Геометрические характеристики сечений

3. Примеры расчетов геометрических характеристик

3.1. Несимметричное сечение

Для расчета принято составное сечение (рис. 4) из стандартных прокатных профилей:

1)неравнополочного уголка № 10/6,3 с толщиной стенки 8 мм (ГОСТ 8510-86);

2)полосы из листовой стали с сечением 200 20 мм;

3)швеллера № 18 (ГОСТ 8240-97).

Значения геометрических характеристик уголка и швеллера взяты из ПРИЛОЖЕНИЯ. На эскизе сечения (рис. 4) показаны центры тяжести элементов и их центральные оси xi и yi, направление которых может не совпадать с направлением осей на эскизах в сортаментах. Это обстоятельство надо иметь в виду и тщательно контролировать при выборке справочных значений.

Для уголка (ПРИЛОЖЕНИЕ п. 1.2.а): F1 = 12,6 см2; Jx1 = 127 см4; Jy1 = 39,2 см4; Jx1 y1 = 40,5 см4; расстояния до центра тяжести x01 = 15 мм = 1,5 см, y01 = 33,2 мм = 3,32 см.

Для швеллера (ПРИЛОЖЕНИЕ п. 1.2.б): F3 = 20,7 см2; Jx3 = 86,0 см4; Jy3 = 1090 см4; Jx3 y3 = 0; расстояние до центра тяжести y03 = 19,5 мм = 19,5 см.

Для полосы (ПРИЛОЖЕНИЕ п. 1.1): F2 = 20 2 = 40 см2; Jx2 = 2 203/12 = 1333 см4; Jy2 = 20 23/12 = 13,3 см4; Jx2 y2 = 0.

I. Определение центра тяжести сечения

Определяются координаты центров тяжести элементов сечения 1, 2, 3 во вспомогательных осях x', y' (рис. 4):

x1' = 6,3 – 1,5 = 4,8 см; y1'= 3,32 см;

x2' = 6,3 + 1 = 7,3 см; y2 '= 10 см;

x3 ' = 6,3 +2 + 9 = 17,3 см; y3 '= 20 – 1,95 см.

Отметим, что на рис. 4 все размеры указаны в сантиметрах, то есть в единицах, в которых ведутся вычисления.

x’C = 9,67

Рис. 4. Определение центра тяжести несимметричного сечения

По формулам (2.4) определим координаты центра тяжести всего сечения С во вспомогательных осях x', y'

где Jx, Jy, Ju – осевые моменты инерции неравнополочного уголка относительно его осей x, y и u (min) (см. ПРИЛОЖЕНИЕ, эскиз в п. 1.2.в);

Jx0, Jy0 – осевые моменты инерции равнополочного уголка относительно его осей x0 (max) и y0 (min) (см. ПРИЛОЖЕНИЕ, эскиз в п. 1.2.г).

Определим координаты центров тяжести простых элементов сечения в произвольных центральных осях всего сечения xc, yc (рис. 5):

xc1 = x1 ' xc ' = 4,8 – 9,71 = 4,91 см; yc1 = y1' – yc' = 3,32 – 11,1 = 7,78 см. Далее аналогично находим

xс2 = 7,3 – 9,71 = 2,41 см; yс2 = 10 – 11,1 = 1,11 см; xc3 = 17,3 – 9,71 = 7,59 см; ус3 = 18,05 – 11,1 = 6,95 см.

По формулам (2.9) вычисляем моменты инерции относительно произвольных центральных осей всего сечения

Jxc = 127 + 1333 + 86 + 12,6 ( 7,78)2 +40 ( 1,11)2 + 20,7 6,952 = = 3374 см4;

Jyc = 39,2 + 13,3 + 1090 + 12,6 ( 4,91)2 +40 ( 2,41)2 +20,7 7,592 = = 2870 см4;

Jxc yc = 40,4 + 0 + 0 +12,6 ( 4,91) ( 7,78) + 40 ( 2,41) ( 1,11) + + 20,7 7,59 6,95 = 1720 см4.

