1.3 Диференціальні залежності при згинанні

Розглянемо балку, навантажену довільним розподіленим навантаженням q(z) (рис.1.6а). В перерізі на відстані виділимо елемент довжиною dz (рис.1.6а). В перерізі I діють внутрішні силові фактори і , в перерізі II на відстані від першого діють внутрішні зусилля +d і +d . У межах нескінченно малого dz навантаження q(z) можна вважати рівномірно розподіленим та рівним q.

Рис. 1.6.

Оскільки балка під дією зовнішнього навантаження знаходиться в рівновазі, то і кожен її елемент під дією зовнішніх та внутрішніх зусиль також знаходиться в рівновазі (рис.1.6б).

Запишемо умови статики:

1. , відкіля , отже

(1.1)

2. ; , приводячи подібні члени та зневажаючи нескінченно малими другого порядку в порівнянні з нескінченно малими першого порядку, одержимо: , відкіля:

. (1.2)

3. Підставляючи вираз (1.2) у залежність (1.1), одержимо :

. (1.3)

Диференціальні залежності (1.2) і (1.3) дозволяють установити деякі особливості розподілів поперечних сил та згинальних моментів. Приведені нижче правила можуть використовуватися для побудови та перевірки епюр і .

1. На ділянках, де розподілене навантаження відсутнє (q=0), епюра постійна, а епюра представляє лінійну функцію.

2. На ділянках з рівномірно розподіленим навантаженням епюра лінійна, а епюра - квадратна парабола, причому опуклість параболи спрямована в протилежну сторону дії розподіленого навантаження. У точці , де поперечна сила (змінює знак), момент досягає екстремального значення ( ).

3. На ділянках, де , епюра постійна.

4. Наступні пункти сформульовані для правої осі z (для правої системи координат). На ділянці, де поперечна сила позитивна, епюра моменту зростає, і убуває - якщо негативна.

5. У перерізах, де до балки прикладені зовнішні зосереджені сили:

а) на епюрі спостерігаються стрибки на їхню величину й у напрямку прикладених зосереджених сил ;

б) на епюрі з'являються злами, причому вістря зламів спрямовані проти дії зосереджених сил.

6. У перерізах, де до балки прикладені зосереджені моменти, на епюрі спостерігаються стрибки на величини цих моментів.

7. Епюра являє собою діаграму першої похідної від функції моменту , тобто ординати пропорційні тангенсу кута нахилу дотичної до епюрі .

Далі розглянемо приклади побудови епюр поперечних сил та згинальних моментів .

Приклад 1.

Показуємо поточний переріз з координатою (рис. 1.7), межі її зміни, записуємо функції і . При обліку рівномірно розподіленого навантаження q використвуємо такий спосіб: заміняємо його зосередженою силою, прикладеною у середині ділянки (плече зосередженої сили 0,5z).

 ; . Далі обчислюємо значення і

Рис. 1.7.

: ; ; ; . По епюрі, використовуючи правила перевірки, визначаємо опорні реакції і . Реакція дорівнює величині стрибка на епюрі в цьому перерізі та спрямована нагору, тому що позитивна. Якщо будувати епюру , йдучи ліворуч , реакція повинна давати позитивне значення , тобто повинна бути спрямована нагору. З умов статики одержуємо те ж саме значення .

На епюрі в затисненні скачок моменту на величину , отже . Так як в затисненні негативний, то повинний бути спрямований проти годинникової стрілки. З умови статики одержуємо: .

Приклад 2.

Рис. 1.8.

1. Визначаємо опорні реакції.

, , відкіля: .

, , відкіля: .

Перевірка: , .

З огляду на симетрію задачі реакції однакові та рівні половині зовнішнього навантаження.

2.Показуємо поточний переріз з координатою , межі її зміни та записуємо функції і :



; .

Далі обчислюємо значення і :

, .

Звертаємо увагу, що в точці, де , згинальний момент повинний мати екстремальне значення. Таким чином, і .

Приклад 3.

Рис. 1.9.

1. У зв’язку з симетрією задачі

2. Запишемо функції і визначимо характерні значення і для ділянок.

1-а ділянка: 

2-а ділянка: 

Поперечна сила на ділянці дорівнює нулю, отже , ділянка зазнає чисте згинання.

3-я ділянка:  ;

Приклад 4.

Рис. 1.10.

1. Опорні реакції.

кН.

кН.

Перевірка:

3. Розбиваємо балку на ділянки, показуємо перерізи на кожній з них, указуємо межі зміни , визначаємо й обчислюємо функції і .

1-а ділянка:  кНм.

2-а ділянка: 

кН; кНм. кН; кНм.

Поперечна сила змінює знак, згинальний момент досягає екстремального – максимального значення при , що визначиться з умови

відкіля м, а кНм.

3-я ділянка: 

; кНм.