http//:www.svkspb.nm.ru

Геометрические характеристики плоских сечений

Площадь : , dF - элементарная площадка.

Статический момент элемента площади dF относительно оси 0x
- произведение элемента площади на расстояние "y" от оси 0x: dS x = ydF

Просуммировав (проинтегрировав) такие произведения по всей площади фигуры, получаем статические моменты относительно осей y и x:
;
[см 3 , м 3 , т.д.].

Координаты центра тяжести :
. Статические моменты относительно центральных осей (осей, проходящих через центр тяжести сечения) равны нулю. При вычислении статических моментов сложной фигуры ее разбивают на простые части, с известными площадями F i и координатами центров тяжести x i , y i .Статический момент площади всей фигуры = сумме статических моментов каждой ее части:
.

Координаты центра тяжести сложной фигуры:

М
оменты инерции сечения

Осевой (экваториальный) момент инерции сечения - сумма произведений элементарных площадок dF на квадраты их расстояний до оси.

;
[см 4 , м 4 , т.д.].

Полярный момент инерции сечения относительно некоторой точки (полюса) - сумма произведений элементарных площадок на квадраты их расстояний от этой точки.
; [см 4 , м 4 , т.д.]. J y + J x = J p .

Центробежный момент инерции сечения - сумма произведений элементарных площадок на их расстояния от двух взаимно перпендикулярных осей.
.

Центробежный момент инерции сечения относительно осей, из которых одна или обе совпадают с осями симметрии, равен нулю.

Осевые и полярные моменты инерции всегда положительны, центробежные моменты инерции могут быть положительными, отрицательными или равными нулю.

Момент инерции сложной фигуры равен сумме моментов инерции составных ее частей.

Моменты инерции сечений простой формы

П
рямоугольное сечение Круг

К


ольцо

Т
реугольник

р
авнобедренный

Прямоугольный

т
реугольник

Четверть круга

J y =J x =0,055R 4

J xy =0,0165R 4

на рис. (-)

Полукруг

М

оменты инерции стандартных профилей находятся из таблиц сортамента:

Д
вутавр Швеллер Уголок

М

оменты инерции относительно параллельных осей :

J x1 =J x + a 2 F;

J y1 =J y + b 2 F;

момент инерции относительно любой оси равен моменту инерции относительно центральной оси, параллельной данной, плюс произведение площади фигуры на квадрат расстояния между осями. J y1x1 =J yx + abF; ("a" и "b" подставляют в формулу с учетом их знака).

Зависимость между моментами инерции при повороте осей :

J x1 =J x cos 2  + J y sin 2  - J xy sin2; J y1 =J y cos 2  + J x sin 2  + J xy sin2;

J x1y1 =(J x - J y)sin2 + J xy cos2 ;

Угол >0, если переход от старой системы координат к новой происходит против час.стр. J y1 + J x1 = J y + J x

Экстремальные (максимальное и минимальное) значения моментов инерции называются главными моментами инерции . Оси, относительно которых осевые моменты инерции имеют экстремальные значения, называются главными осями инерции . Главные оси инерции взаимно перпендикулярны. Центробежные моменты инерции относительно главных осей = 0, т.е. главные оси инерции - оси, относительно которых центробежный момент инерции = 0. Если одна из осей совпадает или обе совпадают с осью симметрии, то они главные. Угол, определяющий положение главных осей:
, если  0 >0  оси поворачиваются против час.стр. Ось максимума всегда составляет меньший угол с той из осей, относительно которой момент инерции имеет большее значение. Главные оси, проходящие через центр тяжести, называются главными центральными осями инерции . Моменты инерции относительно этих осей:

J max + J min = J x + J y . Центробежный момент инерции относительно главных центральных осей инерции равен 0. Если известны главные моменты инерции, то формулы перехода к повернутым осям:

J x1 =J max cos 2  + J min sin 2 ; J y1 =J max cos 2  + J min sin 2 ; J x1y1 =(J max - J min)sin2;

Конечной целью вычисления геометрических характеристик сечения является определение главных центральных моментов инерции и положения главных центральных осей инерции. Радиус инерции -
; J x =Fi x 2 , J y =Fi y 2 .

Если J x и J y главные моменты инерции, то i x и i y - главные радиусы инерции . Эллипс, построенный на главных радиусах инерции как на полуосях, называется эллипсом инерции . При помощи эллипса инерции можно графически найти радиус инерции i x1 для любой оси х 1 . Для этого надо провести касательную к эллипсу, параллельную оси х 1 , и измерить расстояние от этой оси до касательной. Зная радиус инерции, можно найти момент инерции сечения относительно оси х 1:
. Для сечений, имеющих более двух осей симметрии (например: круг, квадрат, кольцо и др.) осевые моменты инерции относительно всех центральных осей равны между собой, J xy =0, эллипс инерции обращается в круг инерции.

