9. Пример расчета (задача № 2)

Абсолютно жесткий брус АЕ (рис. 2.12, а), имеющий одну шар­нирно неподвижную опору С и прикрепленный в точках В, Д и Е тремя тягами из упругопластического материала, нагружен пере­менной по величине силой Р. Площадь поперечного сечения тяг F₁, F₂, F₃, модуль упругости и предел текучести материала тяг Е = 210⁵ МПа, _Т = 240 МПа. Допускаемое напряжение []=, где коэффициент запаса прочностиn принят равным 1,5.

Требуется:

1. Найти усилия в тягах, реакцию опоры С и угловое смещение (поворот бруса вокруг точки С) как функции от величины силы Р;

2. Определить в процессе увеличения нагрузки Р такую ее вели­чину, при которой напряжение в одной из тяг достигает предела текучести;

3. Определить в процессе увеличения нагрузки Р ее предельную величину, при которой напряжения в трех тягах достигнут предела текучести, реакцию опоры С и соответствующий этому предель­ному состоянию угол;

4. Найти величины несущей способности конструкции из рас­четов по методам допускаемых напряжений и разрушающих нагру­зок при одном и том же коэффициенте запаса прочности. Сопо­ставить результаты и сделать вывод.

Дано: F₁ = 210^4 м²; F₂ = 110^4 м²; F₃ = 210^4 м²; a = 2 м; b = 1 м; c = 1 м; d = 2 м; l₁ = 1 м; l₂ = 1 м; l₃ = 1,2 м.

Решение

1. Найти усилия в тягах, реакции в опоре С и угловое смещение (поворот бруса вокруг т. С), как функции от величины силы Р. Для определения величин усилий в тягах в зависимости от Р применим метод сечений. Сделав сечение по всем тягам и приложив в местах сечений усилия N₁, N₂ и N₃, возникающие в тягах, рассмотрим равновесие остав­шейся части, нагруженной продольными усилиями в тягах N₁, N₂ и N₃ реакциями опоры С (R_C и H_C) и силой Р (рис. 2.12, б). Составив уравнения равновесия статики для оставшейся части, получим:

1) z = 0, Н_C = 0; (2.29)

2)y = 0,Р +N₁ +R_CN₂N₃= 0; (2.30)

3) M_C= 0,Р3 +N₁1 +N₂1 +N₃3 = 0.(2.31)

Рис. 2.12

Из уравнений равновесия видно, что система дважды стати­чески неопределима, т.к. два уравнения равновесия (2.30) и (2.31) содержат в своем составе четыре неизвестных. Поэтому для реше­ния задачи необходимо составить два дополнительных уравнения совместности деформаций, раскрывающих статическую неопреде­лимость системы.

Для составления дополнительных уравнений рассмотрим де­формированное состояние системы (рис. 2.12, в), имея в виду, что брус абсолютно жесткий и поэтому после деформации тяг останет­ся прямолинейным.

Эти дополнительные уравнения совместности деформаций по­лучим из подобия треугольников ВСВ₁DCD₁ и BCB₁ECE₁:

и    .

Решая эти уравнения, получим:

(2.32)

. (2.33)

Выразив деформации тяг по формуле определения абсолютного удлинения:

и подставив эти значения в уравнения (2.32) и (2.33), получим:

(2.34)

. (2.35)

Подставив найденные значения N₂ и N₃ в уравнение (2.31) оп­ределяем величину N₁ :

P3 + N₁1 + 0,5N₁1 + 2,5N₁3 = 0;     N₁=0,3333P.

Зная N₁, из уравнений (2.34) и (2.35), находим N₂ и N₃:

.

Опорную реакцию R_C определяем из уравнения (2.30), подста­вив найденные значения N₁, N₂ и N₃:

-P + 0,333P + R_C  0,167P  0,833P = 0;     R_C = 1,667P.

После определения величин усилий в тягах N₁, N₂, N₃ и реак­ции R_C необходимо проверить правильность их вычисления. Для этого составим уравнение равновесия статики М_A = 0:

N₁a  R_C (a + b) + N₂ (a + b + c) + N₃ (a + b + c + d)  = 0;

0 = 0.

