Вычисление моментов инерции и моментов сопротивления для простейших сечений.

Известно, что интеграл вида является моментом инерции сечения относительно нейтральной оси.

Здесь — расстояние элементарной площадки dF от нейтральной оси; суммирование охватывает всю площадь сечения. Покажем в качестве примера вычисление этого интеграла для прямоугольника (Рис.1) высотой h и шириной b. Проведем через его центр тяжести О оси симметрии Oz и Оу. Если внешние силы, действующие на балку, лежат в плоскости Oz, то нейтральной осью будет ось Оу. Найдем относительно этой оси сначала момент инерции, а потом и момент сопротивления площади прямоугольника.

Площадки dF, на которые следует разбить всю площадь сечения, выберем в виде узких прямоугольников шириной b и высотой dz (Рис.1а). Тогда:

и интеграл J принимает вид:

Чтобы взять интеграл по всей площади прямоугольника, следует z менять от до Тогда

Момент сопротивления относительно нейтральной оси Оу мы получим, разделив Jy на

Если необходимо вычислить момент инерции и момент сопротивления прямоугольника относительно оси Oz, то в полученных формулах следовало бы b и h поменять местами: и

Заметим, что сумма произведений не изменится, если мы сдвинем все полоски dF = bdz параллельно самим себе так, что они расположатся в пределах параллелограмма ABCD.

Рис.1. Расчетная модель для определения осевого момента инерции прямоугольника.

Иначе, момент инерции параллелограмма относительно оси у равен моменту инерции равновеликого ему прямоугольника

При вычислении момента инерции круга радиуса (Рис.2) также разбиваем площадь на узкие полоски размером вдоль оси Oz; ширина этих полосок b = b(z) тоже будет переменной по высоте сечения. Элементарная площадка

Момент инерции равен:

Рис.2. Расчетная модель для определения осевого момента инерции кругового сечения.

Так как верхняя и нижняя половины сечения одинаковы, то вычисление момента инерции достаточно провести для одной нижней и результат удвоить. Пределами для изменения z будут 0 и :

Введем новую переменную интегрирования — угол (Рис.2); тогда

Пределы: при ; при , следовательно,

и

Для треугольного сечения (Рис.3) момент инерции относительно оси АВ равен

; ,

В последующем будет изложен метод вычисления момента инерции для сечения любой сложной формы относительно любой оси.

На практике из симметричных сечений встречаются чаще всего: для дерева — прямоугольник и круг, для металлов — двутавровое и тавровое сечения. Для прокатных профилей можно пользоваться таблицами ОСТ (сортамент), в которых помещены размеры и

Рис.3. Расчетная модель для определения осевого момента инерции сечения треугольного профиля

величины J и W для профилей, выпускаемых заводами.

В балках из металла обычно применяются сложные поперечные сечения, потому что в них материал может быть использован экономичнее, чем в таких сечениях, как прямоугольник и круг.

Так, известно, что валы делают полыми, чтобы удалить ту часть материала, которая слабо работает. Известно также, что при изгибе балок материал около нейтральной оси принимает на себя малые нормальные напряжения и также не может быть использован полностью. Поэтому целесообразнее переделать прямоугольное сечение так, чтобы удалить материал у нейтральной оси и часть его сэкономить, а часть перенести в верхнюю и нижнюю зоны балки, где он будет работать более интенсивно. Так получается из прямоугольного сечения профиль двутавра, обладающего той же прочностью и меньшим весом. Применение двутавра целесообразно при материалах, одинаково сопротивляющихся растяжению и сжатию (большинство металлов).

Сечения в виде тавра, применяются или в случаях, вызываемых специальными конструктивными обстоятельствами, или для таких материалов, как чугун, бетон, у которых сопротивления растяжению и сжатию резко разнятся между собой; последнее обстоятельство требует, чтобы напряжения в крайних волокнах были различными.

Как видно из изложенного, при решении вопроса о наиболее экономичном проектировании сечения следует стремиться к тому, чтобы при одной и той же площади F получить наибольший момент сопротивления и момент инерции. Это ведет к размещению большей части материала подальше от нейтральной оси.

Однако для некоторых сечений можно увеличить момент сопротивления не добавлением, а, наоборот, путем срезки некоторой части сечения, наиболее удаленной от нейтральной оси.

Так, например, для круглого сечения срезка заштрихованных сегментов (Рис.4) несколько увеличивает момент сопротивления, так как при этом мы уменьшаем момент инерции сечения в меньшей степени, чем расстояние до крайнего волокна .

Рис.4. Срезка сегментов для увеличения осевого момента сопротивления.