углов поворота выглядит так:
θх = — θA + Мх/EI + Ax 2 /2EI — qx 3 /6ЕI
например, для шарнирной балки, к которой приложена сосредоточенная нагрузка (таблица 1, №1.1, момент и распределенная нагрузка осутствуют) на участке от начала балки до точки приложения силы (0 θх = — θA + Ax 2 /2EI = — Ql 2 /16EI + Qx 2 /4EI = Q(4x 2 — l 2 )/16EI
Соответственно в общем виде уравнение для определения прогиба выглядит так:
fх = — θAx + Мх 2 /2EI + Ax 3 /6EI — qx 4 /24ЕI
для той же шарнирной балки на участке от начала балки до точки приложения силы (0 fх= — θAx + Ax 3 /6EI = — Ql 2 x/16EI + Qx 3 /12EI = Qx(4x 2 — 3l 2 )/48EI
На участке от точки приложения силы до конца балки (l/2 fх = — θAx + Ax 3 /6EI — Q(x — l/2) 3 /6EI
Эпюры углов поворота и прогибов поперечного сечения по длине балки не приводятся. Если в формуле прогиба есть знак минус, то это значит, что балка прогибается вниз (что в общем-то логично), а если быть более точным, то центр тяжести поперечного сечения смещается вниз по оси у.
Представленные расчетные схемы позволяют рассчитать балку практически при любом возможном виде нагрузки. Если на балку действует несколько различных нагрузок, то можно производить отдельный расчет для каждой схемы загружения, а затем полученные результаты сложить (с учетом знаков). Это правило называется принципом суперпозиции и в некоторых случаях значительно упрощает общий расчет, а также экономит уйму времени на поиск в сети подходящей расчетной схемы.
1. БАЛКА НА ДВУХ ШАРНИРНЫХ ОПОРАХ
2. КОНСОЛЬНАЯ БАЛКА
3. БАЛКА НА ШАРНИРНЫХ ОПОРАХ С КОНСОЛЯМИ
Расчетные схемы для статически неопределимых балок смотри здесь.
Расчет балки онлайн
Для расчета балок первым делом необходимо определить усилия, возникающие в конструкциях. В данном разделе показано, как находить усилия, опорные реакции, прогибы и углы поворота в различных изгибаемых конструкциях. Для самых распространенных из них вы можете воспользоваться онлайн расчетом. Для редких – приведены все формулы определения необходимых значений.
Расчет балки на двух шарнирных опорах (Q)
Онлайн расчет балки н/а двух опорах (калькулятор).
Приведен расчет на момент, прогиб и опорные реакции от сосредоточенной и распределнной силы.
Синие ячейки – ввод данных. (Белые ячейки – ввод координаты для определения промежуточного итога).
Зеленые ячейки – расчетные, промежуточный итог.
Оранжевые ячейки – максимальные значения.
>>> Перейти к расчету балки на двух опорах >> Перейти к расчету консольной балки
Рис.1 Расчет балки на двух шарнирных опорах при одной сосредоточенной нагрузке
Рис.2 Расчет балки на двух шарнирных опорах при двух сосредоточенных нагрузках
Рис.3 Расчет балки на двух шарнирных опорах при одной равномерно-распределенной нагрузке
Рис4. Расчет балки на двух шарнирных опорах при одной неравномерно-распределенной нагрузке
Рис5. Расчет балки на двух шарнирных опорах при действии изгибающего момента
Расчет балок с жестким защемлением на двух опорах
Рис6. Расчет балки с жестким защемлением на опорах при одной сосредоточенной нагрузке
Рис7. Расчет балки с жестким защемлением на опорах при двух сосредоточенных нагрузках
Рис8. Расчет балки с жестким защемлением на опорах при одной равномерно-распределенной нагрузке
Рис9. Расчет балки с жестким защемлением на опорах при одной неравномерно-распределенной нагрузке
Рис10.Расчет балки с жестким защемлением на опорах при действии изгибающего момента
Расчет консольных балок
Рис11. Расчет однопролетной балки с жестким защемлением на одной опоре при одной сосредоточенной нагрузке
Рис12. Расчет однопролетной балки с жестким защемлением на одной опоре при одной равномерно-распределенной нагрузке
Рис13. Расчет однопролетной балки с жестким защемлением на одной опоре при одной неравномерно-распределенной нагрузке
Рис14. Расчет однопролетной балки с жестким защемлением на одной опоре при действии изгибающего момента
Расчет двухпролетных балок
Рис15. Расчет двухпролетной балки с шарнирными опорами при одной сосредоточенной нагрузке
Рис16. Расчет двухпролетной балки с шарнирными опорами при одной равномерно-распределенной нагрузке
Определение прогибов балки на двух опрах
Министерство образования и науки РФ
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Кафедра Механики композиционных материалов и конструкций
Лабораторная работа
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОГИБОВ БАЛКИ
НА ДВУХ ОПОРАХ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОГИБОВ БАЛКИ НА ДВУХ ОПОРАХ
Приобретение практических навыков по измерению прогибов балки.
