Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

сопромат2

.pdf
Скачиваний:
38
Добавлен:
29.03.2015
Размер:
1.2 Mб
Скачать

1

 

 

al

 

C l

 

 

 

 

 

A

al

 

B

 

 

 

 

q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

al

ql

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 al C

A

l al

B

ql

al

3

al

C

 

B

A

al

al l

ql

q

4

al C

B A

l al

al

ql

6

l

C

al

 

 

A

al B al q

 

 

 

 

ql

 

 

 

7

 

 

 

q

 

 

q

 

l

С

 

al

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В

 

А

 

 

al

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

ql

 

 

 

 

 

q

8

 

 

 

al

ql

 

 

 

С

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А

 

 

 

al

 

 

l

В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

q

 

 

 

9

 

 

 

 

al

l

 

 

C

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

B

ql

 

 

 

 

al

 

 

 

 

 

q

 

 

 

 

 

 

71

5

 

 

 

C

10

l

 

 

ql

B

al

 

C

 

 

al

 

l

 

q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

 

 

 

 

 

 

 

l

q

 

al

ql

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

al

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

al

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 9.14.

Глава X. Устойчивость сжатых стержней

10.1. Основные понятия

Наряду с проблемой прочности существует проблема устойчивости сооружений и их элементов.

Инженерные объекты помимо нагрузок, учитываемых расчетом, всегда подвергаются малым дополнительным воздействиям (возмущениям), стремящимся вывести данное тело из его расчетного состояния равновесия.

Если малые возмущения вызывают незначительные отклонения системы от расчетного (невозмущенного) состояния, то такое состояние равновесия называется устойчивым. Если же состояние равновесия системы не обладает этим свойством, то оно называется неустойчивым.

Прямолинейная форма равновесия сжатого стержня устойчива до достижения сжимающей силой критического значения ( Ркр ). Стержень,

потерявший устойчивость, работает на совместное действие изгиба и сжатия. Практически потеря устойчивости означает выход конструкции из строя, даже если это не сопровождается разрушением (изломом) стержня. Изгиб (выпучивание) сжатого стержня, происходящий при превышении сжимающей силой критического значения ( Р > Ркр ), принято называть продольным изгибом.

Расчет на устойчивость должен обеспечить такие соотношения между величиной сжимающей нагрузки, размерами стержня и упругими свойствами его материала, при которых будет обеспечена работа стержня на сжатие без опасности продольного изгиба. Это значит, что величина сжимающей силы не должна вплотную приближаться к критическому значению, то есть стержень должен обладать определенным запасом устойчивости ( ky ).

Для обеспечения устойчивости сжатого стержня необходимо выполнение условия:

72

k y =

Pкр

³ [ky ],

(10.1)

 

 

Р

 

где [ky ] - нормативный коэффициент запаса устойчивости, зависящий в основном

от назначения стержня и его материала.

Критическая сила при потере устойчивости в упругой стадии (в случае, если

закрепление концов стержня в его главных плоскостях осуществлено одинаковыми способами) вычисляется по формуле Эйлера:

Pкр =

π 2 EI

min

,

(10.2)

 

 

 

(μl)2

 

где E - модуль упругости материала стержня; Imin - минимальный момент инерции поперечного сечения стержня; μ - коэффициент приведения длины, зависящий от способа закрепления концов стержня (см. рис. 10.1).

Произведение μ l называют приведенной длиной стержня.

Напряжение, возникающее в поперечном сечении стержня при достижении сжимающей силой критического значения, называют критическим:

σ кр =

Pкр

=

π 2 E

,

(10.3)

F

λ2

 

 

 

 

 

 

где λ =

μ l

 

- гибкость стержня;

 

imin

 

 

 

 

 

 

 

imin - минимальный радиус инерции поперечного сечения стержня. Формула Эйлера применима при условии σ кр £σ пц .

Обычно условие применимости формулы Эйлера выражают через гибкость стержня:

λ ³ λпред ,

 

 

 

 

(10.4)

где λпред - предельная гибкость,

зависящая от физико-механических

свойств материала стержня;

 

 

 

 

 

 

 

λпред = π

 

Е

.

