Минимальный момент инерции поперечного сечения. Моменты инерции составных сечений. Моменты инерции простых сечений

Введем декартову прямоугольную систему координат O xy . Рассмотрим в плоскости координат произвольное сечение (замкнутую область) с площадью A (рис. 1).

Статическими моментами

Точка C с координатами (x C , y C)

называется центром тяжести сечения .

Если оси координат проходят через центр тяжести сечения, то статические моменты сечения равны нулю:

Осевыми моментами инерции сечения относительно осей x и y называются интегралы вида:

Полярным моментом инерции сечения относительно начала координат называется интеграл вида:

Центробежным моментом инерции сечения называется интеграл вида:

Главными осями инерции сечения называются две взаимно перпендикулярные оси, относительно которых I xy =0. Если одна из взаимно перпендикулярных осей является осью симметрии сечения, то I xy =0 и, следовательно, эти оси - главные. Главные оси, проходящие через центр тяжести сечения, называются главными центральными осями инерции сечения

2.Теорема Штейнера-Гюйгенса о параллельном переносе осей

Теорема Штейнера-Гюйгенса (теорема Штейнера).
Осевой момент инерции сечения I относительно произвольной неподвижной оси x равен сумме осевого момента инерции этого сечения I с относительной параллельной ей оси x * , проходящей через центр масс сечения, и произведения площади сечения A на квадрат расстояния d между двумя осями.

Если известны моменты инерции I x и I y относительно осей x и y, то относительно осей ν и u, повернутых на угол α, моменты инерции осевые и центробежный вычисляют по формулам:

Из приведенных формул видно, что

Т.е. сумма осевых моментов инерции при повороте взаимно перпендикулярных осей не меняется, т.е.оси u и v, относительно которых центробежный момент инерции сечения равен нулю, а осевые моменты инерции І u и I v имеют экстремальные значения max или min, называют главными осями сечения. Главные оси, проходящие через центр тяжести сечения, называются главными центральными осями сечения . Для симметричных сечений оси их симметрии всегда являются главными центральными осями. Положение главных осей сечения относительно других осей определяют, используя соотношение:

где α 0 – угол, на который надо развернуть оси x и y, чтобы они стали главными (положительный угол принято откладывать против хода часовой стрелки, отрицательный – по ходу часовой стрелки). Осевые моменты инерции относительно главных осей называются главными моментами инерции :

знак плюс перед вторым слагаемым относится к максимальному моменту инерции, знак минус – к минимальному.

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

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

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.

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 .

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

Обратите внимание, на этом сайте есть онлайн-сервис для вычисления центра тяжести и моментов инерции составных сечений, которые состоят из прокатных профилей (двутавр, уголок и т.д.) и из простых фигур.

Часто при расчете элементов строительных конструкций приходится определять геометрические характеристики профилей, составленных из элементарных геометрических фигур (прямоугольник, круг и т.п.) и прокатных профилей. Рассмотрим подробно пример расчета.

Необходимо определить геометрические характеристики составного сечения (рис.), который состоит из уголка 20/12,5/1,2, уголка 14/1 и прямоугольника 20х2см.

Определение собственных характеристик отдельных профилей - составляющих сечения

Собственные характеристики прокатных профилей определяются из сортамента.

Для неравнополочного уголка 20/12,5/1,2:

- высота и ширина уголка h = 20 см, b = 12,5 см;

- площадь $A$= 37,9 см 2 ;

- собственные осевые моменты инерции ${I_x}$=1570 см 4 , ${I_y}$= 482 см 4 ;

- собственный центробежный момент инерции ${I_{xy}}$=505 см 4 ;

- координаты центра тяжести ${x_c}$= 2,83 см, ${y_c}$= 6,51 см.

Для равнополочного уголка 14/1:

- высота и ширина уголка h = b = 14 см;

- площадь $A$= 27,3 см 2 ;

- собственные осевые моменты инерции ${I_x}$= ${I_y}$= 512 см 4 ;

- собственный центробежный момент инерции ${I_{xy}}$=301 см 4 ;

- координаты центра тяжести ${x_c}$= ${y_c}$= 3,82 см.

