primeri_zao
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА СОПРОТИВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ И СТРОИТЕЛЬНОЙ МЕХАНИКИ
СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ
(ОБЩИЙ КУРС)
Примеры решения контрольных работ для студентов заочной формы обучения всех строительных специальностей
Краснодар
2008
Составитель: канд. физ.-мат. наук, доц. С.Ю. Молдаванов
УДК 539.3/8
Сопротивление материалов (общий курс): Примеры решения контрольных работ для студентов заочной формы обучения всех строительных специальностей / С.Ю. Молдаванов − Краснодар: Изд. КубГТУ, 2008. − 43 с.
В предлагаемых методических указаниях приведены примеры решения контрольных работ, выполняемых студентами-заочниками всех строительных специальностей в 6 и 7 семестрах при изучении общего курса сопротивления материалов. Примеры, представленные в данной работе, полностью соответствуют контрольным заданиям для студентов заочной формы обучения всех строительных специальностей, утвержденным кафедрой «Сопротивление материалов и строительная механика» КубГТУ в 2007 г.
Предназначены для студентов 3-го и 4-го курсов всех строительных специальностей заочной формы обучения.
Ил. 17.
2
ЗАДАЧА № 1 ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛОСКИХ СЕЧЕНИЙ
1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И УСЛОВИЕ ЗАДАЧИ
Для заданного поперечного сечения, состоящего из швеллера и равнобокого уголка, или из двутавра и равнобокого уголка, или из швеллера и двутавра, требуется:
1)определить положение центра тяжести;
2)найти осевые и центробежный моменты инерции относительно случайных осей, проходящих через центр тяжести сечения (zc и yc);
3)определить направление главных центральных осей (u и v);
4)Найти моменты инерции относительно главных центральных осей;
5)Вычертить сечение в масштабе и указать на нем все размеры в чис-
лах и все оси.
Исходные данные для решения задачи: составное сечение состоит из швеллера № 16; равнобокого уголка 90×90×6. Сечение показано на рис. 1.
2. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ
Рассмотрим первый элемент сечения швеллер № 16 (ГОСТ 8240-72). Площадь поперечного сечения А1 = 18,1 см2. Величина смещения главных осей элемента от внешней грани полки х01 =1,80 см. Осевые моменты инерции первого элемента равны: Jх1 = 747 см4, Jу1 = 63,3 см4. Центробежный момент: Dy1x1 = 0.
Рассмотрим второй элемент сечения равнобокий уголок 90×90×6 (ГОСТ 8509-72). Площадь сечения второго элемента А2=10,6 см2. Моменты инерции этого элемента относительно центральных осей в соответствии с сортаментом прокатной стали равны: Jy2 = Jx2 = 82,1 см4 ; Jmax = 130 см4; Jmin = 34 см4. Величина смещения главных осей элемента от внешних граней полки х02 =у02 =2,43 см. Центробежный момент инерции равнополочного уголка:
Dx 2 y 2 = |
J max − Jmin |
Sin2θ = |
130 −34 Sin(−2 45o )= −48 см4. |
|
2 |
||||
|
|
2 |
Выбираем вспомогательную систему прямоугольных декартовых координат, проводя оси ξ и η через центр тяжести одного из элементов сечения таким образом, чтобы они были параллельны осям yi и xi. Определяем координаты центров тяжести элементов сечения в новой системе ξ - η
