2.9. 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, s_Т = 240 МПа. Допускаемое напряжение [s]= , где коэффициент запаса прочности n 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) Sz = 0, Н_C = 0; (2.29)

2) Sy = 0, -Р + N₁ + R_C - N₂ - N₃ = 0; (2.30)

3) SM_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 SМ_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 j), 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 s_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 s₃ > s₁ и s₃ > s₂. Поэтому, приравняв напряжение s₃ пре­делу текучести s_T, определим величину Р, при которой нормальное напряжение в тяге 3 достигнет предела текучести s_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 s_T. В этом случае предельные усилия, которые возникнут в тягах, будут равны:

= F₁×s_T= 2×10^-4×24×10⁴ = 48 кH;

= F₂ s_T= 1×10^-4×24×10⁴ = 24 кH;

= F₃×s_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. s₃ > s₁ и s₃ > > s₂. Поэтому для определения величины грузоподъемности из расчета по методу допускаемых напряжений приравниваем напря­жение в этой тяге s₃ = 0,417×10⁴Р 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 наступления предель­ного 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.