(10.5)

 

 

 

σ пц

 

73

Рис. 10.1

За пределом пропорциональности кр > σ пц ) критическое напряжение, а

значит, и критическая сила для стальных, дюралюминиевых и деревянных стержней вычисляется по эмпирической зависимости (формула Ясинского):

σ кр = а bλ ,

(10.6)

где а и b - константы, зависящие от материала.

Формула Ясинского применима для стальных стержней при гибкостях

λ0 ≤ λ ≤ λпред ,

где λ0 - значение

гибкости, при котором

критическое

напряжение

становится равным пределу текучести Т или σ0,2 ).

 

 

 

Для стальных и дюралюминиевых стержней при λ < λ0 следует принимать

критическое напряжение равным пределу текучести.

 

 

 

Значения a,b, λпред и λ0 могут быть приняты по таблице 10.1.

 

 

 

Значения a,bпред и λ0

 

 

Таблица 10.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Материал

а,МПа

 

b,МПа

 

λпред

 

λ0

Стали 10, Ст.2

264

 

0,70

 

105

 

62

Стали 15, Ст.3

310

 

1,14

 

100

 

61

Стали 25, Ст.5

350

 

1,15

 

92

 

57

В зависимости от постановки задачи (цели расчетов) различают три вида расчетов:

а) проверочный расчет

k y = PРкр ³ [ky ];

74

б) определение допускаемой нагрузки

[P]= Pкр ;

[ky ]

в) проектировочный расчет определение требуемых размеров поперечного сечения стержня.

10.2. Практический расчет сжатых стержней

При проектировании строительных конструкций широкое распространение имеет расчет на устойчивость по коэффициенту продольного изгиба (по форме аналогичный расчету на простое сжатие).

Расчетная формула для проверки устойчивости сжатого стержня имеет вид:

σрасч =

Р

R ,

(10.7)

 

 

ϕFбр

 

где σ расч расчетное напряжение в стержне; R расчетное сопротивление на сжатие для материала стержня; Fбр площадь поперечного сечения брутто; ϕ

коэффициент продольного изгиба, зависящий от материала стержня и его гибкости.

Значения коэффициента ϕ установлены нормами и приведены в таблице

10.2.

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 10.2

Значение коэффициента продольного изгиба (ϕ )

 

 

 

 

 

 

 

 

Гибкость λ =

μ l

 

Сталь Ст. 3, Ст. 4

Гибкость λ =

μ l

 

Сталь Ст. 3, Ст. 4

imin

imin

 

 

 

 

 

 

0

 

 

1,000

120

 

 

0,448

10

 

 

0,998

130

 

 

0,397

20

 

 

0,970

140

 

 

0,348

30

 

 

0,943

150

 

 

0,305

40

 

 

0,905

160

 

 

0,270

50

 

 

0,867

170

 

 

0,240

60

 

 

0,820

180

 

 

0,216

70

 

 

0,770

190

 

 

0,196

80

 

 

0,715

200

 

 

0,175

90

 

 

0,655

210

 

 

0,160

100

 

 

0,582

220

 

 

0,146

110

 

 

0,512

 

 

 

 

75

Расчет по нормам строительного проектирования это расчет на устойчивость, обеспечивающий работу стержня с нормативным коэффициентом запаса устойчивости.

Достоинством этого метода расчета является его универсальность в том смысле, что он применим для всех значений гибкости, указанных в таблице коэффициента ϕ , то есть независимо от области применимости формулы Эйлера.

Различают три вида расчетов: а) проверочный расчет

σ расч =

Р

R ;

(10.8)

 

 

ϕ Fбр

 

б) определение допускаемой нагрузки

[P ]= ϕ RF бр ;

(10.9)

в) проектировочный расчет определение требуемых размеров поперечного

сечения стержня

Fбр ³

Р

.