Моменты сопротивления.

Осевой момент сопротивления - отношение момента инерции относительно оси к расстоянию от нее до наиболее удаленной точки сечения.
[см 3 , м 3 ]

Особенно важны моменты сопротивления относительно главных центральных осей:

прямоугольник:
; круг: W x =W y =
,

трубчатое сечение (кольцо): W x =W y =
, где = d Н /d B .

Полярный момент сопротивления - отношение полярного момента инерции к расстоянию от полюса до наиболее удаленной точки сечения:
.

Для круга W р =
.

Способ вычисления моментов инерции сложных сечений основан на том, что любой интеграл можно рассматривать как сумму интегралов и, следовательно, момент инерции любого сечения вычислять как сумму моментов инерции отдельных его частей.

Поэтому для вычисления моментов инерции сложное сечение разбивается на ряд простых частей (фигур) с таким расчетом, чтобы их геометрические характеристики можно было вычислить по известным формулам или найти по специальным справочным таблицам.

В ряде случаев при разбивке на простые фигуры для уменьшения числа или упрощения их формы сложное сечение целесообразно дополнять некоторыми площадями. Так, например, при определении геометрических характеристик сечения, показанного на рис. 22.5, а, его целесообразно дополнить до прямоугольника , а затем из геометрических характеристик этого прямоугольника вычесть характеристики добавленной части . Аналогично поступают и при наличии отверстий (рис. 22.5, б).

После разбивки сложного сечения на простые части для каждой из них выбирается прямоугольная система координат, относительно которой надо определить моменты инерции соответствующей части. Все такие системы координат принимаются параллельными друг другу для того, чтобы затем путем параллельного переноса осей можно было подсчитать моменты инерции всех частей относительно системы координат, общей для всего сложного сечения.

Как правило, система координат для каждой простой фигуры принимается центральная, т. е. ее начало совпадает с центром тяжести этой фигуры. В этом случае последующий подсчет моментов инерции при переходе к другим параллельным осям упрощается, так как формулы перехода от центральных осей имеют более простой вид, чем от нецентральных.

Следующим этапом является вычисление площадей каждой простой фигуры, а также ее осевых и центробежного моментов инерции относительно осей выбранной для нее системы координат. Статические моменты относительно этих осей, как правило, равны нулю, так как для каждой из частей сечения эти оси обычно являются центральными. В случаях, когда это нецентральные оси, необходимо вычислять статические моменты.

Полярный момент инерции вычисляется только для круглого (сплошного или кольцевого) сечения по готовым формулам; для сечений других форм эта геометрическая характеристика не имеет какого-либо значения, так как при расчетах она не используется.

Осевые и центробежный моменты инерции каждой простой фигуры относительно осей ее системы координат подсчитываются по имеющимся для такой фигуры формулам или таблицам. Для некоторых фигур имеющиеся формулы и таблицы не позволяют определить необходимые осевые и центробежный моменты инерции; в этих случаях приходится пользоваться формулами перехода к новым осям (обычно для случая поворота осей).

В таблицах сортамента величины центробежных моментов инерции для уголков не указаны. Методика определения таких моментов инерции рассмотрена в примере 4.5.

В подавляющем большинстве случаев конечной целью вычисления геометрических характеристик сечения является определение его главных центральных моментов инерции и положения главных центральных осей инерции. Поэтому следующим этапом вычисления является определение координат центра тяжести заданного сечения [по формулам (6.5) и (7.5)] в некоторой произвольной (случайной) системе координат Через этот центр тяжести сечения проводятся вспомогательные (не главные) центральные оси параллельные осям системы координат простых фигур.

Затем с помощью формул, устанавливающих зависимости между моментами инерции для параллельных осей (см. § 5.5), определяются моменты инерции каждой простой фигуры относительно вспомогательных, центральных осей Путем суммирования моментов инерции каждой простой фигуры относительно осей определяются моменты инерции всего сложного сечения относительно этих осей; при этом моменты инерции отверстий или добавленных площадок вычитаются.

Различают следующие виды моментов инерции сечений: осевые; центробежный; полярный; центральные и главные моменты инерции.

Центробежные моменты инерции сечения относительной у и z называют интеграл вида Сумма осевых моментов инерции сечения относительно двух координатных осей равна полярному моменту инерции относительно начала координат:

Размерность указанных видов моментов инерции сечения (длина 4), т.е. м 4 или см 4 .

Осевые и полярный моменты инерции сечения – величины положительные; центробежный момент инерции может быть положительным, отрицательным и равным нулю (для некоторых осей, являющихся осью симметрии).

Существуют зависимости для моментов инерции при параллельном переносе и повороте координатных осей.

