Skip to content

Учебный пример: трёхшарнирная рама ​

Трёхшарнирная рама статически определима: три уравнения равновесия плюс условие M=0M = 0 в шарнире дают все четыре опорные реакции. Поэтому это идеальная модель, чтобы проверить каждое число, которое рисует EduBeam. Заложите около 15 минут.

Готовая рама: изгибающий момент и реакции

Откройте готовую модель, если хотите просто её исследовать.

Задача ​

  • Две стойки высотой 4 м с шарнирными опорами в основаниях A и E на расстоянии 8 м друг от друга.
  • Горизонтальный ригель B–D сверху с шарниром посередине пролёта, в точке C.
  • Равномерно распределённая нагрузка q=10q = 10 кН/м по всему ригелю.
  • Сталь (E=210E = 210 ГПа, G=81G = 81 ГПа), IPE 300 (A=53,8A = 53{,}8 см², Iy=8356I_y = 8356 см⁴, h=300h = 300 мм).
УзелX [м]Z [м]Опора
A00шарнир
B0−4
C4−4(шарнир в ригеле)
D8−4
E80шарнир

Помните, что ось z направлена вниз, поэтому верх стоек находится на Z = −4.

1. Материал и сечение ​

  1. Очистить модель (отметьте Удалить материалы и Удалить сечения).
  2. Материалы → Библиотека материалов → Steel (S235).
  3. Сечения → Добавить сечение: Площадь = 0.00538, Iy = 8.356e-5, Высота = 0.3, Коэффициент сдвига = 1.

Сечение влияет только на перемещения. Эта рама статически определима, поэтому её внутренние усилия вообще не зависят от EE, AA или II.

2. Нарисуйте раму ​

Быстрее всего нарисовать её мышью одной ломаной:

  1. Убедитесь, что Привязка к сетке включена (плашка S).
  2. Вкладка Элементы → вторая кнопка Добавить элемент (значок курсора).
  3. Щёлкните в точке (0, 0), затем (0, −4), (4, −4), (8, −4) и (8, 0). Чтобы найти точки, следите за линейками и перекрестием. Каждый щелчок добавляет узел и соединяет его с предыдущим.
  4. Нажмите Esc, чтобы закончить, а затем F, чтобы вписать раму в экран.

Теперь у вас пять узлов и четыре элемента. На рисунках здесь узлы обозначены A–E; при желании переименуйте свои в таблице Узлы или оставьте 1–5. Проверьте координаты в таблице и исправьте те, что не попали на сетку.

3. Опоры и шарнир ​

  1. Щёлкните узел A, откройте Опоры узла и выберите Шарнир. То же сделайте для узла E.
  2. В таблице Элементы найдите элемент от B до C и отметьте шарнир на его конце (второй флажок в столбце Концевые шарниры).
Таблица элементов: шарнир находится в конце элемента 2, в узле C

Один шарнир, а не два

Достаточно поставить шарнир в конце элемента B–C: момент в C тогда равен нулю, потому что C–D не может передать момент в узел, который жёстко держит только он один. Отметьте ещё и начало C–D — ничего не изменится. Но поставьте шарнир ещё и в B, и рама превратится в механизм. Попробуйте: EduBeam покажет, как она движется.

4. Нагрузка ​

Нагрузки → Добавить нагрузку на элемент → Равномерно распределённая нагрузка, элемент B–C, fz = 10 кН/м. Повторите для элемента C–D. Ригель горизонтален, поэтому флажок локальной системы координат здесь ни на что не влияет.

5. Результаты ​

В параметрах отображения изначально включены деформированная форма, изгибающий момент и реакции. Отметьте N (x) и Vz (x), чтобы увидеть остальное.

Изгибающий момент и реакции
Продольная сила
Поперечная сила
Деформированная форма

6. Проверьте вручную ​

Вертикальные реакции. По симметрии каждое основание воспринимает половину нагрузки:

V_A = V_E = \frac{q \cdot 8}{2} = 40\ \text{кН}

Горизонтальные реакции. Составьте уравнение моментов относительно шарнира C для левой половины рамы. Момент там должен быть равен нулю:

V_A \cdot 4 - H_A \cdot 4 - q \cdot 4 \cdot 2 = 0 \quad\Rightarrow\quad H_A = \frac{160 - 80}{4} = 20\ \text{кН}

Оба основания толкают раму внутрь с силой 20 кН; именно этот горизонтальный распор делает трёхшарнирную раму эффективной.

Внутренние усилия.

ВеличинаФормулаРучной расчётEduBeam
Вертикальные реакцииqL/2qL/240 кН40 кН
Горизонтальные реакциииз MC=0M_C = 020 кН20 кН
Момент в углах B и DH⋅hH \cdot h80 кНм, растянуты наружные волокна−80 кНм
Момент в шарнире C00
Продольная сила в стойках−VA-V_A−40 кН−40 кН
Продольная сила в ригеле−HA-H_A−20 кН−20 кН
Поперечная сила в стойкахHAH_A20 кН−20 кН (A–B), +20 кН (D–E)
Поперечная сила в ригеле у BVAV_A40 кН40 кН
Поперечная сила в ригеле у CVA−4qV_A - 4q00
Поперечная сила в ригеле у DVA−8qV_A - 8q−40 кН−40 кН

У двух стоек противоположные знаки поперечной силы, хотя они несут одинаковое усилие, потому что локальные оси каждого элемента следуют его направлению: A–B нарисован снизу вверх, а D–E сверху вниз. Поменяйте местами узлы одной стойки, и её знак изменится.

В ригеле M(x)=−80+40x−5x2M(x) = -80 + 40x - 5x^2 кНм (x отсчитывается от B); момент равен нулю в шарнире и нигде не бывает положительным: весь ригель работает с растянутыми верхними волокнами. Поперечная сила V(x)=40−10xV(x) = 40 - 10x обращается в ноль ровно в C, так что экстремум момента тоже находится в шарнире.

Перемещение. Шарнир C опускается на 43,1 мм (Результаты → Узловые результаты, Dz узла C). Это перемещение складывается из изгиба всех четырёх стержней и служит хорошим упражнением на принцип возможных перемещений.

7. Экспериментируйте ​

  • Снимите флажок шарнира в C. Рама становится один раз статически неопределимой; моменты в углах уменьшаются, а в середине пролёта появляется положительный момент. Теперь сечение имеет значение: попробуйте более жёсткий ригель.
  • Закрепите основания жёстко (выберите опору Заделка). В A и E появятся моменты.
  • Добавьте горизонтальную нагрузку: узловую силу Fx = 10 кН в B. Рама смещается вбок, и реакции больше не симметричны. Проверьте их теми же тремя уравнениями и условием MC=0M_C = 0.
  • Отметьте ещё и шарнир в B. Теперь рама — механизм, и EduBeam анимирует, как она может двигаться.