η1 = 0; |
ξ1 = 0; |
η2 = (2 9,0 −2,43)−16 / 2 = 7,57 см; |
ξ2 = −1,80 −2,43 = −4,23 см. |
Вычисляем координаты положения центра тяжести составного сечения
3
|
|
n |
|
|
|
|
ηc |
= |
∑Aiηi |
= |
0 ×18,1+7,57 ×10,6 = 2,80 см; |
|
|
i=1 |
|
|
||||
n |
|
|
||||
|
|
∑Ai |
|
18,1+10,6 |
|
|
|
|
i=1 |
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
ξc = |
∑Aiξi |
= 0 |
×18,1+(−4,23)×10,6 = −1,56 см. |
|
||
i=1 |
|
|||||
n |
|
|||||
|
∑Ai |
|
|
18,1+10,6 |
|
|
|
i=1 |
|
|
|
|
|
Через точку С, имеющую координаты ξс = −1,56 см и ηс=2,80 см, |
про- |
|||||
водим центральные |
оси |
Y и |
X составного сечения параллельно осям |
его |
элементов yi и xi .Для проверки правильности определения положения центра тяжести составного сечения воспользуемся свойством центральных осей, которое гласит, что статический момент относительно указанных осей равны нулю. Предварительно вычисляем координаты центров тяжести элементов сечения в системе центральных осей Y и X:
b1 |
=ξ1 −ξc |
= 0 −(−1,56)=1,56 см; |
a1 =η1 −ηc |
= 0 −2,80 = −2,80 см; |
||||||||||
b2 |
=ξ2 |
−ξc |
= (−4,23)−(−1,56)= −2,67 см; |
a2 =η2 −ηc |
= 7,57 −2,80 = 4,77 см; |
|||||||||
|
|
|
Находим величины статических моментов относительно централь- |
|||||||||||
ных осей Y и X |
|
=18,1×(−2,80)+10,6 ×4,77 = −50,68 +50,562 = −0,118 см3. |
||||||||||||
|
S |
Х |
= A a + A a |
2 |
||||||||||
|
|
1 |
1 |
2 |
|
|
|
|
|
|
||||
Погрешность вычислений |
0,118 ×100% = 0,23% . |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
50,68 |
|
|
|
||
|
S |
Y |
= A b + A b =18,1×1,56 +10,6 ×(−2,67)= 28,236 −28,302 = −0,066 см3. |
|||||||||||
|
|
|
1 |
1 |
2 2 |
|
|
|
|
|
|
|||
Погрешность |
вычислений |
|
0,066 |
×100% = 0,23% . Погрешность в обоих |
||||||||||
28,302 |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
случаях не превышает 5 % , следовательно, положение центра тяжести составного сечения найдено верно.
Осевые моменты инерции составного поперечного сечения определяются по формулам, учитывающим плоско-паралельное смещение центральных осей его элементов относительно центральных сечения в целом
n
JY = ∑( J yi + bi2 Ai ) = ( J y1 + b12 A1 ) +( J y2 + b22 A2 ) =
i=1
=63,3 +1,562 ×18,1+82,1+(−2,67)2 ×10,6 = 265,01 см4;
n
J X = ∑( J xi + ai2 Ai ) = ( J x1 + a12 A1 ) +( J x2 + a22 A2 ) =
i=1
=747 +(−2,8)2 ×18,1+82,1+4,772 ×10,6 =1212,18 см4.
4
Центробежный момент инерции составного сечения относительно осей Y и X с учетом смещения осей его элементов относительно центральных осей составного сечения равен
n
DYX = ∑( Dyixi + ai bi Ai ) = ( Dy1x1 + a1b1 A1 ) +( Dy2 x2 + a2b2 A2 ) =
i=1
=0 +1,56 ×(−2,8)×18,1−48 +(−2,67)×4,77 ×10,6 = −262,06 см4.
Для определения положения главных центральных осей инерции сечения воспользуемся следующей формулой
|
2 D |
|
|
|
2 ×(−262,06) |
|
o |
α = 0,5 arctg |
YX |
|
= |
0,5 arctg |
|
|
=14,48 . |
|
|
||||||
|
|
|
|
265,01−1212,18 |
|
|
|
|
JY − J X |
|
|
Угол поворота центральных осей Y и X до положения главных центральных осей V и U имеет положительный знак, следовательно, поворот осей осуществляется против часовой стрелки.