Содержание работы.
Балка – это стержень, нагруженный силами, действующими в направлении, перпендикулярном его оси. В инженерной практике часто возникает необходимость в определении величины прогибов балки под нагрузкой. Чаще всего это связано с необходимостью ограничения максимального прогиба балки.
Рассмотрим схему балки на двух опорах (шарнирно-подвижной и шарнирно-неподвижной), нагруженной сосредоточенной силой Р в произвольной точке С (рис.1). До приложения силы Р продольная ось балки представляла собой прямую. Под действием силы Р ось балки превратилась в кривую АСВ.
Рис. 1. Схема нагружения балки.
Пусть плоскость ХУ является плоскостью симметрии балки, и все нагрузки действуют в этой плоскости. Тогда кривая АСВ называемая линией прогибов балки, или упругой линией балки, будет также лежать в этой плоскости.
Алгебраическое решение упругой линии балки методом дифференциальных уравнений выглядит так:
прогиб балки на расстоянии z от левой опоры (см. рис. 1)
при 0 ≤z≤a
(1)
при а ≤z≤l
(2)
где Е– модуль упругости материала балки (для стали E = 2·10 5 МПа), J – осевой момент инерции сечения балки ( и ширина и высота сечения балки).
Оборудование и материалы:
Установка ТМт — 12.
Индикатор часового типа ИЧ — 10.
Установка ТМт-12 (см. рис.2) выполнена в настольном исполнении и состоит из сварного основания 1, на котором закреплены стойки 2 и 3. На стойках установлена контрольная балка 4, левый конец которой располагается на шарнирно-подвижной опоре 5, а правый — на шарнирно-неподвижной опоре 6. Нагружение балки выполняется с помощью подвеса 7 и гирь. Для фиксации положения подвеса 7 на балке нанесены риски с интервалом 50 мм. Вертикальные перемещения балки (прогибы) измеряются индикаторной головкой часового типа 8, закрепленной на кронштейне 9. Кронштейн можно перемещать по направляющей 10 и фиксировать его положение с помощью винтов 11.
Цена одного деления индикатора часового типа– 0,01 мм. Один оборот большой стрелки соответствует вертикальному перемещению штока индикатора на 1 мм. Полный рабочий ход штока– 10 мм.
Рис. 2.Установка ТМт-12
Меры безопасности:
К работе с указанной установкой допускаются лица, ознакомленные с её устройством, принципом действия и порядком проведения работы.
Порядок выполнения работы:
Измерить необходимые размеры балки на двух опорах. Рассчитать осевые моменты инерции и сопротивления сечения балки.
Для выполнения работы с шарнирно-опертой балкой освободить винт на правой опоре. Для выполнения работы с заделкой на правой опоре наоборот, завернуть винт.
Убедиться, что запас хода штока индикаторной головки 8 в нижнем направлении составляет не менее 10 мм, при необходимости переустановить головку.
Получить у преподавателя задание на выполнение работы.
Нагрузить балку подвесными грузами в соответствии с полученным заданием. С помощью индикаторной головки измерить величину прогиба балки в заданных сечениях. При этом перед каждым измерением следует разгружать балку и, переместив кронштейн в нужное положение, выставлять стрелку индикаторной головки на ноль.