Для прямоугольника 20х2см:

- высота и ширина прямоугольника h = 20 см, b = 2 см;

Площадь $A$= 20 ∙ 2 = 40 см 2 ;

- собственные осевые моменты инерции ${I_x} = \frac{{2 \cdot {{20}^3}}}{{12}} = 1330$ см 4 , ${I_y} = \frac{{20 \cdot {2^3}}}{{12}} = 13,3$см 4 ;

- собственный центробежный момент инерции ${I_{xy}}$= 0, так как профиль имеет ось симметрии.

Определение центра тяжести сечения

Общая площадь всего сечения A = 37,9+27,3+40 = 105см 2 .

Проводим вспомогательные оси $X$ и $Y$ и определяем относительно них центр тяжести сечения:

${X_c} = \frac{{\sum {{X_i} \cdot {A_i}} }}{A} = \frac{{{\text{37}}{\text{,9}} \cdot {\text{(- 13}}{\text{,5) + 27}}{\text{,3}} \cdot {\text{(- 3}}{\text{,82) + 40}} \cdot {\text{1}}}}{{{\text{105}}}}{\text{ = - 5}}{\text{,49}}$см;

${Y_c} = \frac{{\sum {{Y_i} \cdot {A_i}} }}{A} = \frac{{{\text{37}}{\text{,9}} \cdot {\text{(- 2}}{\text{,83) + 27}}{\text{,3}} \cdot {\text{10}}{\text{,2 + 40}} \cdot {\text{10}}}}{{105}} = 5,44$.

При этом в координатах центров тяжести составных обязанности ’ обязательно учитываем знак. Откладываем оси, которые проходят через центр тяжести - центральные оси $Xc$ и ${Y_c}$.

Определение центральных моментов инерции

Осевые и центробежный моменты инерции сечения определяем по формулам перехода между параллельными осями. Для этого находим и показываем на чертеже расстояния между центральными осями всего сечения и собственными осями каждой из фигур.

$Ix = \sum {\left({I{x_i} + A \cdot {b^2}} \right) = {\text{482 + 8}}{\text{,2}}{{\text{7}}^{\text{2}}} \cdot {\text{37}}{\text{,9 + 512 + 4}}{\text{,7}}{{\text{6}}^{\text{2}}} \cdot {\text{27}}{\text{,3 + 1330 + 4}}{\text{,5}}{{\text{6}}^{\text{2}}} \cdot {\text{40 = 6360}}} $см 4 ;

$Iy = \sum {\left({I{y_i} + A \cdot {a^2}} \right)} = {\text{1570 + 8}}{\text{,0}}{{\text{1}}^{\text{2}}} \cdot {\text{37}}{\text{,9 + 512 + 1}}{\text{,6}}{{\text{7}}^{\text{2}}} \cdot {\text{27}}{\text{,3 + 13}}{\text{,3 + 6}}{\text{,4}}{{\text{9}}^{\text{2}}} \cdot {\text{40 = 6280}}$см 4 ;

${I_{xy}} = \sum {\left({{I_{xy}}_i + A \cdot a \cdot b} \right)} = $

$ = 505 + (- 8,01) \cdot (- 8,27) \cdot 37,9 - 301 + 1,67 \cdot 4,76 \cdot 27,3 + 0 + 6,49 \cdot 4,56 \cdot 40 = 4120$см 4 .

При этом обязанности ’ обязательно учитываем размещения фигур относительно рассматриваемых осей. Так, при определении момента инерции ${I_x}$ в формулу подставляем собственный момент инерции неравнополочного уголка относительно оси, которая параллельна оси ${X_c}$, в сортаменте это ось $Y$, и наоборот.

Определение положения главных осей и главных моментов инерции

Угол поворота главных осей относительно осей, для которых известны моменты инерции, определяется по формуле

\ $\alpha = \frac{{arctg(- 97)}}{2} = - 44,7^\circ $.