Находим величину главных центральных моментов инерции составного сечения, используя следующую формулу
|
|
|
J |
max |
= JY + J X ± 1 |
(J |
Y |
− J |
X |
)2 + 4D2 ; |
|
||||
|
|
|
|
|
2 |
|
2 |
|
|
|
YX |
|
|||
|
|
|
|
min |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Jmax |
= JV |
= |
265,01+1212,18 |
+ |
1 |
(265,01−1212,18)2 |
+4 ×(−262,06)2 |
= |
|||||||
|
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= 738,60 +541,26 =1279,86 см4; |
|
|
||||||||||
Jmin |
= JU |
= |
265,01+1212,18 |
− |
1 |
(265,01−1212,18)2 |
+4 ×(−262,06)2 |
= |
|||||||
|
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
= 738,60 −541,26 =197,34 см4.
Поверяем правильность вычисления главных моментов инерции сечения. Первая проверка основана на свойстве инвариантности суммы осевых моментов инерции, которое гласит, что сумма осевых моментов инерции при повороте центральных осей не изменяется:
JY + J Х = JV + JU ;
265,01+1212,18 = 1279,86 + 197,34;
1477,19 см4 ≈ 1477,20 см4.
Вторая проверка основана на следующем свойстве главных центральных осей инерции сечения: центробежный момент инерции относительно главных центральных осей равен:
5
DUV = J X 2− JY sin 2α + DYX cos 2α =
= 1212,18 −265,01 ×Sin 28,96o +(−262,06) ×Сos28,96o = 2
= 229,31−229,29 = 0,02 см4 ≈ 0,
следовательно, величина главных центральных моментов инерции сечения определена верно.
|
|
Y |
U |
у2 |
η у1 |
|
|
|
|
|
х2 |
|
b=90 |
|
=47,7 |
C2 |
|
V |
|
=75,7 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|||
|
2 |
2 |
|
|
|
|
|
η |
a |
C |
|
α=14,48° |
X |
|
|
|
|
|||
|
|
=28,0 |
=28,0 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
a |
c |
|
х1 |
ξ |
|
|
|
η |
C1 |
||
|
|
|
|
|
|
|
b=90 |
|
|
|
|
|
|
b2=26,7 b1=1,56
Масштаб М 1:2
ξc=1,56
ξ2=4,23
Рисунок 1
6
ЗАДАЧА № 2 РАСЧЕТ СТУПЕНЧАТОГО СТЕРЖНЯ НА ОСЕВОЕ РАСТЯЖЕНИЕ
1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И УСЛОВИЕ ЗАДАЧИ |
||||
|
|
|
Для заданного статически определимого сту- |
|
|
|
l |
пенчатого стержня (рис. 2) требуется: |
|
2А |
F |
|
1) |
построить эпюру продольных сил; |
|
2) |
из условия прочности подобрать площади |
||
|
|
2l |
3) |
поперечных сечений стержня; |
|
|
|
построить эпюру нормальных напряжений в |
|
|
|
|
|
поперечных сечениях стержня; |
|
|
2l |
4) |
построить эпюру перемещений. |
А |
2F |
|
Исходные данные для решения задачи: ма- |
|
|
|
|||
|
|
|
териал стержня – сталь; внешние продольные силы |
|
|
F |
l |
– F = 30 кН; длины участков стержня – l =1 м; рас- |
|
|
z |
|
четное сопротивление стали при растяжении и сжа- |
|
|
|
тии R =160 МПа; модуль упругости Е = 2 105 МПа. |
||
|
Рисунок 2 |
|
|
|
2. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ
В защемлении в общем случае возникает три реакции связи – вертикальная и горизонтальная опорные реакции и момент защемления. В данном случае стержень нагружен только осевыми силами и поэтому в защемлении возникает только вертикальная опорная реакция V. Величину указанной опорной реакции определим из уравнения статического равновесия:
∑z = 0 ; 2F + F + F −V = 0,
следовательно,
V = 4F =120 кН.
