ИВО БАЙЧЕВ ПОМОЩНИ ТАБЛИЦИ ПО СТРОИТЕЛНА МЕХАНИКА ЗА СТРОИТЕЛНИЯ И ТРАНСПОРТНИЯ ФАКУЛТЕТ Част І – строителна статика УНИВЕРСИТЕТ ПО АРХИТЕКТУРА, СТРОИТЕЛСТВО И ГЕОДЕЗИЯ СОФИЯ Проф. д-р инж. ИВО ВЕНКОВ БАЙЧЕВ ПОМОЩНИ ТАБЛИЦИ ПО СТРОИТЕЛНА МЕХАНИКА ЗА СТРОИТЕЛНИЯ И ТРАНСПОРТНИЯ ФАКУЛТЕТ Част І – строителна статика УАСГ – УИК – ИЗДАТЕЛСКИ ЦЕНТЪР Предлаганите таблици по строителна механика, част І – строителна статика, съдържат схеми и решения, съобразени с обучението на строителните инженери. Те са комплектовани въз основа на дългогодишния опит и традициите в катедра „Строителна механика” на УАСГ и на съществуващата справочна литература. Освен за обучаващи се студенти, специализанти и аспиранти, тези таблици могат да служат и на строителни инженери от практиката, занимаващи се с проектиране и изчисляване на равнинни рамкови конструкции. С предварителна благодарност съставителят очаква оценки и препоръки на адрес: София, бул. „Хр. Смирненски” 1, Университет по архитектура, строителство и геодезия, катедра „Строителна механика”. ПОМОЩНИ ТАБЛИЦИ ПО СТРОИТЕЛНА МЕХАНИКА ЗА СТРОИТЕЛНИЯ И ТРАНСПОРТНИЯ ФАКУЛТЕТ Част І – строителна статика Съставител: проф. д-р инж. ИВО БАЙЧЕВ Националност българска Формат 70х100/16 Печ. коли 1,75 Изд. коли 2,27 Компютърен набор и предпечатна подготовка Учебен изчислителен комплекс – УАСГ – Издателски център УНИВЕРСИТЕТ ПО АРХИТЕКТУРА, СТРОИТЕЛСТВО И ГЕОДЕЗИЯ София, бул. „Христо Смирненски” 1 СЪДЪРЖАНИЕ Таблица 1. Опорни реакции и диаграми на разрезните усилия в прости греди и конзоли ................................................................................. 5 Таблица 2. Подробни ординати на М-диаграми в прости греди ................................... 9 L Таблица 3. Стойности на интегралите I = ∫ f1 ( x ) f2 ( x ) dx ........................................ 11 0 Таблица 4. Числено интегриране и диференциране ..................................................... 13 Таблица 5. Опорни завъртания за решаване на непрекъснати греди ......................... 15 Таблица 6. Опорни реакции в статически неопределими елементи с постоянно напречно сечение....................................................................... 16 Таблица 7. Функции на формата с отчитане и на ъгловите деформации ................... 20 Таблица 8. Матрица на коравина за рамкови елементи в локална координатна система с отчитане влиянието на напречните усилия............................... 22 Таблица 9. Трансформационна (трансформираща) матрица за равнинни рамкови елементи ....................................................................... 24 Таблица 10. Греди с правоъгълно сечение върху еластична основа − метод на началните параметри ................................................................... 25 Литература ....................................................................................................................... 