Калькулятор устойчивости сжатого стержня

Рассчитайте сжатый стержень (колонну, стойку, шток) на устойчивость: коэффициент приведения длины, гибкость, критическое напряжение и критическую силу по формуле Эйлера, Ясинского или параболе Джонсона, допускаемую нагрузку и запас устойчивости. Труба, профиль, двутавр или характеристики из сортамента.

Закрепление концов
м
кН
Для стали обычно 1,8–3, для дерева 2,5–3,5
ГПа
МПа
Формула для стержней средней гибкости
МПа
МПа
МПа

Ст3: σпц = 200 МПа, a = 310 МПа, b = 1,14 МПа. Сосна: σпц ≈ 20 МПа, a = 29,3 МПа, b = 0,194 МПа. Для других материалов используйте параболу Джонсона.

Критическая сила Fкр—
Допускаемая сила [F]—
Гибкость λ = μL / imin—
Критическое напряжение σкр—
Минимальный радиус инерции—
Фактический запас устойчивости—

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

Потеря устойчивости

Длинный сжатый стержень может разрушиться не от того, что напряжение достигло предела текучести, а потому, что он внезапно выпучивается вбок. Сила, при которой прямолинейная форма перестаёт быть устойчивой, называется критической. Её превышение опасно: прогиб нарастает лавинообразно, и конструкция складывается.

Формула Эйлера

Fкр = π² · E · Imin / (μ · L)²

Здесь Imin — наименьший момент инерции сечения (стержень выпучивается в сторону наименьшей жёсткости), μ — коэффициент приведения длины, зависящий от закрепления концов: 2 для консоли, 1 для шарнирного опирания, 0,7 для схемы «заделка — шарнир», 0,5 для двух заделок. Произведение μL — расчётная длина, на которой укладывается одна полуволна синусоиды.

Гибкость и границы применимости

Удобнее работать с напряжениями: σкр = π²E / λ², где гибкость λ = μL / imin, imin = √(Imin / A). Формула Эйлера справедлива, пока σкр не превышает предел пропорциональности, то есть при λ ≥ λпред = π√(E / σпц). Для стали Ст3 λпред ≈ 100.

  • Большая гибкость (λ ≥ λпред) — формула Эйлера.
  • Средняя гибкость — эмпирическая формула Ясинского σкр = a − b·λ (для Ст3 действует при λ от 61 до 100) или парабола Джонсона σкр = σт − σт² · λ² / (4π²E).
  • Малая гибкость — стержень не теряет устойчивость, его рассчитывают на сжатие по пределу текучести.
Рекламный блок «внутри статьи» (ads/in-article.html)

Пример

Стойка из трубы 57 × 3,5 мм длиной 3 м с шарнирными концами. Радиус инерции сечения 18,96 мм, гибкость 158 — область Эйлера. Критическое напряжение 78,8 МПа, критическая сила 46,4 кН. При запасе устойчивости 2 стойку можно нагружать силой до 23,2 кН — почти в 4 раза меньше, чем допускает прочность на сжатие. Если укоротить стойку до 1,5 м, гибкость упадёт до 79, и по Ясинскому критическая сила вырастет до 129 кН.

Как повысить устойчивость

  • Уменьшить расчётную длину: добавить промежуточные связи или жёстче закрепить концы.
  • Выбрать сечение с большим радиусом инерции при той же площади: труба устойчивее сплошного круга, квадратная труба — уголка.
  • Сделать сечение равноустойчивым: у двутавра Iy намного меньше Ix, поэтому одиночный двутавр в качестве колонны неэффективен без раскреплений из плоскости.

В строительном проектировании стальные колонны рассчитывают по нормам с коэффициентом устойчивости φ, который учитывает начальные искривления и остаточные напряжения. Результат этого калькулятора — теоретическая критическая сила идеального стержня.

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