С помощью второй индикаторной головки измерить вертикальное перемещение левого края балки. Вычислить угол поворота сечения.
Составить отчет и подготовиться к защите по теоретическим вопросам.
Содержание отчета:
Название и цель работы.
Таблица результатов эксперимента (измерений прогибов)
Графики прогибов балки, построенных по теоретическим и экспериментальным данным.
Варианты заданий:
Произвести 6-7 замеров показаний индикатора часового типа по всей длине нагруженной балки (в местах примерно равноотстоящих друг от друга) при следующих значениях массы подвешиваемого груза 7 (рис. 2) и расстояний a от левой опоры до места подвеса груза
Расчетные схемы для балок
В общем виде уравнение для определения углов поворота выглядит так:
например, для шарнирной балки, к которой приложена сосредоточенная нагрузка (таблица 1, №1.1, момент и распределенная нагрузка отсутствуют) на участке от начала балки до точки приложения силы (0 2 /2EI = — Ql 2 /16EI + Qx 2 /4EI = Q(4x 2 — l 2 )/16EI (173.2)
Соответственно в общем виде уравнение для определения прогиба выглядит так:
для той же шарнирной балки на участке от начала балки до точки приложения силы (0 3 /6EI = — Ql 2 x/16EI + Qx 3 /12EI = Qx(4x 2 — 3l 2 )/48EI (173.4)
На участке от точки приложения силы до конца балки (l/2 3 /6EI — Q(x — l/2) 3 /6EI (173.5)
Эпюры углов поворота и прогибов поперечного сечения по длине балки не приводятся. Если в формуле прогиба есть знак минус, то это значит, что балка прогибается вниз (что в общем-то логично), а если быть более точным, то центр тяжести поперечного сечения смещается вниз по оси у.
Представленные расчетные схемы позволяют рассчитать балку практически при любом возможном виде нагрузки. Если на балку действует несколько различных нагрузок, то можно производить отдельный расчет для каждой схемы загружения, а затем полученные результаты сложить (с учетом знаков). Это правило называется принципом суперпозиции и в некоторых случаях значительно упрощает общий расчет, а также экономит уйму времени на поиск в сети подходящей расчетной схемы.
Отдельно приводится пример расчета балки при общем случае загружения несколькими сосредоточенными нагрузками, приложенными несимметрично, по двум вариантам: упрощенному и полному. Сделал я это для наглядности, потому что устал каждый раз объяснять, что не всегда есть большая необходимость в точных расчетах.
Кроме того, для людей, оснащенных планшетами, айфонами и прочими современными гаджетами, всегда есть возможность скачать программу, значительно упрощающую расчеты. Често скажу, это не моя программа, тем не менее создателю этого програмного обеспечения я искренне благодарен.
Таблица 1.Балка на двух шарнирных опорах.
Таблица 2.Консольная балка.
Таблица 3.Балка на шарнирных опорах с консолями.
Таблица 2.Консольная балка.
Таблица 3.Балка на шарнирных опорах с консолями.
Формула прогиба балки на двух опорах
Перед началом расчета стальной балки необходимо собрать нагрузку, действующая на металлическую балку. В зависимости от продолжительности действия нагрузки разделяют на постоянные и временные.
К постоянным нагрузкам относятся:
собственный вес металлической балки;
собственный вес перекрытия и т.д.;
К временным нагрузкам относятся:
длительная нагрузка (полезная нагрузка, принимается в зависимости от назначения здания);
кратковременная нагрузка (снеговая нагрузка, принимается в зависимости от географического расположения здания);
особая нагрузка (сейсмическая, взрывная и т.д. В рамках данного калькулятора не учитывается);
Нагрузки на балку разделяют на два типа: расчетные и нормативные. Расчетные нагрузки применяются для расчета балки на прочность и устойчивость (1 предельное состояние). Нормативные нагрузки устанавливаются нормами и применяется для расчета балки на прогиб (2 предельное состояние). Расчетные нагрузки определяют умножением нормативной нагрузки на коэффициент нагрузки по надежности. В рамках данного калькулятора расчетная нагрузка применяется при определении прогиба балки в запас.
Нагрузки можно собрать на нашем сайте.