28 3 Таблица 1. Диаграми и реакции в статически определими едноотворни греди и конзоли 1 2 3 4 5 6 7 8 5 Таблица 1 – продължение 1 9 10 11 12 13 14 6 Таблица 1 – продължение 2 15 16 17 18 7 Таблица 1 – продължение 3 L ( 2qa + qb ) 6 L B = ( qa + 4qb + qc ) 6 L C = ( qb + 2qc ) 6 A= MD = 19 QD = ( qa + qb ) L2 , 16 ( qb − qa ) L 24 , ME = QE = ( qb + qc ) L2 16 ( qc − qb ) L 24 L ( 7qa + 6qb − qc ) 24 L B = ( qa + 10qb + qc ) 12 L C= ( −qa + 6qb + 7qc ) 24 L2 MD = (19qa + 34qb − 5qc ) 384 A= ME = L2 ( −5qa + 34qb + 19qc ) 384 QD = ( qb − qa ) L , 20 24 QE = ( qc − qb ) L 24 L ( q + 2qd ) 6 a L B = ( qd + qb + qe ) 3 L C = ( 2qe + qc ) 6 A= MD = L2 ( q + 10qd + qb ) 96 a ME = L2 ( q + 10qe + qc ) 96 b QD = ( qb − qa ) L , 21 8 24 QE = ( qc − qb ) L 24 Таблица 2. Подробни ординати на М-диаграми в прости греди Числата ω1 и ω2 служат за изчисляване на ординатите на моментовите диаграми в прости греди, натоварени с равномерно разпределен и триъгълников товар. Те могат да се използват и за изчертаване на квадратни и кубични параболи от вида, показан на фиг. 2.2 и 2.3. В таблиците са дадени ω -числата за т. i при разделяне на интервала на n равни части (фиг. 2.1). Фиг. 2.1 Таблица за числата ω1 M= qL2 ω 8 1 x x ω1 = 4 1 − L L y = f ω1 Фиг. 2.2 i→ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 n↓ 2 1,0000 3 0,8889 0,8889 4 0,7500 1,000 0,7500 5 0,6400 0,9600 0,9600 0,6400 6 0,5556 0,8889 1,0000 0,8889 0,5556 7 0,4898 0,8163 0,9796 0,9796 0,8163 0,4898 8 0,4375 0,7500 0,9375 1,0000 0,9375 0,7500 0,4375 9 0,3951 0,6914 0,8889 0,9877 0,9877 0,8889 0,6914 0,3951 10 0,3600 0,6400 0,8400 0,9600 1,0000 0,9600 0,8400 0,6400 0,3600 9 Таблица за числата ω2 M = qL2 ω, 16 ω2 = 8 x x2 1 − . 3 L L2 Фиг. 2.3 i→ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 n↓ 2 1,0000 3 0,7901 0,9877 4 0,6250 1,000 0,8750 5 0,5120 0,8960 1,0240 0,7680 6 0,4321 0,7901 1,0000 0,9877 0,6790 7 0,3732 0,6997 0,9329 1,0262 0,9329 0,6064 8 0,3281 0,6250 0,8594 1,0000 1,0156 0,8750 0,5469 9 0,2926 0,5633 0,7901 0,9511 1,0242 0,9877 0,8194 0,4975 10 0,2640 0,5120 0,7280 0,8960 1,0000 1,0240 0,9520 0,7680 0,4560 При товар с максимална ордината вляво числата се отчитат в обратен ред. В този случай ω -числата се означават с "прим", като ω'2 = 10 8 x x x2 2−3 + 2 3 L L L Таблица 3. L Стойности на интегралите I = ∫ f1 ( x ) f2 ( x ) dx 0 Указания за използване на таблицата 1. Формулите се тълкуват според взаимното разположение на ординатите на фигурите (коя ордината под коя се намира – лява под лява, дясна под дясна), а не според условната им големина, изобразена на схемите. 