(10.10)

 

 

ϕ R

 

При проектировочном расчете приходится пользоваться методом последовательных приближений, так как в начале расчета значение коэффициента ϕ , зависящего от гибкости, а следовательно, и от размеров поперечного сечения стержня, неизвестно. Методика проектного расчета раскрыта в примере 1.

10.3. Примеры расчета центрально сжатых стержней на устойчивость

Пример 1. Подобрать поперечное сечение сжатого стального стержня, изображенного на рис. 2. Сечение стержня прямоугольное с соотношением сторон

h

= 2. Расчетное

сопротивление стали Ст.3

b

 

 

R = 210 МПа .

Определить коэффициент

запаса устойчивости при принятых размерах.

Решение. Расчет ведем по коэффициенту продольного изгиба:

F ³ ϕPR .

Рис. 9.2.

76

Первое приближение: принимаем ϕ1 = 0,5.

F ³

P

=

200×103

=16,67×10−4 м2 =16,67 см2.

ϕ R

0,5×240×106

1

 

 

 

1

 

 

 

Площадь прямоугольника (при bh = 2 )

F = bh = b × 2b = 2b2 ,

ширина сечения

b =

 

F1

 

=

16,67

= 2,89 см .

2

2

 

 

 

 

 

Принимаем по ГОСТ 6636-69: b=30 мм, h=60 мм;

F = bh = 3× 6 = 18 см2 .

Минимальный радиус инерции для прямоугольника

i

 

= i

y

=

 

 

Iy

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

min

 

 

 

 

 

 

 

F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I y

=

hb3

,

 

F = bh,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

hb3

 

b

 

 

3

 

 

imin

 

= iy

=

 

 

12

=

 

 

=

 

= 0,87 см .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

12

 

 

 

 

 

 

 

 

bh

 

 

 

 

Гибкость стержня

λ =

 

μl

,

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

min

 

где μ = 0,7

(см. рис. 10.1);

λ =

0,7×2

=160,9 .

0,87×10−2

 

 

По таблице 10.2 уточняем значение коэффициента ϕ путем линейной интерполяции:

77

j/

= 0,270 -

0,270 - 0,240

× (160,9 -160) = 0,267 ;

 

1

 

10

 

 

 

 

 

 

sрасч =

200 ×103

= 416 ×106 Па = 416 МПа > R = 210 МПа .

0,267 ×18 ×10−4

 

 

 

 

Перенапряжение составляет

d = 416 − 210 ×100% = 98% > 5% . 210

Второе приближение:

ϕ2 =

ϕ + ϕ/

=

0,5 + 0,267

 

= 0,384 ;

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F ³

P

 

 

=

 

 

 

 

200 ×103

 

 

 

 

= 24,80 ×10−4

м2

= 24,80 см2 ;

j2 R

0,384 × 210 ×

106

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b =

F2

 

=

 

24,80

 

= 3,52 см.

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Принимаем по ГОСТ 6636-69: b = 36 мм,, h = 71мм ;

F = bh = 3,6 × 7,1 = 25,56 см2 ;

i

=

 

 

b

 

=

3

,6

 

= 1,04 см ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

min

 

 

12

12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ =

μ l

 

=

 

0,7 × 2

 

=134,6

;

 

 

imin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,04 ×10−2

 

 

 

 

ϕ2/ = 0,397 - 0,397 - 0,348 × (134,6 -130) = 0,374 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

σ расч =

 

 

P

 

=

 

 

 

200 ×103

 

= 209 ×106

Па = 209 МПа < R.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ2/ F 0,374 × 25,56 ×10−4

 

 

78

Недонапряжение

δ = 210 − 209 ×100% = 0.5% < 5% , 210

что допустимо.

Окончательно принимаем размеры сечения стержня b=36 мм, h=71 мм. Определим коэффициент запаса устойчивости при принятых размерах:

ky = PPкр .

По таблице 10.1 для стали Ст. 3 находим значение λпред = 100. Так как λ > λпред (134,6>100), то применима формула Эйлера:

Р

=

π

2 ЕI

min

;

 

 

 

кр

 

 

(μl)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Imin

 

= I y = hb3

= 7,1×3,63

= 27,60 см4 .