Если $\alpha > 0$, главные оси откладываются против часовой стрелки, и наоборот.

Главные моменты инерции определяются так

${I_{x0}} = {I_x} \cdot {\cos ^2}\alpha + {I_y} \cdot {\sin ^2}\alpha - {I_{xy}} \cdot \sin 2\alpha = $

$ = 6360 \cdot {\cos ^2}(- 44,7^\circ) + 6280 \cdot {\sin ^2}(- 44,7^\circ) - 4120 \cdot \sin (- 2 \cdot 44,7^\circ) = 10430$см 4 .

${I_{y0}} = {I_y} \cdot {\cos ^2}\alpha + {I_x} \cdot {\sin ^2}\alpha + {I_{xy}} \cdot \sin 2\alpha = $

$ = 6280 \cdot {\cos ^2}(- 44,7^\circ) + 6360 \cdot {\sin ^2}(- 44,7^\circ) + 4120 \cdot \sin (- 2 \cdot 44,7^\circ) = 2210$см 4 .

Центробежный момент инерции относительно главных осей равен нулю.

Радиусы инерции. Моменты сопротивления

Радиусы инерции сечения

${i_x} = \sqrt[{}]{{\frac{{{I_x}}}{A}}} = \sqrt[{}]{{\frac{{10430}}{{105}}}} = 9,96$см, ${i_y} = \sqrt[{}]{{\frac{{{I_y}}}{A}}} = \sqrt[{}]{{\frac{{2210}}{{105}}}} = 4,58$см.

Моменты сопротивления сечения определяем относительно центральных осей. Для этого необходимо определить расстояния ${x_{\max }}$ и ${y_{\max }}$ до максимально удаленных точек от главных осей. Сначала необходимо по чертежам определить, какие точки являются наиболее удаленными. В нашем случае это точки $A$ и $B$ (рис.). Искомые расстояния можно определить, имея координаты этих точек в центральных (не возвращенных осям).

${x_{\max }} = {x_A} \cdot \cos \left(\alpha \right) + {y_A} \cdot \sin \left(\alpha \right)$

${y_{\max }} = {y_B} \cdot \cos \left(\alpha \right) - {x_B} \cdot \sin \left(\alpha \right)$

X А = - 8,53см Y A =8,57см

X B = - 14,5см Y B = - 18см

x max = - 12,1см y max = - 23см

Моменты сопротивления

${W_x} = \frac{{{I_x}}}{{{y_{\max }}}} = \frac{{10430}}{{23}} = 454$см 3 ; ${W_y} = \frac{{{I_y}}}{{{x_{\max }}}} = \frac{{2210}}{{12.1}} = 183$см 3 .

Осевой (или экваториальный) момент инерции сечения относительно оси — это взятая по всей площади S сумма произведений бесконечно малых площадок () умноженных на квадраты расстояний от них до оси вращения:

Выделяют полярный момент инерции сечения по отношению к некоторой точке (полюсу). Полярным моментом инерции сечения называют взятую по свей площади S сумму произведений бесконечно малых площадок (), умноженных на расстояние от этих площадок до полюса, взятые в квадрате:

где В случае перпендикулярности осей, относительно которых известны моменты инерции, полярный момент инерции по отношению к точке пересечения этих осей легко находится, как результат суммирования осевых моментов инерции:

Иногда рассматривают центробежный момент инерции сечения, который находят как

выражение (4) говорит о том, что центробежный момент инерции сечения относительно взаимно перпендикулярных осей есть сумма произведений элементарных площадок () на расстояния от них до рассматриваемых осей, по всей площади S.

Осевые и полярные моменты инерции всегда положительны. Центробежные моменты инерции сечений могут быть больше и меньше нуля. Центробежный момент инерции сечения относительно осей, одна из которых или обе совпадают с его осями симметрии, равен нулю.