2. Ординатите могат да бъдат положителни или отрицателни. Те се включват във формулите със знаците си. Ако f1 ( x ) и f2 ( x ) са моментови диаграми, стойността на интеграла е положителна, когато са опънати едни и същи нишки. Фиг. 3.1 Фиг. 3.2 Фиг. 3.1 представлява трапец (като схема 4), но с разнозначни ординати. Фиг. 3.2 а е аналогична на квадратната парабола от схема 8, също с разнозначни ординати. тя може да се представи още като сбор или разлика от трапец – фиг. 3.2 б и парабола – фиг. 3.2 в (диаграма в проста греда от равномерно разпределен товар). 3. Квадратните параболи от схеми 5, 6 и 7 имат наклон на тангентата равен на нула в местата, означени с плътно черно кръгче. Ако параболите са M-диаграми, в местата с черно кръгче трябва Q да е равно на нула. В противен случай се ползва схема 8, където някои от ординатите c , d или e може да са и нулеви. 4. Междинните стойности на схеми 5, 8 и 9 са в средите на участъците. 5. Последната схема 9 съответства на моментова диаграма в проста греда от триъгълен товар. Светлото кръгче отговаря на нулевата ордината на товара. 6. Схемите могат да се комбинират, както е показано на фиг. 3.2. Така се получават компонентите на съответните диаграми – реперната (фиг. 3.2 б ) и в простата греда (фиг. 3.2 в ), а стойността на интеграла е сума от стойностите на съставящите схеми. 7. Формулите от първата колонка, разделени на а дават лицата на фигурите в ляво ( на f2 ( x ) ) . 11 Таблица 3. L Стойности на интегралите I = ∫ f1 ( x ) f2 ( x ) dx 0 f1 ( x ) f2 ( x ) 1 acL acL 2 acL 2 c (a + b) L 2 2 acL 2 acL 3 acL 6 c ( 2a + b ) L 6 3 acL 2 acL 6 acL 3 c ( a + 2b ) L 6 4 a (c + d ) L 2 a ( 2c + d ) L 6 a ( c + 2d ) L 6 ac + ( a + b )( c + d ) + bd L 6 5 2acL 3 acL 3 acL 3 c (a + b) L 3 6 acL 3 acL 12 acL 4 c ( a + 3b ) L 12 7 2acL 3 acL 4 5acL 12 c ( 3a + 5b ) L 12 8 a ( c + 4e + d ) L 6 a ( c + 2e ) L 6 a ( d + 2e ) L 6 ac + 2e ( a + b ) + bd L 6 9 2acL 3 14acL 45 16acL 45 2c ( 7a + 8b ) L 45 12 Таблица 4. Числено интегриране и диференциране Дадени са формули за числено интегриране и диференциране, приложими за функции, зададени със стойностите им през равни разстояния. Ако търсим произведение на такава функция, например (4.1) F ( x ) = f1 ( x ) f2 ( x ) , където f1 ( x ) и f2 ( x ) са дадени с фиг. 4.1 a и 4.1 б , то резултатът от умножението е нова фигура – фиг. 4.1 в . Аналогично се постъпва и при умножение или деление на повече от две функции и при повече ординати през равни разстояния. Фиг. 4.1 Числено интегриране Според гореизложеното изчисляването на интеграли от вида L L I1 = ∫ f1 ( x ) dx , L I2 = ∫ f1 ( x ) f2 ( x ) dx , 0 0 I3 = ∫ 0 f1 ( x ) f2 ( x ) f3 ( x ) dx се свежда до намирането на лице на фигура, например L L A = I2 = ∫ f1 ( x ) f2 ( x ) dx = ∫ F ( x ) dx . 0 0 Записаните по-долу формули са валидни, ако фигурите са гладки в разглеждания интервал. Фиг. 4.2 Когато върху три ординати е оформена квадратна или кубична парабола (фиг. 4.2 a ), лицето на фигурата е (4.2) A= 2λ a c + 2b + . 3 2 2 13 Ако върху четири ординати е оформена парабола от трета степен (фиг. 4.2 б ), лицето на фигурата е (4.3) A= 3λ ( a + 3b + 3c + d ) . 