Отметим, что найденный центробежный момент инерции Jxc yc не равен нулю. Это значит, что центральные оси сечения не являются главными.

Определим угол поворота одной из главных центральных

По условию Jxc = 3374 см4 > Jyc = 2870 см4 устанавливаем, что угол 0 задает положение оси max (см. рис. 5).

Величины главных центральных моментов инерции определим с помощью формулы (2.12)

Jmax 4860см4 ; Jmin 1384 см4.

Для проверки полученных результатов вычислим центробежный момент инерции относительно главных центральных осей с помощью третьей формулы (2.10)

Jmax min 0,5(Jxc Jyc ) sin 2 0 Jxc yc cos 2 0

0,5 (3374 2870) sin( 81,66 ) 1720 cos( 81,66 )

252 ( 0,989) 1720 0,145 249 249 0.

Равенство нулю центробежного момента инерции относительно главных осей является достаточным для проверки правильности решения.

3.2. Симметричное сечение

Эскиз сечения с вертикальной осью симметрии, принятого для расчета, показан на рис. 7.

Сечение разбито на два простых элемента: равнобедренный треугольник – 1 и прямоугольник – 2.

Геометрические характеристики простых элементов (см. ПРИЛОЖЕНИЕ п. 1.1).

Для равнобедренного треугольника: F1 = 4 12/2 = 24 см2; Jx1 = 12 43/36 = 21,33 см4; Jy1 = 4 123/48 = 144 см4; Jx1 y1 = 0.

Для прямоугольника: F2 = 4 10 = 40 см2; Jx2 = 4 103/12 =

= 333 см4; Jy2 = 10 43/12 = 53,3 см4; Jx2 y2 = 0.

Вспомогательные оси x', y' для определения положения центра тяжести всего сечения включают вертикальную ось симметрии (рис. 7). В этом случае имеет смысл определять только вертикальную координату центра тяжести yc ' .

Определяем по формулам (2.9) моменты инерции относительно центральных осей сечения xc и yc которые одновременно являются главными осями

Jxc = 21,3 + 333 + 24 ( 3,95)2 +40 2,382 = 955 см4 Jmax; Jyc = 144 + 53,3 = 197,3 см4 Jmin.

Рекомендуемая литература

1.Александров А. В. Сопротивление материалов: учеб. для вузов / А. В. Александров, В. Д. Потапов, Б. П. Державин. – М.: Высш. шк., 1995. – 560 с.

2.Смирнов А. Ф. Сопротивление материалов / А. Ф. Смирнов, А. В. Александров, Н. И. Монахов [и др.] – М.: Высш. шк., 1975. – 480 с.

3.Писаренко Г. С.. Сопротивление материалов / Г. С. Писаренко, В. А. Агарев, А. Л. Квитка [и др.]. – Киев: Вища школа, 1972. – 672 с.

4.Писаренко Г. С. Справочник по сопротивлению материалов / Г. С. Писаренко, А. П. Яковлев, В. В. Матвеев. – Киев: Наукова думка, 1975. – 705 с.

5.Миролюбов И. Н. Пособие к решению задач по сопротивлению материалов: учеб. пособие для техн. вузов / И. Н. Миролюбов, С. А. Енгалычев, Н. Д. Сергиевский [и др.]. – М.: Высш. шк., 1985. – 399 с.

6.Паначев И. А. Сопротивление материалов: учеб. пособие / И. А. Паначев, Ю. П. Соболев, Ю. Ф. Глазков, М. Ю. Насонов; ГУ КузГТУ. Кемерово, 2005. – 232 с.

7.Паначев И. А. Справочное пособие к решению задач по сопротивлению материалов / И. А. Паначев, Ю. Ф. Глазков; ГУ КузГТУ. – Кемерово, 2003. – 75 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ

1.Геометрические характеристики сечений

1.1.Геометрические характеристики простых фигур

1.1. Геометрические характеристики простых фигур (продолжение)