Следовательно, N₁, N₂, N₃ и R_C определены правиль­но.

Угловое смещение бруса (угол ), ввиду его малости, находим как тангенс угла наклона бруса АЕ :

[рад].

2. Определить в процессе увеличения нагрузки Р такую ее величину, при которой напряжение в одной из тяг достигнет предела текучести. Для вы­числения величины Р, при которой напряжение в одной из тяг достигнет предела текучести _T , определим нормальные напряже­ния, возникающие в тягах, учитывая то, что тяги работают на рас­тяжение:

Полученные величины напряжений показывают, что в тяге 3 напряжение достигнет предела текучести раньше, чем в тягах 1 и 2, так как ₃  ₁ и ₃  ₂. Поэтому, приравняв напряжение ₃  пре­делу текучести _T , определим величину Р, при которой нормальное напряжение в тяге 3 достигнет предела текучести _T :

кПа,

откуда

кН.

3. Определить в процессе увеличения нагрузки Р ее предельную величину, при которой напряжения в трех тягах достигнут предела текучести, ре­акцию опоры С и соответствующий этому пре­дельному состоянию угол. При исчерпании несущей спо­собности всех тяг напряжения в них достигнут предела текучести _T . В этом случае предельные усилия, которые возникнут в тягах, будут равны:

= F₁_T  = 210^-42410⁴ = 48 кH;

= F₂ _T  = 110^-42410⁴ = 24 кH;

= F₃_T  = 210^-42410⁴ = 48 кH.

Предельную величину внешней нагрузки, соответствующую ис­черпанию несущей способности, найдем из уравнения (2.31), под­ставив в него предельные значения , , :

P_ПР 3 + 481 + 241 + 483 = 0; P_ПР = кН.

Предельную величину реакции определяем из уравнения (2.30):

72 + 48 + 24  48 = 0;  = 96 кН.

При определении наименьшего угла поворота бруса, соответст­вующего предельному состоянию системы, необходимо знать, в какой из тяг текучесть наступит позже.

Полученные величины напряжений (см. п. 2) показывают, что в тягах 1 и 2 напряжения достигнут предела текучести одновремен­но, но позже, чем в тяге 3. Поэтому предельный угол поворота бруса определяем для момента перехода материала тяг 1 и 2 в плас­тическое состояние:

рад,

или

рад.

4. Найти несущую способность из расчетов по методам допускаемых напряжений и разруша­ющих нагрузок при одном и том же коэффициенте запаса прочности. Сопоставить результаты и сделать вывод. Из предыдущих расчетов (см. п. 2) видно, что текучесть материала раньше появится в тяге 3, т.к. ₃  ₁ и ₃  > ₂. Поэтому для определения величины грузоподъемности из расчета по методу допускаемых напряжений приравниваем напря­жение в этой тяге ₃ = 0,41710⁴ Р к допускаемому напряжению:

кПа,     0,41710⁴ [P] = 1610⁴ кПа,

[P] = кH.

Несущая способность конструкции из расчета по методу раз­рушающих нагрузок получим путем деления ранее полученного значения P_ПР = 72 кН на коэффициент запаса n₁ = 1,5:

кH.

Сравнивая полученные величины, видим, что несущая спо­собность из расчета по методу разрушающих нагрузок больше несу­щей способности из расчета по методу допускаемых напряжений на , что подтверждает известное положение о том, что метод допускаемых напряжений, в отличии от метода разрушающих нагрузок, не позволяет определить полную несущую способность системы. Это объясняется тем, что для статически неопределимых систем, переход одного элемента в пластическую стадию работы, как правило, не означает наступленияпредель­ного состояния. Переход системы в предельное состояние отождествляется с превращением ее из неизменяемой в геометри­чески изменяемую систему. Известно, что в статически неопреде­лимой системе разрушение “лишних связей” не превращает ее в геометрически изменяемую. Так как реальные сооружения чаще всего представляют собой многократно статически неопределимые системы, материал которых обладает свойством пластичности, по­этому метод предельного равновесия имеет важное значение для раскрытия истинных резервов их несущей способности.