Осевой момент инерции сложного сечения по отношению к оси равен сумме осевых моментов инерции частей этого сечения относительно той же оси. Центробежный момент инерции сложного сечения относительно двух нормальных друг к другу осей можно найти как сумму центробежных моментов инерции частей по отношению к тем же осям. Полярный момент инерции обладает таким же свойством. Однако нельзя складывать моменты инерции, которые найдены относительно разных осей и точек.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Нижеприведенные формулы для определения моментов инерции простых сечений относительно их центральных осей получены из интегральных выражений для моментов инерции (5.4), (5.5), (5.6):

1. Прямоугольник

(5.10)

(5.11)

так как оси Z иY– оси симметрии.

2. Круг

(5.12)

(5.13)

Здесь – полярный момент инерции сечения.

3. Полукруг

(5.14)

(5.15)

4. Равнобедренный треугольник

(5.16)

(5.17)

5. Прямоугольный треугольник

(5.18)

(5.19)

(5.20)

Полезно запомнить, что в формулах (5.10), (5.11) и (5.16)–(5.19) возводится в куб размер стороны фигуры, перпендикулярной рассматриваемой оси.

В формуле (5.20) при определении центробежного момента инерции знак "минус" ставится тогда, когда острые углы треугольника находятся в отрицательных четвертях (т.е. 2-й и 4-й). В тех случаях, когда эти углы находятся в положительных четвертях (т.е. 1-й и 3-й), в формуле (5.20) ставится знак "плюс".

5.3. Главные центральные моменты инерции сложных симметричных сечений

Положение главных центральных осей и величины главных центральных моментов инерции для симметричных сечений определяются в следующем порядке:

1. Сложное сечение разбивается на простые фигуры (круг, прямоугольник, двутавр, уголок и т.п.) и проводятся их центральные оси Z i и Y i (как правило – горизонтально и вертикально).

2. Определяется по формулам (5.3) положение центра тяжести всего сечения и через эту точку проводятся его центральные оси Z и Y. При наличии двух осей симметрии центр тяжести всего сечения находится в точке их пересечения.

Если сечение обладает только одной осью симметрии, то по формулам (5.3) определяется только одна координата центра тяжести. Поясним это для фигуры, показанной на рис. 5.8:

а) оси Z" и Y" выбираем так, чтобы ось Y" совпала с осью симметрии фигуры, а ось Z" – чтобы было удобно определить расстояние до этой оси от центральных осей простых фигур;

б) определяем статический момент площади сечения относительно произвольной оси Z" по формуле:

= А 1 у 1 + А 2 у 2 ,

где А i – площади сечений простых фигур; у i – расстояния от произвольной осиZ" до центральных осей простых фигурZ i . Расстояния у i необходимо брать с учетом знаков;

в) определяем координату у C центра тяжести по формуле (5.3):

=

г) на расстоянии у C от осиZпроводим вторую центральную осьZ. Первой центральной осью является ось симметрии Y.

3. Моменты инерции относительно главных центральных осейZиY(рис. 5.8) определяем по формулам (5.9), которые в развернутом виде запишутся так:

так как одна из рассматриваемых осей

(ось Y) является осью симметрии.

В этих формулах:

– осевые моменты инерции простых фигур относительно своих центральных осей (собственные моменты инерции), которые определяются по формулам (5.10)–(5.19) или по таблицам сортаментов для прокатных элементов;

– расстояния от общих центральных осей сеченияZиYдо центральных осей простых фигур. В рассматриваемом примере
и
показаны на рис. 5.8;

A i – площади простых фигур. Если простой фигурой является фигура, вырезанная от общей, т.е. "пустая" фигура, то в соответствующие формулы площади таких фигурAи их собственные моменты инерции
подставляются со знаком "минус".

ПРИМЕР 5.1

Требуется определить главные центральные моменты инерции сечения, изображенного на рис. 5.9.

1. Разбиваем сечение на простые фигуры и проводим их горизонтальные и вертикальные центральные оси Z i иY i

2. Проводим центральные оси для всей фигуры, т.е. оси симметрии ZиY.