8 Чрез многократно прилагане на (4.2) се получава израз, валиден за произволен четен брой полета. Например, при шест полета (фиг. 4.2 в ) лицето на фигурата е (4.4) А= 2λ a g + 2b + c + 2d + e + 2 f + . 3 2 2 При многократно прилагане на (4.3) се получава аналогичен израз, валиден при разделяне на интеграла на 3 n части ( n е броят на полетата с дължина λ ). За шест полета (фиг. 4.2 в ) и за кубична парабола форм. (4.3) добива вида (4.5) А= 3λ ( a + 3b + 3c + 2d + 3e + 3 f + g ) . 8 При всички разгледани случаи ординатите могат да бъдат положителни, отрицателни или нулеви Те се заместват във формулите със знаците си. Числено диференциране Ако върху три ординати е оформена парабола от втора степен (фиг. 4.2 a ), първата производна (наклонът на тангентата) при ординатата a се дава с израза (4.6) tgϕa = 1 ( −3a + 4b − c ) . 2λ Първата производна при ордината b е (4.7) tgϕb = 1 ( −a + c ) . 2λ За кубичната парабола от фиг. 4.2 б първата производна при ордината a е (4.8) tgϕa = 1 ( −11a + 18b − 9c + 2d ) . 6λ Наклонът на тангентата при ординатата b e (4.9) tgϕb = 1 ( −2a − 3b + 6c − d ) . 6λ Когато функциите са по-сложни (от по-висока степен), резултатите от численото интегриране и диференциране са приблизителни. За постигане на по-висока точност се препоръчва да се проведе още едно решение със сгъстяване на ординатите (намаляване на стъпката λ ). Ако резултатите са близки, второто решение може да се счита за окончателно. В противен случай стъпката следва отново да се намали. Тази процедура е особено ефективна при двойно, респективно четворно сгъстяване на ординатите. 14 Таблица 5. Опорни завъртания за решаване на непрекъснати греди EI ϕA EI ϕB 1 Fab b 1 + 6 L Fab a 1 + 6 L 2 FL2 16 FL2 16 3 ML 3b2 1 − 2 6 L 4 ML 3 5 qL3 b2 1 − 24 L2 ML 3a2 2 − 1 6 L ML 6 2 qL3 a2 1 − 1 − 24 L2 6 qL3 24 qL3 24 7 7 qL3 360 qL3 45 8 EI 9 − 10 b L EI L EI L EI 2 a L EI L − EI L 15 ТАБЛИЦА 6 – Диаграми и реакции в едноотворни двустранно запънати елементи–лист 1 MA 12 EI 4 EI = 4i L 2 EI = 2i L 6 EI Fab2 Fa2 b L2 4 5 2 = L 2 3 6i L 6 EI A 6i L 1 6 EI MB 2 = L 3 = L L2 = B 12i L2 6i L A A L2 Fb2 2a 1 + L L2 F−A FL 8 FL 8 F 2 A qa2 8a 3a2 6− + 2 12 L L qa2 4a 3a2 − 2 12 L L qa 2a2 a3 2− 2 + 3 2 L L qa − A ТАБЛИЦА 6 – Диаграми и реакции в едноотворни двустранно запънати елементи – лист 2 MA MB A B 6 qL2 12 qL2 12 qL 2 qL 2 7 qL2 30 qL2 20 3qL 20 7 qL 20 8 5qL2 96 5qL2 96 qL 4 qL 4 Mb 3b 2 − L L Ma 3a 2− L L 6Mab 9 10 EI α∆t h EI α∆t h L3 0 A 0 Таблица 6 – продължение 2 MA 11 3EI 3i L 3EI 3EI = 3i L 3EI 2 = L 12 A 3 = L 2 = L B 3i L2 3i L A A 13 Fab b 1 + 2L L Fb b2 3 − 2 2 L L F−A 14 3FL 16 11F 16 5F 16 15 qa2 a 2− 8 L qa 4a2 a3 8 − 2 + 3 8 L L qa − A 16 qb2 b2 2− 2 8 L qb 6b b3 − 8 L L3 qb − A 2 16 MA A B 17 qL2 8 5qL 8 3qL 8 18 qL2 15 2qL 5 qL 10 19 7 qL2 120 9qL 40 11qL 40 20 M 2 3b2 1 − 2 L 3M 2L b2 1 − 2 L A 21 M 2 3M 2L A 