После того как собрали поверхностную нагрузку на перекрытие, измеряемой в кг/м2, необходимо посчитать сколько из этой поверхностной нагрузки на себя берет балка. Для этого надо поверхностную нагрузку умножить на шаг балок(так называемая грузовая полоса).
Например: Мы посчитали, что суммарная нагрузка получилась Qповерхн.= 500кг/м2, а шаг балок 2,5м. Тогда распределенная нагрузка на металлическую балку будет: Qраспр.= 500кг/м2 * 2,5м = 1250кг/м. Эта нагрузка вносится в калькулятор
2. Построение эпюр
Далее производится построение эпюры моментов, поперечной силы. Эпюра зависит от схемы нагружения балки, вида опирания балки. Строится эпюра по правилам строительной механики. Для наиболее частоиспользуемых схем нагружения и опирания существуют готовые таблицы с выведенными формулами эпюр и прогибов.
3. Расчет по прочности и прогибу
После построения эпюр производится расчет по прочности (1 предельное состояние) и прогибу (2 предельное состояние). Для того, чтобы подобрать балку по прочности, необходимо найти требуемый момент инерции Wтр и из таблицы сортамента выбрать подходящий металлопрофиль. Вертикальный предельный прогиб fult принимается по таблице 19 из СНиП 2.01.07-85* (Нагрузки и воздействия). Пункт2.а в зависимости от пролета. Например предельный прогиб fult=L/200 при пролете L=6м. означает, что калькулятор подберет сечение прокатного профиля (двутавра, швеллера или двух швеллеров в коробку), предельный прогиб которого не будет превышать fult=6м/200=0,03м=30мм. Для подбора металлопрофиля по прогибу находят требуемый момент инерции Iтр, который получен из формулы нахождения предельного прогиба. И также из таблицы сортамента подбирают подходящий металлопрофиль.
4. Подбор металлической балки из таблицы сортамента
Из двух результатов подбора (1 и 2 предельное состояние) выбирается металлопрофиль с большим номером сечения.
Выполнение расчета прогиба деревянной балки
В современном индивидуальном строительстве деревянные балки используются почти в каждом проекте. Найти постройку, в которой не используются деревянные перекрытия, практически невозможно. Деревянные балки применяются и для устройства полов, и в качестве несущих элементов, как опоры для межэтажных и чердачных перекрытий.
Формула расчета прогиба балки.
Известно, что деревянные балки, как и любые другие, могут прогибаться под воздействием различных нагрузок. Эта величина – стрелка прогиба – зависит от материала, характера нагрузки и геометрических характеристик конструкции. Небольшой прогиб вполне допустим. Когда мы ходим, например, по деревянному настилу, то чувствуем, как пол слегка пружинит, однако если такие деформации незначительны, то нас это мало беспокоит.
Насколько можно допустить прогиб, определяется двумя факторами:
Прогиб не должен превышать расчетных допустимых значений.
Прогиб не должен мешать эксплуатации здания.
Чтобы узнать, насколько будут деформироваться деревянные элементы в конкретном случае, нужно произвести расчеты на прочность и жесткость. Подробные и детальные расчеты такого рода – это работа инженеров-строителей, однако, имея навык математических вычислений и зная несколько формул из курса сопротивления материалов, вполне можно самостоятельно рассчитать деревянную балку.
Вспомогательная таблица для расчета количества балок.
Любая постройка должна быть прочной. Именно поэтому балки перекрытия проверяют в первую очередь на прочность, чтобы конструкция могла выдерживать все необходимые нагрузки, не разрушаясь. Кроме прочности конструкция должна обладать жесткостью и устойчивостью. Величина прогиба является элементом расчета на жесткость.
Прочность и жесткость неразрывно связаны между собой. Вначале делают расчеты на прочность, а затем, используя полученные результаты, можно сделать расчет прогиба.
Чтобы правильно спроектировать собственный загородный дом, необязательно знать полный курс сопротивления материалов. Но углубляться в слишком подробные вычисления не стоит, как и просчитывать различные варианты конструкций.
Чтобы не ошибиться, лучше воспользоваться укрупненными расчетами, применяя простые схемы, а высчитывая нагрузки на несущие элементы, всегда делать небольшой запас в большую сторону.