3. Определяем расстояния от общих центральных осей ZиYдо центральных осей простых фигур и площади этих фигур:

4. Вычисляем собственные центральные моменты фигур по формулам (5.10)–(5.17):

5. Определяем осевые моменты инерции всего сечения относительно центральных осей ZиY:

Центробежный момент инерции
так какZиY– оси симметрии. Поэтому вычисленные намиI Z иI Y поэтому являются главными центральными осями:

ПРИМЕР 5.2

Требуется определить главные центральные моменты инерции сечения показанного на (рис. 5.10).

1. Разбиваем сечение на простые фигуры и проводим их центральные оси иY i .

2. Проводим ось симметрии Y. Она является главной центральной осью заданного сечения.

3. Для определения положения 2-й главной центральной оси выбираем произвольную ось Z, перпендикулярную оси симметрии. Пусть эта ось совпадает с осьюZ 3 .

4. По формуле (5.3) определяем ординату у с центра тяжести поперечного сечения по оси Y:

Откладываем размер у C вверх от осиZ" и проводим 2-ю главную центральную осьZ.

5. Определяем осевые моменты инерции простых фигур относи­тельно собственных центральных осей (см. формулы (5.10)–(5.17)):

6. Вычисляем расстояния от центральных осей всего сечения ZиYдо центральных осей отдельных фигур (рис. 5.10):

так как оси Y 1 ,Y 2 ,Y 3 совпадают с осью симметрииY.

7. Вычисляем осевые моменты инерции всего сечения относи­тельно центральных осей ZиYпо формулам (5.9):

Центробежный момент инерции I ZY всего сечения равен нулю, так как ось Y является осью симметрии, т.е. осиZиYявляются главными центральными осями инерции сечения, а вычисленные осевые моменты инерции являются главными центральными моментами инерции:

ПРИМЕР 5.3

Требуется определить главные центральные моменты инерции составного сечения, показанного на (рис. 5.11).

Порядок решения подробно рассмотрен в примере 5.2.

1. Разбиваем сечение на отдельные фигуры, геометрические характеристики которых приводятся в таблице сортаментов (двутавр и швеллер) или легко вычисляются по формулам (5.10)–(5.20) (в данном примере прямоугольник) и проводим их центральные оси.

2. Проводим ось симметрии Y. Центр тяжести всего сечения лежит на этой оси.

3. Выбираем произвольную ось Z. Пусть в данном примере эта ось совпадает с осьюZ 3 .

4. Расстояние у C определяем от произвольной осиZдо центра тяжести всего сечения:

Расстояния от произвольно выбранной оси Z" до центральных осей каждой фигуры (у 1 , у 2 , у 3) показаны на рис. 5.11.

Площади сечений швеллера А 1 и двутавра А 2 выписываем из соответствующих таблиц сортамента, а площадь прямоугольника А 3 вычисляем:

А 1 = 23,4 см 2 , А 2 = 46,5 см 2 , А 3 = 242 = 48 см 2 .

Отложим величину у C вверх от осиZ" (так как у C > 0) и на этом расстоянии проведем главную центральную осьZ.

5. Геометрические характеристики прокатных профилей выписываем из таблицы сортаментов, учитывая различие в ориентации осей в таблице сортаментов и на рис. 5.12а, в.

1. Швеллер № 20

ГОСТ 8240-89

(рис. 5.12а)
;

Двутавр № 30

ГОСТ 8239-89

(рис. 5.12б)
h= 30 см.

Буква "с" в индексе осевых моментов инерции I означает ссылку на обозначение осей в сортаменте.

Моменты инерции прямоугольника (рис. 5.12в) вычисляем отдельно по формулам (5.10) и (5.11):

6. Определяем расстояния от общих центральных осей Y и Z до центральных осей отдельных фигур (они показаны на рис. 5.11):

так как оси Y 1 ,Y 2 ,Y 3 совпадают с осью симметрии всего сеченияY.

7. Определяем осевые моменты инерции сложной фигуры относительно центральных осей ZиYпо формулам (5.9):

Центробежный момент инерции
так как ось Y является осью симметрии. Поэтому оси Z и Y являются главными центральными осями.