22 1,5EI α∆t h 1,5EI α∆t Lh A 17 Таблица 7. Функции на формата с отчитане и на ъгловите деформации І тип елемент ІІ тип елемент Е и G − модули на линейните и ъгловите деформации; А и I − площ и инерционен момент на напречното сечение; AQ − ефективна площ на напречното сечение за поемане на напречните усилия. Схема Функция на формата Φ1 ( x) = 1 − Φ4 ( x ) = ΦI2тип ( x) = x L 1 12βx 3 x2 2 x3 − + 1 + 12β − 1 + 12β L L2 L3 тип ΦII ( x) = 2 20 x L 1 3βx 3 x2 x3 − + 1 + 3β − 1 + 3β L 2 L2 2 L3 Таблица 7 – продължение 1 Φ3I тип ( x) = x x x2 1 + 6β − 2 (1 + 3β ) + 2 1 + 12β L L Φ3II тип ( x) = Φ5I тип ( x) = x 12β + 3x − 2x L(1 + 12β) L L2 2 Φ5II тип ( x) = Φ6I тип ( x) = β= EI 2 x 3x x2 + 1 − 1 + 3β 2 L 2 L2 x 3 x x2 − 3β + L (1 + 3β ) 2 L 2 L2 x x x2 −6β − (1 − 6β ) + 2 1 + 12β L L . L GAQ Стандартните функции на формата (без отчитане на деформациите от напречните усилия) се получават от дадените в табл. 7 като се положи β = 0 . 21 Таблица 8. Матрица на коравина за рамкови елементи в локална координатна система с отчитане влиянието на напречните усилия Първи тип Премествания Реактивни усилия Означения: i − начален възел; j − краен възел a= EA , L i1 = EI 1 , L 1 + 12β β= EI 2 L GAQ AQ е ефективна площ на напречното сечение за поемане на Q -сили (за правоъгълно сечение AQ = Rix Riy A ). 1, 2 ui νi ϕi uj νj ϕj a 0 0 −a 0 0 12i1 6i1 0 2 L 4i1 (1 + 3β ) Mi R jx Riy Mj 22 L симетрично 0 a − 12i1 2 6i1 L L 6i − 1 L 2i1(1 − 6β ) 0 0 12i1 6i − 1 L 2 L 4i1 (1 + 3β ) Таблица 8 – продължение 1 Втори тип a= Rix Riy Riy − i2 = EI 1 , L 1 + 3β β= EI L2 GAQ ui νi ϕi uj νj ϕj a 0 0 −a 0 0 3i2 3i2 2 0 0 L 3i − 2 L2 0 − L 3i2 Mi R jx EA , L симетрично a 3i2 0 L 0 0 3i2 0 L2 0 Като се положи β = 0 се получават стандартните матрици на коравина − без отчитане на напречните усилия. 23 ТАБЛИЦА 4 – Трансформационна (трансформираща) матрица [Т] за равнинни рамкови елементи Означения: възлови премествания Vj Y y Vi Ui i ui j ϕj x, y – локални оси, x uj X, Y – глобални оси, Uj vj ϕi vi u, v, ϕ − локални възлови премествания, α U, V, ϕ − глобални възлови премествания, X s = sin α; ui U i v V i i φ i φ i {z} = = [T ]{Z} = [T ] ; u j U j v j V j φ j φ j c − s 0 [T ] = 0 0 0 s c 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 c −s 0 c = cos α. 0 0 0 s c 0 0 0 0 0 0 1 ; [T] T [T] = E . [T] T = [T] – 1 ; Същата трансформираща матрица изразява и връзката между възловите усилия в локалната и глобалната координатни системи. Ако [k] e матрица на коравината в локална координатна система x–y, в глобалната координатна система X–Y матрицата на коравина [K] се формира по израза T [K] = [T] [k] [T]. Таблица 10. Греди с правоъгълно сечение върху еластична основа − метод на началните параметри Напречно сечение α=4 k 4 EI k = K0b − константа на Винклер; K0 − коефициент на земното легло; r (αx ) = kv (αx) ; B A α EIv = V EI ϕ = Φ − 4αD A = M 2 Q 4α C 