Алгоритм вычисления прогиба
Рассмотрим упрощенную схему расчета, опуская некоторые специальные термины, и формулы для расчета двух основных случаев нагружения, принятых в строительстве.
Нужно выполнить следующие действия:
Составить расчетную схему и определить геометрические характеристики балки.
Определить максимальную нагрузку на этот несущий элемент.
При необходимости проверить брус на прочность по изгибающему моменту.
Вычислить максимальный прогиб.
Расчетная схема балки и момент инерции
Расчетную схему сделать довольно просто. Нужно знать размеры и форму поперечного сечения элемента конструкции, способ опирания, а также пролет, то есть расстояние между опорами. Например, если вы укладываете опорные брусья перекрытия на несущие стены дома, а расстояние между стенами 4 м, то пролет будет l=4 м.
Деревянные балки рассчитывают как свободно опертые. Если это балка перекрытия, то принимается схема с равномерно распределенной нагрузкой q. В случае если нужно определить изгиб от сосредоточенной нагрузки (например, от небольшой печки, выложенной прямо на перекрытии), принимается схема с сосредоточенной нагрузкой F, равной весу, который будет давить на конструкцию.
Для определения величины прогиба f необходима такая геометрическая характеристика, как момент инерции сечения J.
Схема монтажа деревянных балок перекрытий.
Для прямоугольного сечения момент инерции подсчитывается по формуле:
b – ширина сечения;
h – высота сечения балки.
Например, для сечения размером 15х20 см момент инерции будет равен:
J=15*20^3/12=10 000 см^4=0,0001 м^4.
Здесь нужно обратить внимание на то, что момент инерции прямоугольного сечения зависит от того, как оно сориентировано в пространстве. Если брус положить широкой стороной на опоры, то момент инерции будет значительно меньше, а прогиб – больше. Этот эффект каждый может прочувствовать на практике. Все знают, что доска, положенная обычным способом, прогибается гораздо сильнее, чем та же доска, положенная на ребро. Это свойство очень хорошо отражается в самой формуле для вычисления момента инерции.
Определение максимальной нагрузки
Для определения максимальной нагрузки на балку нужно сложить все ее составляющие: вес самого бруса, вес перекрытия, вес обстановки вместе с находящимися там людьми, вес перегородок. Все это нужно сделать в пересчете на 1 пог.м балки. Таким образом, нагрузка q будет состоять из следующих показателей:
Расчет на смятие опорных участков балки.
вес 1 пог.м балки;
вес 1 кв.м перекрытия;
временная нагрузка на перекрытие;
нагрузка от перегородок на 1 кв.м перекрытия.
Кроме того, нужно учесть коэффициент k, равный расстоянию между балками, измеренному в метрах.
Для упрощения подсчетов можно принять усредненный вес перекрытия 60 кг/м², принятую в строительстве нормативную временную нагрузку на перекрытие, равную 250 кг/м², нагрузку от перегородок по тем же нормативам 75 кг/м², вес деревянной балки можно вычислить, зная объем и плотность древесины. Для сечения 0,15х0,2 м этот вес будет равен 18 кг/пог.м. Если расстояние между брусьями перекрытия равно 600 мм, то коэффициент k равен 0,6.
Подсчитываем: q=(60+250+75)*0,6+18=249 кг/м.
Перейдем к расчету величины максимального прогиба.
Расчеты максимального прогиба
Для рассматриваемого случая с равномерно распределенной нагрузкой максимальный прогиб рассчитывается по формуле:
В этой формуле величина Е – это модуль упругости материала. Для древесины Е=100 000 кгс/м².
Подставляя полученные ранее величины, получаем, что максимальный прогиб деревянной балки сечением 0,15х0,2 м и длиной 4 м будет равен 0,83 см.
Если принять расчетную схему с сосредоточенной нагрузкой, то формула для подсчета прогиба будет другая:
F – сила давления на брус, например, вес печи или другого тяжелого оборудования.
Модуль упругости Е для разных видов древесины различен, эта характеристика зависит не только от породы дерева, но и от вида бруса – цельные балки, клееный брус или оцилиндрованное бревно имеют различные модули упругости.