Рассматриваемый стержень состоит из пяти участков, границами которых являются сечения, где приложены внешние силы и места изменения размеров поперечного сечения. Проводим произвольные сечения в пределах каждого участка стержня. Рассматривая верхнюю отсеченную часть, составляем уравнения равновесия оставшейся части, откуда определяем величины продольных сил:
0 ≤ z1 ≤ l ; |
N1 |
=V =120 кН; |
l ≤ z2 ≤ 3l ; |
N2 |
=V − F =120 −30 = 90 кН; |
3l ≤ z3 ≤ 5l ; |
N3 =V − F − 2F = 30 кН; |
|
5l ≤ x4 ≤ 6l ; |
N4 |
=V − F − 2F − F = 0 кН. |
7
По полученным значениям строим эпюру продольных сил N (рис. 3). |
|||||
V |
|
|
120 |
160 |
0 |
|
|
|
|||
1 |
м |
|
|
|
|
z |
|
|
|
|
|
F=30 |
l=1 |
90 |
120 |
8,0 |
|
|
|||||
2 |
|
|
|
|
|
z |
|
|
120 |
160 |
|
|
|
|
|
||
3 |
м |
|
|
|
|
z |
2l=2 |
|
|
|
|
4 |
|
30 |
|
80 |
20,0 |
|
|
|
|
|
|
z |
|
|
90 |
120 |
|
2A |
2F=60 |
|
|
||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
A |
м |
|
|
|
|
2l=2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F=30 |
|
|
|
|
28,0 |
|
30 |
|
80 |
|
|
|
м |
|
|
||
|
l=1 |
|
|
|
|
z |
|
Эп. N, кН |
Эп. σ, МПа |
Эп. w 10-4, м 28,0 |
Рисунок 3
Для определения опасного сечения проанализируем напряжения на каждом участке:
σ1 = 2NA1 = 1202A = 60A МПа;
σ2 = 2NA2 = 290A = 45A МПа;
σ3 = NA3 = 30A = 30A МПа;
σ4 = NA4 = 0 МПа.
8
Наибольшее напряжение возникает на первом участке. Определим необходимые размеры поперечного сечения стержня исходя из условия прочности при одноосном растяжении:
σmax |
=σ1 = |
N1 |
= |
60 |
≤ R =160 МПа, |
|
||||||||
A |
A |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
следовательно, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F ≥ |
N |
1 |
|
|
60 103 |
|
|
|
|
− |
4 |
2 |
2 |
|
|
= |
|
|
= 3,75 10 |
|
|
м = 3,75 см . |
|||||||
R |
|
160 106 |
|
|
|
Определяем напряжения на каждом участке стержня:
0 ≤ z |
≤ l ; |
σ |
|
= |
|
N1 |
|
|
= |
|
120 103 |
|
= |
160 МПа; |
||||||
|
2A |
|
2 3,75 10−4 |
|||||||||||||||||
|
1 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
l ≤ z |
2 |
≤ 3l ; |
σ |
|
2 |
= |
|
N2 |
= |
|
90 103 |
|
|
=120 МПа; |
||||||
|
2A |
|
2 3,75 10−4 |
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
3l ≤ z |
3 |
≤ 5l ; |
σ |
3 |
= |
|
N3 |
|
|
= |
|
30 103 |
|
=80 |
МПа; |
|||||
|
A |
3,75 10−4 |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
5l ≤ z4 ≤ 6l ; |
σ4 |
= |
|
N4 |
|
= 0 МПа. |
|
|
|
|
||||||||||
|
A |
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
По полученным значениям строим эпюру нормальных напряжений σ
(рис. 3).
