Формулы геометрических характеристик сечений

Справочник формул для расчёта площади, центра тяжести, моментов инерции, моментов сопротивления и радиусов инерции простых сечений: прямоугольник, коробка, круг, кольцо, тонкостенная труба, треугольник, полукруг, эллипс, квадрат на ребре. Теорема о параллельном переносе осей, коэффициенты α и β для кручения прямоугольного стержня, коэффициенты приведения длины μ и предельная гибкость для расчёта на устойчивость.

Рекламный блок «после калькулятора» (ads/after-calc.html)

Геометрические характеристики сечения определяют жёсткость и прочность стержня: момент инерции I входит в формулы прогибов и критической силы, момент сопротивления W — в формулу напряжений при изгибе σ = M/W, полярный момент — в расчёт на кручение. Все моменты ниже даны относительно центральных осей; ось x горизонтальна, высота сечения h откладывается по вертикали, изгиб — в вертикальной плоскости. Для профилей (двутавр, швеллер, тавр, уголок) и составных сечений используйте калькулятор момента инерции сечения.

Простые сечения

СечениеПлощадь AЦентр тяжестиIxWxix
Прямоугольник b × hbhh/2bh³/12bh²/6h/√12 ≈ 0,289h
Квадрат a × aa²a/2a⁴/12a³/60,289a
Квадрат на ребре (по диагонали)a²a/√2a⁴/12a³/(6√2) ≈ 0,118a³0,289a
Коробка B × H, отверстие b × hBH − bhH/2(BH³ − bh³)/12(BH³ − bh³)/(6H)√(I/A)
Круг диаметром dπd²/4d/2πd⁴/64 ≈ 0,0491d⁴πd³/32 ≈ 0,0982d³d/4
Кольцо D × d (c = d/D)π(D² − d²)/4D/2πD⁴(1 − c⁴)/64πD³(1 − c⁴)/32√(D² + d²)/4
Тонкостенная труба: средний радиус r, стенка t2πrtrπr³tπr²tr/√2
Треугольник: основание b, высота hbh/2h/3 от основанияbh³/36bh²/24 (вершина), bh²/12 (основание)h/√18 ≈ 0,236h
Полукруг радиусом r (диаметр внизу)πr²/24r/(3π) ≈ 0,424r от диаметра(π/8 − 8/(9π))r⁴ ≈ 0,1098r⁴≈ 0,1908r³ (вершина), ≈ 0,2587r³ (диаметр)≈ 0,264r
Эллипс: полуоси a (по x), b (по y)πabbπab³/4πab²/4b/2

Для несимметричных сечений (треугольник, полукруг) момент сопротивления различен для верхнего и нижнего волокна: W = I/ymax, где ymax — расстояние от нейтральной оси до соответствующего края. Опасным будет волокно с меньшим W.

Полярные характеристики для кручения

СечениеIp (или Iк)Wp (или Wк)
Круг диаметром dπd⁴/32 ≈ 0,0982d⁴πd³/16 ≈ 0,196d³
Кольцо D × d (c = d/D)πD⁴(1 − c⁴)/32πD³(1 − c⁴)/16
Тонкостенная труба r, t2πr³t2πr²t
Прямоугольник h × b (h ≥ b)βhb³αhb²
Тонкостенный замкнутый контур (площадь внутри средней линии Ω, длина s)4Ω²t/s2Ωtmin
Тонкостенный открытый профиль (полосы hi × ti)≈ Σ hiti³/3Iк/tmax

Коэффициенты α и β для прямоугольника рассчитаны по точному решению задачи Сен-Венана (ряды Фурье):

h/b11,522,5346810∞
α0,2080,2310,2460,2580,2670,2820,2980,3070,3120,333
β0,1410,1960,2290,2490,2630,2810,2980,3070,3120,333

Наибольшее касательное напряжение τmax = T/Wк возникает в середине длинной стороны. Открытые профили (уголок, швеллер, разрезанная труба) сопротивляются кручению в десятки раз хуже замкнутых той же площади: разрезанная вдоль тонкостенная труба становится примерно в 3(r/t)² раз податливее.

Рекламный блок «внутри статьи» (ads/in-article.html)

Перенос и поворот осей

Момент инерции относительно оси, параллельной центральной и отстоящей от неё на расстояние d (теорема Гюйгенса — Штейнера):

I = Ic + A d².

Для составного сечения сначала находят общий центр тяжести yc = Σ Aiyi / Σ Ai, затем суммируют Ici + Ai(yi − yc)². Отверстия учитывают со знаком минус. Главные моменты инерции (экстремальные по всем направлениям):

I1,2 = (Ix + Iy)/2 ± √(((Ix − Iy)/2)² + Ixy²),   tg 2φ = −2Ixy / (Ix − Iy).

Полярный момент инерции равен сумме осевых: Ip = Ix + Iy (для круга Ip = 2Ix).

Коэффициенты приведения длины для расчёта на устойчивость

Критическая сила по Эйлеру Fкр = π²EImin/(μL)², гибкость λ = μL/imin. Коэффициент μ зависит от закрепления концов:

Закрепление концовμ (теоретический)Во сколько раз Fкр больше, чем у шарнирного
Заделка — свободный конец20,25
Шарнир — шарнир11
Заделка — подвижная заделка (без поворота, со смещением)11
Заделка — шарнир0,7≈ 2,05
Заделка — заделка0,54

Формула Эйлера применима при гибкости больше предельной λпр = π√(E/σпц). Для стали Ст3 (E = 206 ГПа, σпц ≈ 200 МПа) λпр ≈ 100, для дерева — около 70, для дюралюминия — около 50–60. При меньшей гибкости используют эмпирическую формулу Ясинского σкр = a − bλ (для Ст3 a = 310 МПа, b = 1,14 МПа) или параболу Джонсона. Реальные заделки не абсолютно жёсткие, поэтому в нормах для заделок часто принимают μ больше теоретического. Расчёт со всеми случаями — в калькуляторе устойчивости стержня.

Рекламный блок «внизу страницы» (ads/bottom.html)