Подобные вычисления могут производиться с различными целями. Если вам нужно просто узнать, в каких пределах будут находиться деформации элементов конструкции, то после определения стрелки прогиба дело можно считать завершенным. Но если вас интересует, насколько полученные результаты соответствуют строительным нормам, то необходимо выполнить сравнение полученных результатов с цифрами, приведенными в соответствующих нормативных документах.
Расчет опорных реакций балки на двух опорах онлайн
Определение опорных реакций
Построение эпюр поперечных сил и моментов
Просмотр хода решения
Описание
Расчет выполняется по следующей методике:
1. Заменяем распределенную нагрузку ее равнодействующей, которая является сосредоточенной силой. Для равномерно распределенной нагрузки равнодействующая равна произведению интенсивности нагрузки q на длину участка L, на котором она действует: Fq = q*L.
2. Обозначаем опоры. Общепринято их обозначать буквами А и В. Простая балка имеет одну шарнирно-неподвижную и одну шарнирно-подвижную опоры.
3. Освобождаемся от опор и заменяем их действие на балку реакциями. Реакции опор при такой нагрузке будут только вертикальными.
4. Составляем уравнения равновесия вида: MA = 0; MB = 0, Моментом силы относительно точки называется произведение этой силы на плечо — кратчайшее расстояние от этой точки приложения силы (в общем случае — до линии действия силы).
5. Выполним проверку решения. Для этого составим уравнение равновесия: Y = 0, Если оно удовлетворено, то реакции найдены правильно, а если нет, но в решении допущена ошибка.
6. Строим эпюру поперечных сил Qx. Для этого определяем значения поперечных сил в характерных точках. Напомним, что поперечная сила в сечении равна сумме проекций всех сил, расположенных только слева или только справа от рассматриваемого сечения, на ось, перпендикулярную оси элемента. Силу, расположенную слева от рассматриваемого сечения и направленную вверх, считают положительной (со знаком «плюс»), а направленную вниз — отрицательной (со знаком «минус»). Для правой части балки — наоборот. В сечениях, соответствующих точкам приложения сосредоточенных сил, в том числе в точках приложения опорных реакций, необходимо определить два значения поперечной силы: чуть левее рассматриваемой точки и чуть правее ее. Поперечные силы в этих сечениях обозначаются соответственно Qлев и Qправ. Найденные значения поперечных сил в характерных точках откладываются в некотором масштабе от нулевой линии. Эти значения соединяются прямыми линиями по следующим правилам: а) если к участку балки нет распределенной нагрузки, то под этим участком значения поперечных сил соединяются прямой линией, параллельной нулевой линии; б) если на участке балки приложена распределенная нагрузка, то под этим участком значения поперечных сил соединяются прямой, наклонной к нулевой линии. Она может пересекать или не пересекать нулевую линию. Соединив все значения поперечных сил по указанным правилам, получим график изменения поперечных сил по длине балки. Такой график называется эпюрой Qx.
7. Строим эпюру изгибающих моментов Мx. Для этого определяем изгибающие моменты в характерных сечениях. Напомним, что изгибающий момент в рассматриваемом сечении равен сумме моментов всех сил (распределенных, сосредоточенных, в том числе и опорных реакций, а также внешних сосредоточенных моментов), расположенных только слева или только справа от этого сечения. Если любое из перечисленных силовых воздействий стремится повернуть левую часть балки по часовой стрелке, то оно считается положительным (со знаком «плюс»), если против — отрицательным (со знаком «минус»), а для правой части наоборот. В сечениях, соответствующих точкам приложения сосредоточенных моментов, необходимо определить два значения изгибающего момента: чуть левее рассматриваемой точки и чуть правее ее. Изгибающие моменты в этих точках обозначаются соответственно Млев и Мправ. В точках приложения сил определяется одно значение изгибающего момента. Полученные значения откладываются в некотором масштабе от нулевой линии. Эти значения соединяются в соответствии со следующими правилами: а) если на участке балки нет распределенной нагрузки, то под этим участком балки два соседних значения изгибающих моментов соединяются прямой линией; б) если к участку балки приложена распределенная нагрузка, то под этим участком значения изгибающих моментов для двух соседних точек соединяются по параболе.