 

 

 

 

 

 

 

12

12

 

 

Принимая Е = 2 ×105 МПа , получаем:

Р

= 3,142 × 2 ×105 ×106 × 27,60 ×10−8

= 278 ×103 Н = 278 кН ;

кр

 

 

 

 

 

 

 

 

(0,7 × 2)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ky =

Pкр

 

=

278

=1,39.

 

 

 

Р

 

200

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 2. Определить допускаемую нагрузку для стойки из стали Ст. 3 (рис. 10.3), при R = 210 МПа . Расстояние а между двутаврами (рис. 10.3) выбрать

из условия равноустойчивости стойки во

 

 

 

 

P

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

всех направлениях. Определить величину

 

 

 

 

 

 

 

y y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y1

 

 

 

коэффициента

запаса устойчивости

при

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

работе стойки с нагрузкой, равной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

допускаемой.

 

 

 

 

 

 

 

12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение.

Равноустойчивость

во

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

всех направлениях будет обеспечена при

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

равенстве

моментов

инерции

ее

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

поперечного

сечения

относительно

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

главных

центральных

осей x и

y .

 

 

 

 

Рис. 10.3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Момент инерции относительно оси

x не

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

зависит от расстояния a . Определим его величину:

79

Ix = 2IxI ,

где I xI = 350 см4 - момент инерции двутавра №12 (см. ГОСТ 8239-89);

Ix = 2 × 350 = 700 см4 .

Момент инерции относительно оси y :

I

 

 

 

é

I

 

 

æ a

ö2

 

 

I ù

I y = 2I y

= 2êI y

+ ç

2

÷ F

ú ,

 

 

 

 

ê

1

 

è

ø

 

 

ú

 

 

 

 

 

 

ë

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

û

 

 

где I yI = 27,9 см4

 

- момент инерции двутавра №12 относительно оси y ;

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F I =14,7 см2

- площадь поперечного сечения двутавра.

é

 

 

 

 

 

 

æ a ö2

 

 

 

 

ù

 

 

 

I y = 2ê27,9 + ç

 

 

 

÷

×14,7ú .

 

 

 

 

 

ê

 

 

 

 

 

 

è 2 ø

 

 

 

 

ú

 

 

 

ë

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

û

равноустойчивости ( I x = I y ) числовые значения,

Подставляя

в

условие

получим:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

é

 

 

 

 

 

 

æ a

ö2

 

 

 

ù

 

 

700 = 2 ×

ê27,9 + ç

 

÷

 

 

×14,7ú ,

 

 

ê

 

 

 

 

 

 

è 2

ø

 

 

 

 

 

ú

 

 

 

ë

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

û

 

 

откуда, a = 9,4 см.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определим допускаемую нагрузку:

[Р]= ϕRF .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Гибкость стойки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ml

 

 

 

0,5×8

 

= 82,0 ,

 

 

l = i =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4,88×10−2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2I

I

 

 

 

 

I I

 

 

 

 

I

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ixI = 4,88 см (см. ГОСТ 8239-89), μ = 0,5 (см.

где i =

 

 

 

=

 

 

 

 

x

 

 

=

 

 

x

 

 

 

 

 

2F I

 

 

рис. 10.1).

 

 

F

 

 

 

 

 

F I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По таблице 10. 2, интерполируя, находим:

j = 0,715 - 0,715 − 0,655 (82 - 80) = 0,703 . 10

Таким образом,

[Р]= 0,703× 210 ×106 × 2 ×14,7 ×10−4 = 434,0 ×103 Н = 434 кН.

Определим нормативный коэффициент запаса устойчивости (коэффициент запаса, принятый при составлении таблицы ϕ для данного материала при соответствующей гибкости):

[ky ]= [PРкр].

Так как гибкость стойки ( λ = 82) меньше предельной (для стали Ст. 3 λпред = 100), критическую силу определяем, пользуясь эмпирической

зависимостью Ясинского:

80

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]