Рисунок 5.4 – Параллельный перенос и поворот координатных осей для произвольного поперечного сечения бруса

Для центробежных моментов инерции

Если известны моменты инерции сечения Iz, Iу, Izу относительно осей z и у , то моменты инерции относительно повернутых осей z 1 и у 1 , на угол α по отношению к исходным осям (рис. 5.4, б ) определяется по формулам:

С понятием главных моментов инерции связывают положение главных осей инерции. Главными осями инерции называют две взаимно перпендикулярные оси, относительно которых центробежный момент инерции равен нулю, а осевые моменты приобретают экстремальные значения (максимум и минимум).

Если главные оси проходят через центр тяжести фигуры, то они называются главными центральными осями инерции.

Положение главных осей инерции находят из следующих зависимостей:

В расчетах прочности элементов конструкций пользуются понятием такой геометрической характеристики как момент сопротивления сечения .

Рассмотрим для примера поперечное сечение бруса (рис. 5.5).

Рисунок 5.5 – Пример поперечного сечения бруса

Отстояние наиболее удаленной т.А от центра тяжести сечения т.С о бозначим h 1 , а отстояние т.В – через h 2 .

(5.16)

Тогда моменты сопротивления сечения относительно горизонтальной оси z точек А , В вычисляются как отношения осевого момента инерции относительно оси z к расстояниям до точек А, В :

Практический интерес в расчетах прочности представляет наименьший момент сопротивления сечения Wmin , соответствующий наиболее удаленной т.А от центра тяжести сечения h 1 = у max .

Размерность элементов сопротивления (длина 3), т.е. м 3 , см 3 .

Таблица 5.1 – Значения моментов инерции и моментов сопротивления простейших сечений относительно центральных осей

Виды наименования сечения	Моменты инерции	Моменты сопротивления
Прямоугольник
Круг

продолжение таблицы 5.1

Осевым (или экваториальным) моментом инерции сечения относительно некоторой оси называется взятая по всей его площади F сумма произведений элементарных площадок на квадраты их расстояний от этой оси, т. е.

Полярным моментом инерции сечения относительно некоторой точки (полюса) называется взятая по всей его площади F сумма произведений элементарных площадок на квадраты их расстояний от этой точки, т. е.

Центробежным моментом инерции сечения относительно некоторых двух взаимно перпендикулярных осей называется взятая по всей его площади F сумма произведений элементарных площадок на их расстояния от этих осей, т.е.

Моменты инерции выражаются в и т.д.

Осевые и полярные моменты инерции всегда положительны, так как в их выражения под знаки интегралов входят величины площадок (всегда положительные) и квадраты расстояний этих площадок от данной оси или полюса.

На рис. 9.5, а изображено сечение площадью F и показаны оси у и z. Осевые моменты инерции этого сечения относительно осей у :

Сумма этих моментов инерции

и, следовательно,

Таким образом, сумма осевых моментов инерции сечения относительно двух взаимно перпендикулярных осей равна полярному моменту инерции этого сечения относительно точки пересечения указанных осей.

Центробежные моменты инерции могут быть положительными, отрицательными или равными нулю. Так, например, центробежный момент инерции сечения, показанного на рис. 9.5, а, относительно осей у и положителен, так как для основной части этого сечения, расположенной в первом квадранте, значения , а следовательно, и положительны.

Если изменить положительное направление оси у или на обратное (рис. 9.5,б) или повернуть обе эти оси на 90° (рис. 9.5, в), то центробежный момент инерции станет отрицательным (абсолютная величина его не изменится), так как основная часть сечения будет тогда располагаться в квадранте, для точек которого координаты у положительны, а координаты z отрицательны. Если изменить положительные направления обеих осей на обратные, то это не изменит ни знак, ни величину центробежного момента инерции.

Рассмотрим фигуру, симметричную относительно одной или нескольких осей (рис. 10.5). Проведем оси так, чтобы хотя бы одна из них (в данном случае ось у) совпадала с осью симметрии фигуры. Каждой площадке расположенной справа от оси соответствует в этом случае такая же площадка расположенная симметрично первой, но слева от оси у. Центробежный момент инерции каждой пары таких симметрично расположенных площадок равен:

Следовательно,

Таким образом, центробежный момент инерции сечения относительно осей, из которых одна или обе совпадают с его осями симметрии, равен нулю.

Осевой момент инерции сложного сечения относительно некоторой оси равен сумме осевых моментов инерции составляющих его частей относительно этой же оси.

Аналогично центробежный момент инерции сложного сечения относительно любых двух взаимно перпендикулярных осей равен сумме центробежных моментов инерции составляющих его частей относительно этих же осей. Также и полярный момент инерции сложного сечения относительно некоторой точки равен сумме полярных моментов инерции составляющих его частей относительно той же точки.

Следует иметь в виду, что нельзя суммировать моменты инерции, вычисленные относительно различных осей и точек.