Рациональные формы сечений

Условие прочности по нормальным напряжениям.

Рис.5.17

Формула (5.18) показывает, что величина σ линейно возрастает по мере удаления от нейтральной линии (рис.5.17). При этом напряжения постоянны по ширине сечения. При изменении знака изгибающего момента поменяется и знак напряжений (верхние волокна окажутся растянутыми, нижние – сжатыми).

Наибольшей величины σ_max напряжения достигают в волокнах, наиболее удаленных от нейтральной линии, т.е. в случае симметрии сечения относительно горизонтальной оси z при y = ± h/2 (рис.5.17). Подставляя это значение в формулу (5.18), получим

Отношение обозначается W и называется осевым моментом сопротивления. Момент сопротивления имеет размерность см³ и характеризует прочность балки при изгибе, для сечения произвольной формы находится по формуле (см. п. 3.7)

. (5.19)

Таким образом, для материалов, имеющих одинаковую прочность на растяжение и сжатие, условие прочности при чистом изгибе имеет следующий вид

. (5.20)

Полученные результаты позволяют сделать некоторые выводы о рациональной форме сечения при изгибе. В отличие от растяжения при изгибе напряжения в сечении распределяются неравномерно. Материал, расположенный у нейтрального слоя, нагружен очень мало. Поэтому в целях экономии его и снижения веса конструкции следует выбирать такие формы сечения, чтобы большая часть материала была удалена от нейтральной линии (рис.5.18,а). Наиболее близки к идеальному тонкостенные профили – двутавр (рис.5.18,б), швеллер (рис.5.18,в), коробка (рис.5.18,г).Совершенно не рационален круглый профиль, т.к. большая часть материла находится у нейтральной линии.

а б в г

Рис.5.18

Тем не менее в машиностроении широко применяются круглые стержни – это валы и оси, которые по конструктивным или технологическим соображениям невозможно сделать другого профиля.

В случаях применения материалов, по разному сопротивляющихся растяжению и сжатию (например, железобетона или чугуна), имеет смысл использовать несимметричный профиль, у которого нейтральная линия смещена по отношению к середине высоты сечения и напряжения в крайних волокнах не одинаковы (рис.5.19). Такой профиль называется тавром, его моменты сопротивления будут

и . (5.21)