Построение эпюры перемещений начинаем от заделки, так как перемещение в защемлении заведомо известно и равно нулю. Перемещение определяем по закону Гука и на каждом из участков стержня соответственно равны (при Е = 2 105 МПа):
первый участок: |
0 ≤ z |
|
≤ l ; |
w = |
N1 z1 |
|
; |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
1 |
|
E2A |
|
|
|
|
|
|
|||
z1 |
= 0 ; |
w1 = 0 ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
z |
= l ; |
w = 0 + |
|
|
|
120 103 1,0 |
|
|
= 8,0 10−4 м; |
||||||||||
2 |
1011 2 3,75 10−4 |
|
|||||||||||||||||
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
второй участок: |
l ≤ z |
2 |
≤ 3l ; |
w |
=8,0 |
|
10−4 + |
N2 (z2 −l) |
; |
|
|||||||||
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
E2A |
|||
z |
|
= l ; |
w = 8,0 10−4 м; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z |
2 |
= 3l ; |
w = 8,0 10−4 + |
90 103 (3 1,0 −1,0) |
= 20,0 10−4 м; |
||||||||||||||
|
|
2 |
|
|
|
|
2 1011 2 3,75 10−4 |
|
|
N3 (z3 −3l) |
|
||||||||
третий участок: |
3l ≤ z |
3 |
≤ 5l ; |
w |
|
= 20,0 10−4 + |
; |
||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
EA |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9
z |
3 |
= 3l ; |
w = 20,0 10−4 м; |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z |
3 |
= 5l ; |
z |
3 |
= 20,0 10−4 |
+ |
30 103 (5 1,0 −3 1,0) |
= 28,0 10−4 м; |
|
|||||
|
|
|
|
|
2 1011 3,75 10−4 |
|
|
|
|
|||||
четвертый участок: |
5l ≤ z |
4 |
≤ 6l ; |
w = 28,0 10−4 |
+ |
N4 (z4 −5l) |
; |
|||||||
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
EA |
|
|
z |
|
= 5l ; |
|
w = 28,0 10−4 |
м; |
|
|
|
|
|
|
|||
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z |
4 |
= 6l ; |
|
w = 28,0 10−4 |
м. |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
По полученным данным строим эпюру перемещений w (рис. 3).
ЗАДАЧА № 3 РАСЧЕТ СТАТИЧЕСКИ НЕОПРЕДЕЛИМОЙ СТЕРЖНЕВОЙ СТСТЕМЫ
1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И УСЛОВИЕ ЗАДАЧИ
Абсолютно жесткий брус опирается на шарнирно неподвижную опору
иприкреплен к двум стержням с помощью шарниров. Требуется:
6)найти усилия и напряжения в стержнях, выразив их через силу Q;
7)найти допускаемую нагрузку Qдоп, приравняв большее из напряжений в двух стержнях расчетному сопротивлению R =160 МПа;
8)найти предельную грузоподъемность системы Qт и допускаемую на-
грузку Qдоп, если предел текучести σт = 240 МПа и коэффициент запаса прочности k =1,5;
9)сравнить величины Qдоп, полученные из расчета по допускаемым напряжениям и допускаемым нагрузкам.
Исходные данные для решения задачи: схема стержневой системы показана на рис. 4; площадь поперечного сечения – А=17 см2; линейные разме-
ры – a = 2,2 м, b = 2,5 м, c =1,7 м,
2. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ
При действии на стержневую систему внешней силы Q абсолютно жесткий брус повернется по часовой стрелке относительно точки А, что вызовет удлинение стержней 1 и 2. Де-
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С′ |
|
формация стержней приводит к |
|||
|
|
|
|
|
α |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
возникновению в них продоль- |
||
|
|
В′′ |
В′ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ных усилий N1 и N2. Помимо |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
этих усилий к системе приложе- |
Q |
A |
В |
|
|
|
|
|
С |
|
|||||||
А |
|
1 |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2А |
|
|
|
|
м |
ны две опорные реакции, возни- |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
N1 |
N2 |
b=2,5 |
кающие в шарнирно неподвиж- |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ной опоре А. На плоскости мож- |
||||
|
|
с=1,7 м |
|
|
α |
|
|
|
|
|
||||||
|
a=2,2 м |
b=2,5 м |
|
|
|
|
|
|
но составить только три незави- |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
Рисунок 4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
симых уравнения статики. Сле- |
10