4αD 4α3 B 4α2 C D α α3 V V B C 0 − − Φ Φ α α2 0 + . M B 0 M A Q Q α 0 A − 4 αD − C 2 − Вектор на външните въздействия (частни интеграли) EI v (ξ) = V (ξ) = − M 2 α C ( αm ) + F 3 α D ( αf ) − q 4α4 A ( αn ) − A ( αk ) , EI ϕ(ξ) = Φ (ξ) = − M F q B ( αm ) + C ( αf ) + D ( αn ) − D ( αk ) , 2 α α α3 M (ξ) = MA ( αm ) − F q B ( αf ) − C ( αn ) − C ( αk ) , α α2 Q (ξ) = − M 4αD ( αm ) − FA ( αf ) − q B ( αn ) − B ( αk ) . α 25 Хиперболо-тригонометрични функции ξ = αx , 26 A(ξ) = chξ cos ξ , B(ξ) = 0,5(chξ sin ξ + shξ cos ξ) ; C (ξ) = 0,5shξ sin ξ , D(ξ) = 0, 25(chξ sin ξ − shξ cos ξ) . ξ = αx A(ξ) B ( ξ) C (ξ ) D ( ξ) 0,00 1,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,10 1,0000 0,1000 0,0050 0,0002 0,20 0,9997 0,2000 0,0200 0,0013 0,30 0,9986 0,2999 0,0450 0,0045 0,40 0,9957 0,3997 0,0800 0,0107 0,50 0,9896 0,4990 0,1249 0,0208 0,60 0,9784 0,5974 0,1797 0,0360 0,70 0,9600 0,6944 0,2443 0,0571 0,80 0,9318 0,7891 0,3185 0,0852 0,90 0,8908 0,8803 0,4020 0,1211 1,00 0,8337 0,9667 0,4944 0,1659 1,10 0,7568 1,0464 0,5952 0,2203 1,20 0,6561 1,1173 0,7034 0,2851 1,30 0,5272 1,1767 0,8182 0,3612 1,40 0,3656 1,2216 0,9383 0,4490 1,50 0,1665 1,2486 1,0619 0,5489 1,60 -0,0752 1,2535 1,1873 0,6614 1,70 -0,3643 1,2319 1,3118 0,7864 1,80 -0,7059 1,1789 1,4326 0,9236 1,90 -1,1047 1,0889 1,5463 1,0726 2,00 -1,5654 0,9559 1,6489 1,2325 2,10 -2,0919 0,7736 1,7358 1,4019 2,20 -2,6878 0,5352 1,8017 1,5789 2,30 -3,3559 0,2336 1,8407 1,7613 2,40 -4,0973 -0,1384 1,8461 1,9460 ξ = αx A(ξ) B ( ξ) C (ξ ) D ( ξ) 2,50 -4,9123 -0,5882 1,8105 2,1292 2,60 -5,7997 -1,1232 1,7256 2,3064 2,70 -6,7558 -1,7504 1,5828 2,4723 2,80 -7,7751 -2,4764 1,3723 2,6207 2,90 -8,8489 -3,3071 1,0840 2,7442 3,00 -9,9661 -4,2477 0,7072 2,8345 3,10 -11,1110 -5,3013 0,2307 2,8823 3,20 -12,2647 -6,4701 -0,3569 2,8770 3,30 -13,4038 -7,7536 -1,0671 2,8069 3,40 -14,4997 -9,1492 -1,9112 2,6591 3,50 -15,5187 -10,6508 -2,9003 2,4198 3,60 -16,4212 -12,2488 -4,0444 2,0739 3,70 -17,1615 -13,9298 -5,3530 1,6054 3,80 -17,6870 -15,6741 -6,8326 0,9976 3,90 -17,9386 -17,4578 -8,4889 0,2331 4,00 -17,8502 -19,2503 -10,3243 -0,7060 4,10 -17,3482 -21,0138 -12,3377 -1,8376 4,20 -16,3522 -22,7032 -14,5243 -3,1792 4,30 -14,7748 -24,2647 -16,8738 -4,7477 4,40 -12,5214 -25,6358 -19,3711 -6,5591 4,50 -9,4933 -26,7433 -21,9924 -8,6262 4,60 -5,5853 -27,5049 -24,7079 -10,9604 4,70 -0,6889 -27,8273 -27,4784 -13,5693 4,80 5,3064 -27,6061 -30,2549 -16,4559 4,90 12,5116 -26,7258 -32,9772 -19,6180 5,00 21,0352 -25,0600 -35,5735 -23,0467 Когато αx > 5, 00 в практиката се прилагат други методи на решение. 27 Литература 1. Карамански, Т., Р. Рангелов. Приложение към методично ръководство за решаване на задачи по строителна статика, Техника, 1971. 2. Baychev, I. Fixed–Hinged Beam Finite Elements used for Dynamic Analysis of Frames. Mechanics Research Communications, New York, vol. 23, № 2/96. 28